基于MOFs制備的SERS基底及其對氧氟沙星的檢測

楊雨，陳瑞玨，陳綺瑩，馮軍，程昊，孔紅星

(1.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學(xué) 醫(yī)學(xué)部，廣西 柳州 545000；3.省部共建藥用資源化學(xué)與藥物分子工程國家重點實驗室，廣西師范大學(xué)，廣西 桂林 541004)

氧氟沙星(Ofloxacin)被廣泛應(yīng)用于臨床用藥中，但由于濫用導(dǎo)致相關(guān)致病菌耐藥性的產(chǎn)生[1-2]。常用檢測方法有液相色譜[3]、液質(zhì)聯(lián)用[4]和電化學(xué)分析法等[5]，雖有較高的靈敏度，但仍存在處理復(fù)雜等不足。而表面增強拉曼散射(SERS)具有靈敏快速等優(yōu)點[6]。金屬有機框架(MOFs)因其可調(diào)孔徑、吸附性好等特點倍受青睞[7-8]。據(jù)報道MIL-100(Fe)具有SERS活性[9]，但效果卻差強人意。因此拓展MOFs在SERS基底中的應(yīng)用意義重大。

本項工作中，制備了新型SERS基底Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)，其具有如下優(yōu)勢：①Fe3O4磁性內(nèi)核可以簡化材料制備和檢測步驟；②大量的AuNPs可以提高檢測靈敏度；③MIL-100(Fe)比表面積大且吸附性能好，在穩(wěn)定內(nèi)部AuNPs的同時富集待測物，產(chǎn)生強的SERS信號。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氧氟沙星(OFLX，98%)；六水合氯化鐵(FeCl3·6H2O)、乙二醇、氯金酸(HAuCl4·4H2O，99.9%)、L-抗壞血酸(AA，99%)、三水合乙酸鈉(Na Ac)、氨水28%(NH3·H2O)、1,3,5-苯三甲酸(H3BTC，98%)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES，99%)、硫代乙醇酸(TGA)均為分析純；聚乙二醇4000，化學(xué)純；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，保證試劑；實驗用水均為實驗室自制純化水。

JEOL JEM 2-100透射電子顯微鏡；Bruker D8A A25 X射線衍射儀；XploRA PLUS激光共聚焦拉曼光譜儀；ASAP-2460全自動快速比表面儀；EVOLUTION 220紫外可見分光光度計；MPMS-VSM和MPMS-XL MPMS磁學(xué)測量系統(tǒng)。

1.2 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的制備

1.2.1 Fe3O4的制備 采用溶劑熱法[10]合成了Fe3O4磁納米粒子。磁力攪拌下，將FeCl3·6H2O (3.46 g)加入乙二醇(70 mL)，然后快速加入NaAc (4.618 g)。攪拌30 min后，將混合物分散到四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，在200 ℃下加熱10 h，用磁鐵分離制備的Fe3O4納米粒子，分別用超純水和乙醇交替清洗3次。再在60 ℃下真空干燥2 h。

1.2.2 Fe3O4@Au的制備 采用種子介導(dǎo)法[11-12]合成Fe3O4@Au復(fù)合材料。首先，F(xiàn)e3O4顆粒(60 mg)分散在APTES(300 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%)的溶液中，攪拌24 h。另外，取45 mL水加入NaOH(1.5 mL，0.2 mol/L)和1 mL四羥甲基氯化磷攪拌3 min，再加入HAuCl4(270 μL，187 mmol/L)制備金種子溶液，隨后，將Fe3O4納米粒子分散到金種子懸浮液中攪拌5 h，用磁鐵分離制備的Fe3O4@Au納米粒子，用水洗滌。隨后，將制備的Fe3O4@Au納米粒子(50 mg)分散在蒸餾水(40 mL)中，將HAuCl4(4 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%)水溶液和氨水溶液(12 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)依次加入上述懸浮液中。然后，注入AA溶液(32 mL，10 mmol/L)來減少Au種子上的HAuCl4。在4.5 h后，用蒸餾水和乙醇清洗，然后在60 ℃下真空干燥12 h。

1.2.3 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的制備[13]將Fe3O4@Au納米粒子(0.10 g)分散到TGA(20 mL，0.58 mmol/L)的乙醇溶液中，搖動24 h制備TGA功能化的Fe3O4@Au納米粒子。將產(chǎn)品磁分離，用乙醇清洗3次。然后，將TGA功能化的Fe3O4@Au納米粒子(0.1 g)分散在FeCl3·6H2O乙醇溶液(5 mL，10 mmol/L)中超聲15 min，用磁鐵分離后再分散在1,3,5-苯三羧酸(5 mL，10 mmol/L)的乙醇溶液中，超聲分散30 min得到第一層MIL-100(Fe)，循環(huán)此步驟1次，3次，5次從而獲得不同厚度的MOFs層。合成的磁性Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)納米粒子在磁富集下用乙醇清洗3次，在 80 ℃下真空干燥。

1.3 樣品制備及拉曼光譜采集

室溫下精確稱取3.61 mg氧氟沙星標(biāo)準(zhǔn)品，加入鹽酸水溶液(pH=6.8)溶解定容至10 mL，配制成10-3mol/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并逐級稀釋至所需濃度，待用。氧氟沙星滴眼液樣品的制備，取100 μL樣品用鹽酸水溶液(pH=6.8)定容至100 mL，待用。

取50 μL Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)和50 μL不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液或樣品溶液超聲混合30 min后，用移液槍吸取50 μL混合物滴在潔凈的硅片上，同時用磁鐵富集，室溫晾干，每個樣品采集3次拉曼光譜。光譜參數(shù)：波長為638 nm，積分時間為10 s，平均次數(shù)為1次。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的表征

圖1a～1e分別為Fe3O4、Fe3O4@Au、Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一層，三層，五層]的TEM圖。

由圖1a可知，F(xiàn)e3O4形貌良好，粒徑均一；圖1b顯示金納米粒子均勻地附著在Fe3O4納米球表面，可初步證明Fe3O4@Au制備成功；圖1c為Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)一層的TEM圖，可以發(fā)現(xiàn)部分 Fe3O4@Au生長了MOFs，分布不均勻；圖1d 為Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)三層的TEM圖，可知在Fe3O4@Au外覆蓋了一層薄膜，與圖1c相比，MIL-100(Fe)厚度更均勻且全部生長在了Fe3O4@Au的表面；圖1e為Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)五層的TEM圖，與圖1d相比，區(qū)別并不明顯。

圖1 Fe3O4(a)、Fe3O4@Au(b)、Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一層(c)，三層(d)，五層(e)]的TEM圖Fig.1 The images of TEM (a)Fe3O4;(b)Fe3O4@Au；Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[One layer(c),Three layers(d),Five layers(e)]

Fe3O4，F(xiàn)e3O4@Au和Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的XRD表征見圖2。

圖2 Fe3O4，F(xiàn)e3O4@Au和Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的XRD譜圖Fig.2 XRD spectra of Fe3O4,Fe3O4@Au and Fe3O4@Au@MIL-100 (Fe)

由圖2可知，F(xiàn)e3O4的XRD圖譜曲線在18.3，30.3，35.6，43.3，53.6，57.4，62.9°的衍射峰分別對應(yīng)磁性Fe3O4的(111)，(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(440)晶面[14]。與Fe3O4的圖譜相比，F(xiàn)e3O4@Au上出現(xiàn)了幾個新的衍射峰，38.2°，44.3°，64.6°和77.6°，這些峰對應(yīng)Au納米粒子(111)，(200)，(220)和(311)的立方晶面，這證明了Au納米粒子成功地沉積在了Fe3O4上[15]。此外，F(xiàn)e3O4@Au@MIL-100(Fe)的衍射圖譜與Fe3O4@Au的高度吻合，且沒有出現(xiàn)新的衍射峰，這可能是由于MIL-100(Fe)生長得太薄導(dǎo)致的，同時也說明MIL-100(Fe)的覆蓋沒有破壞Fe3O4@Au的晶型結(jié)構(gòu)。

圖3A為所制備的Fe3O4，F(xiàn)e3O4@Au@MIL-100(Fe)磁滯回線，在-3 000～3 000 Oe磁場范圍內(nèi)，F(xiàn)e3O4、Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)獲得的磁化強度分別75.14，41.48 emu/g，都表現(xiàn)出超順磁性粒子的特征，如很小的滯后、剩磁和矯頑力。AuNPs和MIL-100(Fe)都是非磁性材料，隨著它們的包裹，磁性強度有所降低，但Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)仍表現(xiàn)出強磁性，表明該材料適于樣品磁分離及富集。紫外光譜圖顯示(圖3B)，F(xiàn)e3O4沒有明顯的吸收峰，F(xiàn)e3O4@AuNPs在569 nm處有明顯的吸收峰，說明AuNPs成功地沉積在了Fe3O4表面，F(xiàn)e3O4@Au @MIL-100(Fe)[一層(c)，三層(d)，五層(e)]分別在在538，527，524 nm處有吸收峰，與Fe3O4@Au相比，發(fā)生了藍移，可能是由于MOFs的包覆導(dǎo)致內(nèi)部AuNPs的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[16]。

圖3 Fe3O4，F(xiàn)e3O4@Au@MIL-100(Fe)磁滯回線(A)及Fe3O4 (a)，F(xiàn)e3O4@Au (b),Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一層(c)，三層(d)，五層(e)]的紫外-可見吸收光譜圖(B)Fig.3 Fe3O4,Fe3O4@Au@MIL-100(Fe) hysteresis loop(A) and UV-visible absorption spectrum(B)

另外，也采用氮氣吸附脫附實驗對Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的比表面積進行了考察。測量之前需先將Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)在160 ℃下真空脫氣處理6 h，實驗結(jié)果見圖4。

圖4 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的氮氣吸附等溫線Fig.4 Nitrogen adsorption isotherm of Fe3O4@Au@MIL-100 (Fe)

由圖4可知，F(xiàn)e3O4@Au@MIL-100(Fe)的比表面積為128.9 m2/g，表明Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)比表面積大,保持了較強的吸附能力，從而起到富集待測物濃度的作用。結(jié)合TEM，XRD,VSM和UV-vis表征結(jié)果，可證明已成功制備了Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)復(fù)合材料。

2.2 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的SERS性能

分析

圖6為1 416 cm-1處10-3mol/L氧氟沙星溶液的峰強圖。可以直觀的發(fā)現(xiàn)，包裹了MOFs之后的SERS基底的拉曼信號強度明顯高于Fe3O4@Au。且包覆三層的拉曼信號明顯高于包覆一層的拉曼信號，結(jié)合TEM圖可知，可能是由于包覆一層的MOFs分布不均勻，導(dǎo)致富集待測物能力有所減弱。雖然包覆五層的拉曼信號略強于包覆三層的，但效果并不明顯。因此，本實驗后續(xù)工作所用的SERS基底MOFs厚度皆為三層。

圖5 拉曼光譜圖Fig.5 SERS spectrum a.10-3 mol/L氧氟沙星鹽酸溶液；b.Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)；c.Fe3O4@Au基底上的10-3 mol/L氧氟沙星鹽酸溶液;Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一層(d)、三層(e)、五層(f)]底上的10-3 mol/L氧氟沙星鹽酸溶液

圖6 1 416 cm-1處10-3 mol/L氧氟沙星溶液的峰強圖Fig.6 Peak intensity map of 10-3mol/L ofloxacin solution at 1 416 cm-1c.Fe3O4@Au;Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一層(d)、三層(e)、五層(f)]

2.3 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底均一性及穩(wěn)

定性考察

除高的靈敏度外，F(xiàn)e3O4@Au@MIL-100(Fe)還表現(xiàn)出良好的均一性與穩(wěn)定性。圖7a為10-7mol/L 氧氟沙星樣品隨機選取11個點的SERS光譜圖。氧氟沙星在1 416 cm-1處SERS峰的RSD為10.8%，表明該基底有良好的均一性，這是由于Fe3O4磁性內(nèi)核在外加磁場的條件下使熱點密集且均勻所引起的。

圖7 10-7 mol/L氧氟沙星溶液的SERS光譜圖(a)和1 416 cm-1處10-7 mol/L氧氟沙星溶液的峰強圖(b)Fig.7 SERS spectrum of 10-7mol/L ofloxacin solution (a)peak intensity map of 10-7mol/L ofloxacin solution at 1 416 cm-1 (b)

圖7b為10-7mol/L氧氟沙星在4 ℃條件下保存不同時間的Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底上1 416 cm-1處SERS峰的強度圖，可知，該基底在3個月內(nèi)使用，可以獲得較好的定量結(jié)果，穩(wěn)定性較好，這主要歸功于AuNPs密集且均勻的分布在Fe3O4表面，形成SERS增強熱點，MOF殼的覆蓋使其更加穩(wěn)定。這也為氧氟沙星的定量檢測提供了強有力的依據(jù)。

2.4 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底對氧氟沙星

靈敏度的考察

不同濃度氧氟沙星溶液的SERS光譜圖和濃度與拉曼峰強度的線性關(guān)系圖見圖8。

圖8 不同濃度氧氟沙星溶液的SERS光譜圖(a)和濃度與拉曼峰強度的線性關(guān)系圖(b)Fig.8 SERS spectra of ofloxacin solutions with different concentrations(a);The linear relationship between concentration and Raman peak intensity (b)

由圖8a可知，F(xiàn)e3O4@Au@MIL-100(Fe)對氧氟沙星的檢測限(S/N≥3)可達10-10mol/L，并且，在10-9～10-4mol/L的濃度線性范圍內(nèi)(圖8b)，SERS信號強度氧氟沙星濃度的對數(shù)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為Y=523.4X+5 069，r=0.994。表明可以通過測量拉曼的特征峰強度來實現(xiàn)對氧氟沙星的定量檢測。

2.5 樣品分析

為考察Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底的實用性，本實驗將該基底用于市售氧氟沙星滴眼液中氧氟沙星含量的檢測并進行加標(biāo)回收。將制備好的氧氟沙星滴眼液進行SERS檢測(圖9)，代入線性回歸方程可得該滴眼液中氧氟沙星濃度為7.42×10-7mol/L，即含量約為3 mg/mL，與標(biāo)示量相符。之后進行加標(biāo)回收試驗，試驗結(jié)果見表1，回收率在97.1%～106.5%，表明該方法可用于氧氟沙星的定量檢測。

圖9 拉曼光譜圖(A)和1 416 cm-1處樣品及加標(biāo)樣品峰強圖(B)Fig.9 Raman spectra(A);Peak intensity graphs of samples and spiked samples at 1 416 cm-1(B)a.未加標(biāo)樣品；b.加標(biāo)1.5×10-6 mol/L；c.加標(biāo)8.5×10-6mol/L；d.加標(biāo)1.5×10-5 mol/L

表1 滴眼液樣品中氧氟沙星含量的測定(n=3)

3 結(jié)論

本文合成的新型SERS基底Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)，該基底的Fe3O4磁性內(nèi)核具有快速分離富集的能力，豐富均勻的金納米粒子具有增強拉曼信號的作用，表面生長的MIL-100(Fe)具有良好的吸附能力，同時探討了MOFs層厚度對SERS性能的影響。最終，以Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[三層]為SERS基底，應(yīng)用于滴眼液中氧氟沙星含量測定。結(jié)果表明Fe3O4@Au@MIL-100(Fe) SERS基底，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，氧氟沙星檢測限低至10-10mol/L。該方法為氟喹諾酮類抗生素快速準(zhǔn)確的SERS檢測奠定了基礎(chǔ)。