應(yīng)用球形和海膽狀金混合SERS基底檢測高環(huán)多環(huán)芳烴

史曉鳳，孟 辰，馬麗珍，馬海寬，張心敏，馬 君

中國海洋大學(xué)光學(xué)光電子實驗室，山東 青島 266100

應(yīng)用球形和海膽狀金混合SERS基底檢測高環(huán)多環(huán)芳烴

史曉鳳，孟 辰，馬麗珍，馬海寬，張心敏，馬 君*

中國海洋大學(xué)光學(xué)光電子實驗室，山東 青島 266100

合成了海膽狀金銀復(fù)合納米材料，并與球形金納米材料混合作為表面增強拉曼活性基底實現(xiàn)了對水中高環(huán)多環(huán)芳烴的痕量檢測。對海膽狀材料進行表征，粒徑大小約為300～400 nm，表面有40～100 nm明顯的刺狀凸起。與球形金溶膠混合后并優(yōu)化pH值及混合比例等參數(shù)，產(chǎn)生了優(yōu)于球形金溶膠2～3倍的增強效果。利用此增強基底檢測了危害嚴重的高環(huán)多環(huán)芳烴污染物——芘(四環(huán))、苯并蒽(四環(huán))、苯并芘(五環(huán))，得到的光譜數(shù)據(jù)反映出混合SERS基底有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，對測得光譜進行特征峰歸屬分析，固體拉曼光譜與水溶液SERS光譜有確定的對應(yīng)關(guān)系，并且在低濃度范圍多環(huán)芳烴特征峰峰強與其水溶液濃度有良好的線性關(guān)系。經(jīng)計算，芘(四環(huán))、苯并蒽(四環(huán))、苯并芘(五環(huán))的檢測限分別為0.44，2.92和1.64 nmol·L-1。該研究的創(chuàng)新點為合成了海膽金納米顆粒，與球形金溶膠混合后制成新型高效SERS檢測基底； 選用自制高效SERS基底，實現(xiàn)了高環(huán)PAHs痕量檢測。結(jié)果表明，利用該方法制備的活性基底，可實現(xiàn)對水中高環(huán)多環(huán)芳烴的痕量檢測，為檢測水中高環(huán)多環(huán)芳烴提供了實驗室依據(jù)。

表面增強拉曼光譜； 海膽狀納米材料； 高環(huán)多環(huán)芳烴

引 言

多環(huán)芳烴(polycycle aromatic hydrocarbons, PAHs)是指含有兩個及以上的苯環(huán)或雜環(huán)的有機化合物。有機物的不充分燃燒及石油泄漏等都可能產(chǎn)生多環(huán)芳烴，對空氣、海洋、土壤等造成污染，同時由于多環(huán)芳烴幾乎不溶于水且難于自然降解，所以很容易積聚到有害濃度，進而直接或間接進入人體、動物體，對人體、動物體有致癌、致畸、致突變的危害。其中，高環(huán)的多環(huán)芳烴(4～6環(huán))危害尤其嚴重，如熟知的苯并芘就是其中代表，對水環(huán)境中PAHs濃度的實時檢測與監(jiān)控有重要的意義。傳統(tǒng)的檢測多環(huán)芳烴的方法主要有氣相色譜法、液相色譜法以及毛細管電泳法等。這些方法優(yōu)點在于有較高的靈敏度，缺點是前期處理和富集濃縮過程復(fù)雜，并且無法用于現(xiàn)場探測[1]。表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering，SERS)效應(yīng)于20世紀70年代由Fleischmann，Van Duyne和Creighton三個研究組分別獨立發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SERS技術(shù)已經(jīng)成為一種成熟可靠的分析檢測手段。利用納米基底對檢測物的增強效應(yīng)，可以使得拉曼信號提高十幾個數(shù)量級，并且能有效的抑制熒光，可實現(xiàn)現(xiàn)場實時檢測。已廣泛應(yīng)用于海洋、大氣、土壤等各種方面的環(huán)境監(jiān)測及其他領(lǐng)域[2]。

國內(nèi)外有較多利用SERS技術(shù)進行PAHs檢測的報道。Xie等用杯芳烴等分子修飾基底材料，再通過這些分子與PAHs分子相互作用產(chǎn)生銜接使其靠近了基底分子，增強了SERS效應(yīng)[1]。以往的工作用一步法合成了粒徑大約50 nm的胡敏酸修飾的銀納米顆粒作為基底探測了熒蒽、芘、苯并芘等多種多環(huán)芳烴，得到芘和苯并芘的檢出限(limit of detection, LOD)為550和13 nmol·L-1[3]。法國MohamedDribek等使用金納米顆粒為基底，探測了二硫代雙硝基苯甲酸(DSNB)修飾的苯并芘，最低檢測濃度達到了2 nmol·L-1。本小組通過在球形金溶膠與PAHs溶液混合后再加入NaOH溶液調(diào)節(jié)pH，探測了萘、菲、芘等多環(huán)芳烴[4]。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，海膽狀金銀復(fù)合納米材料因為表面有凸起的粗糙結(jié)構(gòu)，增強了表面附近的等離子激元共振，相對于球形金溶膠有更佳的增強效果[5]。但是本小組發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用于對PAHs的檢測時未取得良好的效果，究其原因，是海膽狀金銀復(fù)合納米溶膠對PAHs的吸附能力遠不如金納米溶膠。因此本研究選取海膽狀金銀復(fù)合納米溶膠與球形金溶膠混合并調(diào)pH至13以促進聚合，達到最好的檢測效果。使混合基底對PAHs同時擁有粗糙結(jié)構(gòu)的增強效果和良好的吸附環(huán)境。本文使用混合SERS基底，以便攜式拉曼光譜儀為探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對三種高環(huán)多環(huán)芳烴(芘、苯并芘、苯并蒽)的SERS檢測，同時研究獲得了高環(huán)PAHs溶液的配制方法。

1 實驗部分

1.1 儀器及材料

硝酸銀(AgNO3)、檸檬酸三鈉、硼氫化鈉(NaBH4)、氯金酸(HAuCl4·4H2O)、甲醇、氨水均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司，左旋多巴(L-Dopa)購自AlfaAesca公司，超純水采自中國海洋大學(xué)化工化學(xué)學(xué)院。恒溫磁力攪拌器(RCT basic, 德國IKA公司)、高速離心機(TG16-WS，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司)。

為將來的現(xiàn)場探測研究，實驗室拉曼系統(tǒng)采用Ocean Optics公司的便攜式QE65000系列拉曼光譜儀，其分辨率為6 cm-1，激發(fā)波長為785 nm。

1.2 溶膠制備

本文所用金溶膠參考Frens法[6]，使用檸檬酸鈉作為還原劑加熱還原氯金酸，反應(yīng)生成了粒徑50 nm的金納米顆粒。做好的金納米溶膠呈磚紅色，冷卻后待用。

金銀復(fù)合材料的合成參照文獻[7]。第一步是銀納米種子制備，采用硼氫化鈉和檸檬酸鈉還原硝酸銀溶液的方法來合成小尺寸納米晶種。配置10 mmol·L-1濃度的檸檬酸鈉溶液和AgNO3溶液，混合后攪拌均勻。然后加入一定量的NaBH4溶液，溶液顏色變?yōu)榈S色并穩(wěn)定在深灰黃色。第二步是修飾晶種表面增加粗糙度，將第一步制得的晶種溶液加入氯金酸中充分混合后，再加入L-Dopa溶液在晶種表面進一步還原，溶液由黃色變?yōu)楹诰G色，整個反應(yīng)在10 ℃恒溫下進行。所制得材料由甲醇水溶液及氨水洗兩次，超純水洗兩次。合成的納米顆粒表面有大量的刺狀突起。最終制得的金銀復(fù)合納米溶膠在4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 標(biāo)準(zhǔn)PAHs溶液的配置與檢測

PAHs在水中溶解度極低，而其在水環(huán)境中的溶解度隨分子環(huán)數(shù)的增加迅速下降，為標(biāo)準(zhǔn)液的配置帶來了很大的困難。使用甲醇、乙醇、丙酮等常見的有機溶劑對PAHs溶解比較，發(fā)現(xiàn)使用甲醇效果最佳，既可使PAHs充分溶解，又不影響對PAHs的SERS探測。因此選取甲醇作為高濃度PAHs稀釋的主要溶劑。低濃度的PAHs溶液通過對高濃度的PAHs甲醇溶液用超純水稀釋獲得。以芘為例，首先配置芘濃度1 mmol·L-1的甲醇溶液，充分攪拌2 h。然后取4 mL母液用甲醇稀釋100倍，配置40 μmol·L-1甲醇溶液，然后再次用甲醇稀釋100，200和400倍得到400，200和100 nmol·L-1醇溶液。利用上述濃度醇溶液，按照醇與水的比例1∶100等比例稀釋目標(biāo)待測溶液，既可以保證PAHs的充分溶解，又將甲醇對SERS探測的影響降到最低。

為了模擬檢測水環(huán)境中的高環(huán)數(shù)強致癌的PAHs檢測，選用三種高環(huán)PAHs——芘(四環(huán))、苯并芘(五環(huán))、苯并蒽(四環(huán))水溶液為典型。使用金銀海膽狀復(fù)合材料與球形金納米溶膠混合基底作為納米活性基底進行SERS檢測。探測時，到達樣品表面的激光功率為80 mW，積分時間10 s，對樣品連續(xù)采五次光譜。并用origin 9.0軟件取平均后再減背景、減基線處理，得到SERS光譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米基底的表征

圖1為三種納米材料的吸收光譜，金銀海膽狀復(fù)合材料在636 nm附近有吸收峰，而球形金溶膠調(diào)節(jié)pH后吸收峰位于540 nm，所用混合基底在543 nm有一個比較明顯的吸收峰，相對金納米溶膠有了3 nm的紅移，并且海膽狀復(fù)合材料吸收峰的位置有微弱的吸收峰?；旌匣孜展庾V整體強度有所提高也反映了材料的緊密程度的增加。圖2中是納米材料的SEM圖，圖2(a)為金銀海膽狀復(fù)合材料的SEM圖，右上角是放大后的表面凸起部分。粒徑大約300～400 nm。其中內(nèi)核部分大約為300 nm，而邊緣的凸起部分長度在40～100 nm之間。圖2(b)為混合基底的SEM圖。金銀海膽狀復(fù)合納米材料與球形金溶膠混合后再調(diào)節(jié)pH，兩種納米材料緊密的結(jié)合在一起。填充在金銀復(fù)合顆粒間隙的球形金溶膠共同作用產(chǎn)生了更強的電磁場，促進了熱點的形成。

圖1 溶膠溶液吸收光譜

a： Mixed colloid solution (pH 13) of Au nanosphere and Au-Ag alloy nanourchin;b： Au nanosphere colloid solution with pH 13;c： Au-Ag alloy nanourchin colloid solution

所制得粒徑約50 nm的球形金溶膠，按照25∶1的比例與金銀海膽狀復(fù)合材料混合，并加入NaOH調(diào)節(jié)pH值為13以促進納米顆粒聚合，以10 nmol·L-1芘溶液作為探針，分別以球形金溶膠和金銀海膽狀復(fù)合材料作為基底，在相同條件下探測了光譜，結(jié)果如圖3所示。其中，空白基底也存在一定的拉曼峰，這是表面增強拉曼活性材料本身的散射峰造成的?？梢钥闯?，590，1 060，1 237，1 400和1 612 cm-1等處拉曼峰都有了明顯的增強，提高了約3倍。對苯并蒽和苯并芘有相同的增強效果。

圖2 納米粒子掃描電鏡圖

(a)： SEM image of Au-Ag alloy nanourchin; (b)： SEM image of mixture Au nanosphere and Au-Ag alloy nanourchin

圖3 不同溶膠基底下10 nmol·L-1芘的SERS光譜

a: Mixed colloid with pH 13;b: Gold colloid solution with pH 13;

c: Blank

2.2 高環(huán)PAHs的SERS探測

圖4 芘溶液SERS光譜及固體拉曼譜

a: 芘固體拉曼譜； SERS光譜b: 20 nmol·L-1;c: 5 nmol·L-1;d: 0.5 nmol·L-1;e: 空白

Fig.4 Raman spectra and SERS spectrum of pyrene solution

a: Raman spectrum of solid pyrene; SERS spectrum ofb: 20 nmol·L-1;c: 5 nmol·L-1;d: 0.5 nmol·L-1;e: blank

圖5 芘溶液濃度與拉曼強度關(guān)系(590和1 237 cm-1)

Fig.5 Dependence of Raman intensity (at 590 and 1 237 cm-1) on concentration of pyrene solution

圖6為混合基底探測的不同濃度和空白樣本的SERS光譜圖, 圖6a為苯并芘固體的拉曼光譜圖。可看出，固體中可以檢測出612，1 213，1 236和1 386 cm-1等多個拉曼峰。其中612 cm-1為C—H面外彎曲振動，1 213，1 236和1 386 cm-1為C—H面內(nèi)彎曲振動及微弱的環(huán)呼吸振動[11]。在苯并芘溶液中可以探測到609，1 235和1 376 cm-1處的拉曼峰，與固體相比有1～3 cm-1的頻移。隨著濃度的降低，峰強逐漸減弱，在2 nmol·L-1時，特征峰依然可見。圖7是609與1 235 cm-1處的拉曼峰強度與濃度線性擬合曲線。在一定濃度范圍內(nèi)，拉曼特征峰強度與濃度有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.997與0.967。選取609 cm-1處拉曼峰計算得到檢測限為1.64 nmol·L-1。

圖6 苯并芘溶液SERS光譜及固體拉曼譜

a: 苯并芘固體拉曼譜; SERS光譜b: 20 nmol·L-1;c: 10 nmol·L-1;d: 2 nmol·L-1;e: 空白

Fig.6 Raman spectra and SERS spectrum of Benzo[a]pyrene solution

a: Raman spectrum of solid Benzo[a]pyrene; SERS spectrum ofb: 20 nmol·L-1;c: 10 nmol·L-1;d: 2 nmol·L-1;e: blank

圖7 苯并芘溶液濃度與拉曼強度關(guān)系(609和1 235 cm-1)

Fig.7 Dependence of Raman intensity (at 609 and 1 235 cm-1) on concentration of Benzo[a]pyrene solution

圖8為不同濃度苯并蒽及空白的SERS光譜圖，圖8a作為對照的固體拉曼光譜。固體譜中，可以探測到722，793，1 261，1 338，1 391，1 426和1 560 cm-1處的拉曼特征峰。其中，722和793 cm-1為C—H面外彎曲振動，1 261，1 338，1 391，1 426和1 560 cm-1為C—C環(huán)伸縮振動及C—H面內(nèi)彎曲振動[9]。30 nmol·L-1苯并蒽溶液的SERS譜中570，717，789，1 033和1 256 cm-1處有明顯的拉曼特征峰，與固體相比有2～5 cm-1的頻移，隨著濃度降低，拉曼峰強度逐漸降低。圖9是717和789 cm-1處的拉曼特征峰強度與苯并蒽溶液濃度線性擬合曲線，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.997與0.994。選取717 cm-1拉曼特征峰計算得到苯并蒽溶液檢測限為2.92 nmol·L-1。

圖8 苯并蒽溶液SERS光譜及固體拉曼譜

a: 苯并蒽固體拉曼光譜; SERS光譜b: 20 nmol·L-1;c: 10 nmol·L-1;d: 5 nmol·L-1;e: 空白

Fig.8 Raman spectra and SERS spectrum of Benzoanthracene solution

a: Raman spectrum of solid Benzoanthracene; SERS spectrum ofb: 20 nmol·L-1;c: 10 nmol·L-1;d: 5 nmol·L-1;e: blank

圖9 苯并蒽溶液濃度與拉曼強度關(guān)系(717和789 cm-1)

Fig.9 Dependence of Raman intensity (at 717 and 789 cm-1) on concentration of Benzoanthracene solution

結(jié)果表明所制備的混合基底有良好的SERS活性，產(chǎn)生了比球形金溶膠更好的增強效果，并且由于L-dopa的作用下，可以更好的結(jié)合多環(huán)芳烴，促進對多環(huán)芳烴的特征吸附[12]?？梢钥闯觯谝欢ǚ秶鷥?nèi)，溶液濃度與拉曼峰強度變化有良好的線性關(guān)系且多次測量的方差較小，說明表面增強基底材料有良好的穩(wěn)定性并且實驗有良好的重復(fù)性，在定量探測分析PAHs中有較大的應(yīng)用潛力。

混合SERS基底對PAHs產(chǎn)生了顯著的拉曼增強，原因有以下幾點： 第一，金銀海膽狀復(fù)合結(jié)構(gòu)是銀納米種子作為生長的核心，突起的金納米材料作為外殼。銀納米粒子的引入使金和銀產(chǎn)生了耦合作用，這使得金在基底中的電磁性質(zhì)逐漸趨向于銀。后期摻入金納米顆粒更加強了這種耦合效應(yīng)。并且產(chǎn)生了比單純的金或者銀納米材料更好的SERS效應(yīng)[13]。第二，金銀海膽狀復(fù)合材料尖銳的邊角形成了枝裝結(jié)構(gòu)，其納米級別的間隙充當(dāng)了電磁增強的熱點位，這可能是多枝狀金納米粒子SERS活性更強的原因。第三，研究表明，不規(guī)則的團簇SERS活性優(yōu)于類球形的顆粒，緊密接觸的球形顆粒優(yōu)于分立的類球形顆粒的SERS活性。在金銀海膽狀復(fù)合材料與球形金溶膠顆?；旌虾?，再加入NaOH使其聚合成團簇，使得兩種材料更緊密的接觸，同時增強了不規(guī)則性。

3 結(jié) 論

海膽狀復(fù)合材料與球形金溶膠混合并調(diào)節(jié)其pH值為13作為SERS基底，使用便攜式拉曼探測系統(tǒng)，探測了芘(四環(huán))、苯并蒽(四環(huán))及苯并芘(五環(huán))三種高環(huán)的強致癌物多環(huán)芳烴。檢測限分別為0.44，2.92和1.64 nmol·L-1。相對于傳統(tǒng)的球形金溶膠SERS基底，拉曼信號有2～3倍的增強，并且在低濃度范圍有良好的線性關(guān)系。結(jié)果表明，所制備的納米基底可以適用于水環(huán)境中高環(huán)數(shù)PAHs的痕量檢測，并有潛力實現(xiàn)PAHs的現(xiàn)場、快速、實時檢測。

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(Received Feb. 14, 2015; accepted Jun. 16, 2015)

*Corresponding author

Detection of High Molecular Weight Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Mixed Colloid Solution of Spherical Au and Urchin-Like Au-Ag Alloy with Surface-Enhanced Raman Scattering

SHI Xiao-feng, MENG Chen, MA Li-zhen, MA Hai-kuan, ZHANG Xin-min, MA Jun*

Optics & Optoeletronics Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China

In this paper, Au nanosphere and Au-Ag alloy nanourchin were prepared by reducing the chloroauric acid. The mixed colloid solutions of Au nanosphere and Au-Ag alloy nanourchin were used as surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate to detect polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in aqueous solution. The size of Au-Ag alloy nanourchin particle was about 300～400 nm and the thorn-like bulge covered on it was about 40～100 nm. The mixed colloid solutions of Au nanosphere and Au-Ag alloy nanourchin which were optimized pH values and other parameters presented a better enhancement than Au nanosphere. The enhancement effect was about three times that of Au nanosphere colloid solution. Three kinds of high molecular weight PAHs, pyrene(4 rings), benzoanthracene(4 rings) and benzo[a]pyrene(5 rings), were detected. The results showed that there were good linear relationships between Raman intensity and concentration in the low concentration range and the mixed SERS substrate had a good reproducibility and stability. Their limits of detection (LODs) were 0.44, 2.92 and 1.64 nmol·L-1, respectively. The innovation of this paper was that the mixed colloid solutions of Au nanosphere and Au-Ag alloy nanourchin are prepared as SERS substrate and the trace-level high molecular weight PAHs are detected. The results show that the detection of trace-level high molecular weight PAHs in aqueous can be realized using the mixed SERS substrate prepared in this study, which proposed an in-situ method for detecting the high molecular weight PAHs in aqueous.

Surface-enhanced Raman scattering (SERS); Au-Ag alloy nanourchin; High molecular weight PAHs

2015-02-14，

2015-06-16

國家自然科學(xué)基金項目(41476081)，中國博士后科學(xué)基金項目(2013M530330)，山東省自然科學(xué)基金項目(2013BSE29025)，青島市科技計劃基礎(chǔ)研究項目[12-1-4-1-(1)-jch，14-2-4-96-jch]

史曉鳳，女，1979年生，中國海洋大學(xué)光學(xué)光電子實驗室副教授 e-mail: shixiaofeng@ouc.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: majun@ouc.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2128-06