基于分子印跡的高選擇性表面增強(qiáng)拉曼納米探針制備及其在環(huán)境污染物快速檢測(cè)中的應(yīng)用

楊圓圓，李原婷

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418)

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，許多新興化學(xué)品相繼出現(xiàn)，如抗生素、增塑劑、全氟化合物、新型阻燃劑、興奮劑等。它們被人類大量使用，在環(huán)境中廣泛存在，但卻缺乏相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；且新興化學(xué)品可以通過多種途徑進(jìn)入環(huán)境與人體，有潛在的生態(tài)和健康威脅。水體新興污染物(emerging contaminants,ECs)水溶性高，在環(huán)境水體中含量較低，并且部分ECs是結(jié)構(gòu)類似物，因此對(duì)其的有效分離和分析是極大的挑戰(zhàn)。目前，ECs的主流檢測(cè)手段有HPLC-MS/MS(高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用)和GC-MS(氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用)等[1-2]。但是此類方法通常具有檢測(cè)設(shè)備昂貴、設(shè)備不方便攜帶、需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理步驟和檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)等不足，因而亟需開發(fā)選擇性高、靈敏度好、且簡(jiǎn)單、快速、便于攜帶的ECs分析技術(shù)。

表面增強(qiáng)拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)作為一種新興的分析技術(shù)，可以快速原位獲取分子的“指紋”光譜，檢測(cè)靈敏度高，且儀器便攜，適用于新興污染物的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)[3-4]。但是由于實(shí)際樣品基體往往十分復(fù)雜，目標(biāo)污染物的結(jié)構(gòu)類似物較多，或者在樣品中含量非常低，因而要求分析方法有較好的抗干擾能力和較高的靈敏度[5]。而分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymer,MIP)技術(shù)的原理是，當(dāng)模板分子(目標(biāo)分子)與聚合物相結(jié)合，會(huì)形成多重作用位點(diǎn)并被“記憶”下來，當(dāng)模板分子去除后，MIP中就形成與模板分子空間構(gòu)型和尺寸相匹配的空穴，因而對(duì)模板分子具有高度選擇識(shí)別特性，能在復(fù)雜基體中特異性分離和識(shí)別出目標(biāo)物[6-7]。因此，將MIP與SERS技術(shù)相結(jié)合，能有效提高分析方法的分離富集能力和檢測(cè)選擇性[8-10]。

在現(xiàn)階段的研究工作中，本課題組制備了一系列基于MIP技術(shù)的高選擇性SERS納米探針，并將其應(yīng)用于水體污染物的快速檢測(cè)中。首先利用綠色的電化學(xué)制備技術(shù)，將修飾于絲網(wǎng)印刷電極(SPE)表面的薄層二硫化鉬(MoS2)進(jìn)行電化學(xué)還原，得到還原態(tài)二硫化鉬修飾電極(rMoS2/SPE)。電化學(xué)還原法制備的rMoS2可迅速將正六價(jià)的氧化態(tài)Mo還原成正四價(jià)的還原態(tài)Mo，并且將氧化態(tài)二硫化鉬上所附帶的氧化基團(tuán)徹底除去，穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步增加比表面積、電導(dǎo)率和電子轉(zhuǎn)移速率，提高修飾電極的導(dǎo)電能力。進(jìn)一步采用循環(huán)伏安法同時(shí)電聚合鄰苯二胺單體，模板分子和電還原SERS活性的金納米顆粒(AuNPs)，一步形成三維多孔結(jié)構(gòu)的分子印跡SERS探針AuNPs-MIP/rMoS2/SPE。將該探針中的模板分子洗脫后，即可形成與模板分子空間構(gòu)型相匹配的識(shí)別位點(diǎn)(見圖1)。該納米探針制備過程簡(jiǎn)單快速，聚合物膜厚度可控，穩(wěn)定性高，重復(fù)性好。將該探針應(yīng)用于興奮劑類物質(zhì)茶堿的定性定量分析，檢出限低至10-11mol/L。在復(fù)雜的實(shí)際樣品體系中，可可堿和咖啡因等結(jié)構(gòu)類似物常與茶堿共存，容易形成干擾。當(dāng)不同濃度比例的茶堿與咖啡因和可可堿共存時(shí)，分子印跡SERS納米探針相較于非印跡的探針表現(xiàn)出更低的光譜干擾。此探針制備方法有望拓展至其它分子印跡-SERS基底的制備，該成果已發(fā)表在MicrochimicaActa上[11]。

圖1 便攜式AuNP-MIP/rMoS2/SPE納米探針制備及檢測(cè)茶堿示意圖[11]Fig.1 Schematic illustration of fabricating portable AuNP-MIP/rMoS2/SPE nanoprobe for determination of theophylline[11]

同時(shí)，課題組致力于尋求新的分子印跡功能單體，并開發(fā)新型MIP-SERS探針的合成方法。多巴胺(DA)作為一種天然的功能單體，在堿性和溶解氧條件下容易自聚形成聚多巴胺(PDA)，反應(yīng)條件溫和，生物相容性好，制備過程中無需引入交聯(lián)劑和引發(fā)劑等其他有機(jī)試劑。此外，通過控制聚合時(shí)間，單體濃度等條件，可有效控制PDA膜厚度，是一種理想的分子印跡聚合材料[12]。更有趣的是，PDA表面富含羥基和羧基等基團(tuán)，可以在PDA膜表面原位還原金屬納米顆粒，而無需預(yù)合成貴金屬納米顆粒，避免了還原劑等有機(jī)試劑的加入，大大簡(jiǎn)化了制備流程[13]。利用PDA的優(yōu)勢(shì)，我們提供了一種新型PDA分子印跡SERS納米探針的制備方法(見圖2)。利用多巴胺的自發(fā)聚合特性，將DA與3種鄰苯二甲酸酯類(PAEs)模板分子在堿性溶解氧條件下勻速攪拌自聚，得到多種在SPE表面生長(zhǎng)的PDA基分子印跡聚合物納米顆粒(MIP-PDA)。通過合理控制DA濃度、聚合時(shí)間和溫度，可以有效調(diào)控MIP-PDA層的厚度及空穴分布密度，顯著提高該分子印跡納米探針的吸附動(dòng)力學(xué)性能。MIP-PDA中的模板分子通過超聲進(jìn)行洗脫，形成具有特異性識(shí)別的位點(diǎn)。隨后，利用PDA表面的氨羥基官能團(tuán)，在其表面原位還原生長(zhǎng)金納米顆粒，得到基于金納米顆粒/聚多巴胺分子印跡聚合物納米探針(AuNPs/PDA-MIP)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)PAEs的選擇性富集和識(shí)別。制備得到的AuNPs/PDA-MIP納米探針對(duì)于鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)的檢測(cè)限低至10-10mol/L，其SERS信號(hào)的增強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非印跡納米探針(AuNPs/PDA-NIP)，見圖3(a)。吸附動(dòng)力學(xué)研究表明，該納米探針可在10分鐘內(nèi)迅速達(dá)到吸附平衡，使其在短時(shí)間內(nèi)有效與DMP進(jìn)行特異性結(jié)合，見圖3(b)。同時(shí)，該納米探針表現(xiàn)出良好的重復(fù)性，見圖3(c)，在貯存15周后對(duì)DMP的檢測(cè)仍具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，見圖3(d)。這種綠色環(huán)保的制造方法有望用于合成高性能的傳感基底、吸附劑或催化劑中，并且在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全和國(guó)土安全方面具有巨大的應(yīng)用潛力。該成果目前已發(fā)表在ChemicalEngineeringJournal上[14]。

圖2 AuNPs/PDA-MIP納米探針的制備過程及檢測(cè)鄰苯二甲酸酯類示意圖[14]Fig.2 Schematic illustration of the preparation process of AuNPs/PDA-MIP nanoprobes for determination of phthalates[14]

圖3 (a)不同基底材料吸附1.0×10-5 mol/L DMP溶液后的SERS光譜圖(b)AuNPs/PDA-MIP與AuNPs/PDA-NIP的吸附動(dòng)力學(xué)曲線 (c)吸附1.0×10-5 mol/L DMP后，在AuNP/PDA-ir-MIP/SPE任意選取20個(gè)不同位置記錄連續(xù)測(cè)量的SERS光譜 (d)AuNPs/PDA-MIP貯存0-15周后檢測(cè)的穩(wěn)定性柱狀圖[14]Fig.3 (a) SERS spectra of the different substrate materials after adsorption of 1.0×10-5 mol/L DMP (b) The adsorption kinetic curves of AuNPs/PDA-MIP and AuNPs/PDA-NIP,respectively (c) Successively measured SERS spectra on 20 different positions of AuNP/PDA-ir-MIP/SPE after adsorption of 1.0×10-5 mol/L DMP (d) The stability histogram of AuNPs/PDA-MIP after the storage of 0-15 weeks[14]

上述MIP-SERS納米探針的制備方法操作簡(jiǎn)單，不需要引入交聯(lián)劑、引發(fā)劑和還原劑等有機(jī)試劑，能夠降低成本且環(huán)境友好，解決了現(xiàn)有技術(shù)制備過程繁瑣，方法識(shí)別能力有限或需進(jìn)行樣品前處理等問題。制備得到的納米探針能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的高選擇性高靈敏檢測(cè)，結(jié)合便攜式拉曼光譜儀，能滿足現(xiàn)場(chǎng)高通量的實(shí)際檢測(cè)需求。在未來的研究工作中，MIT-SERS納米探針有望與其他分析技術(shù)聯(lián)用，如微流控(Microfluidics)[15]、電化學(xué)富集(EP)[5]或固相萃取(SPE)技術(shù)[16]等，從而進(jìn)一步優(yōu)化分析技術(shù)的樣品預(yù)分離能力，有效提高M(jìn)IP-SERS納米探針的選擇性吸附和檢測(cè)能力，為實(shí)際環(huán)境樣品中污染物的快速分離分析提供更優(yōu)異的技術(shù)手段。