曹 琳 陳 前 姜 飛 秦利霞 康詩(shī)釗 高 峰 李向清

(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)

0 引 言

2008年三鹿奶粉由于添加三聚氰胺導(dǎo)致嚴(yán)重的嬰幼兒健康問題，引起人們對(duì)食品中三聚氰胺檢測(cè)的高度關(guān)注。三聚氰胺(2，4，6-三氨基-1，3，5-三嗪)是一種水溶性且含有多個(gè)氮原子的化合物，因價(jià)格低廉，被不良商家應(yīng)用于增加乳制品中的表觀蛋白質(zhì)含量［1-2］。研究發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)攝入過(guò)量的三聚氰胺會(huì)導(dǎo)致腎臟衰竭［3-5］，存在潛在的癌變風(fēng)險(xiǎn)［6］。另外，三聚氰胺廣泛應(yīng)用于塑料和涂料工業(yè)，在食品生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)混入到食品中［7］。因此，三聚氰胺的分析和檢測(cè)至關(guān)重要。

目前，常用的三聚氰胺的檢測(cè)方法有氣相色譜法、高效液相色譜偶聯(lián)其他設(shè)備等方法，可以滿足檢測(cè)靈敏度的要求。但是這些方法具有耗時(shí)長(zhǎng)，樣品處理流程及數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員和昂貴的儀器等諸多缺點(diǎn)［8-12］，這阻礙了上述手段在日常檢測(cè)三聚氰胺中的應(yīng)用。SERS技術(shù)作為一種較為靈活的微量檢測(cè)技術(shù)，具有成本低、無(wú)損害和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［13］，逐漸被應(yīng)用于單分子檢測(cè)中［14-16］。許多物質(zhì)被用作SERS基底的支撐材料，如二氧化鈦［17-18］、氧化鋅［19］、金納米顆粒［20-21］和銀納米顆粒［22-23］等。由于貴金屬納米粒子對(duì)單分子物質(zhì)的吸附能力有限，加之單一襯底對(duì)低濃度物質(zhì)的檢測(cè)存在一定難度，可通過(guò)組裝半導(dǎo)體/導(dǎo)體和貴金屬?gòu)?fù)合基底來(lái)提高SERS性能。如Yin等［24］通過(guò)水熱方法以Na2MoO4·2H2O和L-半胱氨酸為反應(yīng)物先制備3D MoS2納米球，然后通過(guò)微波輔助水熱法制備3D MoS2-NS@Au-NPs雜化體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)牛奶中三聚氰胺的SERS檢測(cè)。Li等［25］在乙二醇和PVP-29輔助下，以CF3COOAg和HAuCl4為主要反應(yīng)原料通過(guò)分步反應(yīng)制備的Ag-Au納米箱對(duì)低濃度三聚氰胺有較靈敏的SERS響應(yīng)。在所有的SERS襯底中，銀納米結(jié)構(gòu)相對(duì)成本較低，且在可見光區(qū)域具有較好的表面等離子體共振特性使其對(duì)分子檢測(cè)更容易［26］。Guo 等［27］通過(guò)合成 1.98 nm 六磷酸肌醇酯(IP6)包裹的AgNPs檢測(cè)Fe3+的表面增強(qiáng)拉曼散射，選擇羅丹明B(R6G)作為指示劑，在最佳條件下檢測(cè)限可達(dá)到0.28 mg·L-1。

納米態(tài)銀的制備方法分為化學(xué)還原法和物理法。Li等［26］以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)提高納米銀的穩(wěn)定性和均勻性，以檸檬酸鈉還原硝酸銀，在沸騰的條件下攪拌1 h，冷卻至室溫，離心制得銀納米顆粒。但這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，且PVP可能會(huì)對(duì)SERS信號(hào)產(chǎn)生干擾。Bai等［28］通過(guò)結(jié)合磁控濺射和退火處理制得銀納米粒子，該方法雖然成本低，操作簡(jiǎn)單，但是得到的銀納米粒子顆粒不均勻且純度較低。另外，一般的銀拉曼基底通常在玻璃片或者硅片等材料上組裝，基底本身拉曼活性低，且基底與納米銀之間的作用力弱，靈敏度低，這對(duì)于目標(biāo)分子的SERS檢測(cè)是不利的。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)方法在具有一定拉曼增強(qiáng)活性的基底表面負(fù)載銀納米顆粒以制備對(duì)三聚氰胺有拉曼活性的基底，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三聚氰胺的選擇性檢測(cè)，這具有潛在的實(shí)用價(jià)值。鋁價(jià)格低廉、容易獲取且能與含氮、氧等的分子配位，使其對(duì)這類分子有一定的SERS增強(qiáng)活性［29］。重要的是，通過(guò)合適的方法處理，容易調(diào)控其表面官能團(tuán)的種類和數(shù)量，有利于與其它功能材料組裝，通過(guò)協(xié)同作用以及對(duì)探針分子的富集可能會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的高靈敏檢測(cè)。

我們選擇Al片作為SERS基底的支撐物質(zhì)，通過(guò)置換反應(yīng)在Al片表面負(fù)載一定量的銀納米顆粒獲得Al/Ag SERS基底，該方法制備的SERS基底耗時(shí)短、操作簡(jiǎn)單且得到的銀納米粒子較為均勻。以其為SERS基底，詳細(xì)考察其對(duì)三聚氰胺的SERS性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)中使用的試劑和原料Al片、氫氧化鈉、硝酸銀、三聚氰胺、三乙醇胺、丙二胺和N，N-二甲基甲酰胺均是從國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買，且均未經(jīng)處理直接使用。去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 材料表征

利用X射線粉末衍射儀(XRD，德國(guó)Bruker D8 Advance)測(cè)定樣品的物相和結(jié)構(gòu)，采用Cu Kα輻射源，波長(zhǎng)λ=0.154 nm，管流為40 mA，管壓為40 kV，測(cè)試范圍2θ=30°～80°。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察底物的表面形貌，測(cè)試前無(wú)需特殊處理，直接將合適大小的Al片或Al/Ag片置于JEOL JSM-6701F掃描電鏡(日本)下觀察，工作電壓10 kV。樣品的組成及元素的價(jià)態(tài)信息通過(guò)X射線光電子能譜(XPS，Kratos AXIS Ultra DLD型，日本)測(cè)得，使用的X射線為Al Kα 發(fā)射(hν=1 486.6 eV)，并通過(guò) C1s峰(284.5 eV)進(jìn)行校準(zhǔn)。SERS光譜通過(guò)拉曼光譜儀(Raman，i-Raman-532S型，美國(guó)B&W Tek)進(jìn)行測(cè)定。

1.3 Al/Ag基底的組裝

先將1 cm×1 cm的Al片用洗潔精洗掉表面的污漬，然后分別于乙醇和丙酮中超聲10 min，將干凈的Al片置于0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液中刻蝕5 min，水洗3次并快速吹干；將經(jīng)上述處理的Al片浸入到 1 mmol·L-1的硝酸銀溶液中，10 min后取出，水洗3次吹干，備用。

1.4 Al/Ag基底的SERS性能檢測(cè)

1.4.1 三聚氰胺的靈敏度檢測(cè)性能測(cè)試

取新配制的濃度為10-3mol·L-1的三聚氰胺水溶液分別滴加在Al片、玻璃片和Al/Ag基底表面，烘干后利用拉曼光譜采集各種基底表面的拉曼信號(hào)(積分時(shí)間為40 000 ms，激發(fā)波長(zhǎng)為532 nm)。同樣條件下測(cè)試 10-4、10-5、10-6、10-7mol·L-1的三聚氰胺水溶液在Al/Ag基底表面的拉曼信號(hào)。

1.4.2 穩(wěn)定性測(cè)試

取新配制的濃度為10-5mol·L-1的三聚氰胺水溶液滴加在Al/Ag基底，烘干后利用拉曼光譜采集基底表面的拉曼信號(hào)，每隔10 h采集一次。

1.4.3 選擇性測(cè)試

取新配制的濃度為10-6mol·L-1的三聚氰胺、三乙醇胺、丙二胺和N，N-二甲基甲酰胺水溶液分別滴加于Al/Ag基底和玻璃片，然后烘干，利用拉曼光譜采集各種基底表面的拉曼信號(hào)。為了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還采集了純?nèi)矍璋贰⑷掖及?、丙二胺和N，N-二甲基甲酰胺樣品在玻璃片的拉曼信號(hào)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al/Ag基底形貌、結(jié)構(gòu)和組成分析

圖1是Al片和Al/Ag基底的SEM圖以及在Al/Ag基底上Ag納米顆粒的尺寸分布圖。圖1A為刻蝕后的Al片，表面粗糙，細(xì)小顆粒組成的網(wǎng)絡(luò)清晰可見，視野較暗。負(fù)載銀納米粒子后的表面形貌如圖1B所示，可見圖片中視野明顯變亮，一些較大尺寸的納米粒子集中在Al片網(wǎng)絡(luò)中。這可能是因?yàn)榇嬖诩?xì)小顆粒的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域性質(zhì)較為活潑，易與溶液中的銀離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生銀納米顆粒。圖1C是較大視野下的Al/Ag基底的掃描電鏡圖，可以看到銀納米顆粒較均勻地分散于Al基底上?；趫D1C中的銀納米顆粒得到圖1D的尺寸分布圖，該圖顯示銀顆粒尺寸在88～167 nm，主要集中在100 nm。

為表征所制備的SERS基底的結(jié)構(gòu)，我們對(duì)基底進(jìn)行了XRD分析。圖2給出了組裝的Al/Ag基底(a)和刻蝕后的Al片(b)的XRD圖。在圖2A中觀察到 Al在 2θ=44.7°、65.0°和 78.2°出現(xiàn) 3 個(gè)強(qiáng)的衍射峰，分別歸屬于 Al片的(200)、(220)和(311)晶面，與標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF No.53-0780)相對(duì)應(yīng)。與圖2B的XRD結(jié)果相比，在2θ=37.8°出現(xiàn)1個(gè)新的衍射峰，可歸屬于Ag2O的(200)晶面，表明Al/Ag中部分銀元素可能以Ag2O的形式存在。另外，在2θ=44.3°出現(xiàn)的新峰歸屬于面心立方相銀的(200)晶面，說(shuō)明在Al/Ag基底中也存在單質(zhì)銀。進(jìn)一步通過(guò)XPS研究在Al/Ag基底中Ag的2種價(jià)態(tài)。

圖1 (A)Al和(B,C)Al/Ag的掃描電鏡圖和(D)Ag納米顆粒的尺寸分布Fig.1 SEM images of(A)Al and(B,C)Al/Ag,and(D)size distribution of Ag

圖2 樣品的(A)XRD圖和(B)局部放大XRD圖Fig.2 (A)XRD patterns and(B)enlarged XRD patterns in 2θ range of 36°～46°of samples

圖3 Al/Ag的(A)XPS全譜和(B)Ag3d軌道的高分辨XPS譜Fig.3 (A)Typical XPS survey spectra and(B)high resolution XPS spectra of Ag3d of Al/Ag

為進(jìn)一步確認(rèn)Al/Ag基底中元素的組成和價(jià)態(tài)，對(duì)該SERS基底進(jìn)行了XPS分析。從XPS全譜(圖3A)可以觀察到基底中含有Al、O和Ag元素。進(jìn)一步測(cè)試了Al/Ag基底中的Ag3d軌道的高分辨XPS譜，結(jié)果如圖3B所示。通過(guò)高斯分峰可擬合出4個(gè)峰，其中位于366.6和372.6 eV的2個(gè)峰分別歸屬于 Ag2O 的 Ag3d5/2和 Ag3d3/2軌道［30］，而位于367.8和373.4 eV的2個(gè)峰可歸屬于單質(zhì)銀的Ag3d5/2和 Ag3d3/2軌道［31］。這進(jìn)一步證實(shí)了 Al/Ag 基底中銀元素以2種價(jià)態(tài)形式存在。由此可見，XPS的結(jié)果與XRD結(jié)果相一致。

2.2 三聚氰胺的拉曼光譜研究

圖4 三聚氰胺結(jié)構(gòu)式Fig.4 Structure of melamine

三聚氰胺的結(jié)構(gòu)如圖4所示，具有D3h對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，因此可以用拉曼光譜檢測(cè)。已有研究表明，位于665 cm-1處的特征峰歸屬于三聚氰胺中三嗪環(huán)呼吸模式和面內(nèi)變形振動(dòng)，574 cm-1為N-C=N彎曲振動(dòng)與NH2基團(tuán)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的混合模式,975 cm-1歸屬于C-N與N-C=N彎曲振動(dòng)的共同作用［32-33］。

我們研究了不同基底對(duì)三聚氰胺的拉曼響應(yīng)。如圖5所示，曲線 a、b和 c分別代表10-3mol·L-1三聚氰胺溶液在玻璃片、Al片和Al/Ag基底上的拉曼光譜?？梢钥闯?，三聚氰胺在玻璃片上僅顯示微弱的拉曼信號(hào)，這說(shuō)明以玻璃為拉曼基底對(duì)三聚氰胺不敏感；而三聚氰胺在Al片上顯示強(qiáng)于在玻璃片上的拉曼信號(hào)，說(shuō)明Al片是比玻璃片更好的拉曼基底，而在Al/Ag基底上三聚氰胺的特征拉曼峰明顯增強(qiáng)。比較3種不同基底對(duì)三聚氰胺的拉曼增強(qiáng)效果，拉曼活性從低到高依次是玻璃片、Al片和Al/Ag基底。這說(shuō)明Al/Ag基底是對(duì)三聚氰胺進(jìn)行拉曼檢測(cè)較好的活性基底。

圖5 10-3mol·L-1三聚氰胺溶液在(a)玻璃、(b)Al片和(c)Al/Ag基底上的SERS譜圖Fig.5 Raman spectra of 10-3mol·L-1melamine on(a)glass,(b)Al and(c)Al/Ag substrate

通過(guò)以上分析，我們發(fā)現(xiàn)三聚氰胺在Al/Ag基底上拉曼信號(hào)最高，因此選擇Al/Ag基底對(duì)不同濃度的三聚氰胺進(jìn)行拉曼檢測(cè)。圖6顯示了不同濃度的三聚氰胺水溶液在Al/Ag基底的SERS光譜。從光譜顯示的結(jié)果可以看出，隨三聚氰胺濃度的降低，拉曼強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)三聚氰胺濃度降低到10-7mol·L-1時(shí)，依然可以檢測(cè)到三聚氰胺位于667 cm-1的歸屬于三聚氰胺中三嗪環(huán)呼吸模式和面內(nèi)變形振動(dòng)的特征峰。上述結(jié)果表明所制備的Al/Ag基底上能檢測(cè)到10-7mol·L-1的三聚氰胺，這滿足我國(guó)食品安全檢測(cè)中心提出的嬰幼兒乳粉中三聚氰胺含量不得超過(guò) 1 mg·kg-1(7.9×10-6mol·L-1)和其它乳制品中不超過(guò) 2.5 mg·kg-1(2×10-5mol·L-1)的要求。因此，所制備的Al/Ag基底能夠滿足對(duì)實(shí)際生活中三聚氰胺的拉曼檢測(cè)要求。

圖6 不同濃度的三聚氰胺溶液在Al/Ag基底上的SERS譜圖Fig.6 SERS spectra of different concentrations of melamine solution on Al/Ag substrate

基底對(duì)待檢測(cè)物的拉曼測(cè)試重現(xiàn)性是評(píng)價(jià)基底性能的重要參數(shù)之一，為此我們對(duì)Al/Ag基底檢測(cè)三聚氰胺的重現(xiàn)性進(jìn)行了探究。圖7A中的曲線是每隔10 h測(cè)試的Al/Ag基底上10-6mol·L-1的三聚氰胺的拉曼光譜圖，從中可以看到在150 h內(nèi)三聚氰胺的拉曼強(qiáng)度總體保持在同一強(qiáng)度。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［33］三聚氰胺在667 cm-1處的特征峰為三嗪環(huán)的呼吸振動(dòng)，拉曼活性較強(qiáng)。在本實(shí)驗(yàn)中制備的Al/Ag基底上由于三聚氰胺分子與銀納米粒子之間產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，進(jìn)而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使電荷重新分配，引起極化率的變化，導(dǎo)致其拉曼信號(hào)增強(qiáng)［34-35］。因此，以667 cm-1處的拉曼主特征峰的強(qiáng)度作柱狀圖(圖7B)，能更直觀地觀察到主特征峰的強(qiáng)度在150 h內(nèi)基本保持不變(在130 h時(shí)拉曼強(qiáng)度有增加，這可能一方面由于儀器待機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成測(cè)量誤差；另一方面原因可能是空氣中的水分子影響三聚氰胺在基底的吸附，致使拉曼強(qiáng)度有所波動(dòng))。

圖7 10-5mol·L-1的三聚氰胺在Al/Ag上150 h內(nèi)每隔10 h測(cè)試的拉曼光譜 (A),667 cm-1處拉曼強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系柱狀圖(B)Fig.7 SERS spectra of 10-5mol·L-1melamine on Al/Ag at intervals of 10 h within 150 h(A)and column chart of the relationship between the Raman intensity at 667 cm-1and time

為了研究Al/Ag基底是否對(duì)三聚氰胺具有選擇性，我們選擇了另外3種水溶性胺類化合物三乙醇胺、N，N-二甲基甲酰胺和 1，2-丙二胺進(jìn)行拉曼測(cè)試。結(jié)果如圖8所示，曲線a和b分別代表10-6mol·L-1的胺類物質(zhì)在Al/Ag基底和玻璃片基底的拉曼光譜，曲線c為單純胺類物質(zhì)在玻璃片基底的拉曼信號(hào)。從圖中可以看出，當(dāng)待檢測(cè)物的濃度為10-6mol·L-1時(shí)，在Al/Ag基底上只能觀察到三聚氰胺的拉曼信號(hào)峰，而并未觀察到其它3類待檢測(cè)物(三乙醇胺、N，N-二甲基甲酰胺和 1，2-丙二胺)的拉曼信號(hào)。這初步說(shuō)明Al/Ag基底對(duì)低濃度三聚氰胺具有較高的SERS活性和較好的選擇性。

圖8 10-6mol·L-1的三聚氰胺、三乙醇胺、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-丙二胺在Al/Ag(a)和玻璃基片 (b)上的拉曼光譜;純?nèi)矍璋?、三乙醇胺、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-丙二胺在玻璃片上的拉曼光譜 (c)Fig.8 Raman spectra of 10-6mol·L-1of melamine,triethanolamine,N,N-dimethylformamide and 1,2-diaminopropane on the Al/Ag(a)and glass(b),respectively;Raman spectra of pure melamine,pure triethanolamine,pure N,N′-dimethylformamide and pure 1,2-diaminopropane on glass(c)

3 結(jié) 論

通過(guò)置換法在鋁板上快速制備了一種即插即用型的Al/Ag納米SERS活性基底。通過(guò)對(duì)三聚氰胺的拉曼活性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該SERS基底能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)三聚氰胺的檢測(cè)，而且具有操作簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)損傷檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，最低檢測(cè)濃度能達(dá)到10-7mol·L-1，滿足國(guó)家食品安全要求對(duì)三聚氰胺檢測(cè)的最低標(biāo)準(zhǔn)。另外，Al/Ag基底對(duì)三聚氰胺檢測(cè)具有較高的拉曼重現(xiàn)性和較好的選擇性，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)Al/Ag基底在實(shí)際中的應(yīng)用非常有利。本研究對(duì)快速構(gòu)筑具有SERS活性的傳感器并實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中有毒、有害物質(zhì)的快速檢測(cè)提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。