丁倩倩，顧濤，董榮錄

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院，蘇州 215104;2.中國科學技術大學，合肥 230026;3.中科院合肥物質(zhì)研究院，合肥 230031)

1 引言

農(nóng)藥的使用在給我們帶來便利的同時，也引發(fā)了一系列的水污染、土壤污染和食品安全等一系列問題，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴重的影響，也威脅著我們的健康[1-4]。根據(jù)食品安全國家標準，我國規(guī)定的農(nóng)殘污染物種類高達322 種，其中農(nóng)藥福美雙，又稱為二硫化四甲基秋蘭姆，是一種典型的二硫代氨基甲酸鹽類農(nóng)藥，作為殺蟲劑在瓜果、蔬菜、煙草的種植上有著廣泛的應用，用作防治霜霉病、瓜期病害及白腐病等。然而福美雙的殘留物，進入人體后，其分子中S-S 鍵的斷裂會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，會危害人體健康。敵瘟磷目前也是一種比較廣泛使用的有機磷類農(nóng)藥，促進農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時對人類身體健康產(chǎn)生較大的危害，所以，對環(huán)境和食品中低濃度福美雙和有機磷的進行快速、定量檢測具有重要的意義[5-7]。

表面增強拉曼光譜(Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS)是一種強有力的生化物質(zhì)檢測方法，其具有成本低、靈敏度高、操作簡單，無損檢測和“指紋”識別等優(yōu)點，備受研究者青睞[8-10]。目前，認同的SERS機理包括有電磁場增強機理和化學增強機理兩類[9-11]。對貴金屬納米顆粒而言，由于表面等離子體共振(SPR)引起的局域電磁場增強，認為對SERS效應增強占有主導地位。其中局域電場最強的區(qū)域與納米顆粒的形貌存在非常大的關聯(lián)，因此制備不同形貌的貴金屬納米顆粒作為SERS基底，來增加SERS活性一直是我們研究的熱點。在不同形貌貴金屬納米顆粒中，納米星形貌由于具有較大的比表面積和尖端效應，可產(chǎn)生具有較高的SERS活性，備受研究者關注。但目前制備Au納米星的各種方法中，存在如下問題：在其制備過程需要加入表面活性劑使顆粒呈現(xiàn)各向異性生長，但表面活性劑的殘留不僅不利于目標分子的吸附，也可能對測試結(jié)果造成一定的干擾；其次，目前基于Au納米星構(gòu)筑的SERS基底，只能進行單次使用，不能重復利用。以上問題的存在，使其實際應用收到了一定的限制。

基于上述問題，本文提出先制備Fe3O4納米顆粒，之后經(jīng)濕化學還原氯金酸，獲得Fe3O4@Au納米星顆粒。該法制備簡單，制備的Fe3O4@Au納米星顆粒呈單分散分布、形貌均一，且在制備的過程中無需要加入表面活性劑。該Fe3O4@Au納米星顆粒作為SERS基底，由于Au納米星顆粒較大的表面積和尖端活性導致SERS活性較高，可實現(xiàn)農(nóng)藥殘留物高敏感的檢測；同時，利用Fe3O4自身的磁性，可以將所制備的納米星用作循環(huán)SERS基底。

2 實驗部分

2.1 Fe3O4顆粒的制備

將11.622 g六水合氯化鐵和0.994 g四水合氯化亞鐵溶解至40 mL去離子水中，之后依次加入5 mL氨水和4.400 g的檸檬酸鈉。該反應液放置于30攝氏度水浴鍋中反應20分鐘，冷卻至室溫后，用磁鐵將產(chǎn)物吸出，分別用乙醇和去離子水進行洗滌，干燥后備用。

2.2 Au納米殼包裹的Fe3O4納米顆粒制備

將20 mL 0.5 mM氯金酸溶液加熱至沸騰，快速加入10 mL的Fe3O4納米顆粒溶液(1gFe3O4納米顆粒溶解與100mL水中)，反應30分鐘，持續(xù)攪拌冷卻至室溫，隨后通過乙醇和去離子水洗滌得到Fe3O4@Au納米殼顆粒，備用。

2.3 Fe3O4@Au 納米星顆粒的合成

于2 mL 0.25 mM的氯金酸水溶液依次加入10 ul的Fe3O4@Au納米殼顆粒種子(100mgFe3O4@Au納米殼顆粒種子稀釋到10毫升水中)和8 mL 30 mM的對苯二酚水溶液，反應30分鐘，之后經(jīng)高速離心方式進行分離洗滌得到Fe3O4@Au 納米星。

2.4 材料表征

Fe3O4@Au納米星的形貌及尺寸通過透射電子顯微鏡(JEOL、JEM2010)以及Oxford INCN 能譜分析儀(EDS)表征；UV-Vis吸收光譜通過紫外可見分光光度計(UV-2550,島津)表征；拉曼數(shù)據(jù)是通過拉曼光譜儀(LabRAM HR800、 Horiba Jobin Yvon)進行表征。

2.5 SERS測試

首先將大小0.5 cm×0.5 cm的硅片在過氧化氫(30%)和濃硫酸(98%)按照體積比1:3的比例所配制的溶液中浸泡1小時，然后分別用乙醇和水進行清洗。隨后，將制備的Fe3O4@Au 納米星分散到清洗后的硅片上備用，將10L不同濃度的福美雙和敵瘟磷滴在納米顆粒的表面，室溫下干燥，進行SERS檢測。實驗過程中使用的拉曼儀的激發(fā)波長為785 nm，激發(fā)能量為2 mW，積分時間為2 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 Fe3O4@Au 納米星顆粒的表征

通過共沉淀法制備出Fe3O4納米顆粒，隨后通過TEM進行顆粒形貌的觀察，結(jié)果如圖1a所示。從圖中可以看出所制備的Fe3O4納米顆粒呈現(xiàn)單分散，并且顆粒尺寸均一，大小約為10 nm左右。通過此法制備的Fe3O4納米顆粒表面存在一定量殘留的檸檬酸鈉，可利用其還原性，加熱還原氯金酸溶液，在Fe3O4納米顆粒的表面包裹上一層Au納米殼。Fe3O4@Au納米殼顆粒的形貌、大小通過TEM進行表征，結(jié)果如圖1b所示?？吹剿苽涞腇e3O4@Au納米顆粒的大小約為20 nm左右，Au納米殼層均勻的包裹在Fe3O4的表面。最后加入還原劑—對苯二酚，得到星狀的Fe3O4@Au納米星顆粒。通過TEM觀察到所制備的Fe3O4@Au納米星為多刺狀結(jié)構(gòu)，形貌均一，尺寸大小為40 nm左右，見圖1c所示。Fe3O4@Au納米星的紫外-可見吸收光譜為圖1d，從圖中得到，制備的Fe3O4@Au納米星的表面等離子體共振吸收帶分為橫向和縱向兩個局域表面等離子體共振峰，這是由于Fe3O4@Au納米星的各向異性所導致的。其中，由于縱向的吸收峰在755nm，所以在后續(xù)的SERS測試中，可以用拉曼光譜儀中785 nm波長的激光進行共振激發(fā)，更加有利于增加SERS檢測的靈敏度。圖1e是通過能譜儀(EDS)測試Fe3O4@Au納米星顆粒所含的元素成份，圖中看到所制備的材料分別含有Fe和Au兩種元素，F(xiàn)e的含量為15.07%，Au的含量為84.78%。

3.2 藥殘留物的檢測

福美雙，屬于二硫代氣基甲酸鹽類，一種典型的農(nóng)藥[12]。實現(xiàn)低濃度福美雙的快速檢測分析，對農(nóng)藥殘留的監(jiān)管具有十分重要的意義。將Fe3O4@Au納米星作為SERS基底用于福美雙的檢測。圖2a是該基底檢測濃度從4.17×10-7到4.17×10-11的福美雙的SERS圖譜，SERS光譜的特征峰分別在928 cm-1,1149 cm-1,1384 cm-1,1512 cm-1處。其中，928 cm-1為C=S 和CH3-N 的伸縮振動峰，1149 cm-1為C-N的伸縮振動和CH3的搖擺振動峰，位于1384 cm-1處是CH3的對稱伸縮振動和C-N的伸縮振動峰， 1513 cm-1處的峰為C-N的伸縮振動和CH3的彎曲振動[13]。從圖2a的檢測結(jié)果來看，以Fe3O4@Au納米星為基底對福美雙進行檢測，檢測下限可達到4.17×10-11M，表明Fe3O4@Au納米星可用于福美雙農(nóng)藥的SERS檢測且具有較高的檢測靈敏度和較低的檢測極限。通過計算福美雙濃度的對數(shù)Lg[c(福美雙)]與SERS峰強度的對數(shù)Lg[峰強]發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)一定的線性關系，如圖2b所示，研究發(fā)現(xiàn)，我們可以通過測量SERS峰強度變化實現(xiàn)對福美雙的定量檢測。敵瘟磷也是一種廣譜使用的有機磷農(nóng)藥[14]，在實驗中，將Fe3O4@Au納米星作為SERS基底用于敵瘟磷的檢測, 圖2c顯示檢測極限在4.3×10-5M。SERS特征峰在1362cm-1的峰為CH3的對稱變形振動，1071cm-1為平面CH變形振動，1207 cm-1位P=O的伸縮振動，芳香環(huán)呼吸振動峰在1179,1019,997和688cm-1處。通過計算敵瘟磷濃度的對數(shù)Lg[c(敵瘟磷)]與SERS峰強度的對數(shù)Lg[峰強]發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)一定的線性關系，如圖2d所示，研究發(fā)現(xiàn)，我們可以通過測量SERS峰強度變化實現(xiàn)對福美雙的定量檢測。

圖1 對Fe3O4@Au納米星結(jié)構(gòu)進行表征。(a)Fe3O4納米顆粒的TEM圖，(b)Fe3O4@Au納米殼顆粒的TEM圖，(c)Fe3O4@Au納米星的TEM圖，(d)Fe3O4@Au納米星和Fe3O4@Au納米殼顆粒的紫外-可見吸收光譜圖，(e)Fe3O4@Au納米星的EDS圖

Fig.1 Characterization of Fe3O4@Au nanostar structure. TEM of (a) Fe3O4nanoparticle, (b) Fe3O4@Au nanoparticle, (c) Fe3O4@Au nanostar, (d) UV-Vis absorption spectroscopy of Fe3O4@Au nanostar and Fe3O4@Au nanoparticle, (d) EDS of Fe3O4@Au nanostar

最后，我們對所制備的Fe3O4@Au納米星用作循環(huán)SERS測試，第一次測試過程與上述SERS測試步驟相同，在重復測試過程中，我們選擇用磁鐵將Fe3O4@Au納米星回收到5毫升離心管中，用乙醇清洗三次，再進行重復用于SERS基底。重復六次進行試驗，用于驗證其循環(huán)性。在循環(huán)測試中，滴加一定量的福美雙，可以得到福美雙的SERS峰。隨后用水和乙醇進行洗滌后，福美雙的主要SERS峰消失。然后重新滴加一定量的福美雙后，又測試出福美雙的SERS主要峰。此步驟重復三遍，所得到的測試結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明，所制備的納米材料可以作為循環(huán)SERS基底。

圖2 Fe3O4@Au納米星用作SERS基底檢測福美雙獲得的(a)SERS光譜，(b)Lg[C(福美雙)]與Lg[峰強]之間的線性關系；敵瘟磷的(c)SERS光譜，(d)Lg[C(敵瘟磷)]與Lg[峰強]之間的線性關系

Fig.2 (a) The SERS spectra of thiram pesticide with different concentrations collected from Fe3O4@Au nanostar. (b) Logarithmic plot of [C(thiram pesticide)]versus SERS intensity together with linear fitting；(c) the SERS spectra of ediphenphos pesticide (d) Logarithmic plot of [C(ediphenphos)]versus SERS intensity together with linear fitting

4 結(jié)論

本論文是通過共沉淀法制備Fe3O4納米顆粒，通過檸檬酸鈉高溫還原氯金酸的方式在Fe3O4納米顆粒的表面包裹上Au納米殼層，最后對苯二酚還原氯金酸，在所制備的Fe3O4@Au納米顆粒表面生長出刺狀Au納米枝，形成Fe3O4@Au納米星。然后將此納米星用于SERS基底，對福美雙和敵瘟磷農(nóng)藥進行檢測，檢測線分別到4.17×10-11M和4.3×10-5M，說明其具有較高靈敏度。最后，將所制備的Fe3O4@Au納米星用于SERS基底，用于循環(huán)SERS檢測，研究其循環(huán)使用性能。所有這些特性對于可再生高靈敏度SERS檢測提供了新的可能。

圖3 將Fe3O4@Au納米星作為循環(huán)SERS基底用于福美雙農(nóng)藥分子的三次循環(huán)檢測

Fig.3 Recycle SERS behavior of Fe3O4@Au nanostar with three cycles for thiram pesticide over three cycles