馬玉琪,李磊,施浩洋,張仲鑫,李沛然,王聰,秦苗

(宿州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,安徽 宿州 254000)

隨著人類工業(yè)文明的發(fā)展進(jìn)步,水資源污染問題每況愈下,研發(fā)出可以快速檢測水質(zhì)、及時掌握水體動態(tài)變化的檢測新方法具有十分深遠(yuǎn)的意義?？兹甘G(Malachite Green,MG)作為一種人工合成的有機(jī)染料,常用于陶瓷、紡織、細(xì)胞化學(xué)染色等,但更為人們所熟知的用途是其具有殺滅霉菌的藥效,長期用于水產(chǎn)品養(yǎng)殖的驅(qū)蟲、殺菌以及防腐等方面[1-3]。隨著研究的不斷深入,孔雀石綠的安全性遭到質(zhì)疑,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)其具有高毒性、高致癌、致突變和致畸的毒副作用,已被多個國家明令禁止使用,是水體污染和水產(chǎn)品安全中重點(diǎn)監(jiān)控的污染物[4]。水產(chǎn)養(yǎng)殖禁止使用孔雀石綠幾乎家喻戶曉,但水產(chǎn)品中孔雀石綠的殘留卻時有發(fā)生。

現(xiàn)如今主要通過高效液相色譜法(HPLC)[5]和高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(LC-MS)[6]等方法來進(jìn)行孔雀石綠的檢測,雖然這些方法具有分離效率高、檢測靈敏度高的優(yōu)勢,但對于水體動態(tài)環(huán)境的實(shí)時檢測分析卻存在著檢測時間長、成本高、預(yù)處理復(fù)雜等劣勢[7]。因此,研究出能快速檢測動態(tài)水體中孔雀石綠殘留的新方法對保護(hù)水體環(huán)境有著積極的意義。

表面增強(qiáng)拉曼光譜法是一種新興的快速檢測方法,近年來得到了廣泛的研究與應(yīng)用[8]。由于拉曼信號較弱,需通過將被測物吸附在某些粗糙的表面或金屬納米顆粒表面時(Ag、Au、Cu等),這樣可使得被測物質(zhì)的拉曼散射產(chǎn)生極大的增強(qiáng)效應(yīng)[9-11]。同時,與紅外光譜不同,水分子的拉曼信號可忽略不計(jì),更適合對含水物質(zhì)進(jìn)行分析檢測[12]。因此,SERS分析技術(shù)由于前處理簡單、靈敏性高、檢測快速[13],為水體中孔雀石綠的檢測帶來了新的機(jī)遇。本研究建立了測定模擬真實(shí)水體中孔雀石綠污染的SERS檢測方法,簡單、高效、低損耗,在實(shí)際生活中有良好的應(yīng)用前景。

本實(shí)驗(yàn)利用種子生長法制備金納米立方體,使用掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外-可見分光光度(UV-Vis)等方法對金納米立方體的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。并選用CV作為拉曼探針分子測定金納米立方體基底的SERS增強(qiáng)性能。進(jìn)一步將MG粉末添加至湖水中,模擬真實(shí)水體中MG污染,以金納米立方體為SERS基底,利用拉曼光譜儀測其SERS光譜。研究建立了測定真實(shí)水體中MG的SERS分析方法,檢測效率高、成本低,具有實(shí)際應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

濃鹽酸,分析純,上海蘇懿化學(xué)試劑有限公司;濃硝酸,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;雙氧水,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;結(jié)晶紫(CV),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;L-抗壞血酸(AA),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氯金酸(HAuCl4),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;孔雀石綠(MG),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;十六烷基三甲基溴化銨(CTAB),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硼氫化鈉(NaBH4),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水均為宿州學(xué)院自制Milli-Q的超純水。

1.2 儀器

表面拉曼光譜儀,XPLORA PLUS型,法國HORIBA Jobin Yvon;超級恒溫水浴鍋,HK-2A型,南京南大萬和科技有限公司;臺式高速離心機(jī),JW-3021H型,安徽嘉文儀器裝備有限公司;數(shù)顯恒溫磁力攪拌器,HJ-3型,金壇市杰瑞爾電器有限公司;紫外分光光度計(jì),UV-5700型,日立科學(xué)儀器(北京)有限公司;數(shù)控超聲波清洗器,KQ5200DB型,昆山市超聲儀器有限公司;聚焦離子束顯微鏡(FIB-SEM),Zeiss Auriga Compact型,德國ZEISS公司;電子天平,FA1004N型,上海菁海儀器有限公司;多用途混勻儀,MTX2000型,杭州瑞城儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 金納米立方體的合成

首先,配制種子液,將103 μL氯金酸(HAuCl4)水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%)和897 μL十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)水溶液(75 mmol/L)混合均勻。然后快速加入用冰水現(xiàn)配的0.6 mL硼氫化鈉(NaBH4)水溶液(10 mmol/L),溶液立刻變?yōu)椴韬稚?并用磁力攪拌器攪拌5 min。溫度為25 ℃,靜置2 h,備用。

接著,配制生長液,向21.33 μL十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)水溶液(75 mmol/L)中加入790 μL氯金酸(HAuCl4)水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%)輕輕振動混勻,再加入99.19 mL抗壞血酸(AA)水溶液(0.645 mmol/L)輕輕搖晃數(shù)秒后,溶液立刻變成紅色。

最后,邊攪拌邊向25 mL的生長液中加入12.5 μL稀釋10倍的金種子溶液,靜置8 h。

1.3.2 金納米立方體SERS基底的制備

吸取適量上述溶液于1.5 mL的離心管中,進(jìn)行離心(離心機(jī)參數(shù)設(shè)置為10 000 r/min,12 min)。離心結(jié)束后除去上層清液,其目的是除去金納米立方體的表面活性劑,再加入適量的超純水,放置于混勻儀中震蕩搖勻。重復(fù)上述離心操作,除去上層清液后,吸取2～3 μL上述離心產(chǎn)物滴在洗凈的硅片上,待自然晾干備用。

1.3.3 金納米立方體基底的SERS性能表征

稱取0.004 1 g的結(jié)晶紫(crystal violet,CV)于15 mL離心管中,加入超純水定容至10 mL,配置成1×10-3mol·L-1的CV待測溶液,然后依次稀釋到10-6,10-7,10-8,10-9mol·L-1。取2 μL不同濃度的CV溶液滴在上述制備好的基底上,等待自然風(fēng)干,留一個空白基底作為對照。進(jìn)行SERS檢測,拉曼光譜儀的檢測參數(shù)設(shè)置:激發(fā)波長為633 nm,積分時間為1 s,激發(fā)功率為500 mW,光譜范圍為400～1 800 cm-1。

1.3.4 孔雀石綠標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備及SERS檢測

稱取0.004 64 g孔雀石綠粉末,溶解于約5 mL超純水中,并定容至10 mL容量瓶中,配得1×10-3mol·L-1的MG標(biāo)準(zhǔn)溶液。然后依次用超純水稀釋到濃度為10-6,10-7,10-8,10-9,10-10mol·L-1,備用。用移液槍依次取2 μL不同濃度的孔雀石綠待測溶液滴至基底上,并留一個空白基底作為對照。自然晾干后,進(jìn)行SERS檢測。

1.3.5 真實(shí)水體中孔雀石綠的配置及SERS檢測

從學(xué)校珍珠湖取水100 mL,按上述操作步驟配得1×10-3mol·L-1的真實(shí)水體MG儲備液。然后依次用湖水稀釋,分別配制成濃度為10-6,10-7,10-8,10-9mol·L-1的真實(shí)水體MG待測溶液,備用。取上述不同濃度的孔雀石綠待測溶液2 μL滴在基底上,留一個空白基底加湖水作為對照。等待自然風(fēng)干,利用拉曼光譜儀測得樣品圖譜。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金納米立方體的形貌表征

利用紫外分光光度計(jì)對樣品進(jìn)行紫外表征,吸取適量合成好的金納米立方體溶膠置于石英比色皿中進(jìn)行吸光度測試,波長范圍設(shè)定為300～900 nm。紫外-可見吸收光譜測試結(jié)果表明該金納米立方體約在574 nm處有一個較為尖銳的表面等離子體共振吸收峰,表明制備出了金納米立方體,且金納米立方體具有一定的分散性,如圖1所示。

圖1 金納米立方體的紫外-可見光譜圖

利用掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行形貌觀測,取上述合成好的金納米立方體溶膠1 200 μL放入1.5 mL的離心管中,進(jìn)行離心。離心后用移液槍吸去上層清液,目的是除去表面活性劑。接著進(jìn)行第二次離心,同樣去除上層清液。然后加入少量純水,振蕩搖勻。取少量溶液滴于硅片上,等待其自然干燥。并進(jìn)行掃描電鏡檢測,如圖2所示,金納米立方體很大程度上被合成出來,但是也有少量其他形貌的納米顆粒,這在種子生長法制備納米材料時有發(fā)生,文獻(xiàn)報道,使用種子生長法制備粒徑約為100 nm左右的金納米立方體的產(chǎn)率大概為70 %[14]。圖2a右上角中插入了單個金納米立方體的SEM圖像,顆粒大小約為100 nm。圖2b為金納米立方體的尺寸分布直方圖,顯示顆粒的平均粒徑約為102 nm。

(a)金納米立方體SEM表征圖(右上角插圖為單個納米立方體的SERS圖像);(b)金納米立方體的粒徑分布圖

2.2 金納米立方體基底的SERS檢測靈敏性與重現(xiàn)性表征

為了考察金納米立方體基底的SERS檢測靈敏度和重現(xiàn)性,使用新制的SERS基底對不同濃度的CV溶液進(jìn)行測試。如圖3所示,使用金納米立方體作為SERS基底檢測10-6mol/L CV,隨機(jī)采集50條光譜,SERS光譜表現(xiàn)出較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。如圖4所示,在10-6mol/L CV的五十條光譜圖中1 619 cm-1處峰強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)= 15.33% <20%,說明金納米立方體基底的SERS檢測信號均勻性良好。如圖5所示,是金納米立方體吸附不同濃度CV的SERS譜圖,從圖中可以很明顯看出,在439,797,938,1 171,1 615 cm-1處[15]存在著很明顯的特征峰。如圖6所示,隨著CV濃度的降低,SERS信號也不斷降低,檢測最低濃度達(dá)到10-9mol/L。因此,基于上述SERS譜圖,可以初步說明金納米立方體基底可以有效放大目標(biāo)物的信號。

圖3 10-6 mol/L CV的50條SERS光譜圖

圖4 金納米立方體吸附10-6 mol/L CV 1 619 cm-1處的特征峰點(diǎn)的50條柱狀圖

圖5 金納米立方體作為基底檢測不同濃度(10-6～10-9 mol/L)CV的SERS光譜圖

圖6 金納米立方體吸附不同濃度(10-6～10-9 mol/L)的CV 1 619 cm-1處特征峰的點(diǎn)線圖

2.3 孔雀石綠標(biāo)準(zhǔn)溶液的SERS檢測

利用拉曼光譜儀測定不同濃度的MG標(biāo)準(zhǔn)溶液。如圖7a所示,圖中436,916,1 174,1 367,1 616 cm-1處均是MG的特征峰[16],SERS信號的強(qiáng)度隨著MG濃度的降低而逐漸降低,檢測限可低至10-10mol/L。為探究SERS峰強(qiáng)度與濃度之間的關(guān)系,在圖7b中建立了MG在1 616 cm-1處SERS峰強(qiáng)度與濃度對數(shù)的點(diǎn)線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,制備的金納米立方體基底可用于對MG標(biāo)準(zhǔn)溶液的高靈敏度SERS檢測,說明SERS技術(shù)應(yīng)用在MG標(biāo)準(zhǔn)溶液檢測方面具有巨大應(yīng)用潛力。

(a)SERS光譜圖;(b)在1 619 cm-1處特征峰的點(diǎn)線圖

2.4 真實(shí)水體中孔雀石綠的SERS檢測

為探究金納米立方體基底在實(shí)際樣品中的測試性能,以學(xué)校珍珠湖湖水為溶劑制備MG溶液,并利用拉曼光譜儀測定其檢測極限以及重現(xiàn)性。如圖8所示,分別是滴加10-6,10-7,10-8,10-9mol/L四個濃度的MG實(shí)際水樣以及湖水的SERS譜圖。圖中可以清晰看到436,916,1 174,1 367,1 616 cm-1處MG的特征峰,檢測限可低至10-9mol/L。由于10-8,10-9mol/L濃度在圖8的SERS譜線并不明顯,特將10-7,10-8,10-9mol/L時的MG實(shí)際水樣SERS譜線進(jìn)一步作圖,如圖9,可以看出真實(shí)水樣中10-9mol/L的MG特征峰仍能清晰辨別。同時為探究金納米立方體基底對MG實(shí)際水樣的重復(fù)性,使用金納米立方體作為SERS基底檢測10-7mol/L MG,隨機(jī)采集30條光譜,如圖10所示。如圖11所示,對MG 1 616 cm-1處的特征峰的30個點(diǎn)SERS強(qiáng)度進(jìn)行相對標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算,得到RSD= 17.96% <20%,SERS光譜表現(xiàn)出較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。所得結(jié)果表明,在實(shí)際應(yīng)用中,可用制備的金納米立方體基底檢測真實(shí)水體中MG溶液,為SERS技術(shù)應(yīng)用在真實(shí)水體中MG溶液檢測提供了可能性。

圖8 金納米立方體作為基底檢測不同濃度(10-6～10-9 mol/L)MG真實(shí)水樣以及湖水的SERS光譜圖

圖9 金納米立方體作為基底檢測不同濃度(10-7～10-9 mol/L)的MG真實(shí)水樣的SERS光譜圖

圖10 金納米立方體作為基底檢測10-7 mol/L MG真實(shí)水樣的30條SERS光譜圖

圖11 金納米立方體作為基底檢測10-7 mol/L MG真實(shí)水樣在1 619 cm-1處特征峰點(diǎn)的30條柱狀圖

3 結(jié)論

以種子生長法制備金納米立方體,利用SEM和UV-Vis方法對合成的金納米立方體進(jìn)行表征,表明制備出形貌均一的金納米立方體。并選用CV作為拉曼探針分子測定金納米立方體基底的SERS增強(qiáng)性能。結(jié)果表明,金納米立方體對CV的檢出限為10-9mol/L,1 619 cm-1處的RSD為15.33%,表現(xiàn)出良好的檢測靈敏性和重現(xiàn)性。使用金納米立方體作為SERS基底測定水體污染物孔雀石綠標(biāo)準(zhǔn)溶液,檢測極限可達(dá)10-10mol/L。最后,將MG標(biāo)準(zhǔn)添加至真實(shí)湖水中模擬真實(shí)水樣,無需任何前處理,可以檢測到濃度低于10-9mol/L的MG。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用SERS方法對真實(shí)水體孔雀石綠進(jìn)行檢測準(zhǔn)確可靠、選擇性強(qiáng)、靈敏性高,表明該技術(shù)有望應(yīng)用到實(shí)際生活中真實(shí)水體中孔雀石綠的檢測。