CN104251853A - 一种利用表面增强拉曼散射技术检测水中高氯酸根的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无电沉积法(electroless deposition)构建银纳米结构薄膜(涂层)的简单方法及其作为表面增强拉曼散射(SERS)基底在分子检测中的应用。该方法包括以下步骤：(1)支持基底预处理(2)银纳米结构薄膜(涂层)的制备。该方法制备的基底在综合SERS性能方面具有很大优势，包括灵敏度高、再现性好、膜质均匀、性能稳定等，在低浓度化合物的现场检测和分析中具有很高的应用前景和实用价值。本发明提供的制备方法中，不需要任何昂贵的仪器设配，制备工艺极其简单，成本低廉，并能实现批量生产，有效降低了产品成本，适合于产业化。

Description

一种利用表面增强拉曼散射技术检测水中高氯酸根的方法

技术领域

本发明属于拉曼光谱、纳米材料及环境检测与分析技术领域，具体涉及一种基于置换反应和分子自组装技术制备的阳离子修饰的SERS基底及其在高氯酸根离子检测中的应用。

背景技术

高氯酸盐(ClO₄ ^-)被广泛应用于固体燃料，导弹和火箭推进剂，炸药，及烟火产品中。环境中高氯酸盐的来源主要来自于生产和使用高氯酸盐的工厂的排放和废弃物。最近，在包括中国和美国在内的许多国家和地区已经发现大量被高氯酸盐污染的饮用水，地下水和土壤，甚至在某些奶粉中也发现了高氯酸盐的存在。高氯酸盐已被证实能干扰甲状腺对碘的吸收，从而抑制甲状腺荷尔蒙的正常分泌，进而扰乱人体的新陈代谢。尤其是孕妇、胚胎和婴儿最容易受到危害，可能导致智力低下的胎儿和婴幼儿。因此，高氯酸盐的检测至关重要。目前常用的高氯酸根分析技术主要包括离子色谱(IC)，电喷雾电离-质谱(ESI-MS)，离子色谱-质谱(IC-MS)和离子选择性电极(ISE)等。然而，这些技术要么需要体积庞大，价钱昂贵的设备，或者样品制备太过复杂利费时，要么就是其灵敏度和选择性不能满足目前的需要。所有这些因素使得它们不适合于现场应用。因此，急需发展一种快速，简单和低成本的便携式技术检测痕量的高氯酸根离子。最近几年，美国环保署下属的固体废物与应急反应办公室(OSWER)一直投入资金支持研发新的便携式技术和装置以实现高氯酸盐的现场检测。

在过去几年，表面增强拉曼散射(SERS)，作为一个功能强大的振动光谱技术，以其独特的超灵敏度，高选择性，无损性，原位实时性及快速，简单和低成本等优势，在化学、生物和医药分子的识别和检测中，包括食品和饮用水安全及环境监测领域，扮演着越来越重要的地位。表面增强拉曼技术的核心是具有表面增强活性的纳米结构的贵金属基底(主要是银和金纳米表面)。当分子吸附到这样的纳米结构表面上时，由于电磁增强和化学增强效应，在激光激发下分子的拉曼散射强度被急剧增强；其增强因子可高达10⁶至10¹⁴，可达到单分子检测的水平。此外，与便携式和掌上型拉曼光谱仪相结合，该技术可为实时和现场分析提供极具市场前景的新的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用表面增强拉曼散射技术检测水中高氯酸根的方法。

本发明的又一目的是针对现有技术的不足，提供一种简便、廉价制备一种对高氯酸根离子具有高选择性和灵敏度的SERS基底。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明包括如下步骤：

(1)SERS基底的构建和修饰：首先利用金属置换反应在铜箔上沉积一层银或金纳米结构薄膜，然后通过分子自组装方法在银或金纳米结构薄膜上修饰一层阳离子硫醇自组装单层(SAM)即得SERS基底。

(2)SERS测量样品的制备：将SERS基底浸于待测溶液中，或者将少量待测溶液加到SERS基底上，带负电的高氯酸根离子由于与SERS基底表面的阳离子之间的强的相互作用而被吸附富集在SERS基底表面。

(3)SERS测量：将上述SERS样品置于拉曼光谱仪下进行SERS测量。根据高氯酸根离子的特征SERS峰出现与否及其强度，可获得定性和定量信息。

所述步骤(1)中，铜箔可以是平滑表面，也可以是利用各种技术制备的粗糙表面包括无序的、有序的和图案化的微米和纳米结构及阵列。本发明所述的实施例中具体使用的是平滑表面的铜箔(Cu)和硝酸刻蚀法获得的粗糙表面的铜箔(rCu)；硝酸为1∶1(体积比)的浓硝酸/水混合液，刻蚀时间20s。

所述步骤(1)中，用于沉积银或金纳米结构薄膜的试剂是不同浓度(0.5-50mM)的硝酸银溶液或氯金酸溶液，沉积时间为0.5-60min。本发明所述的实施例中具体使用的是2.5mM的硝酸银，室温反应5min。所得薄膜分别记作Ag/Cu和Ag/rCu。

所述步骤(1)中，用于构筑SAM的阳离子硫醇包括半胱胺盐酸盐(Cys)，2-二甲氨基乙硫醇盐酸盐(DMAE)，和L-半胱氨酸盐酸盐(L-Cy)等，其浓度为0.5-25mM，组装时间为1min至数小时。本发明所述的实施例中具体使用的是5mM半胱胺盐酸盐水溶液，组装时间为3min。所获得的Cys修饰的基底分别记作Cys-Ag/Cu和Cys-Ag/rCu。

所述步骤(2)中，SERS测量样品的制备非常简单、快速。本发明所述的实施例中具体操作是：将100uL待测溶液加到SERS基底上并限制在10mm×10mm范围内。无需任何等待，即刻进行SERS测量。

所述步骤(3)中，高氯酸根离子的SERS特征峰位于930±5cm^-1处。本发明所述的实施例中特征峰具体位于930cm^-1处。

根据上述任一方法制备得到的SERS基底和它在表面增强拉曼散射中的应用及其使用后进行再生的方法，也属于本发明的保护范围。

本发明所提供的水中高氯酸根离子的检测方法具有成本低廉、简单灵便、迅速实时、原位无损等优势，而该方法中提供的SERS基底具有高的灵敏度和选择性，良好的再现性和稳定性及可再生以重复使用等优点。与便携式或掌上型拉曼光谱仪相结合，该方法可实现水中痕量高氯酸根离子的现场检测和分析。除此之外该方法也可扩展到其它物质的检测和分析。因此，本发明具有很高的应用前景和实用价值。

附图说明

图1为SERS基底构建过程，高氯酸根SERS检测机制及基底再生示意图。

图2为在实施例1中获得的酸刻蚀铜箔(rCu)及银纳米结构薄膜(Ag/rCu)的典型SEM图：(A)rCu表面，(B)Ag/rCu的低分辨(大范围)SEM图，(C)Ag/rCu中银纳米粒子的高分辨SEM图，(D)Ag/rCu中银纳米粒子聚集体的高分辨SEM图。

图3为在实施例3中所测得的不同浓度高氯酸根离子的SERS波谱。图中波谱从下到上依次相应于如下浓度：0，5，10，25，50，100，250和500ppb。

图4为ClO^4-离子特征峰(930cm^-1)强度对浓度绘图及各种线性定标曲线。

图5为在实施例4中(A)再生的SERS基底(Cys-Ag/Cu)的背景波谱，和(B)3ppm ClO^4-在相应的再生的基底上的SERS波谱。图中波谱从下到上依次相应于再生和循环次数为1，2，4，7和10。

具体实施方式

图1简单明了地显示了该发明的实施方式，给出了SERS基底构建过程，高氯酸根SERS检测机制及基底再生示意图。下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，但本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：SERS基底Cys-Ag/rCu的制备(如图1所示)。

(1)铜箔预处理：铜箔被切成所需的形状和大小，依次用丙酮和乙醇洗涤以除去表面可能存在的有机杂质。为获得粗糙的铜表面(rCu)，将铜箔放进1∶1的硝酸溶液中刻蚀20s后用大量水洗涤，在1％硫酸中储存备用。其表面形貌如图2A所示。

(2)Ag/rCu的制备：将铜箔水洗至中性后，在室温下放入2.5mM硝酸银溶液中，银离子就会被单质铜还原为银原子并在铜表面沉积而形成纳米结构的银膜。反应5min后，水洗，在压力氮气流下吹干即得Ag/rCu基底。图2B-2D给出了不同分辨率的银纳米结构薄膜的SEM照片，其显示该薄膜是由一层平均尺寸为80nm的银纳米粒子和遍布其上的大小约1μ至10μ的纳米粒子团聚体所组成。

(3)Cys修饰：将Ag/rCu基底浸入新鲜制备的Cys(5mM)水溶液中反应3min。经水洗后在压力氮气流下吹干即得Cys-Ag/rCu基底。

实施例2：SERS基底Cys-Ag/Cu的制备。

其制备过程与Cys-Ag/rCu相似，但铜箔无需酸刻蚀。

(1)铜箔预处理：铜箔被切成所需的形状和大小，依次用丙酮和乙醇洗涤以除去便面可能存在的有机杂质。然后在1％硫酸中储存备用。

(2)纳米结构膜(Ag/Cu)的制备：将铜箔水洗至中性后，在室温下放入2.5mM硝酸银溶液中。反应5min后，水洗，在压力氮气流下吹干即得Ag/Cu基底。

(3)Cys修饰：将Ag/Cu基底浸入新鲜制备的Cys(5mM)水溶液中反应3min。经水洗后在压力氮气流下吹干即得Cys-Ag/Cu基底。

实施例3：水中ClO^4-SERS检测。

(1)SERS测量样品的制备：将100uL含有不同浓度ClO^4-离子(0至500ppb)的水溶液分别加到实施例1所制备的Cys-Ag/rCu基底上并被限制在10mm×10mm范围内。无需等待，SERS测量可以即可进行。

其检测机制(如图1所示)为：当待测溶液与SERS基底想接触时，高氯酸根离子就会迅速的被基底表面的带正电荷的氨基离子(-NH₃ ⁺)选择性的吸附并富集于基底表面而进入到基底的SERS活性区。在激光激发下，高氯酸根离子的拉曼信号就会被大大增强。我们的研究已经显示，和其他常见的阴离子相比，-NH₃ ⁺对ClO^4-离子具有最强的选择性，其顺序为：ClO^4->SO4^2->HCO₃ ^-，NO₃ ^->Cl^->H₂PO^4-。

(2)SERS测量：将上述SERS样品置于拉曼光谱仪下进行SERS测量。所用仪器为Thermo Nicolet Almega XR激光拉曼光谱仪，激光波长为780nm，能量为32毫瓦(实验中使用了50％的能量)。一个带有10×物镜的显微镜被使用，在样品区提供了一个～3微米的激光光斑。数据采集时间为每次扫描3秒，共扫描10次。为实现可靠和可重复的表面增强拉曼光谱测量，多次测量的平均波谱被用来分析SERS检测效果。

测量结果如图3和图4所示。我们发现，ClO^4-离子的SERS峰(930cm^-1)强度随浓度的提高而增强。特别是在一个相对窄的浓度范围，信号强度和浓度之间显示了极好的线性关系(如图4B和4C)。非常有趣的是，尽管在宽的浓度范围，线性关系并不理想(见图4A)，但是log-log绘图给出了很好的线性关系(见图4D)。检测限大约为5ppb。这些显示了使用该方法在高氯酸根低浓度定量检测中的可行性。

实施例5：SERS基底的再生和循环使用。

进行过高氯酸根检测的SERS基底，用稀盐水或纯水冲洗可移去吸附的高氯酸根离子。将洗过的基底浸入新鲜制备的Cys(5mM)水溶液中浸泡3min，经水洗后在压力氮气流下吹干即得再生的SERS基底。再生的基底按照上述方法再次用于高氯酸根的测量。图5给出了不同的循环次数的背景波谱和高氯酸根SERS波谱。结果显示，在所有10个这样的循环中，洗后的基底的背景波谱中高氯酸根特征峰完全消失(如图5A所示)，证明了高氯酸根离子已被完全洗涤移去；而每次再生的基底对相同浓度高氯酸根溶液显示了几乎相同的SERS效应(如图5B所示)，则论证了该基底可多次循环使用。

Claims (8)

1.一种基于表面增强拉曼散射技术，简单、迅速和低成本测定水中高氯酸根离子的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)SERS基底的构建和修饰：首先利用金属置换反应在铜箔上沉积一层银或金纳米结构薄膜，然后通过分子自组装方法在银或金纳米结构薄膜上修饰一层阳离子硫醇自组装单层(SAM)即得SERS基底。(2)SERS测量样品的制备：将SERS基底浸于待测溶液中，或者将少量待测溶液加到SERS基底上，带负电的高氯酸根离子由于与SERS基底表面的阳离子之间的强的相互作用而被吸附富集在SERS基底表面。(3)SERS测量：将上述SERS样品置于拉曼光谱仪下进行SERS测量。根据高氯酸根离子的特征SERS峰(930cm^-1)出现与否及其强度，可获得定性和定量信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铜箔可以是平滑表面，也可以是利用各种技术制备的粗糙表面包括无序的、有序的和图案化的微米和纳米结构及阵列。本发明所述的实施例中具体使用的是平滑表面的铜箔(Cu)和硝酸刻蚀法获得的粗糙表面的铜箔(rCu)；硝酸为1∶1(体积比)的浓硝酸/水混合液，刻蚀时间20s。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用于沉积银或金纳米结构薄膜的试剂是不同浓度(0.5-50mM)的硝酸银溶液或氯金酸溶液，沉积时间为0.5-60min。本发明所述的实施例中具体使用的是2.5mM的硝酸银，室温反应5min。所得薄膜分别记作Ag/Cu和Ag/rCu。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用于构筑SAM的阳离子硫醇包括半胱胺盐酸盐(Cys)，2-二甲氨基乙硫醇盐酸盐(DMAE)，和L-半胱氨酸盐酸盐(L-Cy)等，其浓度为0.5-25mM，组装时间为1min至数小时。本发明所述的实施例中具体使用的是5mM半胱胺盐酸盐(Cys)水溶液，组装时间为3min。所获得的Cys修饰的基底分别记作Cys-Ag/Cu和Cys-Ag/rCu。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，SERS测量样品的制备非常简单，快速。本发明所述的实施例中具体操作是：将100μL待测溶液加到SERS基底上，即可进行SERS测量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，高氯酸根离子的SERS特征峰位于930±5cm^-1处。本发明所述的实施例中特征峰具体位于930cm^-1处。

7.根据权利要求1-4任一所述的方法制备得到的阳离子硫醇SAM修饰的银或金纳米结构薄膜及其作为SERS基底在表面增强拉曼散射中的应用。

8.根据权利要求1-4任一所述的方法制备得到的SERS基底，经纯水或低浓度盐水冲洗和再次修饰进行再生的方法及其循环使用。