玉米秸稈基柔性表面增強拉曼基底制備與應用

于海濤 張 慧 梁雪巖 韓魯佳 肖衛華

(中國農業大學工學院， 北京 100083)

0 引言

表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS)技術源于20世紀70年代[1]，研究者發現金銀納米結構表面上吸附的分子產生了其原本數量的分子幾個數量級倍數的拉曼光譜強度，后來這種現象被稱為表面增強拉曼散射現象。表面拉曼光譜技術具有操作簡便、時間短、靈敏度高等優點[2]，可獲得樣品的物理化學及深層結構信息。另外，其對水等極性物質不敏感，因此，在水體中污染物殘留的檢測方面具有良好的應用前景。近年來，廣泛的理論基礎和實驗研究以及納米技術的不斷發展，推動了表面增強拉曼技術的發展[3-4]。SERS光譜的增強機理有電磁增強和化學增強兩種機制[5-6]。依靠電磁增強原理設計制備SERS基底能夠有效地降低檢測限，得到具備更好檢測效果的新型SERS基底。

該領域的大量研究集中在SERS基底的優化上，金、銀或銅是最常用的SERS基底材料， SERS信號的有效性在很大程度上取決于金屬納米結構的幾何特征[7-8]。21世紀以來，溶膠-凝膠法被用于制備納米球、納米棒、納米錐、納米立方體、三角板和八面體等納米材料以進行SERS檢測，但是這種方法通常會利用保護劑來控制膠體溶液中晶體的生長和納米粒子的分散，這在一定程度上阻礙了SERS在溶液中的應用或固體基底的構建。而固體基底比膠體溶液的使用更加簡便，可以通過上述納米顆粒在固體載體上的自組裝來制備，避免了合成步驟中殘留的保護劑或還原劑的SERS信號干擾。利用模板法和光蝕刻法制備的基底通常干凈有序，具有很好的均勻性。雖然固體SERS基底已被廣泛應用，但它不適合直接分析吸附在各種表面上的目標物，特別是彎曲或不易靠近的表面。近年來，對吸附在任意平面或曲面上的分析物進行SERS檢測以滿足實際應用的需求，促使了柔性SERS基底的開發[9-10]。基于金屬納米粒子在柔性支撐膜上的浸泡和涂層技術的發展，大量的柔性SERS基底被研究者報道[11-13]。

玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，通過適當的預處理手段可以實現木質纖維素原料的全組分利用[14]。而醋酸纖維素是纖維素衍生物，其能夠通過纖維素的乙酰化反應來制得，不同取代度的醋酸纖維素具有不同的性質。本課題組通過實驗優化得到了取代度2.95、產率96.2%的玉米秸稈基醋酸纖維素材料[15]。另外，醋酸纖維素有能夠自然降解、生物相容性好、價格低廉、易成型加工等許多優點[16-18]。

基于上述研究背景，本文結合制膜技術和表面增強拉曼技術，制備一種玉米秸稈基柔性SERS基底，以實現針對水體中各種污染物殘留的痕量快速檢測。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1實驗材料

玉米秸稈，采于河北省懷安縣。過氧乙酸(純度15%以上)，購于上海哈勃化學技術有限公司；馬來酸、乙酸酐、甲醇，購于北京化工廠；N,N-二甲基乙酰胺，購于國藥控股化學試劑有限公司；氯金酸、二水合檸檬酸三鈉、對氨基苯硫酚、孔雀石綠、亞甲基藍，購于上海麥克林公司；福美雙農藥、殺草丹農藥，購于北京中檢航標計量科技有限公司；羅丹明6G，購于西亞化學科技有限公司。以上試劑均為分析純。

1.1.2儀器與設備

XS105型分析天平，瑞士METTLER TOLEDO公司；PHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；SU8020型場發射掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司； SDC-100型接觸角測量儀，東莞市晟鼎精密儀器有限公司；XD3型X射線衍射儀，北京普析通用儀器有限責任公司；SynthWAVE型微波消解儀，意大利Milestone公司；SENTERRA Ⅱ型共聚焦拉曼光譜儀，德國Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1玉米秸稈制備醋酸纖維素

圖1 醋酸纖維素制備流程圖Fig.1 Preparation flowchart of cellulose acetate

其制備流程圖如圖1所示，將4 g粉碎至40目的玉米秸稈加入到160 mL的混合稀酸溶液(過氧乙酸質量分數1.5%，馬來酸質量分數3%)中，放入微波反應器，130℃下微波加熱1 h，得到的固體洗至中性后干燥。取1 g干燥后的固體，加入20 mL三氟乙酸和5 mL乙酸酐，攪拌反應1 h后，將混合溶液倒在玻璃板上完全干燥，然后用去離子水洗滌至中性，60℃干燥。所得固體即為以玉米秸稈為原料制備的醋酸纖維素。

1.2.2秸稈基SERS基底制備

其制備流程如圖2所示，以1.2.1節制備得到的醋酸纖維素為溶質，N,N-二甲基乙酰胺為溶劑，制備了質量分數為7%的鑄膜液。攪拌鑄膜液直至醋酸纖維素在溶劑中完全溶解，之后靜置直至去除氣泡。用自制刮刀在平玻璃板上刮取0.4 mm厚的薄膜。然后，以去離子水作為反溶劑，將溶劑交換時間控制在30 min以內。金納米顆粒以檸檬酸鈉還原法合成[19]。將99 mL水加熱至沸騰，然后加入1 mL 25 mmol/L氯金酸溶液，當溶液再次沸騰時，立即加入1 mL質量濃度0.01 g/mL的二水合檸檬酸三鈉溶液。溶液顏色由淡黃色變為無色，再變為黑色，繼續沸騰直到變成紅色。攪拌冷卻30 min，4℃保存備用。100 mL 制備得到的金納米膠體經上述制備的醋酸纖維素薄膜過濾。金納米顆粒將被截留在膜上，得到秸稈基SERS基底。在室溫(20℃)下將基底保存在水中備用。

圖2 秸稈基SERS基底制備流程圖Fig.2 Preparation flowchart of SERS substrate based on corn straw

1.2.3秸稈基SERS基底表征分析

(1)掃描電子顯微鏡(SEM)分析

利用SU8020型場發射掃描電子顯微鏡觀察醋酸纖維素膜材料和秸稈基SERS基底材料的表面和截面形貌。將樣品液氮冷凍干燥，進行表面噴金處理，然后固定在樣品臺上觀察，其加速電壓為3 kV。

(2)原子力顯微鏡(AFM)分析

Multimode 8型Bruker原子力顯微鏡的智能模式(ScanAsyst)可以清晰地表征基底表面的形貌特征，使用SNL-10號針，掃描頻率為1.0 Hz，圖像分辨率為512像素×512像素，掃描范圍為1 μm×1 μm，數據經NanoScope Analysis軟件處理。

(3)水接觸角(WCA)分析

采用SDC-100型接觸角測量儀采集基底的水接觸角，測試用液體為超純水，體積5 μL，滴下后10 s待接觸角穩定后拍照。

(4)X射線衍射(XRD)分析

X射線衍射測試使用XD3型X射線衍射儀的銅靶進行測量。將切割好的樣品放入石英板上的凹槽中，其測試電壓和電流分別為36 kV和30 mA。掃描角度范圍為5°～80°，步長0.02°，掃描頻率2(°)/min。每個樣品掃描兩次取平均。

(5)熱重(TGA)分析

使用SDTQ-600型同步熱分析儀測量樣品的熱重。首先，稱量5～7 mg樣品置于鋁盤上，在氮氣保護下，以10℃/min的升溫速度從室溫(25℃)升至600℃。記錄其樣品質量，氮氣流速為50 mL/min。

1.2.4對氨基苯硫酚和福美雙農藥滴加測試

首先分別配制10-3g/mL對氨基苯硫酚和福美雙農藥甲醇溶液，然后按照比例分別用超純水稀釋，稀釋后溶液質量濃度范圍為10-6～10-4g/mL。在基底上滴加30 μL稀釋后溶液，風干后使用SENTERRA Ⅱ型共聚焦拉曼光譜儀測試拉曼信號。激發波長為785 nm，鏡頭為10倍物鏡，每個光譜的積分時間為2 s。重復掃描2次后，每個樣品測量16個點取平均得到平均光譜，分別測試3個平行樣。

1.2.5對氨基苯硫酚和福美雙農藥過濾富集測試

其稀釋后溶液質量濃度為10-9～10-6g/mL。將基底裁剪成約13 cm直徑，并將同樣尺寸的尼龍膜作為墊片，然后再在可拆卸的過濾器中組裝成過濾富集裝置，過濾溶液體積為5 mL，取出基底風干后測試，拉曼光譜測試條件同1.2.4節。

1.2.6秸稈基SERS基底適用性測試

將孔雀石綠、亞甲基藍、羅丹明6G配置成質量濃度10-4g/mL的水溶液，殺草丹農藥配制質量濃度10-3g/mL的甲醇溶液。之后，分別用水和甲醇試劑稀釋不同的濃度進行過濾富集測試，測試過程同1.2.5節，測試條件同1.2.4節。

2 結果與分析

2.1 SERS基底結構表征與分析

2.1.1掃描電子顯微鏡(SEM)分析

圖3a為以7%醋酸纖維素添加量、N,N-二甲基乙酰胺作為鑄膜液溶劑制備得到的醋酸纖維素膜材料的形貌表征圖。醋酸纖維素膜表面存在網狀的小孔結構，這些小孔的直徑約為50 nm。由圖3b可知，膜結構主要由網狀層[20]和指狀的大孔組成，這種結構保證了醋酸纖維素膜具備一定的水透過能力，但是豐富的孔隙結構使得膜材料機械強度較差，因此，在后續測試中采用添加尼龍膜墊片的方式保證過濾操作過程中基底材料不被破壞。對于金納米顆粒的制備和表征分析參考了本課題組之前的研究[21]，紫外可見光光譜顯示制備得到的金納米顆粒的表面等離子體共振峰約在535.3 nm處，其顆粒直徑為(40.02±4.48) nm，根據文獻[22]可以計算得到其濃度約為0.059 3 nmol/L。因此，在將金納米顆粒過濾在醋酸纖維素膜材料的過程中，一部分金納米顆粒會首先落在大于其直徑的表面網狀孔內，之后大量的顆粒會將原有的孔堵住，從而將后續的顆粒截留在表面。由圖3c、3d可知，最終金納米顆粒較為均勻地平鋪在了網狀層的上面，形成了一層薄薄的金納米顆粒層。金納米顆粒層在一定程度上實現了顆粒的密排，產生了密集且均勻的“熱點”，有利于SERS測試的均勻性和精確性[23]。

圖3 醋酸纖維素膜及秸稈基SERS基底的掃描電子顯微鏡圖像Fig.3 SEM images of cellulose acetate membrane and SERS substrate based on corn straw

2.1.2原子力顯微鏡(AFM)分析

由圖4可知，醋酸纖維素膜表面存在凸起，其已經完全失去玉米秸稈原料的纖維束狀結構。在過濾金納米顆粒后，表面的凸起消失，呈現出較為規律的金納米顆粒密排結構，這與掃描電鏡中觀察到的結果能夠互相佐證，表明其金納米顆粒較為均勻且完全覆蓋在醋酸纖維素膜材料上。

圖4 醋酸纖維素膜及秸稈基SERS基底的原子力顯微鏡圖像Fig.4 AFM images of cellulose acetate membrane and SERS substrate based on corn straw

2.1.3水接觸角(WCA)分析

水接觸角測試能夠表征材料的親疏水性，由圖5可知，醋酸纖維素膜材料的水接觸角為35.80°±1.78°，這說明了醋酸纖維素具備良好的親水性，其表面的納米級小孔結構使得膜材料具備良好的水通過能力。因此，在實驗中可以在抽濾的條件下進行基底的制備。秸稈基SERS基底的水接觸角測試顯示其水接觸角為62.99°±0.55°，金顆粒層增加了基底材料的疏水性，但是其仍具備良好的水通過能力，從而能夠保證在測試過程中使用注射器就能完成農藥溶液的過濾富集操作。

圖5 醋酸纖維素膜及秸稈基SERS基底的水接觸角圖像Fig.5 WCA images of cellulose acetate membrane and SERS substrate based on corn straw

2.1.4X射線衍射(XRD)分析

由圖6可知，在秸稈基SERS基底的X射線衍射結果中，存在38.1°、44.2°、64.6°和77.6°的強衍射峰。其分別屬于Au晶體不同晶面(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)和(3 1 1)的衍射峰[24]。同時，醋酸纖維素膜的衍射峰仍存在于復合材料中，但強度較弱。醋酸纖維素膜材料的衍射峰為28°左右的寬峰，這不對應任何醋酸纖維素的結晶峰[25]。由于膜材料制備完成的儲存過程中一直保存在水中，因此，該峰可能是由水分子與醋酸纖維素長鏈結構形成配位或者共晶結構產生的[26]。

圖6 醋酸纖維素膜及秸稈基SERS基底的X射線衍射譜圖Fig.6 XRD patterns of cellulose acetate membrane and SERS substrate based on corn straw

2.1.5熱重(TGA)分析

同步熱分析儀能夠表征樣品的熱穩定性，其熱解特性曲線包含了失重率和失重速率隨溫度的變化。表1為3種材料的熱解特性參數。從圖7可以看出，3種樣品的主要失重溫度范圍相近，其最大熱解速率溫度在365～368℃之間，這個失重期主要是由于醋酸纖維素的分解。當溫度達到380℃之后，其失重速率趨近于零。對比其殘留率可知此工藝制備的秸稈基醋酸纖維素純度較高，優于商品醋酸纖維素，制備成基底之后其殘留率的增加主要是由于金元素的引入，通過計算可知其金元素質量分數約為7.34%。

表1 熱解特性參數Tab.1 Pyrolysis characteristics parameters

圖7 熱解特性曲線Fig.7 Pyrolysis characteristics curves

圖8 對氨基苯硫酚和福美雙農藥的特征峰選擇(滴加測試)Fig.8 Characteristic peak selection of 4-aminothiophenol and thiram pesticide (drop tests)

圖9 秸稈基SERS基底的滴加測試Fig.9 Drop tests of SERS substrate based on straw

2.2 水體中對氨基苯硫酚和福美雙農藥的SERS測試

2.2.1滴加測試

根據文獻[27]和圖8測試結果選擇1 080 cm-1作為對氨基苯硫酚的特征峰。圖9的滴加測試結果表明，對氨基苯硫酚能夠在質量濃度10-6g/mL下測試到特征峰，信號線性范圍為10-6～10-5g/mL。考慮到基底背景峰的干擾，其福美雙農藥的特征峰選擇1 368 cm-1[28]。質量濃度10-5g/mL下福美雙農藥能夠測試到特征峰，信號線性范圍為10-5～10-4g/mL。

2.2.2過濾富集測試

由于過濾富集測試能夠將待測液體積從滴加測試的30 μL增加到5 mL，因此，此過濾過程相當于對待測液的一次預富集，降低了檢測限。另外，得益于醋酸纖維素膜材料對農藥分子具有一定的截留性[18]，基底過濾富集測試過程中能夠較大限度地將農藥分子富集在基底上的金納米顆粒表面，落在基底表面的“熱點”區域，從而獲得更強的增強效果。圖10表明，對氨基苯硫酚能夠在質量濃度10-9g/mL下測試到特征峰，信號線性范圍為10-9～10-8g/mL；福美雙農藥能夠在質量濃度10-7g/mL下測試到特征峰，信號線性范圍為10-7～10-6g/mL。其檢測限低于歐盟標準(最大殘留量7×10-6g/mL)，這意味著此基底能夠很好地應用于水體中福美雙農藥的快速檢測。

2.2.3秸稈基SERS基底的適用性

圖10 秸稈基SERS基底的過濾富集測試Fig.10 Enrichment tests of SERS substrate based on straw

圖11 秸稈基SERS基底的適用性Fig.11 Applicability of SERS substrates based on straw

根據文獻[29]和圖11可知：孔雀石綠的SERS特征峰分別為795、914、1 172、1 389、1 585、1 613 cm-1；亞甲基藍的SERS特征峰分別為448、502、778、1 187、1 390、1 618 cm-1[30]；羅丹明6G的SERS特征峰分別為613、774、1 185、1 311、1 574、1 649 cm-1[31]；殺草丹農藥的SERS特征峰為1 264 cm-1。過濾富集測試的測試結果表明孔雀石綠能夠在10-6g/mL質量濃度下測試到特征峰，亞甲基藍和羅丹明6G能夠在10-5g/mL質量濃度下測試到特征峰，殺草丹農藥能夠在10-4g/mL質量濃度下測試到特征峰。

不同農藥和染料的測試均顯示水溶液的測試效果優于甲醇溶液，這意味著基底更適合被應用于水體中污染物的檢測。這可能是由于在甲醇溶液的測試過程中，待測分子大部分隨著甲醇試劑一起從基底表面的大孔漏到了濾液中，并未能吸附或者落到基底表面。而在水溶液的測試過程中，待測分子由于對基底材料的親和性優于水而被截留在基底表面，從而更易測試到特征峰信號，降低檢測限。對基底材料的親和性包括支撐材料尼龍膜對3種染料的吸附性和醋酸纖維素膜材料對殺草丹農藥分子的截留性能[18]。

3 結束語

以玉米秸稈為原料，耦合金納米顆粒制備了廉價且性能穩定的柔性表面增強拉曼基底。表征結果表明金納米顆粒整齊地排列在醋酸纖維素膜表面，良好的親水性使得其能夠在過濾器裝置中實現過濾富集測試。通過對比滴加測試和過濾富集測試兩種測試方法的測試結果，闡述了過濾富集測試的優勢。針對水體中不同濃度福美雙農藥的測試表明，制備的秸稈基SERS基底能夠在10-7g/mL質量濃度下測試到特征峰信號，線性范圍為10-7～10-6g/mL。之后的適用性分析可知其對幾種水體污染物均有較好的檢測效果，提供了一種以玉米秸稈原料制備表面增強拉曼基底的工藝流程。玉米秸稈原料廉價、制備工藝簡單，能夠有效降低SERS基底的制備成本，從而為秸稈的高值化利用和水體污染物的快速高靈敏度檢測奠定應用基礎。