邱瓊，代瑞紅，劉曉琳，張峰，曹曉衛(wèi)

(上海師范大學化學與材料科學學院，上海 200234)

1 引言

表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)光譜技術(shù)以其無損、靈敏、在線實時監(jiān)測等優(yōu)點，成為表面分析科學技術(shù)領(lǐng)域中一種強有力的工具，可提供高靈敏度的有關(guān)分子結(jié)構(gòu)特征的指紋信息[1]。而高效穩(wěn)定的SERS基底對于分子的檢測過程起著至關(guān)重要的作用[2]。在制備出高效穩(wěn)定的SERS基底的基礎(chǔ)上，如何從實際復雜樣品表面收集目標分析物分子至SERS基底上也是亟待解決的問題[3]。

近年來，用于SERS光譜分析的柔性基底憑借著其可以對復雜樣品表面實施有效包裹或者是通過簡單擦拭樣品表面的方法來有效收集待測物用于SERS光譜分析等獨特的優(yōu)勢已受到越來越多的關(guān)注[5-9]。Liu等人報道了一種簡單易用的雙面膠帶輔助轉(zhuǎn)移方法，用于制造具有優(yōu)異性能的表面增強拉曼散射(SERS)基底[10]。Chen等人也報道了將金納米粒子(AuNPs)溶膠直接滴涂在膠帶上制備了(T-SERS)光譜分析方法，它結(jié)合了膠帶的透明性，粘附性和柔韌性以及Al2O3一種簡單的基于膠帶柔性SERS基底[11]。Jiang 等人提出了一種膠帶包裹的SERS殼層包覆的銀納米棒 (AgNR@Al2O3) 陣列的SERS活性，在有效提取果皮表面分析物的基礎(chǔ)上借助AgNR@Al2O3基底的SERS增強效應(yīng)，實現(xiàn)了對所提取分析物的有效分析[12]。

因此，基于柔性透明膠帶可以方便有效提取復雜樣品表面分析物的特點，本文將具有良好柔韌性，透明性和粘合性的膠帶與具有良好SERS活性的沉積在銦錫氧化物導電玻璃(ITO)表面的金納米粒子陣列(AuNPs)相復合作為SERS基底，提出了一種應(yīng)用于果蔬農(nóng)藥殘留的SERS光譜快速檢測方法。所采用的兼具柔性與粘性的膠帶對于從復雜樣品表面提取分析物是十分有效的，比如蔬菜、水果等食品。研究工作表明，這種基于柔性膠帶包覆的AuNPs/ITO基底能夠產(chǎn)生良好的SERS增強效應(yīng)，能夠通過SERS光譜實現(xiàn)對果蔬表面農(nóng)藥成分的表征與分析?；妆旧碇苽涔に嚭唵?、成本經(jīng)濟，有助于批量化制備與商業(yè)化應(yīng)用。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

氧化銦錫導電玻璃 (導電玻璃的電阻值為20～30 Ω sp-1; 厚度為1 mm; 尺寸為15 mm × 5 mm) 購自深圳萊寶科技有限公司。高氯酸鈉(NaClO4)和氯金酸(HAuCl4·4H2O，Au≥47.8%)購自上海化學試劑有限公司。對-巰基苯甲酸(p-MBA)與福美雙均購自Sigma-Aldrich公司。透明膠帶和蘋果均購自當?shù)爻?。對巰基苯胺(p-ATP)和對巰基吡啶(p-Mpy)購自上海阿拉丁試劑有限公司。所有試劑均為分析純，使用過程中未進行其他處理。實驗全程使用的是Milli-Q級水(電阻率為18.2 MΩ·cm)配制所有溶液。

2.2 儀器與參數(shù)設(shè)置

電化學測試在辰華公司750B CHI電化學工作站上進行。采用三電極系統(tǒng)進行電化學測試。制備的AuNPs/ITO 電極作為工作電極，鉑片作為對電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極。電解液在測試前，通氮氣30 min,以除去氧氣。紫外可見吸收光譜在UV-7504PC型紫外可見分光光度計(上海新茂儀器有限公司)上進行測試。場發(fā)射掃描電鏡采用日立公司S-4800場發(fā)射掃描電鏡系統(tǒng)，加速電壓為3.00 kV。

表面增強拉曼光譜測量采用法國Jobin Yvon公司的SuperLamRabⅡ型激光共焦拉曼分析系統(tǒng)。在拉曼測試過程中，采用50倍長焦距工作物鏡。通過窄帶濾光片(Notch Filter)用于濾除瑞利散射(Rayleigh scattering)1800g/mm全息光柵提供2 cm-1的光譜分辨率；共軛孔徑和狹縫分別設(shè)置為1000m和100m。激發(fā)光源為He-Ne激光器，光源波長為632.8 nm, 激光功率約為5 mW。光譜積分時間為8 s,累積掃描次數(shù)為3。

2.3 AuNPs/ITO基底的制備

按照作者之前提出的電化學方法制備AuNPs/ITO基底[13]。先將ITO玻璃(1.5×0.5 cm2)依次用丙酮，異丙醇，超純水，超聲清洗后，作為工作電極。在0.1 M NaClO4+0.1 mM的氯金酸溶液中, 利用計時電流法，從+0.89 V躍至-0.8 V, 脈沖時間為0.8 s, 此時制備的電極稱為Au seeds/ITO 電極，然后采用循環(huán)伏安的方法，在+0.3至-0.1V范圍內(nèi)沉積500圈，掃描速度100 mV·s-1，制備出的電極稱為AuNPs/ITO 電極。制備好的電極用超純水清洗，然后用高純氮氣吹干，在常溫下存儲于超純水中。以p-MBA作為探針分子，所制備基底的SERS增強因子約1.3×106。由于基底制備的整個過程全部采用電化學方法，因此制備過程簡單可靠，可控性好。所制備的基底均勻性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性良好[13]。

2.4 AuNPs/ITO電極和膠帶復合用于SERS光譜分析

將作為“固相萃取劑”的透明膠帶黏附于樣品表面，提取其表面的分析物質(zhì)，接下來將膠帶的粘性面黏附在上述所制備的AuNPs/ITO基底表面，按壓4～6 s。接下來將此制備好的基底用于SERS光譜分析。

3 結(jié)果與討論

本文通過“粘貼，剝離和再次粘貼”的過程可實現(xiàn)對樣品表面附著農(nóng)藥殘留的快速提取與SERS光譜分析。由于膠帶所具有的粘性和透明性及柔韌性，因此，在實驗研究過程中，它可被視為“固相萃取劑”，用于從真實樣品表面有效收集分析物，而無需有機溶液的幫助。通過簡單的“粘貼和剝離”過程，膠帶能夠很容易地提取樣品表面附著目標分析物，提取過程簡捷且富有效率。然后，將提取有目標分析物的膠帶黏附在沉積有金納米粒子的ITO基底上，且在一定壓力下按壓膠帶幾秒，使分析物能夠有效地緊密靠近基底表面的“熱點”區(qū)域。

3.1 Tape-SERS基底表征與分析

由于透明膠帶在光譜測試過程中存在著吸收和反射效應(yīng)，由此可能會導致膠帶所包裹的AuNPs/ITO基底的SERS信號強度會有所降低。為此，作者選用(p-MBA)作為探針分子，對有無膠帶包覆的AuNPs/ITO基底的SERS光譜性能作了比較。如圖1 (a)所示，可以在1075cm-1和1585cm-1處明顯地觀察到化學吸附在AuNPs表面的、表征p-MBA分子的環(huán)呼吸和軸向變形振動模式的兩個特征強峰。(圖1中標星號的表示膠帶的拉曼峰)通過在基底表面隨機選取10個不同位點測量SERS光譜，且對這些不同點的光譜測量數(shù)據(jù)取平均值來考察膠帶包裹對基底SERS譜峰強度的影響。以p-MBA的1075cm-1特征峰強度的計算平均值作為參考，采用膠帶包裹基底的SERS (Tape-SERS)信號強度約為未包裹基底的67%。這表明此膠帶由于其對所采用的He-Ne激光器所提供的～633 nm的激光具有良好的透明性，可認為相對于單純的AuNPs/ITO基底此膠帶的包裹對于基底的SERS性能影響較小。此外，從圖1(b)所給出的紫外可見光譜數(shù)據(jù)來看，包裹膠帶前后均可在～560nm處觀測到AuNPs/ITO基底的特征吸收峰。

作者采用p-MBA進一步探究了在膠帶包裹條件下AuNPs/ITO基底(即Tape-SERS基底)的SERS光譜分析性能。先將AuNPs/ITO基底浸入不同濃度的p-MBA溶液中4小時，取出后先用大量的超純水進行清洗并在氮氣環(huán)境下吹干。在SERS光譜測量之前，將膠帶包裹在修飾有p-MBA的AuNPs/ITO基底表面進行SERS光譜量測。SERS光譜量測數(shù)據(jù)如圖2(b)所示，可以看到當p-MBA濃度達到10-8M時仍可明顯觀察到p-MBA分子的特征譜峰。這表明膠帶包裹的AuNPs/ITO基底對于低濃度的p-MBA具有良好的SERS光譜分析性能。

此外，作者考察了Tape-SERS基底的穩(wěn)定性。良好的穩(wěn)定性也是我們探究的重點，在基底表面隨機選取10個不同位點測量了其SERS光譜，如圖2(c)所示。經(jīng)過對圖2(c)光譜數(shù)據(jù)的計算，1075 cm-1處表征p-MBA分子特征譜峰其強度的相對標準偏差約為9.1%(圖2(d))。這表明所制備的Tape-SERS基底具有良好的均勻性。這與SEM的表征結(jié)果相一致(圖2(a))。

圖1 (a)p-MBA在AuNPs/ITO襯底(實線)和包膠帶AuNPs/ITO SERS(虛線)上的SERS光譜;(b)AuNPs/ITO和包膠帶ITO/AuNPs的UV圖像(*表示膠帶的特征峰)

圖2 (a) ITO/AuNPs的掃描電鏡圖像;(b) 不同濃度4-MBA在ITO/AuNPs上的膠帶SERS譜;(c)從10個隨機位點獲得的4-MBA(10-6 M)在ITO/AuNPs上的膠帶SERS譜。(d)圖 (C)中10個隨機位點在1075 cm-1處的峰強度的相應(yīng)條形圖

理想的SERS基底應(yīng)具有對各種不同分析物的檢測能力。為此，作者另選取了對氨基苯硫酚(p-ATP)和對巰基吡啶(p-MPy)這兩種不同的探針分子來考察所制備的Tape-SERS基底的性能。如圖3所示，除了膠帶自身的一些譜峰，這兩種探針分子的主要特征峰都很明顯得以增強。與p-MBA相似，p-ATP(a)和p-Mpy(b)在包裹了一層膠帶的AuNPs/ITO基底表面的SERS光譜信號會比在單純的AuNPs/ITO基底的SERS信號有一定程度的減弱。這些表明采用膠帶包裹的AuNPs/ITO基底(Tape-SERS)可用于實際樣品分析，且由于柔性膠帶引入，使其能夠方便從果蔬等復雜樣品表面有效提取分析物；再借助于制備簡單、均勻性與SERS活性良好的AuNPs/ITO基底，使其能夠有效地應(yīng)用于果蔬等食品的SERS光譜分析。

3.2 Tape-SERS在果皮表面農(nóng)藥檢測中的應(yīng)用

隨著生活水平的提高，我們對蔬菜水果的需求量顯著提高。由于適當?shù)厥褂脷⑾x劑可有效地增加蔬菜水果的產(chǎn)量，以滿足人類的需求，大量的農(nóng)藥被用于農(nóng)田、果園等場合。但由于農(nóng)藥的不規(guī)范使用、過度使用的現(xiàn)象十分普遍，使得農(nóng)藥殘留問題日益突出。因為農(nóng)藥一旦被人體攝入，即會威脅人類健康，因此建立果蔬表面農(nóng)殘的快檢方法迫在眉睫[14,15]。

福美雙(thiram)是農(nóng)業(yè)中最常用的殺蟲劑之一，是一種二硫代氨基甲酸鹽類的殺菌劑，其結(jié)構(gòu)如圖4的插圖所示。為了檢測真實果蔬表面農(nóng)藥殘留，作者嘗試用膠帶對蘋果、橘子和梨等不同果皮表面的福美雙通過“粘貼，剝離”的操作過程進行提取，再將膠帶粘貼于AuNPs/ITO基底表面用于SERS光譜測試。圖4分別給出了福美雙的固體拉曼光譜(a)，福美雙在Tape-SERS基底表面(b)和AuNPs/ITO基底表面(c)的SERS光譜。其中，1380和1513cm-1處的譜峰分別歸屬于福美雙分子的δ(CH3)和υ(C-N)[14]。

圖3 p-ATP(a)和p-Mpy(b)在SERS和膠帶SERS基底上的SERS光譜

圖4 TMTD的拉曼光譜：(a)固體粉末的普通拉曼譜帶，(b)TMTD的膠帶SERS(10-5 M)，和(c)TMTD的SERS

如圖5(a)所示，采用本文提出的Tape-SERS基底進行SERS光譜測量，福美雙的最低檢測限可達到10-6M，低于果皮表面所允許的最大農(nóng)藥殘留(5g/g, GB2763-2016)，這也進一步表明此基底應(yīng)用于實際檢測具有現(xiàn)實意義。為實現(xiàn)對待檢測物的定量或半定量檢測，需要研究檢測信號值與待檢測物含量之間的對應(yīng)關(guān)系。因此，需要對SERS譜峰強度與待檢測物濃度進行定量分析研究。研究表明當待檢測物處于較低的濃度范圍時，其SERS光譜特征峰強度的對數(shù)值與相應(yīng)濃度對數(shù)值滿足線性關(guān)系。如圖5(b)所示。SERS光譜特征峰強度對數(shù)值與相應(yīng)濃度對數(shù)值之間的線性方程為log I=0.69151log C+6.53363。該擬合直線的相關(guān)系數(shù)R2值為0.98。由圖中的誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，對福美雙的檢測誤差在可接受的范圍內(nèi)。

此外，作者亦針對不同種類的果皮表面的福美雙做了具體的分析。通過Tape-SERS方法收集了蘋果，梨和橘子表皮的福美雙，其SERS光譜如圖6所示。 相比較而言，從實際樣品表面提取的分析物其光譜存在少許的背景干擾，但未對福美雙的SERS光譜特征分析產(chǎn)生顯著影響。這從實際應(yīng)用的角度進一步證明了所提出的Tape-SERS方法可用于果皮表面的農(nóng)藥殘留分析。

4 結(jié)論

本論文的研究將柔性透明的膠帶與電化學方法制備的金納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，所構(gòu)筑的Tape-SERS基底可應(yīng)用于果蔬等復雜樣品表面的農(nóng)藥殘留的SERS光譜分析。其中柔性透明的膠帶作為果蔬樣品表面分析物有效的收集提取器，由電化學方法所制備AuNPs/ITO作為均勻的SERS基底，為復雜樣品表面的簡單取樣和快速有效的SERS光譜分析提供了可能性。研究工作表明，采用透明膠帶結(jié)合AuNPs/ITO基底可以應(yīng)用于實際的SERS光譜分析工作。通過簡單的“粘-撕-粘”的簡捷過程即可制備出用于SERS光譜檢測的Tape-SERS基底。ITO上電化學沉積修飾的金納米粒子陣列和黏附提取分析物的膠帶結(jié)合，分析物相當于被包裹起來，能避免分析物分子與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，從而獲得更好的光譜穩(wěn)定性及更高的信噪比。研究中p-MBA作為探針分子證明Tape-SERS基底具有較高的靈敏度，良好的均勻性和穩(wěn)定性。作為實際應(yīng)用，作者對果皮表面的福美雙農(nóng)藥殘留進行了定性和定量的SERS光譜分析研究。所提出的這種Tape-SERS基底是一種方便快捷的方法，由于是基于剛性的金納米結(jié)構(gòu)和透明柔性膠帶的有機結(jié)合，起到了對復雜或特定表面的分析物有效提取和易于光譜量測的功效。期待所提出的Tape-SERS方法能夠成為食品安全領(lǐng)域SERS光譜分析的良好選擇[3]。

圖5 蘋果皮上TMTD的SERS譜，(b)不同濃度TMTD對應(yīng)的SERS光譜中ν(C-N)、δs(CH3)集中在1380 cm-1處的積分強度。(插入圖：log I和log C之間的線性關(guān)系)

圖6 從不同表面提取的TMTD(10μM)的T-SERS分析：(a)橙子，(b)梨和(c)蘋果