CN109030456A - 一种表面增强拉曼光谱检测基底及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米材料技术领域,具体为表面增强拉曼光谱检测基底及其制备方法与应用。本发明的表面增强拉曼光谱检测基底为由银纳米颗粒修饰的玻璃纤维纸;其制备方法包括,利用抗坏血酸和硼氢化钠对硝酸银在纸基底上进行原位“二次还原法”还原。将该增强拉曼光谱检测基底置于含有被检测物的溶液中,通过检测纸基底,可以检测到被测物的拉曼信号,并得到浓度信息。使用本发明的增强拉曼光谱检测纸基底对鱼肉样品中的孔雀石绿进行检测,具有快速、高效、灵敏度高、成本低、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域,具体涉及表面增强拉曼光谱检测基底及其制备方法,以及在标准样品和鱼肉样品中孔雀石绿含量的高灵敏度、高选择性检测中的应用。
背景技术
拉曼效应,指光波在被散射后频率发生变化的现象,1928年由印度物理学家C.V.Raman发现。拉曼光谱能够提供丰富的分子结构信息,且无需对检测样品进行处理,应用十分广泛。1974-1977年,Van Duyne等人发现了表面增强拉曼现象,通过在粗糙的金属表面吸附分子可以将拉曼信号增强106倍左右,这种技术成为表面增强拉曼光谱(SERS)。SERS的主要特点有:1.是一种超灵敏检测技术,可以实现痕量物质检测;2.不仅可以应用于实验室研究,而且在现实生活中的应用也十分广泛,且操作比较简单,是一种多功能的分析技术; 3. SERS检测与其他分析技术或平台联用,可以形成色谱分离拉曼检测、毛细管电泳拉曼检测、微流控芯片(纸芯片)拉曼平台。因此,表面增强拉曼光谱以其优异的发光性质,引起了材料科学、化学生物学、生命科学研究者的广泛关注,并用于材料的结构和形貌表征、化学和生物传感器、食品与环境分析、单分子检测、化学反应动力学等领域。
“纸”作为我们生活、工作以及学习中必不可少的工具,给我们带来了很大的便捷。纸基底具有易于加工,吸水性较好,多孔,物理生化惰性、优良的机械强度、携带方便、成本低廉等优点,在临床诊断、食品安全检测、环境卫生监控等方面都具有广阔的应用前景,是未来便携式现场分析装置发展的重要方向,对生物分析和疾病诊断领域中急需的原位表征、临床床边诊断、现场检测等的实现具有重要意义。
孔雀石绿是人工合成的具有三苯甲醛的分子骨架有机化合物,起初被用作染料。后来由于其具有杀真菌,杀细菌和杀寄生虫的功效而被广泛应用于水产养殖中。也正是由于它的结构,长期超量使用孔雀石绿会致癌,所以无公害水产领域国家明令禁止添加。但由于目前市场上暂无针对鱼体和鱼卵的水霉病的特效药物,而孔雀石绿针对该类疾病有特效,故孔雀石绿在水产业中的使用屡禁不止。
我们的研究发现利用硼氢化钠和抗坏血酸的还原性,硝酸银可以被逐步还原为均匀的纳米颗粒沉积在玻碳纤维纸上。而这种沉积了银纳米颗粒的纸可以给我们提供了高灵敏度和稳定性的拉曼效应增强效果,同时也是一种廉价便捷的表面增强拉曼检测基底。经实验发现,该方法具有很好的重现性,并且经过该方法制备的基底可以在去离子水中保存15天以上而不损害其检测的有效性。
使用该方法制备的基底配合BWTEK公司的便携式拉曼光谱仪,我们可以快速地检测标准样品的孔雀石绿,而且孔雀石绿的含量和拉曼光谱特征峰的强度有很好的线性关系。同时,在检测其他水产业中的常用添加剂和孔雀石绿的混合溶液时,检测结果依旧符合定性检测的标准,这就说明该方法对孔雀石绿的检测具有很好的选择性。在此基础上,本发明选择市场中购买的鱼肉样品,浸入孔雀石绿溶液用以模拟水产业中加入孔雀石绿的情况,经过简单几步的处理后,对鱼肉样品中的孔雀石绿进行了检测,并通过得到的拉曼光谱特征峰强度计算检测的回收率。
发明内容
本发明的一个目的在于提出了一种新的便携、廉价且具有高灵敏度和稳定性的表面增强拉曼检测基底及其制备方法。
本发明的另一个目的在于利用便携式拉曼光谱仪提供一种新的快速、灵敏、现场检测孔雀石绿的新方法。
本发明提出的表面增强拉曼检测基底的制备方法,具体步骤如下:
以玻碳纤维纸为底板,采用“二次还原法”,室温下,在玻碳纤维纸上分步用硼氢化钠和抗坏血酸还原硝酸银,使银纳米颗粒沉积在玻碳纤维纸表面,形成表面增强拉曼检测基底。
本发明提出的表面增强拉曼检测基底的制备方法,具体操作流程为:
调节水平摇床的震荡速度,室温下在两块六孔板中分别加入1~5mL 0.05M硼氢化钠溶液、1~ 5mL水、1~ 5 mL 0.05M 硝酸银溶液和1~5mL 0.05M抗坏血酸溶液、1~ 5mL水、1~ 5mL 0.05M 硝酸银溶液,将玻碳纤维纸分别浸入各孔中,反应30-60秒,循环8-12次,玻碳纤维纸由白色变为暗灰色,即表明在纸上沉积上了银纳米颗粒,从而得到表面增强拉曼检测基底。
上述得到的表面增强拉曼检测基底与未修饰的玻碳纤维纸相比,在310nm左右处有明显的吸收峰,通过扫描电镜图可以发现,银纳米颗粒的直径在30-40nm,分布均一;上述得到的表面增强拉曼检测基底与亚甲基蓝溶液作用5-15min后,可以得到明显增强的亚甲基蓝信号,重复5次相同实验,彼此之间的信号差距小于10%;上述得到的表面增强拉曼检测基底可以在去离子水中保存15天以上。
本发明制备的表面增强拉曼检测基底,可用于检测标准品孔雀石绿以及用于检测鱼肉样品中孔雀石绿含量。具体内容包括:
(1)检测标准品孔雀石绿
配置10-9-10-3M的孔雀石绿溶液,将制备好的表面增强拉曼检测基底浸入溶液中10-20min,取出该基底,置入订制的塑料模具中心,用便携式拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度与溶液中孔雀石绿浓度建立标准曲线;
(2)检测标准品孔雀石绿和各类水产业常用杀虫剂混合溶液
配置10-5M氯霉素溶液,10-5M呋喃唑酮溶液,10-5M磺胺嘧啶溶液,10-5M结晶紫溶液,将他们1:1和10-5M的孔雀石绿溶液混合。将制备好的表面增强拉曼检测基底浸入溶液中10-20min,取出该基底,置入订制的塑料模具中心,用便携式拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液中含有孔雀石绿,从而说明该方法的选择性;
(3)检测鱼肉样品的孔雀石绿
将购买的鱼肉置于10-9-10-3M的孔雀石绿溶液中20-40h。将鱼肉打碎,研磨为均质鱼肉。称取2-5 g均质鱼肉于50 mL离心管中,加入0.5-1mL10 g/L-1的盐酸羟胺溶液后,避光放置10-15 min;加入5-15mL乙腈和1-2 g无水硫酸镁,大力涡旋2-3min,再加入3-5 g中性氧化铝后放入摇床中在250 rpm条件下振荡10-15 min;离心5-10 min (转速3000 ~3250×g);收集上层清液,在50-70℃的水浴下氮吹至全干;用1-5 mL 0.003 M的2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌溶液(溶剂为乙腈)溶解残留物,轻微振荡5-10 min;加入1-2 g中性氧化铝,涡旋混合30~60 s;在转速为20000 × g下离心5-10 min;上清液通过有机相滤膜过滤。
将制备好的表面增强拉曼检测基底浸入上述所得的上清液10-20min,取出该基底,置入订制的塑料模具中心,用便携式拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度,代入标准曲线可以得到鱼肉中残留的孔雀石绿含量。
与现有方法相比,本发明的表面增强拉曼检测基底制备方法简便,廉价无污染。此表面增强拉曼检测基底用于检测标准品孔雀石绿,特征峰强度与浓度线性关系好,灵敏度高;此表面增强拉曼检测基底用于检测鱼肉样品中孔雀石绿快速高效,便携且易现场检测:
(1)合成方法简便,廉价,无污染:表面增强拉曼检测基底的制备采用“两步还原法”,不需要复杂的仪器,不需要高温、强酸强碱等苛刻条件,反应条件比较温和,操作简单,玻碳纤维纸价格便宜,对环境十分友好;
(2)特征峰强度与浓度线性关系好:表面增强拉曼检测基底检测孔雀石绿所得的特征峰强度与浓度线性关系(R2)在10-3-10-5M浓度之间为0.99;
(3)灵敏度高:该方法检测限约为1ppm,高于FDA和EU制定的检测限标准;
(4)快速高效:利用该表面增强拉曼检测基底检测鱼肉样品中的孔雀石绿可在1h之内完成;
(5)便携且易现场检测:利用该表面增强拉曼检测基底以及便携式拉曼光谱仪检测鱼肉样品中的孔雀石绿可以解决检测场地问题,可以做到现场检测。
附图说明
图1表面增强拉曼检测基底制备及检测流程示意图。
图2(A)模具示意图(B)便携式拉曼光谱仪示意图。
图3玻碳纤维纸修饰前后的紫外吸收曲线。
图4玻碳纤维纸修饰前后的电镜图,标尺=200nm。
图5随着去离子水中保存时间变化的检测信号变化图。
图6不同添加剂对检测结果干扰图。
图7基于玻碳纤维纸基底检测出孔雀石绿拉曼特征峰强度与孔雀石绿浓度线性关系图。
具体实施方式
下面通过具体实施例,进一步描述本发明。
实施例1
(1)制备表面增强拉曼检测基底
调节水平摇床的震荡速度为120往复/分钟,室温下在两块六孔板中分别加入3mL0.05M硼氢化钠溶液、3mL水、3 mL 0.05M 硝酸银溶液和3mL 0.05M抗坏血酸溶液、3mL水、1~3 mL 0.05M 硝酸银溶液,将玻碳纤维纸分别浸入各孔30s,循环8次,玻碳纤维纸由白色变为暗灰色,即在纸上沉淀了银纳米颗粒。
(2)检测标准品孔雀石绿
配置10-8-10-4M的孔雀石绿溶液,将制备好的表面增强拉曼检测基底浸入溶液中20min,取出该基底,置入订制的塑料模具中心,用便携式拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度与溶液中孔雀石绿浓度建立标准曲线。
(3)检测鱼肉样品的孔雀石绿
将购买的鱼肉置于10-6M的孔雀石绿溶液中24h。将鱼肉打碎,研磨为均质鱼肉。称取4g均质鱼肉于50 mL离心管中,加入1mL10 g/L-1的盐酸羟胺溶液后,避光放置15 min;加入10mL乙腈和1 g无水硫酸镁,大力涡旋3min,再加入5 g中性氧化铝后放入摇床中在250 rpm条件下振荡10 min;离心10 min (转速3000 ~3250× g);收集上层清液,在70℃的水浴下氮吹至全干;用1.5 mL 0.003 M的2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌溶液(溶剂为乙腈)溶解残留物,轻微振荡5 min;加入1 g中性氧化铝,涡旋混合60 s;在转速为20000 × g下离心5min;上清液通过有机相滤膜过滤。
将制备好的表面增强拉曼检测基底浸入上述所得的上清液20min,取出该基底,置入订制的塑料模具中心,用便携式拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度,代入标准曲线可以得到鱼肉中残留的孔雀石绿含量,该样品孔雀石绿回收率为105.6%。
实施例2
(1)制备表面增强拉曼检测基底
调节水平摇床的震荡速度为125往复/分钟,室温下在两块六孔板中分别加入4mL0.03M硼氢化钠溶液、4mL水、4 mL 0.03M 硝酸银溶液和4mL 0.03M抗坏血酸溶液、4mL水、4mL 0.03M 硝酸银溶液,将玻碳纤维纸分别浸入各孔60s,循环8次,玻碳纤维纸由白色变为暗灰色,即在纸上沉淀上了银纳米颗粒。
(2)检测标准品孔雀石绿
配置10-6-10-4M的孔雀石绿溶液,将制备好的表面增强拉曼检测基底浸入溶液中20min,取出该基底,置入订制的塑料模具中心,用便携式拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度与溶液中孔雀石绿浓度建立标准曲线。
(3)检测鱼肉样品的孔雀石绿
将购买的鱼肉置于10-7M的孔雀石绿溶液中30h。将鱼肉打碎,研磨为均质鱼肉。称取2g均质鱼肉于50 mL离心管中,加入0.5mL10 g/L-1的盐酸羟胺溶液后,避光放置15 min;加入10mL乙腈和2 g无水硫酸镁,大力涡旋2min,再加入5 g中性氧化铝后放入摇床中在250 rpm条件下振荡10 min;离心5 min (转速3000 ~3250× g);收集上层清液,在55℃的水浴下氮吹至全干;用2 mL 0.003 M的2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌溶液(溶剂为乙腈)溶解残留物,轻微振荡5 min;加入1 g中性氧化铝,涡旋混合30 s;在转速为20000 × g下离心8min;上清液通过有机相滤膜过滤。
将制备好的表面增强拉曼检测基底浸入上述所得的上清液15min,取出该基底,置入订制的塑料模具中心,用便携式拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度,代入标准曲线可以得到鱼肉中残留的孔雀石绿含量,该样品孔雀石绿回收率为119.4%。
表1 鱼肉样品检测回收率表
。
Claims (6)
1.一种表面增强拉曼光谱检测基底的制备方法,其特征在于,具体步骤为:
以玻碳纤维纸为底板,采用“二次还原法”,室温下,在玻碳纤维纸上分步用硼氢化钠和抗坏血酸还原硝酸银,使银纳米颗粒沉积在玻碳纤维纸表面,形成表面增强拉曼检测基底。
2. 根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,具体操作流程为:调节水平摇床的震荡速度,室温下在两块六孔板中分别加入1~5mL 0.05M硼氢化钠溶液、1~ 5mL水、1~ 5 mL0.05M 硝酸银溶液和1~5mL 0.05M抗坏血酸溶液、1~ 5mL水、1~ 5 mL 0.05M 硝酸银溶液,将玻碳纤维纸分别浸入各孔30-60s,循环4-8次,玻碳纤维纸由白色变为暗灰色,即在纸上沉淀上了银纳米颗粒。
3.由权利要求1或2所述制备方法得到的表面增强拉曼光谱检测基底。
4.如权利要求3所述的表面增强拉曼光谱检测基底,在检测标准品孔雀石绿,以及检测鱼肉样品中孔雀石绿含量的应用。
5.根据权利要求4所述的应用,其特征在于,所述检测标准品孔雀石绿的流程如下:
配置10-9-10-3M的孔雀石绿溶液,将表面增强拉曼检测基底浸入溶液中10-20min,取出该基底,置入塑料模具中心,用拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度与溶液中孔雀石绿浓度建立标准曲线。
6.根据权利要求4所述的应用,其特征在于,所述检测检测鱼肉样品中孔雀石绿含量的流程如下:
将鱼肉置于10-9-10-3M的孔雀石绿溶液中20-40h;将鱼肉打碎,研磨为均质鱼肉;称取2-5 g均质鱼肉于50 mL离心管中,加入0.5-1mL10 g/L-1的盐酸羟胺溶液后,避光放置10-15min;加入5-15mL乙腈和1-2 g无水硫酸镁,涡旋2-3min,再加入3-5 g中性氧化铝后放入摇床中在250 rpm条件下振荡10-15 min;离心5-10 min;收集上层清液,在50-70℃的水浴下氮吹至全干;用1-5 mL 0.003 M的2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌溶液溶解残留物,振荡5-10 min;加入1-2 g中性氧化铝,涡旋混合30~60 s;在转速为20000 × g下离心5-10min;上清液通过有机相滤膜过滤;
将表面增强拉曼检测基底浸入上述所得的上清液10-20min,取出该基底,置入塑料模具中心,用拉曼光谱仪检测基底的拉曼信号,通过孔雀石绿在432~437cm-1,797~802cm-1,1166~1170cm-1以及1613~1617cm-1处的拉曼特征峰确定溶液成分,同时根据797~802cm-1处的拉曼峰强度,代入标准曲线,得到鱼肉中残留的孔雀石绿含量。
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