黃晨安，盛鵬濤,蔡青云

（湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410082）

多層納米銀/殼聚糖膜用于芘的表面增強(qiáng)拉曼測(cè)定

黃晨安，盛鵬濤,蔡青云*

（湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410082）

多環(huán)芳烴類物質(zhì)的高疏水性質(zhì)使得其在金屬表面吸附能力差,從而拉曼增強(qiáng)信號(hào)弱。該文針對(duì)此問(wèn)題，制備了以殼聚糖為骨架，納米銀顆粒為熱點(diǎn)的多層納米銀/殼聚糖復(fù)合膜表面拉曼增強(qiáng)基底，成功用于芘的表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)。由于殼聚糖本身的富集作用，目標(biāo)分子被吸附、富集于銀納米顆粒形成拉曼熱點(diǎn)，可檢測(cè)0.01 μmol/L的芘。

多環(huán)芳烴；表面增強(qiáng)拉曼；分析

0 引言

多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是指兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)以稠合方式連接起來(lái)的化合物， 包括萘 （Naphthalene）、蒽（Anthracene）、菲（Phenanthrene）、芘（Pyrene）等200余種化合物，主要來(lái)源于煤、石油、木材的不完全燃燒以及化工生產(chǎn)、有機(jī)物熱解等。PAHs分布極其廣泛，甚至在遠(yuǎn)離人群居住的土壤中也檢測(cè)出較高含量的PAHs，其中有相當(dāng)部分具有致癌性，且具有生物累積性，因此被列入《斯德哥爾摩公約》中持久性有機(jī)污染物（POPs）的控制名單[1~2]。1990年我國(guó)提出的68種水體優(yōu)先控制污染物中含七種PAHs。芘作為PAHs的典型代表，是PAHs中毒性最大的物質(zhì)之一,因而研究最多。研究發(fā)現(xiàn)芘能夠?qū)е律锇l(fā)育過(guò)程中的多種缺陷，如造成外圍循環(huán)系統(tǒng)缺陷、貧血、心包囊發(fā)育遲緩及水腫、加速神經(jīng)管的細(xì)胞死亡等。由于芘具有較高的熒光量子產(chǎn)率，常被作為監(jiān)測(cè)PAHs污染的指示物和模型分子[3]。

目前芘的主要檢測(cè)方法為氣相/液相色譜法、氣質(zhì)聯(lián)用法等[4~5]。這些方法儀器昂貴、樣品的前處理復(fù)雜耗時(shí)、分析費(fèi)用高。報(bào)道的其他方法有石英晶體微天平法、熒光光譜法等[6~7]。這些方法背景干擾大、選擇性差，在實(shí)際樣品分析存在不少問(wèn)題。表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）光譜具有良好的選擇性與靈敏度，在各類金屬離子和有機(jī)化合物的SERS分析領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究[8~9]，但SERS分析PAHs存在困難。主要原因是PAHs疏水性大，在金屬表面吸附能力低，不足以產(chǎn)生足夠的SERS效應(yīng)。為了解決這一問(wèn)題，人們修飾金屬表面、構(gòu)建功能性分子膜層，捕獲PAHs分子，拉近分子與金屬的距離以增大SERS效應(yīng)[10]。目前研究較多的是利用標(biāo)記的功能分子修飾的金屬納米粒子作為富集和檢測(cè)目標(biāo)物的增強(qiáng)基質(zhì)。如已報(bào)道的利用杯芳烴衍生物以及環(huán)糊精衍生物修飾金或銀納米粒子檢測(cè)PAHs，其基本策略均為環(huán)狀功能分子對(duì)目標(biāo)物分子的捕獲使它們直接靠近金屬納米粒子表面，產(chǎn)生SERS效應(yīng)[11~12]。如今，為了使拉曼測(cè)試的前處理手段更加精簡(jiǎn)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、無(wú)標(biāo)記的金屬納米增強(qiáng)基底。

該文基于殼聚糖與檸檬酸鹽包裹的銀納米顆粒間的自組裝，使殼聚糖成為銀納米粒子的交聯(lián)體，構(gòu)建了多層銀納米/殼聚糖復(fù)合膜用于芘的SERS檢測(cè)。殼聚糖（Chitosan，結(jié)構(gòu)如圖1）是甲殼素在堿性條件下水解脫去部分乙酰基后的產(chǎn)物，是一種通過(guò)β-1，4糖苷鍵相連的線性多糖，不僅來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、無(wú)毒無(wú)刺激，而且還擁有良好的吸附性、成膜性和通透性等優(yōu)良性能。殼聚糖分子內(nèi)含有大量游離的羥基和氨基，具有很高的反應(yīng)活性。在溶液中，它的氨基基團(tuán)能夠質(zhì)子化，由此產(chǎn)生的可溶性多糖帶正電[13~15]。利用其正電性使其與各類負(fù)電基團(tuán)包裹的納米顆粒通過(guò)靜電力進(jìn)行自組裝，制備出新型功能復(fù)合材料的方法早前已有報(bào)道[16~17]。該工作采用了拉曼增強(qiáng)效果最佳的貴金屬—銀納米顆粒，利用其表面負(fù)電性與殼聚糖分子進(jìn)行多次自組裝，構(gòu)建以殼聚糖為骨架、銀納米顆粒為拉曼增強(qiáng)源的SERS活性基底。由于殼聚糖本身的富集效果，目標(biāo)分子被基底吸附、富集，貼近銀納米顆粒形成拉曼熱點(diǎn)，產(chǎn)生SERS效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)芘的SERS分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

試劑：鈦片（99.8%，厚0.127 mm）購(gòu)于Aldrich公司。殼聚糖購(gòu)于Amresco公司。芘和蒽購(gòu)買于百靈威科技股份有限公司。3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）、檸檬酸三鈉、硝酸銀、氟化鈉、硫酸氫納、乙酸、硝酸、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、乙醇、羅丹明6G（R6G）、丙酮、芘、蒽等以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的其他試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)所用水均為二次蒸餾水。

儀器：掃描電子顯微鏡 （SEM，JSM 6700F；JEOL，Tokyo，Japan），紫外可見(jiàn)光譜儀（Cary 300；Varian Inc.,Palo Alto）與傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀（FTIR，Nicolet 5700；Thermo Electron，U.S.A）用于拉曼基底材料的表征。拉曼分析在共聚焦顯微拉曼光譜儀 （Voyage BWS435-785SY，B&W Tek Inc.,U.S.A）上進(jìn)行。

1.2 多層納米銀/殼聚糖基底材料的制備

具有拉曼增強(qiáng)效應(yīng)的AgNPs是根據(jù)P.C. Lee與D.Meisel的經(jīng)典方法[18]制備而成。簡(jiǎn)要的說(shuō)，90 mg硝酸銀溶于500 mL除氧水中并煮沸。隨后迅速加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的檸檬酸三鈉，保持沸騰至反應(yīng)液體積變?yōu)樵瓉?lái)的一半（約1 h）。 溶液顏色由最初的無(wú)色變?yōu)榛揖G色，形成粒徑約為70 nm的銀納米粒子溶膠。為了方便后續(xù)的自組裝過(guò)程，銀溶膠冷卻后利用透析方法除去其中未反應(yīng)的檸檬酸根等離子。最終將純化后的AgNPs避光保存于4℃。

采用比表面大，表面羥基富裕的二氧化鈦納米管（TiO2）作為自組裝的底板材料。鈦片先在2%的氫氟酸中超聲除去表面污漬，再于乙醇和丙酮中各超聲震蕩洗滌5 min，自然晾干。采用鈦片陽(yáng)極，純鉑片陰極的兩電極體系，在含0.5 mol/L硫酸氫鈉和0.1 mol/L氟化鈉的電解液中室溫下15 V恒電壓氧化反應(yīng)3 h，在Ti基板上得到管徑約為90 nm的二氧化鈦納米管陣列，蒸餾水沖洗表面，自然干燥[19]。以此材料作為基底。

多層納米銀/殼聚糖基底材料（Ag-CS/TiO2）的構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。首先，將TiO2基底用1 mol/L NaOH處理0.5 h以活化表面羥基，然后于體積比為2%的APTES乙醇溶液中70℃恒溫反應(yīng)2 h。取出后用乙醇和水沖洗，在氮?dú)夥諊?20℃干燥0.5 h。隨后，將氨基化基底于體積比為7%的戊二醛水溶液中浸泡1 h使其能夠與殼聚糖分子交聯(lián)。然后將它轉(zhuǎn)移至含0.1 mol/L乙酸的0.5%殼聚糖溶液中反應(yīng)1 h以形成殼聚糖單層膜。取出后，先后用0.1 mol/L乙酸和水多次交替沖洗，防止物理吸附的殼聚糖分子使AgNPs聚沉。事先用稀硝酸將AgNPs溶液的pH調(diào)至約6.0后，將殼聚糖修飾的基底浸入其中至少0.5 h以完成自組裝過(guò)程。通過(guò)在殼聚糖溶液與AgNPs溶液中交替浸泡，兩種物質(zhì)自組裝在基底表面形成多層結(jié)構(gòu)，使AgNPs以殼聚糖為骨架層層堆砌，最終獲得不同修飾輪數(shù)的Ag-CS/TiO2基底。徹底清洗后，這些基底于氮?dú)夥諊斜芄夥獯妗?/p>

圖1 殼聚糖分子式及多層納米銀/殼聚糖基底（Ag-CS/TiO2）組裝示意圖Fig.1 The chitosan formula and the assembly diagram of silver nanoparticles/chitosan multilayer substrate（Ag-CS/TiO2）

此外，作為對(duì)比材料的Ag-CS/Ti與Ag-CS/ ITO分別采用鈦片（氫氟酸清洗）與氧化銦錫導(dǎo)電玻璃（ITO，食人魚(yú)洗液清洗）為底板，利用與上述相同的自組裝方法制備。而金電極作為另一種對(duì)比材料，依次用粒徑為70 nm和30 nm的氧化鋁粉末打磨成粗糙鏡面后，先以飽和甘汞電極為對(duì)電極，于0.1 mol/L KCl溶液中在-0.2至1.2 V之間做循環(huán)伏安掃描（500 mV/s，300次），再用超純水清洗，用氮?dú)獯蹈纱谩?.3 目標(biāo)物的SERS分析檢測(cè)

各濃度的R6G，蒽以及芘均由丙酮稀釋。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將10 μL待測(cè)液滴在面積為0.5×0.5 cm2的基底表面，等待自然晾干。隨后將該基底置于拉曼光譜儀上檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：物鏡倍數(shù)為20倍，激發(fā)光為785 nm的激光，功率為1.9 mW，積分為3 s，平均積分次數(shù)為3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的表征

對(duì)所制備的基底材料分別進(jìn)行了紅外光譜、紫外光譜和掃描電鏡（SEM）的表征，結(jié)果如圖2所示。

由圖2A可看出，在經(jīng)過(guò)10輪交替浸泡后的Ag-CS/TiO2基底表面，殼聚糖的特征峰已十分明顯，表明吸附在基底表面的殼聚糖分子數(shù)量已經(jīng)非常高（曲線a）。其中515 cm-1處為T(mén)iO2底板的特征峰，而1 068 cm-1、2 921 cm-1與3 321 cm-1處分別C-O、C-H與O-H鍵的吸收峰，與殼聚糖純品的特征峰（曲線b）一致，證明殼聚糖的成功修飾。圖2B展示了不同修飾輪數(shù)的Ag-CS/TiO2基底與未經(jīng)修飾的TiO2基底在紫外區(qū)間的吸收對(duì)比?？梢钥闯觯瞻譚iO2基底在波長(zhǎng)為250~360 nm的區(qū)間無(wú)明顯吸收，這與以往的研究結(jié)果一致。當(dāng)通過(guò)自組裝修飾殼聚糖與AgNPs后，基底在波長(zhǎng)為305 nm處出現(xiàn)了吸收峰，并且隨著修飾輪數(shù)的增多，吸收峰越來(lái)越大，而最大吸收波長(zhǎng)也從305 nm藍(lán)移至312 nm。這表明了AgNPs成功與殼聚糖發(fā)生自組裝反應(yīng)固定于底板之上，并且多輪數(shù)的修飾使該反應(yīng)反復(fù)發(fā)生致使AgNPs通過(guò)殼聚糖分子發(fā)生堆砌、聚集。

圖2 （A）殼聚糖與Ag-CS/TiO2基底的紅外譜圖；（B）經(jīng)0~10輪修飾的Ag-CS/TiO2基底的紫外譜圖；（C~F）分別為經(jīng)1輪，3輪，6輪，9輪修飾的Ag-CS/TiO2基底的SEM圖Fig.2 Infrared spectra of chitosan and Ag-CS/TiO2substrate;(B)UV spectrum of Ag-CS/TiO2assembled with 0~10 cycles;(C~F)The SEM of Ag-CS/TiO2substrate modified with 1,2,6,and 9 round assemblies

圖2 C~F分別展示了經(jīng)過(guò)1輪、3輪、6輪與9輪自組裝修飾的Ag-CS/TiO2基底的SEM圖?？梢钥闯觯珹gNPs的粒徑約為70 nm到90 nm。當(dāng)修飾輪數(shù)為1輪時(shí)，修飾在基底表面的AgNPs的數(shù)量明顯較少，且納米顆粒之間的距離相對(duì)疏遠(yuǎn)。而根據(jù)SERS的增強(qiáng)機(jī)理，AgNPs之間的距離直接影響了拉曼熱點(diǎn)的形成，意味著這種程度的修飾不足以產(chǎn)生SERS效應(yīng)。隨著反應(yīng)輪數(shù)的增加，富含氨基的殼聚糖分子充當(dāng)了交聯(lián)劑的角色，使更多的AgNPs在最初的位點(diǎn)發(fā)生堆砌，形成多層結(jié)構(gòu)。當(dāng)修飾輪數(shù)到達(dá)9輪時(shí)，大量的AgNPs被固定在基底上形成一種多層交聯(lián)的狀態(tài)，而納米顆粒之間通過(guò)與殼聚糖分子的靜電作用發(fā)生聚集，緊密的接壤在一起，這與紫外光譜的表征結(jié)果一致。

2.2 材料的優(yōu)化

圖3A展示的是1 μmol/L R6G在各種基底上的拉曼響應(yīng)信號(hào)。圖3A中，曲線a~d分別采用CS/TiO2和經(jīng)過(guò) 9輪修飾的 Ag-CS/Ti、Ag-CS/ ITO、Ag-CS/TiO2作為基底的拉曼增強(qiáng)光譜?？梢钥闯?，以Ag-CS/TiO2為基底獲得的曲線d是一幅優(yōu)異的拉曼譜圖，展現(xiàn)出最強(qiáng)的拉曼吸收峰，且各吸收峰與以往文獻(xiàn)所報(bào)道的R6G特征峰基本吻合，說(shuō)明R6G能在該基底上獲得良好的SERS效應(yīng)[20]。相比于曲線d，曲線b和c雖然也展現(xiàn)出R6G的各特征峰，且峰型也十分明顯，但是各吸收峰強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于曲線d中相對(duì)應(yīng)的峰強(qiáng)，表明自組裝反應(yīng)同樣能夠在鈦片以及ITO導(dǎo)電玻璃底板上進(jìn)行，但這兩種基底的拉曼增強(qiáng)效果遠(yuǎn)不及Ag-CS/TiO2。在僅修飾殼聚糖的基底表面所獲得的曲線a沒(méi)有明顯的拉曼增強(qiáng)峰，基本為一條直線，說(shuō)明Ag-CS/TiO2基底上的所獲得拉曼增強(qiáng)效果來(lái)自于AgNPs，而不是單純的由目標(biāo)物在殼聚糖膜表面的聚集作用而產(chǎn)生的。由此對(duì)比可知，銀納米與殼聚糖的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)在SERS檢測(cè)方面，表現(xiàn)出良好的增強(qiáng)效果，并且以TiO2作為該結(jié)構(gòu)的底板遠(yuǎn)比采用Ti或ITO所獲得的增強(qiáng)效果好。這是由于TiO2相比于Ti和ITO，表面富裕的羥基以及其多孔表面所提供的巨大比表面積更利于第一步的氨基化，使殼聚糖單層膜更好的成形以完成后續(xù)的自組裝反應(yīng)。

圖3 （A）1 μmol/L R6G在CS/TiO2（a）和經(jīng)過(guò)9輪修飾的Ag-CS/ITO（b），Ag-CS/Ti（c），Ag-CS/TiO2（d）上的拉曼光譜圖；（B）1 μmol/L R6G分別以6輪（a），7輪（b），8輪（c），9輪（e），10輪（d）修飾的Ag-CS/TiO2為基底獲得的1 440~1 590 cm-1區(qū)域范圍內(nèi)的拉曼光譜圖；（C）1 512 cm-1處拉曼峰強(qiáng)度與修飾輪數(shù)的關(guān)系Fig.3 (A)Raman spectra of 1 μmol/L R6G on CS/TiO2(a),and 9 rounds assembled Ag-CS/ITO(b),Ag-CS/Ti(c), Ag-CS/TiO2(d);(B)Raman spectra in 1 440~1 590 cm-1region of 1 μmol/L R6G on the 6(a),7(b),8(c),9(e),and 10 round(d)assembled substrate;(C)The relationship between intensity of Raman peak at 1 512 cm-1and the modification rounds

對(duì)于Ag-CS/TiO2基底，自組裝的修飾輪數(shù)將直接影響其拉曼增強(qiáng)效果，所以對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化。圖3B是1 440~1 590 cm-1區(qū)域范圍內(nèi)R6G在經(jīng)6~10輪修飾的Ag-CS/TiO2基底上的SERS圖。拉曼位移為1 512 cm-1處吸收峰峰值大小隨著修飾輪數(shù)增加而增大，當(dāng)修飾輪數(shù)為9輪時(shí)達(dá)到最大值，約為39 000（a.u.）。與之對(duì)應(yīng)的圖3C是1 512 cm-1處拉曼峰強(qiáng)度與修飾輪數(shù)的關(guān)系。可以看出，經(jīng)過(guò)4輪自組裝反應(yīng)后所構(gòu)建的基底已經(jīng)對(duì)R6G產(chǎn)生一定的拉曼增強(qiáng)效果，并且在7輪修飾過(guò)后增強(qiáng)效果明顯提高，于9輪修飾時(shí)增強(qiáng)效果達(dá)到最大。繼續(xù)增加反應(yīng)輪數(shù)并沒(méi)有使1 512 cm-1處的拉曼峰進(jìn)一步增強(qiáng)反而使其略有減弱。這意味著Ag-CS/TiO2基底在經(jīng)過(guò)9輪修飾后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)最適宜于SERS效應(yīng)的產(chǎn)生，其拉曼增強(qiáng)效果已經(jīng)達(dá)到飽和值，額外的增加自組裝次數(shù)并不能增加基底上的拉曼熱點(diǎn)，反而可能產(chǎn)生空間位阻不利于目標(biāo)物分子進(jìn)入最佳位點(diǎn)。所以，在接下來(lái)的SERS檢測(cè)中，采用的Ag-CS/TiO2基底均經(jīng)過(guò)9輪自組裝反應(yīng)的修飾。

2.3 SERS法對(duì)芘的定性定量分析

對(duì)芘與多環(huán)芳烴中另一種典型代表物蒽進(jìn)行了SERS分析以評(píng)價(jià) Ag-CS/TiO2基底針對(duì)PAHs的定性分析能力。如圖4所示，曲線c和曲線e分別為芘和蒽的固體純品的拉曼光譜圖，固體樣品是通過(guò)將相應(yīng)純品粉末在玻璃板上壓平成微小顆粒得到的。曲線b和曲線d則分別為10 μmol/L芘與100 μmol/L蒽在所制備基底上的拉曼增強(qiáng)譜圖。根據(jù)對(duì)各類多環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)光譜的研究，在光譜圖中有五個(gè)區(qū)域需要引起注意和討論：（1）1 650~1 550 cm-1，一般為芳香環(huán)的拉伸振動(dòng)與C-H鍵面內(nèi)彎曲振動(dòng)的混合；（2）1 500~1 350 cm-1與1 050~1 000 cm-1，一般為強(qiáng)的C-H鍵面內(nèi)彎曲振動(dòng)和弱的芳香環(huán)振動(dòng)；（3）1 300~1 000 cm-1，一般為C-H鍵彎曲振動(dòng)；（4）1 000~600 cm-1，一般為C-H鍵面外振動(dòng)。（5）550 cm-1以下的區(qū)域，可能屬于芳香環(huán)面外振動(dòng)[21]。從圖中可以看出，曲線b和曲線d在各個(gè)區(qū)域吸收峰的位置和峰形分別與純芘固體和純蒽固體的拉曼圖的特征峰基本吻合[22]。曲線a則為10 μmol/L芘與100 μmol/L蒽等體積混合后在Ag-CS/TiO2基底上的拉曼光譜圖。其中，芘的所有特征峰均被檢測(cè)出，且芘的特征峰 （虛線x標(biāo)出）與蒽的特征峰（虛線y標(biāo)出）區(qū)分明確，少數(shù)兩者共有的特征峰發(fā)生重疊，但是峰型良好（虛線z標(biāo)出）。這說(shuō)明利用該基底進(jìn)行芘的SERS分析時(shí)，通過(guò)與純品芘的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比進(jìn)行特征峰的歸屬，可以準(zhǔn)確的從結(jié)構(gòu)相似的混合物中對(duì)芘進(jìn)行定性分析，確定芘是否存在。

圖4 10 μmol/L芘與100 μmol/L蒽等體積混合液（a），10 μmol/L芘溶液（b），芘固體粉末（c），100 μmol/L蒽溶液（d）與蒽固體粉末（e）分別在Ag-CS/TiO2基底上的SERS圖Fig.4 SERS diagrams of 10 μmol/L pyrene and 100 μmol/L anthracene mixture(a),10 μmol/L pyrene(b), pyrene solid powder(c),100 μmol/L anthracene(d),and anthracene solid powder(e)on Ag-CS/TiO2substrate

圖5A是不同濃度的芘在Ag-CS/TiO2材料表面的SERS圖。10 μmol/L芘在傳統(tǒng)金電極上的拉曼增強(qiáng)光譜（曲線a）和Ag-CS/TiO2空白基底材料的拉曼光譜圖（曲線b）也在圖中作為對(duì)照給出。在傳統(tǒng)的金電極表面，雖有少數(shù)拉曼峰展現(xiàn)出來(lái)，但其信噪比不高且存在較多干涉峰，拉曼增強(qiáng)效果明顯不如Ag-CS/TiO2基底材料。因芘在598 cm-1處的拉曼峰穩(wěn)定并尖銳，且峰值較大，因此選用598 cm-1處的峰值做定量分析。與圖5A對(duì)應(yīng)，圖5B為芘濃度的對(duì)數(shù)與598 cm-1處的峰值的線性擬合關(guān)系。該標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍為0.05 μmol/L到 10 μmol/L，線性回歸系數(shù)為0.989，說(shuō)明該分析方法的線性范圍較寬，線性相關(guān)良好。以三倍信噪比計(jì)算，此方法對(duì)芘的檢測(cè)下限約為0.01 μmol/L?？紤]到該實(shí)驗(yàn)所用的拉曼光譜儀的性能一般，所得光譜質(zhì)量較好，檢測(cè)下限已相對(duì)較低。

圖5 A:10 μmol/L芘在傳統(tǒng)Au電極上的SERS圖（a）以及0 μmol/L（b），0.05 μmol/L（c），0.1 μmol/L（d），0.5 μmol/L（e），1 μmol/L（f），5 μmol/L（g），10 μmol/L（h）芘在Ag-CS/TiO2基底上的SERS圖。B:598 cm-1處拉曼峰強(qiáng)度芘濃度對(duì)數(shù)的線性關(guān)系Fig.5 A:SERS diagram of 10 μmol/L pyrene on traditional Au electrode(a).The SERS diagrams of 0 μmol/L(b), 0.05 μmol/L(c),0.1 μmol/L(d),0.5 μmol/L(e),1 μmol/L(f),5 μmol/L(g),and 10 μmol/L(h)pyrene on Ag-CS/TiO2substrate.B:The linear relationship between the peak intensity at 598 cm-1and the logarithm of pyrene concentration

對(duì)該分析方法的精確度進(jìn)行了測(cè)試。采用同樣修飾步驟的不同批次的Ag-CS/TiO2基底材料對(duì)芘溶液進(jìn)行三次重復(fù)SERS檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得0.1、1和 5 μmol/L芘的變異系數(shù)分別為 9.44%、6.37%和5.30%。這表明該分析方法擁有可接受的精確度與重現(xiàn)性。進(jìn)一步研究了該基底材料的穩(wěn)定性。經(jīng)9輪自組裝修飾的Ag-CS/TiO2基底于氮?dú)夥諊斜芄夥獯?0 d后，10 μmol/L芘在其表面的SERS信號(hào)僅僅衰減3.32%（以598 cm-1處拉曼峰計(jì)算）。這種優(yōu)良的穩(wěn)定性表明通過(guò)殼聚糖分子固定在基底表面的AgNPs在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保有了原有的物理化學(xué)性質(zhì)與拉曼增強(qiáng)能力。

2.4 實(shí)際水樣回收率的測(cè)定

為了評(píng)估基于Ag-CS/TiO2基底材料對(duì)芘的SERS檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，對(duì)湘江水樣進(jìn)行了回收率的測(cè)定。先將水樣分別用0.45 μm的纖維素膜過(guò)濾，然后分別向每份水樣中加入不同濃度的芘的丙酮溶液，其最終濃度分別為0、0.005、0.05和0.5 μmol/L，一式三份。常溫下芘在水中的溶解度約為0.675 μmol/L，其中少量溶解在水中，一部分以膠體形式存在，大部分吸附在水體中的顆粒物質(zhì)上。所以，為了得到可靠的檢測(cè)結(jié)果并使后續(xù)的拉曼檢測(cè)步驟更便捷，對(duì)加標(biāo)后的水樣進(jìn)行了簡(jiǎn)單的液-液萃取，操作如下：將0.5 mL正己烷加到10 mL水樣中并室溫?cái)嚢?.5 h。靜置2 h后收集有機(jī)相，反復(fù)萃取3次后使用氮?dú)獯蹈?。將殘?jiān)鼜?fù)溶于1 mL丙酮中，得到濃縮10倍的加標(biāo)水樣?；厥章蕶z測(cè)結(jié)果歸納于表1中?？梢钥闯?，不同水樣中芘的回收率范圍介于84.00%至 100.32%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差介于4.89%至10.10%之間。

表1 湘江水樣中對(duì)芘的回收率測(cè)定結(jié)果Tab.1 Recovery rates of pyrene in water samples of Xiangjiang river

3 結(jié)論

該文采用檸檬酸鹽包裹的銀納米顆粒，利用其表面負(fù)電性與殼聚糖分子進(jìn)行多次自組裝，在二氧化鈦納米管底板上構(gòu)建了以殼聚糖為骨架，銀納米顆粒為拉曼增強(qiáng)源的多層銀納米/殼聚糖SERS活性基底。R6G，蒽與芘均在該基底材料上獲得較強(qiáng)的拉曼增強(qiáng)效果。由于殼聚糖本身的富集效果，目標(biāo)物分子被基底吸附、富集，貼近銀納米顆粒間形成拉曼熱點(diǎn)，產(chǎn)生增強(qiáng)的拉曼信號(hào)。利用該基底成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)芘的定性定量分析。在最優(yōu)條件下，其檢測(cè)的線性范圍為0.05 μmol/L到10 μmol/L，檢測(cè)下限為0.01 μmol/L。此方法對(duì)實(shí)際樣品加標(biāo)回收率為84.00%至100.32%之間，表明該基底能用于PAHs分析。

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Surface enhanced raman scattering detection of pyrene based on multiplayer Ag nanoparticles/chitosan

Huang Chen-an,Sheng Peng-tao,Cai Qing-yun*
（State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics,Department of Chemistry,Changsha 410082, China）

The high hydrophobic property of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs）results in low affinity to metallic surface and therefore insignificant Raman enhancement effect.In this work Ag nanoparticles-embeded multiplayer chitosan framework was prepared and used as the surface enhanced Raman scattering(SERS)substrate for the SERS detection of pyrene.Due to the high absorption ability of chitosan,target molecules were absorbed and concentrated onto the surface of Ag,sensitive detection of pyrene was achieved with a limit of detection of 0.01 μmol/L.

polycyclic aromatic hydrocarbons;surface enhanced raman scattering;analysis

該文工作獲得國(guó)家973計(jì)劃(2009CB421601)和國(guó)家自然科學(xué)基金(No.21175038)支持

*通訊聯(lián)系人，E-mail：qycai0001@hnu.edu.cn