改性表面增強拉曼基底對幾種重金屬的定量檢測

譚 雄， 劉顯波， 白紅杰， 崔旭東， 劉 彤

(1.西南科技大學國防科技學院， 綿陽621010； 2. 四川大學物理學院， 成都610065；3. 四川警察學院， 瀘州646000； 4. 中國工程物理研究院化工材料研究所， 綿陽621900；5.中國工程物理研究院總體工程研究所， 綿陽621900)

1 引 言

除少部分金屬離子對人類有益外，絕大多數重金屬離子都對人體健康有著嚴重危害[1]，其中Pb2+、Cd2+、As3+等重金屬離子污染范圍最廣、危害極大[2-3]，尤其是在水體中. 長期攝入超標重金屬離子會導致功能系統障礙、神經損害、器官衰竭以及組織病變等[4-5]. 當前基于靈敏和選擇性檢測重金屬的常規方法主要包括原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子質譜技術(ICP-MS)、高效液相色譜法(HPLC)及光譜[6-7]等技術，這些方法雖然表現出良好的檢測效果，但存在樣品前處理繁瑣、檢測速度慢、檢測成本高等問題. 為了克服這些困難，基于電化學分析法、比色分析法和生物傳感法[8-10]等快速檢測技術得到應用，但仍然存在前處理過程復雜、過程不穩定、選擇性差、靈敏度低等問題，限制了這些方法在現場檢測中的廣泛應用. 因此，有必要研發一種快速便捷、經濟有效的檢測方法或平臺用于重金屬離子的現場檢測和安全監測. 表面增強拉曼光譜(SERS)技術具有檢測快速、操作簡便、設備簡單及靈敏度高等優點，是近年來發展起來的具有巨大潛力的快速檢測手段[11-12]，有望解決上述問題，實現重金屬的便捷檢測. SERS技術是利用分子非彈性散射指紋信號及貴金屬基底增強作用獲得微量物質的特征信息的一種檢測技術，已在材料、醫藥[13]、食品、安全等領域展現出獨特的應用優勢和前景[14].

SERS技術在重金屬離子檢測應用中也得到了迅速發展[15-16]，利用探針分子改性基底解決了重金屬離子不具備拉曼活性的問題[17-18]，借助探針分子吸附重金屬離子實現了間接檢測. 袁亞仙等[19]在拋光金片上修飾對巰基化合物，通過構建三明治結構實現了銅離子的檢出；胡寶鑫等[20]利用巰基丙烷磺酸鈉修飾銀納米的表面增強拉曼基底檢測汞離子，通過檢測拉曼光譜相對強度的變化，實現了汞離子濃度在0.005～0.1 μmol/L的線性定量檢測；Tan等[21]以2-巰基異煙酸改性金納米為載體制備了SERS傳感器，用于檢測水中的重金屬離子，以波峰強度比變化為指標進行定性定量分析，取得了較好的效果；劉海霞等[22]利用化學沉積法在鋼絲球表面沉積金納米粒子，以1,8-辛二硫醇修飾并用于鉛和鎘離子的拉曼檢測. 表面增強拉曼技術在重金屬檢測研究中得到了廣泛關注，但目前仍存在基底穩定性差、增強效果不佳、檢測離子種類單一、線性范圍較窄等問題亟待優化或解決.

本文利用巰基化合物修飾金納米粒子構建具有良好分散性及增強效果的重金屬檢測平臺，并優化溶膠基底性能，用于對鉛、鎘、砷三種重金屬離子的定量檢測分析. 實驗制備了用于改性的球形金納米粒子[23-24]，并優化金納米粒子的增強效果及穩定性，制備了由巰基苯甲酸(4-MBA)探針分子改性的金納米球增強基底. 如圖1所示，巰基苯甲酸的巰基鍵與金納米表面形成具有強相互作用的Au-S鍵[25-27]，暴露在外的羧基與重金屬離子特異性結合形成新鍵，使金納米粒子發生團聚從而導致SERS的變化[28-29]，得到拉曼信號增強及特征峰變化，進而根據峰位及強度確定離子種類和濃度. 該方法優化了改性基底的制備條件，實現了對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬的判別區分，基底檢出限可達0.1 mg/L，并在0.5～100 mg/L范圍內對三種重金屬離子都呈現良好的線性定量關系. 與其他方法相比，該方法具有更好的選擇性和優異增強效果，且線性相關性良好.

圖1 改性金溶膠增強基底制備原理及檢測示意圖

2.1 儀器與試劑

使用磁力加熱攪拌器、恒溫干燥箱、超聲清洗機、高速離心機及優普超純水機進行基底的制備，并用EVOLUTION201型紫外分光光度計、JEM2100F型透射電子顯微鏡、IDRAMAN-Micro532型拉曼光譜儀進行表征和測試；主要用到的試劑包括氯金酸(HAuCl4·H2O)、檸檬酸鈉(Na3-Cit·3H2O)、無水乙醇(CH3CH2OH)，巰基苯甲酸(4-MBA)及砷、鉛、鎘離子的標準溶液.

2.2 金納米球溶膠的合成

根據檸檬酸鈉還原法[30-31]制備金溶膠，過程如下：1 mL 1 wt%的HAuCl4溶液加入99 mL純水中加熱攪拌至沸，迅速加入一定量新鮮配制的1 wt%檸檬酸鈉溶液，觀察到溶液變成灰黑色，繼續攪拌加熱30 min得到酒紅色溶液，調節還原劑用量及反應時間實現金溶膠粒徑大小和均一性的調控，自然冷卻離心并在低溫條件下避光保存.

2.3 改性增強基底的制備

取上述制備的金溶膠20 mL，加入1 mmol/L的4-MBA醇溶液1 mL和超純水20 mL，振蕩反應1 h并靜置孵育5 h以上.如圖1(a)所示4-MBA修飾到了金納米粒子表面，改性后金溶膠的紫外可見光光譜(如圖2(a))吸收峰發生紅移，可知金納米粒子的粒徑變大，說明4-MBA修飾在了金納米表面，同時優化制備過程提升基底性能，最后將改性SERS基底在4 ℃條件下避光保存.

2.4 增強基底對重金屬離子的拉曼檢測

重金屬離子與改性增強基底結合改變了探針分子4-MBA的化學鍵及金納米粒子的聚集狀態，從而可以獲得相應的特征拉曼變化信號，如圖1(b)(c). 將制備的金溶膠增強基底與不同重金屬離子標準溶液等體積混合，一定時間后進行拉曼光譜的檢測，選擇激光功率40 mW、積分時間5 s和積分次數10次，對不同重金屬離子及不同濃度時進行拉曼檢測，并對光譜及特征峰進行擬合處理和分析.

3 結果與分析

3.1 優化前后增強基底對重金屬離子的拉曼響應

優化前，所制備的改性增強(SERS)基底對重金屬Pb2+的拉曼響應檢測如圖2(b)所示，同空白樣相比，當Pb2+濃度達到5 mg/L時，在1 049及1 587 cm-1處引起峰強的變化，說明4-MBA改性的SERS基底對重金屬離子具有響應能力，但因乙醇溶劑峰與探針分子的特征峰重疊，致使4-MBA特征不穩定，干擾了對峰的分析. 調節還原劑用量和反應時間等對基底進行了優化，進一步去除干擾、改善改性SERS基底的增強效果和穩定性，如圖2(a)(c)獲得了形貌及粒徑較統一的金納米粒子溶膠，UV-Vis及TEM圖像，粒徑范圍30 nm左右，改性基底增強及穩定效果得到進一步提升. 主要優化結果為檸檬酸鈉與氯金酸的摩爾比MR=2、反應時間t=18 min，改性后在3 000 r/min條件下離心2～3次，去除過量的探針分子及乙醇溶劑，濃縮溶膠、減少干擾.

優化后，改性SERS基底對重金屬Pb2+的拉曼響應光譜中已無乙醇峰的干擾且存在4-MBA的特征峰，如圖2(b)，并在Pb2+濃度為0.1 mg/L的時觀察到了拉曼峰強的變化.0.5 mg/L時峰強的變化更為明顯，證實了優化后的改性基底增強效果得到了顯著提升. 同時，分別表征了4-MBA粉末、金溶膠、改性SERS基底及基底對不同重金屬離子的響應效果，由圖2(d)可知，在4-MBA的拉曼光譜中，915 cm-1歸屬于S-H鍵的振動峰，1 077 cm-1處的拉曼峰為苯環取代基的敏感伸縮振動峰，1 178 cm-1處的峰歸屬于C-H變形振動峰，位于1 581 cm-1歸屬為C-C伸縮振動峰；而金納米溶膠幾乎無拉曼峰，當4-MBA修飾AuNPs后，位于915 cm-1的S-H振動峰消失，說明硫和金納米已發生相互作用，且在與金溶膠接枝后1 075和1 583 cm-1處重新出現了特征峰；改性SERS基底與不同重金屬離子混合后，拉曼光譜中出現了1 047 cm-1附近的新特征峰及1 075、1 587 cm-1峰的位移和增強，通過特征峰的變化關系即可實現對重金屬離子的判別和定量檢測，說明優化后得到的SERS基底具有對重金屬離子良好的檢測能力.

3.2 重金屬離子的拉曼定量檢測與擬合分析

制備的改性SERS基底分別與Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子標準溶液的稀釋溶液等體積混合進行拉曼檢測. 如圖3所示，分別為改性SERS基底與不同重金屬離子在不同濃度混合時的拉曼光譜檢測結果及其相應波數的線性擬合，對三種重金屬離子的檢出限能夠達到了0.1 mg/L；在1 049、1 047、1 045、1 075及1 587 cm-1處引起了明顯的特征峰變化；并且在濃度范圍為0.5～100 mg/L時，特征峰強度與濃度呈現出良好的線性關系.

圖2 改性SERS基底對重金屬離子的表征及拉曼響應檢測

圖3(a) 不同濃度Pb2+的拉曼檢測光譜及1 049 cm-1的擬合曲線

圖3(b) 不同濃度 Cd2+的拉曼檢測光譜及1 047 cm-1的擬合曲線

圖3(c) 不同濃度As3+的拉曼檢測光譜及在1 045 cm-1的擬合曲線

從圖3中的檢測結果可以看出在重金屬離子濃度為0.5～100 mg/L范圍時，優化后的改性SERS基底對Pb2+、Cd2+、As3+的拉曼光譜特征峰強度，隨濃度的增加都呈現出良好的線性關系. 增強基底與每種重金屬的拉曼光譜都產生了三處較強的特征峰變化，其中1 049、1 047和1 045 cm-1分別歸屬于三種金屬離子與羧基結合產生的新鍵峰，其峰位偏移依賴于原子半徑變化，原子半徑Pb2+(1.75)>Cd2+(1.49)>As3+(1.21)，可見原子半徑引起的探針分子團聚結構的變化存在規律性差異[32]，可用于區分不同重金屬離子；1 075 cm-1為苯環取代基的敏感伸縮振動峰的位移峰；1 587 cm-1歸屬為C-C伸縮振動峰的位移. 圖3(a)為Pb2+的增強拉曼光譜，對不同濃度下1 049 cm-1處峰強線性擬合，其斜率為64.00，相關系數R2達0.998 7，線性相關性良好；圖3(b)為Cd2+的增強拉曼光譜，除10 mg/L時誤差較大外，對不同濃度下1 047 cm-1處峰強的線性擬合，其斜率為33.619 9，R2達0.995 8，呈現良好的線性關系；圖3(c)為As3+的增強拉曼光譜，對1 045 cm-1處峰強進行線性擬合，其斜率為43.147，R2達0.998 9，呈現良好的線性相關性.

通過測試分析可知，優化后的改性SERS基底對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子的標準溶液檢測，在一定濃度范圍內具有很好的區分重金屬離子和定量分析的能力. 同時，可以看出改性SERS基底對三種重金屬離子的檢測特征峰偏移位置相近，主要原因一是波數偏移差異依賴于檢測儀器的分辨率，二是由于探針分子結合位點影響特征峰差異性指標數量，雖然在一定程度上提高了應用范圍要求，但本研究中，仍可實現對鉛、鎘、砷三種重金屬離子的判別和定量分析，具有一定的應用價值.

3.3 水樣中加標驗證實驗

為了驗證方法的可行性和實用性，對自來水和池水進行了Pb2+含量的加標回收檢測，自來水和池水分別取自學校附近，使用ICP檢測確認了As3+、Pb2+、Cd2+初始含量，重金屬離子含量及拉曼光譜加標回收檢測結果如圖4所示. 可見，本實驗所制備的溶膠型增強基底(如表1)對水樣中Pb2+的加標回收率在94.5%～110.01%之間，具有一定實際應用價值.

表1 加標回收測試

4 結 論

以巰基化合物改性金溶膠制備增強基底的方法簡單易操作，通過優化獲得了增強效果顯著的改性表面增強基底. 使用改性增強基底對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子進行了濃度梯度拉曼檢測，獲得了特征峰差異及濃度-強度變化關系，具有對三種重金屬離子的判別能力；同時增強基底檢出限達到了0.1 mg/L，且對Pb2+、Cd2+、As3+三種重金屬離子在濃度0.5～100 mg/L濃度范圍都獲得了很好的線性擬合關系，具有良好的定量分析能力且穩定性良好，可應用于重金屬離子的簡單快速檢測需求中，對于相關研究具有一定的參考價值. 目前，表面增強基底對多種重金屬離子共存時的區分仍是一大難題，由于重金屬離子引起的特征峰差異較小，使得離子共存時特征峰合并而難以區分，但可考慮引入掩蔽劑等方法對混合重金屬溶液進行預分離，或選擇多活性位點的新型探針分子增加結合重金屬離子后的特征信息等方法實現，將在后續研究中進一步改進和探索.