改性表面增強(qiáng)拉曼基底對幾種重金屬的定量檢測

譚 雄， 劉顯波， 白紅杰， 崔旭東， 劉 彤

(1.西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院， 綿陽621010； 2. 四川大學(xué)物理學(xué)院， 成都610065；3. 四川警察學(xué)院， 瀘州646000； 4. 中國工程物理研究院化工材料研究所， 綿陽621900；5.中國工程物理研究院總體工程研究所， 綿陽621900)

1 引 言

除少部分金屬離子對人類有益外，絕大多數(shù)重金屬離子都對人體健康有著嚴(yán)重危害[1]，其中Pb2+、Cd2+、As3+等重金屬離子污染范圍最廣、危害極大[2-3]，尤其是在水體中. 長期攝入超標(biāo)重金屬離子會導(dǎo)致功能系統(tǒng)障礙、神經(jīng)損害、器官衰竭以及組織病變等[4-5]. 當(dāng)前基于靈敏和選擇性檢測重金屬的常規(guī)方法主要包括原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子質(zhì)譜技術(shù)(ICP-MS)、高效液相色譜法(HPLC)及光譜[6-7]等技術(shù)，這些方法雖然表現(xiàn)出良好的檢測效果，但存在樣品前處理繁瑣、檢測速度慢、檢測成本高等問題. 為了克服這些困難，基于電化學(xué)分析法、比色分析法和生物傳感法[8-10]等快速檢測技術(shù)得到應(yīng)用，但仍然存在前處理過程復(fù)雜、過程不穩(wěn)定、選擇性差、靈敏度低等問題，限制了這些方法在現(xiàn)場檢測中的廣泛應(yīng)用. 因此，有必要研發(fā)一種快速便捷、經(jīng)濟(jì)有效的檢測方法或平臺用于重金屬離子的現(xiàn)場檢測和安全監(jiān)測. 表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)技術(shù)具有檢測快速、操作簡便、設(shè)備簡單及靈敏度高等優(yōu)點，是近年來發(fā)展起來的具有巨大潛力的快速檢測手段[11-12]，有望解決上述問題，實現(xiàn)重金屬的便捷檢測. SERS技術(shù)是利用分子非彈性散射指紋信號及貴金屬基底增強(qiáng)作用獲得微量物質(zhì)的特征信息的一種檢測技術(shù)，已在材料、醫(yī)藥[13]、食品、安全等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用優(yōu)勢和前景[14].

SERS技術(shù)在重金屬離子檢測應(yīng)用中也得到了迅速發(fā)展[15-16]，利用探針分子改性基底解決了重金屬離子不具備拉曼活性的問題[17-18]，借助探針分子吸附重金屬離子實現(xiàn)了間接檢測. 袁亞仙等[19]在拋光金片上修飾對巰基化合物，通過構(gòu)建三明治結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了銅離子的檢出；胡寶鑫等[20]利用巰基丙烷磺酸鈉修飾銀納米的表面增強(qiáng)拉曼基底檢測汞離子，通過檢測拉曼光譜相對強(qiáng)度的變化，實現(xiàn)了汞離子濃度在0.005～0.1 μmol/L的線性定量檢測；Tan等[21]以2-巰基異煙酸改性金納米為載體制備了SERS傳感器，用于檢測水中的重金屬離子，以波峰強(qiáng)度比變化為指標(biāo)進(jìn)行定性定量分析，取得了較好的效果；劉海霞等[22]利用化學(xué)沉積法在鋼絲球表面沉積金納米粒子，以1,8-辛二硫醇修飾并用于鉛和鎘離子的拉曼檢測. 表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)在重金屬檢測研究中得到了廣泛關(guān)注，但目前仍存在基底穩(wěn)定性差、增強(qiáng)效果不佳、檢測離子種類單一、線性范圍較窄等問題亟待優(yōu)化或解決.

本文利用巰基化合物修飾金納米粒子構(gòu)建具有良好分散性及增強(qiáng)效果的重金屬檢測平臺，并優(yōu)化溶膠基底性能，用于對鉛、鎘、砷三種重金屬離子的定量檢測分析. 實驗制備了用于改性的球形金納米粒子[23-24]，并優(yōu)化金納米粒子的增強(qiáng)效果及穩(wěn)定性，制備了由巰基苯甲酸(4-MBA)探針分子改性的金納米球增強(qiáng)基底. 如圖1所示，巰基苯甲酸的巰基鍵與金納米表面形成具有強(qiáng)相互作用的Au-S鍵[25-27]，暴露在外的羧基與重金屬離子特異性結(jié)合形成新鍵，使金納米粒子發(fā)生團(tuán)聚從而導(dǎo)致SERS的變化[28-29]，得到拉曼信號增強(qiáng)及特征峰變化，進(jìn)而根據(jù)峰位及強(qiáng)度確定離子種類和濃度. 該方法優(yōu)化了改性基底的制備條件，實現(xiàn)了對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬的判別區(qū)分，基底檢出限可達(dá)0.1 mg/L，并在0.5～100 mg/L范圍內(nèi)對三種重金屬離子都呈現(xiàn)良好的線性定量關(guān)系. 與其他方法相比，該方法具有更好的選擇性和優(yōu)異增強(qiáng)效果，且線性相關(guān)性良好.

圖1 改性金溶膠增強(qiáng)基底制備原理及檢測示意圖

2.1 儀器與試劑

使用磁力加熱攪拌器、恒溫干燥箱、超聲清洗機(jī)、高速離心機(jī)及優(yōu)普超純水機(jī)進(jìn)行基底的制備，并用EVOLUTION201型紫外分光光度計、JEM2100F型透射電子顯微鏡、IDRAMAN-Micro532型拉曼光譜儀進(jìn)行表征和測試；主要用到的試劑包括氯金酸(HAuCl4·H2O)、檸檬酸鈉(Na3-Cit·3H2O)、無水乙醇(CH3CH2OH)，巰基苯甲酸(4-MBA)及砷、鉛、鎘離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液.

2.2 金納米球溶膠的合成

根據(jù)檸檬酸鈉還原法[30-31]制備金溶膠，過程如下：1 mL 1 wt%的HAuCl4溶液加入99 mL純水中加熱攪拌至沸，迅速加入一定量新鮮配制的1 wt%檸檬酸鈉溶液，觀察到溶液變成灰黑色，繼續(xù)攪拌加熱30 min得到酒紅色溶液，調(diào)節(jié)還原劑用量及反應(yīng)時間實現(xiàn)金溶膠粒徑大小和均一性的調(diào)控，自然冷卻離心并在低溫條件下避光保存.

2.3 改性增強(qiáng)基底的制備

取上述制備的金溶膠20 mL，加入1 mmol/L的4-MBA醇溶液1 mL和超純水20 mL，振蕩反應(yīng)1 h并靜置孵育5 h以上.如圖1(a)所示4-MBA修飾到了金納米粒子表面，改性后金溶膠的紫外可見光光譜(如圖2(a))吸收峰發(fā)生紅移，可知金納米粒子的粒徑變大，說明4-MBA修飾在了金納米表面，同時優(yōu)化制備過程提升基底性能，最后將改性SERS基底在4 ℃條件下避光保存.

2.4 增強(qiáng)基底對重金屬離子的拉曼檢測

重金屬離子與改性增強(qiáng)基底結(jié)合改變了探針分子4-MBA的化學(xué)鍵及金納米粒子的聚集狀態(tài)，從而可以獲得相應(yīng)的特征拉曼變化信號，如圖1(b)(c). 將制備的金溶膠增強(qiáng)基底與不同重金屬離子標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積混合，一定時間后進(jìn)行拉曼光譜的檢測，選擇激光功率40 mW、積分時間5 s和積分次數(shù)10次，對不同重金屬離子及不同濃度時進(jìn)行拉曼檢測，并對光譜及特征峰進(jìn)行擬合處理和分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 優(yōu)化前后增強(qiáng)基底對重金屬離子的拉曼響應(yīng)

優(yōu)化前，所制備的改性增強(qiáng)(SERS)基底對重金屬Pb2+的拉曼響應(yīng)檢測如圖2(b)所示，同空白樣相比，當(dāng)Pb2+濃度達(dá)到5 mg/L時，在1 049及1 587 cm-1處引起峰強(qiáng)的變化，說明4-MBA改性的SERS基底對重金屬離子具有響應(yīng)能力，但因乙醇溶劑峰與探針分子的特征峰重疊，致使4-MBA特征不穩(wěn)定，干擾了對峰的分析. 調(diào)節(jié)還原劑用量和反應(yīng)時間等對基底進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步去除干擾、改善改性SERS基底的增強(qiáng)效果和穩(wěn)定性，如圖2(a)(c)獲得了形貌及粒徑較統(tǒng)一的金納米粒子溶膠，UV-Vis及TEM圖像，粒徑范圍30 nm左右，改性基底增強(qiáng)及穩(wěn)定效果得到進(jìn)一步提升. 主要優(yōu)化結(jié)果為檸檬酸鈉與氯金酸的摩爾比MR=2、反應(yīng)時間t=18 min，改性后在3 000 r/min條件下離心2～3次，去除過量的探針分子及乙醇溶劑，濃縮溶膠、減少干擾.

優(yōu)化后，改性SERS基底對重金屬Pb2+的拉曼響應(yīng)光譜中已無乙醇峰的干擾且存在4-MBA的特征峰，如圖2(b)，并在Pb2+濃度為0.1 mg/L的時觀察到了拉曼峰強(qiáng)的變化.0.5 mg/L時峰強(qiáng)的變化更為明顯，證實了優(yōu)化后的改性基底增強(qiáng)效果得到了顯著提升. 同時，分別表征了4-MBA粉末、金溶膠、改性SERS基底及基底對不同重金屬離子的響應(yīng)效果，由圖2(d)可知，在4-MBA的拉曼光譜中，915 cm-1歸屬于S-H鍵的振動峰，1 077 cm-1處的拉曼峰為苯環(huán)取代基的敏感伸縮振動峰，1 178 cm-1處的峰歸屬于C-H變形振動峰，位于1 581 cm-1歸屬為C-C伸縮振動峰；而金納米溶膠幾乎無拉曼峰，當(dāng)4-MBA修飾AuNPs后，位于915 cm-1的S-H振動峰消失，說明硫和金納米已發(fā)生相互作用，且在與金溶膠接枝后1 075和1 583 cm-1處重新出現(xiàn)了特征峰；改性SERS基底與不同重金屬離子混合后，拉曼光譜中出現(xiàn)了1 047 cm-1附近的新特征峰及1 075、1 587 cm-1峰的位移和增強(qiáng)，通過特征峰的變化關(guān)系即可實現(xiàn)對重金屬離子的判別和定量檢測，說明優(yōu)化后得到的SERS基底具有對重金屬離子良好的檢測能力.

3.2 重金屬離子的拉曼定量檢測與擬合分析

制備的改性SERS基底分別與Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的稀釋溶液等體積混合進(jìn)行拉曼檢測. 如圖3所示，分別為改性SERS基底與不同重金屬離子在不同濃度混合時的拉曼光譜檢測結(jié)果及其相應(yīng)波數(shù)的線性擬合，對三種重金屬離子的檢出限能夠達(dá)到了0.1 mg/L；在1 049、1 047、1 045、1 075及1 587 cm-1處引起了明顯的特征峰變化；并且在濃度范圍為0.5～100 mg/L時，特征峰強(qiáng)度與濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.

圖2 改性SERS基底對重金屬離子的表征及拉曼響應(yīng)檢測

圖3(a) 不同濃度Pb2+的拉曼檢測光譜及1 049 cm-1的擬合曲線

圖3(b) 不同濃度 Cd2+的拉曼檢測光譜及1 047 cm-1的擬合曲線

圖3(c) 不同濃度As3+的拉曼檢測光譜及在1 045 cm-1的擬合曲線

從圖3中的檢測結(jié)果可以看出在重金屬離子濃度為0.5～100 mg/L范圍時，優(yōu)化后的改性SERS基底對Pb2+、Cd2+、As3+的拉曼光譜特征峰強(qiáng)度，隨濃度的增加都呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系. 增強(qiáng)基底與每種重金屬的拉曼光譜都產(chǎn)生了三處較強(qiáng)的特征峰變化，其中1 049、1 047和1 045 cm-1分別歸屬于三種金屬離子與羧基結(jié)合產(chǎn)生的新鍵峰，其峰位偏移依賴于原子半徑變化，原子半徑Pb2+(1.75)>Cd2+(1.49)>As3+(1.21)，可見原子半徑引起的探針分子團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的變化存在規(guī)律性差異[32]，可用于區(qū)分不同重金屬離子；1 075 cm-1為苯環(huán)取代基的敏感伸縮振動峰的位移峰；1 587 cm-1歸屬為C-C伸縮振動峰的位移. 圖3(a)為Pb2+的增強(qiáng)拉曼光譜，對不同濃度下1 049 cm-1處峰強(qiáng)線性擬合，其斜率為64.00，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.998 7，線性相關(guān)性良好；圖3(b)為Cd2+的增強(qiáng)拉曼光譜，除10 mg/L時誤差較大外，對不同濃度下1 047 cm-1處峰強(qiáng)的線性擬合，其斜率為33.619 9，R2達(dá)0.995 8，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；圖3(c)為As3+的增強(qiáng)拉曼光譜，對1 045 cm-1處峰強(qiáng)進(jìn)行線性擬合，其斜率為43.147，R2達(dá)0.998 9，呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性.

通過測試分析可知，優(yōu)化后的改性SERS基底對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液檢測，在一定濃度范圍內(nèi)具有很好的區(qū)分重金屬離子和定量分析的能力. 同時，可以看出改性SERS基底對三種重金屬離子的檢測特征峰偏移位置相近，主要原因一是波數(shù)偏移差異依賴于檢測儀器的分辨率，二是由于探針分子結(jié)合位點影響特征峰差異性指標(biāo)數(shù)量，雖然在一定程度上提高了應(yīng)用范圍要求，但本研究中，仍可實現(xiàn)對鉛、鎘、砷三種重金屬離子的判別和定量分析，具有一定的應(yīng)用價值.

3.3 水樣中加標(biāo)驗證實驗

為了驗證方法的可行性和實用性，對自來水和池水進(jìn)行了Pb2+含量的加標(biāo)回收檢測，自來水和池水分別取自學(xué)校附近，使用ICP檢測確認(rèn)了As3+、Pb2+、Cd2+初始含量，重金屬離子含量及拉曼光譜加標(biāo)回收檢測結(jié)果如圖4所示. 可見，本實驗所制備的溶膠型增強(qiáng)基底(如表1)對水樣中Pb2+的加標(biāo)回收率在94.5%～110.01%之間，具有一定實際應(yīng)用價值.

表1 加標(biāo)回收測試

4 結(jié) 論

以巰基化合物改性金溶膠制備增強(qiáng)基底的方法簡單易操作，通過優(yōu)化獲得了增強(qiáng)效果顯著的改性表面增強(qiáng)基底. 使用改性增強(qiáng)基底對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子進(jìn)行了濃度梯度拉曼檢測，獲得了特征峰差異及濃度-強(qiáng)度變化關(guān)系，具有對三種重金屬離子的判別能力；同時增強(qiáng)基底檢出限達(dá)到了0.1 mg/L，且對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子在濃度0.5～100 mg/L濃度范圍都獲得了很好的線性擬合關(guān)系，具有良好的定量分析能力且穩(wěn)定性良好，可應(yīng)用于重金屬離子的簡單快速檢測需求中，對于相關(guān)研究具有一定的參考價值. 目前，表面增強(qiáng)基底對多種重金屬離子共存時的區(qū)分仍是一大難題，由于重金屬離子引起的特征峰差異較小，使得離子共存時特征峰合并而難以區(qū)分，但可考慮引入掩蔽劑等方法對混合重金屬溶液進(jìn)行預(yù)分離，或選擇多活性位點的新型探針分子增加結(jié)合重金屬離子后的特征信息等方法實現(xiàn)，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步改進(jìn)和探索.