基于超疏水性紫竹梅叶的SERS研究

姚为民，张德清，杨永安*

(1.楚雄师范学院云南省高校分子光谱重点实验室，云南楚雄 675000;2.楚雄师范学院光谱应用技术研究所，云南楚雄 675000)

1 引言

近年来，随着农产品产量的提高以及人们对高品质农作物的需求，各类农药产品被大面积使用。但农药大多有着强烈的毒性，其毒性哪怕是微量也会对人体产生一定影响，这极大地增加了人们生产生活中的健康隐患。福美双作为一种农药合理地使用能够有效防治稻谷立枯病、马铃薯番茄晚疫病、草莓灰霉病等植物疾病，促进农作物的生长。但福美双对于鱼类有毒且对人皮肤和粘膜有刺激性，过多的使用会对生态环境以及人们生活健康产生影响。目前对农药残留的检测方法大都属于化学方法，存在着前处理复杂，分析时间长，损坏样品等弊端。所以寻找一种对福美双残留进行快速、便捷的检测方法就显得尤为重要。

表面增强拉曼散射(SERS)技术是一种先进的表面分析技术，能提供吸附分子丰富的结构信息[1]，具有简便、高效、高灵敏度的特征，在农药检测领域有着很广阔的应用前景。目前国内外学者利用SERS技术已经在相关的农药检测领域取得了显著的成效[2-7]。根据缪绪超等[8]和欧阳杰等[9]对于疏水性基底的研究，以及Xin-yi Chou等对于玫瑰花瓣[10]、胡樱子等对天然荷叶[1]的表面增强拉曼光谱研究，发现通过表面疏水性形成的基底与表面增强拉曼信号强弱有着一定的联系。植物的结构耦元与化学耦元协同作用表现出超疏水性，但就大部分植物而言(如荷叶、玫瑰花等)其生长大多有阶段性，对用其来进行表面增强基底的制备产生一定的限制。紫竹梅在许多地方(比如云南)一年四季都能生长且对环境要求不高，其叶片在宏观和纳米尺度下具备特殊的表面形貌，可在 165°的静态接触角下表现出超高疏水性[11]。故本文以紫竹梅叶片为基质，利用叶片表面的疏水性，通过滴加纳米银胶溶液形成纳米银膜制备实验所需的SERS基底，探索一种基底制备简单的快速有效检测福美双残留的方法。

2 实验部分

2.1 实验设备及试剂

共焦显微拉曼光谱仪(美国赛默飞世尔分子光谱产品)、超声波清洗机(康洁PS-D30)、去离子纯水机(18.25 MΩ)、紫外可见光分光光度计(TU-1901系列)、离心机(TGL-16G)、扫描电镜(美国FEI Inspect F50)、罗丹明6G(R6G，95%，阿拉丁)、硝酸银(99.99%，阿拉丁)、柠檬酸三钠(99%，天津市化学试剂三厂)、福美双固体粉末(97%，北京百灵威科技有限公司)、无水乙醇(99.7%，天津市优谱化学试剂有限公司)、丙酮(99.5%，成都市科龙化工试剂厂)。

2.2 微波法纳米银胶的制备

采用微波加热法制备纳米银胶[12]，用去离子水配置13 mL质量分数为1%的柠檬酸钠溶液和10-3mol/L的硝酸银溶液500 mL，将二者混合后充分搅拌，放入微波中加热30分钟，自然冷却后得到银胶溶液。对制备的银胶溶液进行紫外-可见光吸收光谱表征如图1所示，从图1中可以看到制备的银胶吸收峰的位置为414 nm，吸收峰较单一，说明已经成功地制备出了银胶溶液，能够用来进行表面增强拉曼散射光谱研究。将所制备的银胶放入离心管中，共十管,每管1 mL，用离心机对银胶进行离心(转速为6000 r/min)，离心30分钟后，用移液枪吸出上清液后，将10管沉积物汇聚到一管并加入去离子水配备为1 mL银胶浓缩液。将最终得到的1 mL银胶浓缩液用去离子水按1∶5、1∶10、1∶15稀释成不同浓度备用。

2.3 紫竹梅叶基底的制备、优化及表征

1)紫竹梅叶基底的制备

将紫竹梅叶片上下表面洗干净(不破坏表面结构)，待表面水分干燥后，我们在其上下表面滴上不同稀释浓度的8微升银胶溶液，由于叶片表面具有超疏水性，使得银胶以小球的形式静置(如图2a所示)，待其蒸发浓缩后在叶片表面可得到一小块高浓度银纳米粒子膜即实验所需的基底(紫竹梅叶基底)。在基底上滴8微升福美双溶液，该溶液在基底表面收缩成一个小球形(如图2b所示)，说明所制备的紫竹梅叶基底仍然具有较好的超疏水性。

2)紫竹梅叶基底的表征

通过扫描电子显微镜拍摄的基底的照片如图3 a-c(5 μm放大)，发现不同浓度的银胶疏水浓缩后形成的银聚合体是分散附着在叶片表层片状蜡质结构之上，并且银聚合体在叶片表面的分布是不均匀的。原因是银胶在干燥过程中，银纳米粒子是在作无规则地剧烈运动中的，由于受到紫竹梅叶表面片状物的阻扰，银纳米粒子在间隙处作无规则运动过程中形成聚合体并随机地在表面分布。未被银粒子覆盖到的区域为紫竹梅叶片的表面蜡质结构，总体呈现出多孔、多片状。这种结构会使得液体直接与叶片表面的片状突起接触，这时大量的孔状结构就充当了一层薄薄的空气层，使得紫竹梅叶片具有超疏水性。银胶浓度高的基底，银纳米粒子聚合体分布较密，银胶浓度低的基底，银纳米粒子聚合体分布较稀疏。原因是我们在紫竹梅叶片基底上滴的都是相同体积的8微升银胶溶液，由于紫竹梅叶片的超疏水性，不同浓度的银胶溶液在基底表面形成的小球基本上是一样大的。在相同的区域内，浓度高的银胶银纳米粒子运动后随机形成的聚合体密度就要大一些。通过比较图3 d-e，在1 μm级别放大下，可以进一步看到被覆盖区域的银粒子基本吸附在了片状突起上和相邻片状突起相连中间的间隙处，并且可以看到由于叶片表面的疏水浓缩效应，不同浓度银胶下聚合体的银粒子排布都很紧密，这使得SERS“热点”更容易形成。同时叶片表面的银胶并没有破坏叶片表面原有的微观结构，这使得紫竹梅叶基底也具有非常好的疏水性，这可以进一步地增强样品的SERS信号。同时在三种浓度下的电镜图还可看出，图3d(5倍稀释)中在紫竹梅叶表面聚合体的银纳米粒子分布更紧密，覆盖的区域更大。

图3 不同稀释浓度的银胶制备基底的扫描电镜图。a-c：5 μm下稀释5、10、15倍浓度银粒子分布；d-f：1 μm下稀释5、10、15倍浓度银粒子分布

2.4 探针分子R6G与农药福美双样品的制备

1)探针分子R6G样品的制备

将罗丹明6G固体粉末(R6G)用去离子水按10-1倍浓度稀释配置成5×10-9、10-10、10-11、10-12mol/L的四份不同浓度的罗丹明6G溶液。在基底上用移液枪分别滴加8微升不同浓度R6G溶液，待试剂自然干燥后置于共焦显微Raman光谱仪中进行检测。R6G作为探针分子用来探究并优化我们所制得的紫竹梅叶基底的SERS增强效果。

2)农药福美双样品的制备

将福美双粉末溶于无水乙醇制备成5×10-4mol/L溶液，然后用去离子水稀释到5×10-6、5×10-7、5×10-8mol/L备用。在优化后的紫竹梅叶基底上用移液枪分别滴加8微升不同浓度待检测溶液，待样品自然干燥后置于共焦显微Raman光谱仪中进行检测。

2.5 实验参数

为了在拉曼光谱检测时减小背景噪音对检测的影响，通过查阅相关文献发现，拉曼光谱仪信号采集的积分时间和曝光次数在降低背景噪音上有一定的作用，背景噪音强度与积分的时间成反比，与曝光次数成正比，综合考虑后本实验所有拉曼光谱使用参数为：10倍物镜，曝光2秒，累积次数为10次，激光波长532 nm，激光功率1.0 mW。

3 结果与讨论

3.1 基底对R6G探针分子的SERS分析

从实验结果图4中可以看出，在 608 cm-1、1358 cm-1、1507 cm-1、1647 cm-1处出现较强的R6G特征峰，次强峰则出现在769 cm-1、1179 cm-1、1309 cm-1、1570 cm-1处。其中1309 cm-1、1358 cm-1、1507 cm-1、1570 cm-1、1647 cm-1处为与苯环相关的一系列C=C双键伸缩振动峰，1179 cm-1、769 cm-1、608 cm-1处为苯环的面内、面外变形振动峰[13]。通过对叶片正、反面基底的SERS光谱多次测试分析，表明叶片正、反面基底都具有很好的增强效果，且正、反两面的增强情况相差不大。

图4 紫竹梅叶片正面(a)、反面(b)的SERS光谱(R6G: 5×10-9 mol/L)

图5为不同稀释倍数银胶基底的SERS光谱, 图6为不同浓度银胶基底在608 cm-1、1358 cm-1、1507 cm-1处的拉曼强度比较。根据图5和图6可以看到随着银胶稀释倍数的增大，银胶基底对于探针分子R6G的SERS信号会逐渐减弱。在稀释了5倍的情况下有着更好的信号增强效果，并且在测试过程中能够找到更多的增强区域。这与图3基底的表面形貌是相吻合的，在5倍稀释下银粒子的覆盖面积更广，银纳米粒子浓缩地更紧密，使得容易形成更多的“热点”。

图5 不同稀释倍数紫竹梅叶基底的SERS光谱(R6G: 5×10-9 mol/L)

图6 不同浓度银胶基底对于几个特征峰的增强比较

图7为R6G不同稀释浓度的SERS光谱，根据图7的实验数据不难看出，当 R6G浓度稀释到5×10-11mol/L时，仍然能看到明显的R6G特征峰，说明所制备的紫竹梅叶基底能够检测分析物到很低的浓度，是一种增强效果非常好的SERS基底。

图7 不同浓度R6G的SERS光谱(A 5×10-9,B 5×10-10,C 5×10-11 mol/L)

3.2 福美双固体粉末的拉曼光谱分析

取微量的福美双固体粉末置载玻片上放入拉曼光谱仪中进行光谱检测，所得结果如图8所示，可观察到其主要特征峰出现在 396 cm-1、561 cm-1、976 cm-1、1373 cm-1处，并且在180 cm-1、317 cm-1、363 cm-1、444 cm-1、853 cm-1、1045 cm-1、1092 cm-1、1150 cm-1、1240 cm-1、1400 cm-1、1460 cm-1处也都有明显的次强峰。根据郭昆等[14]文献，其各峰归属如表1所示。

图8 福美双固体粉末的拉曼光谱

3.3 福美双溶液的SERS光谱检测与分析

将制备好的不同浓度福美双样品放入拉曼光谱仪中进行光谱分析，所得的实验结果如图9所示(图中A、B、C、D检测浓度依次为5×10-5、5×10-6、5×10-7、5×10-8mol/L)，由图9可明显看出，在5×10-8mol/L限度内，光谱中438 cm-1、557 cm-1、931 cm-1、1036 cm-1、1140 cm-1、1376 cm-1、1438 cm-1、1504 cm-1处均有明显福美双的特征峰。通过对比福美双固体粉末的特征峰(见表1)，发现样品实验数据与固体本身数据存在着一定范围内的差别，这是由于SERS检测是对依附在基底表面的福美双分子散射所产生的光谱进行采集，基底上的银纳米颗粒并不是完全均匀和一致的，使得银纳米颗粒对福美双分子吸附时其结构发生了一定的改变，以至于检测得到的特征峰相较于固体特征峰出现一定的差异。

表1 福美双固体粉末光谱和SERS光谱的特征峰及其归属

图9 不同浓度福美双的SERS光谱(A 5×10-5,B 5×10-6,C 5×10-7,D 5×10-8 mol/L)

由图9可知，在福美双浓度低至5×10-8mol/L时位于557 cm-1、1036 cm-1、1376 cm-1、1438 cm-1和1504 cm-1处仍能够看到很明显的特征峰。说明所制备的紫竹梅叶基底对福美双的检测浓度可以到5×10-8mol/L。低于最新国标(2021年)福美双浓度为0.1 mg/kg(4.16×10-7mol/L)的最大残留限量。说明该基底可作为福美双农药残留一种快速有效的检测方法。

4 结论

本文用紫竹梅叶片来制作SERS基底，相较于用其它具有超疏水性的植物，紫竹梅一年四季都能生长，且用微波法制备的银胶长期保存都是比较稳定的，方便长期都能用二者来制作大量的基底。由于紫竹梅叶片及其制备的基底都有很好的超疏水性，因此所制备的紫竹梅叶片基底对于拉曼信号具有很好的增强效果。实验得到对于探针分子R6G的检测浓度可达 5×10-11mol/L。对不同稀释浓度的银胶制备的基底进行了分析，得到银胶浓度对基底表面形貌及增强效果有一定的影响，稀释了5倍的银胶溶液在紫竹梅叶片疏水浓缩效应作用下形成的基底具有更多的 “热点”，增强效果更佳。这结论与电镜照片得到的基底表面形貌是相互印证的。利用稀释5倍的银胶基底对福美双进行检测，其检测限度可达到5×10-8mol/L，低于国标对于福美双的最大残留限量，能够对福美双残留进行快速有效地检测。本实验方法的基底制备没有特殊的要求，在一般的实验室中就能完成，便于在各个地方实施和应用。