基于濾紙基底表面增強(qiáng)拉曼光譜法的水中毒死蜱農(nóng)藥的循環(huán)快速檢測研究

金翔鷹，孫澤飛，王 松，郭鵬然，雷永乾*

(1.廣東省科學(xué)院 廣東省測試分析研究所(中國廣州分析測試中心) 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省水環(huán)境污染在線監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510070;2.沈陽工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

毒死蜱是一種高效、應(yīng)用廣泛的有機(jī)磷農(nóng)藥，可抑制害蟲體內(nèi)乙酰膽堿酯酶的活性[1]，對廣泛植食性昆蟲如稻縱卷葉螟、飛虱和菜青蟲均有很好的毒殺效果[2]。毒死蜱作為谷物、蔬菜、水果以及糖料作物等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中的殺蟲劑已被廣泛使用。雖然毒死蜱等高效農(nóng)藥的使用顯著增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量，但因過量使用導(dǎo)致的環(huán)境殘留對生態(tài)環(huán)境造成了一定的危害，并對人類健康構(gòu)成威脅[3]。開發(fā)此類農(nóng)藥的快速檢測技術(shù)及方法是控制環(huán)境中農(nóng)藥殘留的有效手段。目前農(nóng)藥殘留的檢測方法，如高效液相色譜法[4]、液相色譜-質(zhì)譜法[5]、氣相色譜法和氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[6]，均具有較高的檢測靈敏度及穩(wěn)定性。然而上述方法存在樣品前處理復(fù)雜，檢測耗時(shí)長，儀器設(shè)備成本高并且需要專業(yè)操作等問題，極大地限制了其在農(nóng)殘快速檢測方面的應(yīng)用[7]。為了嚴(yán)格防控農(nóng)殘污染，有效降低農(nóng)藥殘留對生態(tài)環(huán)境及人體健康的潛在危害，迫切需要開發(fā)針對環(huán)境中農(nóng)藥殘留的快速識別、篩查和檢測技術(shù)[8]。

光譜技術(shù)作為一種快速、高效的檢測手段被廣泛應(yīng)用于污染物的快速鑒定與篩查，其中表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)作為光譜檢測技術(shù)之一，具有靈敏度高、水分干擾少等特點(diǎn)，在農(nóng)殘快速檢測方面具有顯著優(yōu)勢[9-11]。目前表面增強(qiáng)拉曼光譜已被應(yīng)用于農(nóng)藥殘留、抗生素等有機(jī)污染物及重金屬污染物的快速檢測[12-15]中。在表面增強(qiáng)拉曼光譜的研究中，低成本、高性能增強(qiáng)基底的制備一直是研究的熱點(diǎn)[16-17]。其中，濾紙表面增強(qiáng)拉曼檢測基底由于制備成本低、檢測方式靈活，近年來備受關(guān)注[18]。與硅或金屬膜基底相比，濾紙材料來源廣泛，成本低廉，且可以剪切、卷曲和折疊[19-21]，其表面具有的多孔結(jié)構(gòu)利于拉曼活性納米顆粒均勻分布，形成較多的表面增強(qiáng)檢測熱點(diǎn)[22]。將基于濾紙基底的表面增強(qiáng)拉曼檢測技術(shù)用于廢水中農(nóng)藥殘留的檢測，為拉曼光譜在實(shí)際檢測中的應(yīng)用提供了新思路。

本文基于濾紙表面拉曼增強(qiáng)基底的上述特性，開發(fā)了負(fù)載銀納米粒子和氧化鋅納米粒子的復(fù)合檢測基底材料，并將其用于地表水中毒死蜱的檢測研究，基底材料具有的光催化功能及表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測活性實(shí)現(xiàn)了檢測基底的循環(huán)利用。考察了毒死蜱在上述復(fù)合基底循環(huán)檢測過程中的降解動(dòng)力學(xué)、檢出限、穩(wěn)定性及重復(fù)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

AgNO3、鹽酸羥胺和NaOH均購自上海麥克林生物化學(xué)有限公司；無水乙醇購自廣州化學(xué)試劑廠；KOH、Zn(CH3COO)2購自阿拉丁試劑(上海)有限公司；毒死蜱農(nóng)藥產(chǎn)品購自北京燕化永樂生物技術(shù)有限公司；濾紙購自杭州沃華濾紙有限公司。毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品購自Ehrenstorferm GmbH公司。實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)試劑均為分析純。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中配制溶液所用水均為高純?nèi)ルx子水。

采用便攜式拉曼光譜儀(BWS465-785H，BWTEK，785 nm laser)進(jìn)行樣品檢測。材料表面微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡(Hitachi S3700)進(jìn)行表征。

1.2 ZnO納米粒子的制備

ZnO納米粒子的制備參考文獻(xiàn)方法[23]。首先將0.97 g醋酸鋅和0.48 g氫氧化鉀分別溶解在42 mL和23 mL乙醇中，隨后將醋酸鋅溶液在攪拌下加熱至60 ℃，30 min后滴加氫氧化鉀溶液。持續(xù)攪拌10 min至溶液由澄清變成乳濁狀。最后將所得乳濁液經(jīng)多次離心及去離子水洗滌，得到ZnO納米粒子。

1.3 銀納米粒子(AgNPs)的制備

AgNPs采用已有方法[24]制備。將10.4 mg鹽酸羥胺和12 mg NaOH溶解在90 mL高純水中，然后在持續(xù)攪拌下滴加90 mL AgNO3溶液，攪拌10 min后獲得AgNPs懸濁液。將制備的AgNPs進(jìn)行多次洗滌純化，并用去離子水洗滌，分散，待用。

1.4 濾紙基底的制備與表征

將濾紙剪成1 cm×1 cm大小的濾紙片，并浸入ZnO納米粒子分散液中，5 min后取出于80 ℃烘箱干燥，然后將干燥的濾紙浸入AgNPs分散液中浸泡，5 min后取出，待真空干燥后對制備的基底進(jìn)行掃描電鏡分析。

1.5 濾紙基底對毒死蜱的拉曼光譜檢測

配制不同濃度的毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)溶液，將20 μL溶液滴加在濾紙檢測基底上進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼檢測。每次檢測后，用紫外光(254 nm)對檢測基底進(jìn)行照射，并定時(shí)檢測。待檢測特征峰消失，目標(biāo)物降解去除后，重復(fù)滴加樣品，保持滴加量和濃度不變考察檢測基底的重復(fù)性。在紫外降解過程中，利用表面增強(qiáng)拉曼檢測特征峰強(qiáng)度變化考察毒死蜱的降解過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙質(zhì)基底的表征及用于毒死蜱的檢測

通過掃描電鏡對制備的紙質(zhì)SERS檢測基底微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。圖1A和1B分別為空白濾紙和濾紙檢測基底的微觀結(jié)構(gòu)，從圖1A可以看出，空白濾紙表現(xiàn)為不規(guī)則的纖維交織并呈現(xiàn)出三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而在負(fù)載AgNPs及ZnO納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)(圖1B)上，其微觀孔結(jié)構(gòu)被大量粒子填充覆蓋，且負(fù)載的粒子分布均勻。圖1C顯示毒死蜱在此基底上表現(xiàn)出強(qiáng)的拉曼信號，與空白濾紙上檢測的毒死蜱拉曼信號相比，復(fù)合基底上的拉曼信號得到明顯增強(qiáng)。用EDX能譜(圖1D)對其表面元素組成的進(jìn)一步表征顯示，ZnO和AgNPs有效負(fù)載在濾紙表面。上述表征結(jié)果表明，濾紙基底能夠有效負(fù)載ZnO和AgNPs并作為拉曼檢測基底實(shí)現(xiàn)毒死蜱的檢測。

圖1 空白(A)及負(fù)載AgNPs與ZnO納米粒子基底(B)濾紙的掃描電鏡圖與毒死蜱(500 μg/L)在復(fù)合檢測基底上的拉曼光譜圖(C)和復(fù)合檢測基底的EDX譜圖(D)Fig.1 SEM images of a blank filter paper(A) and filter paper with AgNPs and ZnO loaded(B),and Raman spectrum of chlorpyrifos(500 μg/L) sample on the SERS substrate(C) and the EDX pattern of the SERS substrate(D)

2.2 紙質(zhì)基底檢測的可靠性

為評估制備的復(fù)合檢測基底的可靠性，對單一濾紙不同位置的檢測結(jié)果及不同濾紙片之間的檢測結(jié)果進(jìn)行了對比。圖2A為單片增強(qiáng)濾紙基底上6個(gè)隨機(jī)檢測點(diǎn)的拉曼光譜圖，圖2B為6片不同增強(qiáng)濾紙基底上拉曼檢測特征峰341 cm-1處的強(qiáng)度對比。從結(jié)果可以看出本方法所制備的濾紙?jiān)鰪?qiáng)基底材料具有很好的檢測一致性，不同檢測基底間毒死蜱的特征拉曼峰檢測強(qiáng)度(峰面積)偏差小于5%。此結(jié)果表明本方法制備的濾紙拉曼增強(qiáng)檢測基底的活性位點(diǎn)具有很好的分布均勻性，可保證后續(xù)樣品檢測結(jié)果的可靠性。

圖2 單片增強(qiáng)濾紙基底上6個(gè)隨機(jī)檢測點(diǎn)的拉曼光譜圖(A)和 6片不同增強(qiáng)濾紙基底上拉曼檢測特征峰341 cm-1處的強(qiáng)度對比(B)Fig.2 Raman spectra of 6 random detection points on one paper(A) and the intensity of the character peak at 341 cm-1 for 6 different pieces of SRES substrate(B)20 μL 500 μg/L chlorpyrifos sample in each experiment

圖3 5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中毒死蜱(500 μg/L)341 cm-1處拉曼特征峰的強(qiáng)度變化Fig.3 Intensity changes of character peak at 341 cm-1 for chlorpyrifos(500 μg/L) in 5 repeatable experiments

2.3 紙質(zhì)基底對毒死蜱的檢測性能

為進(jìn)一步考察濾紙基底對毒死蜱農(nóng)藥的檢測性能，配制不同濃度毒死蜱的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行線性范圍和檢出限考察。以毒死蜱的質(zhì)量濃度(x，μg/L)為橫坐標(biāo)，其在濾紙?jiān)鰪?qiáng)檢測基底上于341 cm-1處的峰強(qiáng)度(峰面積)(y)為縱坐標(biāo)，擬合得到線性回歸方程y=129.82x+11 604，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.990 6，線性范圍為50～500 μg/L。以3倍信噪比(3S/N)計(jì)算得到毒死蜱的檢出限為48.53 μg/L。其檢出限可滿足地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848-2017)對農(nóng)業(yè)用水中毒死蜱的限值(60 μg/L)以及食品中農(nóng)藥殘留限制標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2763-2019)對水果蔬菜中毒死蜱最大殘留限值(水果蔬菜分別為0.3和0.05 mg/L)[28-29]的要求。從檢測性能看，復(fù)合濾紙檢測基底在農(nóng)業(yè)水環(huán)境及相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品中毒死蜱農(nóng)藥殘留的快速檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。

2.4 紙質(zhì)基底循環(huán)檢測重復(fù)性

在采用制備的基底對毒死蜱的檢測過程中，除了基底檢測活性點(diǎn)的均勻性外，檢測的穩(wěn)定性同樣重要。本實(shí)驗(yàn)中基底的穩(wěn)定性通過光催化降解目標(biāo)物及重復(fù)性檢測目標(biāo)物進(jìn)行考察。以500 μg/L毒死蜱產(chǎn)品作為檢測目標(biāo)物，在樣品檢測完成后進(jìn)行紫外燈(254 nm)照射，經(jīng)紫外線照射10 min后，毒死蜱的拉曼檢測峰強(qiáng)度顯著下降。以341 cm-1處的特征峰為例，如圖3所示，在5次重復(fù)檢測實(shí)驗(yàn)中，其特征峰強(qiáng)度在每次光照后均降至10%以下，而在重復(fù)滴樣后檢測強(qiáng)度并未發(fā)生明顯衰減。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在毒死蜱的檢測過程中，復(fù)合濾紙檢測基底的結(jié)構(gòu)和檢測活性具有很好的穩(wěn)定性。紫外照射條件下ZnO納米粒子降解毒死蜱分子的過程中并未影響AgNPs的拉曼增強(qiáng)活性。

2.5 紫外光照下的降解動(dòng)力學(xué)

在復(fù)合檢測基底對毒死蜱的檢測過程中，由于ZnO在紫外光照下的高催化活性，使得目標(biāo)物可在短時(shí)間內(nèi)快速降解從而達(dá)到基底重復(fù)檢測的目的。通過對其降解動(dòng)力學(xué)的研究可以了解光催化條件下目標(biāo)物的降解過程及最佳降解時(shí)間，進(jìn)而優(yōu)化檢測條件。本實(shí)驗(yàn)通過在相同光照時(shí)間間隔定時(shí)檢測毒死蜱的拉曼增強(qiáng)信號來考察其降解的動(dòng)力學(xué)過程。以500 μg/L的毒死蜱作為檢測目標(biāo)物，在制得的濾紙基底上進(jìn)行毒死蜱的表面增強(qiáng)拉曼檢測，在檢測完成及紫外光照2 min后進(jìn)行再次檢測。6次間隔檢測的拉曼光譜圖如圖4A所示，毒死蜱的拉曼檢測峰強(qiáng)度隨紫外光照時(shí)間的增加而逐漸降低，且所有特征峰隨光照時(shí)間的變化保持了一致的趨勢。為進(jìn)一步研究其降解過程，選擇強(qiáng)度較高的341 cm-1和634 cm-1兩處特征峰作為研究對象，其信號強(qiáng)度(峰面積)相對光照時(shí)間的變化如圖4B所示。結(jié)果表明，在紫外光照射下，目標(biāo)農(nóng)藥可以在10 min內(nèi)有效降解。由于在低濃度下拉曼光譜的特征峰強(qiáng)度(峰面積)與其濃度呈正相關(guān)性，可以近似用拉曼特征峰強(qiáng)度的變化來考察其降解動(dòng)力學(xué)過程。根據(jù)降解動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果，毒死蜱在紫外燈下的降解符合零級反應(yīng)過程，即其濃度變化與時(shí)間的關(guān)系可表述為：C=C0-kt，其中C為目標(biāo)物濃度，C0為目標(biāo)物起始濃度，k為反應(yīng)速率常數(shù)，t為時(shí)間。由圖4B的降解動(dòng)力學(xué)曲線計(jì)算得到341 cm-1與634 cm-1處兩個(gè)特征峰的動(dòng)力學(xué)常數(shù)k分別為0.092 4和0.086 7，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)r2分別為0.969和0.974。

圖4 不同光照時(shí)間下濾紙?jiān)鰪?qiáng)基底檢測的毒死蜱拉曼光譜圖(A)及拉曼檢測信號強(qiáng)度隨光照時(shí)間變化曲線(B)Fig.4 Raman spectra of chlorpyrifos in prepared paper substrate under different light time(A) and the relationship between the intensities of the Raman detection and the time of illumination(B)

表1 地表水加標(biāo)實(shí)驗(yàn)的回收率與RSDs(n=3)Table 1 Recoveries and RSDs in surface water with different spike levels(n=3)

2.6 實(shí)際水樣中毒死蜱農(nóng)藥的檢測

為評估復(fù)合濾紙基底對實(shí)際水樣的檢測能力，以地表水作為樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。分別取一定量地表水樣品進(jìn)行100、250、 500 μg/L 3個(gè)水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)同時(shí)測定空白地表水。表1為地表水加標(biāo)3次的回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)測定結(jié)果。從結(jié)果可以看出，復(fù)合濾紙基底對農(nóng)藥毒死蜱的檢測回收率為111%～139%，RSD≤12%。以上數(shù)據(jù)說明濾紙表面增強(qiáng)拉曼基底可用于實(shí)際水樣中毒死蜱農(nóng)藥的檢測。

3 結(jié) 論

本文報(bào)道了一種濾紙負(fù)載AgNPs和ZnO納米粒子的復(fù)合表面拉曼增強(qiáng)基底材料，并將其用于環(huán)境水中毒死蜱農(nóng)藥的殘留檢測，基于ZnO納米粒子在紫外光照射下強(qiáng)的光催化作用，制備的復(fù)合基底材料在實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留循環(huán)檢測的同時(shí)仍能保持高的拉曼檢測活性。農(nóng)藥目標(biāo)物在復(fù)合檢測基底上的降解動(dòng)力學(xué)符合零級反應(yīng)過程。該復(fù)合基底材料制備方法簡單，檢測位點(diǎn)分布均勻，可規(guī)模化制備。基于該復(fù)合基底的檢測方法具有操作簡單、檢測成本低等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)殘快速檢測方面具有巨大的應(yīng)用潛力。