基于雙硫腙修飾銀納米材料的鉛離子循環(huán)表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)

郭艷艷，田懷香，李原婷，李丹*

(1.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；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 香料香精化妝品學(xué)部食品科學(xué)與工程系，上海 201418)

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，環(huán)境檢測(cè)方面受到了大家的廣泛關(guān)注，特別是對(duì)環(huán)境中重金屬污染物的檢測(cè)。鉛離子是嚴(yán)重污染環(huán)境危害人類健康的有毒重金屬元素[1-3]。它通過空氣、水和食物進(jìn)入我們的身體系統(tǒng)。鉛的毒性已被廣泛研究。鉛(Pb2+)與酶或蛋白質(zhì)中的-SH基團(tuán)結(jié)合，起到酶抑制劑的作用。鉛會(huì)干擾鈣的代謝并沉積在骨骼中[4-5]。有機(jī)鉛化合物如四甲基鉛，因毒性很強(qiáng)容易穿過皮膚和粘液膜被人體吸收[6]。急性鉛中毒會(huì)嚴(yán)重?fù)p害腎臟、肝臟、大腦、生殖系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致死亡[7-8]。輕度鉛中毒會(huì)導(dǎo)致貧血、頭痛和肌肉酸痛，受害者可能會(huì)感到疲勞和易怒。所有這些發(fā)現(xiàn)引起了人們對(duì)公眾健康的極大關(guān)注。對(duì)于一般人群，鉛暴露的主要來源是通過飲用水，根據(jù)國(guó)際世界衛(wèi)生組織(WHO)和環(huán)境保護(hù)署(EPA)的規(guī)定，飲用水中Pb2+的最大允許濃度為10μg/L和50μg/L[9]。因此，建立高準(zhǔn)確性、高特異性、簡(jiǎn)單快速的檢測(cè)和監(jiān)控 Pb2+的方法，對(duì)于環(huán)境污染控制和人類健康都具有及其重要的意義。鉛痕量分析最常用的分析方法包括原子熒光光譜法[10]、二硫腙比色法[11]、火焰原子吸收法[12]、氣相色譜-質(zhì)譜法[13]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP)[14]等。但這些方法價(jià)格昂貴、耗時(shí)、且需要熟練的操作，尤其是采用ICP技術(shù)。因此，需要尋找便宜，耗時(shí)較少的簡(jiǎn)單快速分析檢測(cè)鉛離子方法。

表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)傳感器由于大量的“指紋”信息、便攜、可用于現(xiàn)場(chǎng)的定性、定量分析等優(yōu)勢(shì)常被用作監(jiān)控和檢測(cè)重金屬鉛離子的有力工具[15-16]。另外，AgNPs可以作為SERS檢測(cè)的優(yōu)良底物，提供豐富的分子振動(dòng)信息[17]，可對(duì)污染物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。雙硫腙是一種重要的金屬的痕量分析試劑，與大量的金屬離子形成水不溶性有色絡(luò)合物，廣泛用于萃取分光光度法測(cè)定重金屬離子[18]，但用雙硫腙修飾納米顆粒測(cè)定鉛離子報(bào)道很少。

基于上述問題，本研究利用雙硫腙結(jié)構(gòu)具有巰基、偶氮基,并且能與重金屬離子螯合等特性，將其修飾在納米顆粒上用SERS 技術(shù)對(duì)重金屬鉛離子進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)利用對(duì)雙硫腙進(jìn)行氧化和還原可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子的循環(huán)檢測(cè)。這為開發(fā)適合SERS檢測(cè)的其他重金屬離子低成本、快速、可循環(huán)檢測(cè)方面提供了有利的參考。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 主要儀器與試劑

2.1.1儀器

電子秤，785 nm便攜式拉曼光譜儀，透射電鏡(TEM)，759 S紫外可見分光光譜儀，pHS-25 pH計(jì)。

2.1.2試劑

雙硫腙(98%)，氯仿(99.8%)，鹽酸羥胺(99%+)，硝酸鉛(99%)，過氧化氫(30%)，硝酸銀(99%)，硼氫化鈉(NaBH4)(98%)，檸檬酸三鈉(TSC)(98%+)，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，雙硫腙-三氯甲烷溶液：準(zhǔn)確稱取 0.05 g 雙硫腙粉末溶解于三氯甲烷，用 100 mL 的容量瓶定容，制成 0.5 g/L成的雙硫腙儲(chǔ)備液，并放置冰箱中(4℃)保存。

鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取0.1598 g 硝酸鉛，加入10 mL 1%硝酸，全部溶解后移入100 mL容量瓶，加水稀釋至刻度，此溶液每毫升相當(dāng)于1 mL鉛，用時(shí)稀釋至相應(yīng)的倍數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1制備銀納米顆粒

銀納米顆粒的合成方法采用修訂的方法[19]，首先在25 mL純水中加入62.5 μL 0.1 M硝酸銀，然后將62.5 μL的0.1 M檸檬酸三鈉添加到所得的溶液中，并在室溫下恒定攪拌下混合30 min。然后，將1.5 mL 0.005 M硼氫化鈉快速加入到溶液中，顏色立即變?yōu)闇\黃色，將所得產(chǎn)物劇烈攪拌2 h。最后變?yōu)殓晟?，表示銀納米粒子的形成。

2.2.2制備H2Dz修飾的銀納米顆粒(AgNPs@H2Dz)

取10 μL 1 mM的H2Dz氯仿溶液加到10 mL的AgNPs溶液中室溫下在黑暗條件下混合孵育30 min，然后離心除去多余未結(jié)合的H2Dz。在對(duì)溶液用氯仿進(jìn)行超聲分散，在4℃冰箱中保存。

2.2.3H2Dz修飾的銀納米顆粒(AgNPs@H2Dz)的氧化過程

取10 mL制備好的AgNPs@H2Dz加入0.1 M過氧化氫10 μL混合均勻，室溫下反應(yīng)6 h，溶液由淺綠色轉(zhuǎn)化為淺黃色萃取過濾除去上清液在4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

2.2.4 H2Dz修飾的銀納米顆粒(AgNPs@H2Dz)的還原過程

取10 mL上述氧化過的AgNPs@H2Dz加入1 M鹽酸羥胺10 μL混合均勻，室溫下反應(yīng)6 h，溶液由淺黃色轉(zhuǎn)化為淺綠色。對(duì)此溶液進(jìn)行萃取分液保留下層溶液在4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

2.3 拉曼檢測(cè)

采用便攜式拉曼光譜儀(BWS 415，B&W Tek Inc.，美國(guó))進(jìn)行SERS測(cè)量，分辨率為5 cm-1，光束直徑為10 mm。采用了一條波長(zhǎng)為10 mW的785 nm激光譜線。將不同濃度的Pb2+溶液加入到AgNPs@H2Dz體系中室溫下混合均勻。然后，在最適條件下，將混合物的10 μL滴在硅片上。采集SERS信號(hào)。為了應(yīng)用于Pb2+的SERS檢測(cè)，選擇了20 mW的激光功率、20 s的積分時(shí)間內(nèi)記錄了光譜。

2.4 實(shí)際樣品檢測(cè)

為了評(píng)估制備的基底的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,我們利用 SERS對(duì)環(huán)境中實(shí)際水樣品中的 Pb2+進(jìn)行檢測(cè)。利用標(biāo)準(zhǔn)加入法將 Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液加入自來水樣品中測(cè)定回收率。取自來水、瓶裝水、河水為檢測(cè)目標(biāo)，向其中加入Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液。自來水取自實(shí)驗(yàn)室，瓶裝水是從超市購(gòu)買的。河水樣本取自新安江下游河段。環(huán)境樣品溶液用0.22 μm膜濾器去除水樣中的不溶物，按照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)實(shí)際樣品通過SERS光譜進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 材料的表征

3.1.1材料的TEM表征

首先利用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)制備的雙硫腙修飾的銀納米顆粒的形貌進(jìn)行了表征(圖1)。圖1a即為雙硫腙修飾的銀納米顆粒(H2Dz@AgNPs)的TEM 圖。從圖中可以看出，該功能材料形貌為球形且分散均勻，形貌相對(duì)均一。加入鉛離子后得到圖1b，由于雙硫腙與鉛離子發(fā)生絡(luò)合作用，使得該功能化材料發(fā)生明顯的聚集。

圖1 加入鉛離子前(a)后(b)的雙硫腙修飾的銀納米顆粒TEM變化圖Fig.1 TEM changes of dithizone-modified silver nanoparticles before(a)and after(b)adding lead ions

3.1.2材料的紫外表征

其次利用雙硫腙與鉛離子絡(luò)合形成紅色絡(luò)合物，用紫外可見吸收光譜對(duì)制備的雙硫腙修飾的銀納米顆粒(AgNPs@H2Dz)和 AgNPs-H2Dz-Pb2+進(jìn)行表征分析，結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，用雙硫腙修飾銀納米顆粒后608 nm處出現(xiàn)雙硫腙的特征吸收峰，同時(shí)423 nm AgNPs的特征吸收峰紅移至435 nm，說明雙硫腙成功修飾到了銀納米顆粒上。加入鉛離子后在 516 nm處出現(xiàn)新峰，同時(shí)608 nm處吸收峰降低，說明鉛離子與雙硫腙發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng)。

圖2 雙硫腙-銀(黑色線)和加入鉛離子后的雙硫腙-銀(紅色線)的紫外吸收Fig.2 UV-Vis of AgNPs@H2Dz (black curve)and with the presence of Pb2+ (red curve)

3.1.3材料的拉曼表征

拉曼光譜因其激光光源單一，不發(fā)生光致猝滅，可以提供高分辨的指紋信息，與紫外和熒光光譜相比有很多的優(yōu)勢(shì)。故而利用表面增強(qiáng)拉曼光譜儀對(duì)制備的銀-雙硫腙體系和加入鉛離子后的銀-雙硫腙體系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，加入鉛離子后，由于鉛離子與雙硫腙發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)使得銀-雙硫腙體系在565 cm-1處出現(xiàn)新的拉曼特征峰[20]。圖4是銀-雙硫腙-鉛體系結(jié)合的示意圖。當(dāng)雙硫腙被氧化后無法與金屬鉛螯合，565 cm-1處的拉曼特征峰消失，當(dāng)雙硫腙被還原時(shí)，565 cm-1處的拉曼特征峰又出現(xiàn)。

圖3 拉曼表征圖。a雙硫腙修飾的銀納米顆粒(黑色線);b加入10 μL 5 μM的鉛離子(紅色線)Fig.3 Raman spectra of a AgNPs@H2Dz (black curve)and b with the presence of 10μL 5μM Pb2+ (red curve)

圖4 雙硫腙修飾的銀納米顆粒檢測(cè)鉛離子的示意圖。Fig.4 Schematic illustration of detection of lead ions on silver nanoparticles modified with dithizone

3.2 反應(yīng)條件的優(yōu)化

3.2.1 反應(yīng)溫度的優(yōu)化

取0.1 μM的標(biāo)準(zhǔn)鉛離子按照上述實(shí)驗(yàn)方法加入到銀-雙硫腙體系中，分別考察了溫度分別在5℃，10℃，13℃，18℃，25℃，30℃，37℃，43℃，46℃，50℃的絡(luò)合溫度對(duì)鉛-雙硫腙絡(luò)合物拉曼峰影響。結(jié)果如圖5a所示,從圖中可以看出隨絡(luò)合反應(yīng)溫度的增加，565 cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)，在30℃達(dá)到最大值，故而本實(shí)驗(yàn)選擇30℃作為最佳檢測(cè)溫度。

3.2.2反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化

同樣方法考察了時(shí)間分別為0.5 min，1 min，1.5 min，2 min，2.5 min，3 min，3.5 min，4 min，4.5 min，5 min的絡(luò)合時(shí)間對(duì)鉛-雙硫腙絡(luò)合物拉曼峰影響。結(jié)果如圖5b所示,從圖中可以看出隨絡(luò)合反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，565 cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)絡(luò)合反應(yīng)時(shí)間在3 min時(shí)拉曼峰強(qiáng)度達(dá)到最大值，此后隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)拉曼強(qiáng)度基本不變，故而本實(shí)驗(yàn)選擇3 min作為最佳檢測(cè)時(shí)間。

3.2.3反應(yīng)的pH優(yōu)化

此后考察了pH為7.0，7.3，7.6，7.9，8.2，8.5，8.7，8.9，9.0，9.5時(shí)鉛-雙硫腙絡(luò)合物的拉曼光譜峰，結(jié)果如圖5c所示。從圖中可以看出絡(luò)合物鉛-雙硫腙在565 cm-1處的拉曼峰具有先增大后下降的趨勢(shì)。當(dāng)pH低于8.5時(shí)，鉛-雙硫腙絡(luò)合反應(yīng)不完全，或者其顯色化合物被分解導(dǎo)致拉曼峰強(qiáng)度較低；當(dāng)pH高于8.5時(shí)，Pb2+有可能會(huì)產(chǎn)生Pb(OH)2沉淀或PbO22-不與雙硫腙發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)導(dǎo)致在565 cm-1處的拉曼峰比較低。故本實(shí)驗(yàn)選擇pH 8.5作為最佳pH檢測(cè)條件。

圖5 條件實(shí)驗(yàn)：(a)溫度影響；(b)時(shí)間影響；(c)pH影響Fig.5 Condition experiment:(a)Temperature influence;(b)Time influence;(c)pH influence

3.3 基于H2Dz@AgNPs-Pb2+體系的SERS定量檢測(cè)

分別取一系列的鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液(0～10 μM)在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)其拉曼光譜(圖6a)。由圖6b可知，隨著鉛離子濃度的增加，歸屬于雙硫腙-鉛絡(luò)合的共振拉曼峰信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。鉛離子濃度在1 nM～10 μM范圍內(nèi)565cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，說明在這個(gè)濃度范圍內(nèi)可以對(duì)鉛離子進(jìn)行定量分析。線性回歸方程為Y=426.94X+5886.9，其中Y代表565cm-1處拉曼峰強(qiáng)度，X代表鉛離子濃度對(duì)數(shù)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9975，其檢出限為0.35 nM。

圖6 (a)加入不同濃度的鉛離子后(a-i代表鉛離子濃度0-10μM)銀-雙硫腙-鉛體系的SERS光譜，(b)Log[c(Pb2+)]與峰強(qiáng)度之間的線性關(guān)系Fig.6 (a)After adding different concentrations of lead ions(0～10 μM)the SERS spectrum of the silver-dithizone-lead system,(b)the linear relationship between Log[c(Pb2+)] and peak intensity

3.4 干擾離子影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法探討了不同金屬離子對(duì)Pb2+-AgNPs@H2Dz體系的干擾情況，在最優(yōu)化的條件下，我們選擇濃度為 10-4mol/L 的不同金屬離子(Mn2+、Mg2+、Ca2+、K+、Zn2+、Na+、Ba2+、Cu2+)存在條件下對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，結(jié)果見圖7所示，只有Pb2+在565 cm-1處有較強(qiáng)的拉曼峰。其他金屬離子對(duì)鉛離子的檢測(cè)結(jié)果無影響。因此，我們得出結(jié)論，該功能化材料可以避免大多數(shù)常見金屬離子的干擾，對(duì)二價(jià)鉛離子的檢測(cè)具有高選擇性。

圖7 (a)不同干擾離子對(duì)體系的影響拉曼光譜圖;(b)不同干擾離子對(duì)體系在565 cm-1處的影響柱狀圖Fig.7 (a)The influence of different interfering ions on the system Raman spectrum,(b)the histogram of the influence of different interfering ions on the system at 565 cm-1

3.5 可循環(huán)性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證此方法可循環(huán)檢測(cè)鉛離子，我們選擇在同一樣品中按照實(shí)驗(yàn)部分加入過氧化氫對(duì)基底進(jìn)行氧化，加入標(biāo)準(zhǔn)濃度鉛離子后檢測(cè)其拉曼信號(hào)得到圖8a中的1，3，5，7由于雙硫腙被過氧化氫氧化后失去兩個(gè)氫，從而失去酸的性質(zhì)，不與鉛離子發(fā)生螯合作用，565cm-1處的拉曼峰消失。接著對(duì)此樣品按照實(shí)驗(yàn)部分加入鹽酸羥胺進(jìn)行還原檢測(cè)其拉曼信號(hào)得到圖8a中的2，4，6，8由于鹽酸羥胺具有還原性，使被氧化失氫的雙硫腙恢復(fù)與金屬鉛的螯合能力，565 cm-1處的拉曼峰又出現(xiàn)。從而此功能材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子的循環(huán)檢測(cè)。

圖8 (a)銀-雙硫腙-鉛體系的循環(huán)檢測(cè)拉曼光譜圖;(b)拉曼強(qiáng)度在565cm-1處的4組循環(huán)圖Fig.8 (a)Silver-dithizone-lead system cycle detection Raman spectrum,(b)4 sets of cyclic graphs with Raman intensity at 565cm-1

3.6 實(shí)際樣品的檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)選擇自來水、瓶裝水和河水依照本實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)實(shí)際樣品中的鉛離子進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明收集到的水樣中沒有 Pb2+存在。用 1 μmol/L和5 μmol/L的Pb2+標(biāo)準(zhǔn)液對(duì)自來水、瓶裝水和河水進(jìn)行加標(biāo)并用SERS進(jìn)行檢測(cè)。如表1 所示，測(cè)試水樣中的鉛離子濃度結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明，加標(biāo)的回收率為91.6%～106.8%，SERS傳感器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在4.1%～7.9%之間，檢測(cè)結(jié)果與ICP-OES結(jié)果一致。結(jié)果說明此方法適用于檢測(cè)樣品中的Pb2+，且具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

表1 使用雙硫腙修飾的銀納米顆粒測(cè)定實(shí)際水樣品中的鉛離子Table 1 Determination of Pb2+ in water samples using the dithizone-modified AgNPs

4 結(jié)論

本研究基于鉛與雙硫腙能形成的淡紅色雙硫腙-鉛絡(luò)合物的作用，制備了一種雙硫腙-銀納米粒子為基底材料，通過表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)，在絡(luò)合溫度為30℃、時(shí)間為3 min、pH為8.5等條件下，二價(jià)鉛離子的濃度在1 nM～10 μM范圍內(nèi)565 cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其檢出限為0.35 nM。并成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)際水樣中的鉛離子的特異性檢測(cè)。基于雙硫腙氧化失氫無法與金屬鉛離子絡(luò)合原理，制備的功能材料在實(shí)現(xiàn)重金屬鉛離子高的拉曼活性檢測(cè)的同時(shí)還可進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。功能材料制備方法簡(jiǎn)單，檢測(cè)成本低，可循環(huán)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。在重金屬離子快速檢測(cè)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。