CN109731559A

CN109731559A - 基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备及选择性检测水中盐酸恩诺沙星

Info

Publication number: CN109731559A
Application number: CN201910215922.7A
Authority: CN
Inventors: 李洪吉; 王焱; 王明超; 李悦; 车广波
Original assignee: Jilin Normal University
Current assignee: Jilin Normal University
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明提供了一种基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备及选择性检测水中盐酸恩诺沙星。制备步骤如下：步骤1、银纳米粒子的制备；步骤2、乙烯基改性的银纳米粒子的制备；步骤3、乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜的制备；步骤4、银基SERS印迹膜（ASIMs）的制备。本发明将膜技术、SERS技术以及MIT相结合，使得制备的产物兼具PVDF膜优异的物理和化学性质，SERS探测技术的高灵敏度和MIT的高选择性；本发明为SERS检测提供了新的方法，拓宽了应用范围。

Description

基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备及选择性检测水中盐酸恩诺沙星

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体地说是一种基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备及选择性检测水中盐酸恩诺沙星。

背景技术

盐酸恩诺沙星是一种常见的抗菌药物，已广泛应用于牛，羊，兔，狗等禽类大肠杆菌病，禽沙门氏菌病，禽巴氏杆菌病，胸膜肺炎，仔猪副伤寒，支原体和细菌性疾病等。它还可用于各种水生动物的细菌感染。然而，过量使用抗生素会对水生生物造成伤害甚至威胁人类健康，如轻度胃肠道刺激或不适，头痛，头晕，睡眠不良等。因此，对残留在水体中的盐酸恩诺沙星检测具有重要的社会价值。

近年来，表面增强拉曼散射（SERS）技术由于其灵敏度高，成本低，检测方便等特征而受到广泛关注。当目标分子吸附在SERS基底上时，其拉曼信号将被显著放大。大多数金属材料可用作SERS基底，例如：金，银和一些半导体。其中，由于银在经过拉曼激光照射后，其表面会发生等离子体共振，因此展现出了更为灵敏的SERS检测性能。然而，传统的粉末SERS基底制备方法更复杂，并且在离心过程中容易浪费，导致更高的制备成本。因此，制备具有工艺简单、成本低等优点的SERS活性基底，成为SERS检测的核心技术。

近年来，膜修饰技术在水处理领域变得越来越重要，与传统的水处理工艺相比，它们具有更显著的优势，例如高度改善的出水水质和更小的所需面积。在许多膜材料中，聚（偏二氟乙烯）（PVDF）是商业上常见的含氟聚合物，具有价格低，物理、化学和机械性能优异等特点，例如独特的抗氧化性能和良好的成膜性能。PVDF作为具有高热稳定性的化学抗性聚合物广泛用于纳滤（NF）、超滤（UF）、微滤（MF）和渗透蒸发（PV）膜，并且用于有机溶剂，酸和碱的侵蚀剂。因此我们将其与SERS结合，利用膜较大的表面积，以提高检测灵敏度。然而，SERS膜的主要缺点是在过滤或吸附过程中对目标分子的选择性不足。因此，需要一种在检测过程中特异性识别目标分子的方法。

为了提高检测的选择性，我们结合SERS膜技术和分子印迹技术（MIT）提出了一种可行的方法来制备新型SERS印迹膜。目前，MIT是一种人工的模拟方法，用于通过非生物策略创建化学互补和几何特异性识别位点，实现对目标分子的选择性检测。目前，分子印迹聚合物（MIPs）已经用于生物传感器制备，免疫测定，分离介质和亲和支持的分子识别元件，用于筛选生物活性化合物库。因此，我们将膜技术与MIT技术相结合，制备了高灵敏度的SERS印迹膜，可用于选择性检测水中的抗生素。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备及选择性检测水中盐酸恩诺沙星，将膜技术、SERS技术与MIT相结合，使得制备的产物兼具PVDF膜优异的物理和化学性质，SERS探测技术的高灵敏度和MIT的高选择性；为水中盐酸恩诺沙星及其他抗生素的有效检测提供了一种有前景且低成本的物质。

本发明是通过如下技术方案实现的：

该印迹膜主要通过四步反应合成。首先，合成银纳米粒子。将硝酸银，无水柠檬酸，抗坏血酸混入蒸馏水中并磁力搅拌，反应后，离心，用水清洗，烘干；其次，将银纳米粒子置于甲苯中，缓慢加入硅烷偶联剂KH-570，在90℃下磁力搅拌，反应后通过离心收集乙烯基改性的银纳米粒子，并用乙醇清洗，烘干；然后，将乙烯基改性的银纳米粒子分散到N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，加入聚偏氟乙烯（PVDF），聚乙烯吡咯烷酮（PVP），机械搅拌后静置，将静置后的溶液倒在玻璃板上，用玻璃棒刮擦出膜，浸入水中以完成相转化；最后，将制备完成的膜，盐酸恩诺沙星，丙烯酰胺（AM）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）加入到乙醇中，用氮气彻底清除氧气。添加偶氮二异丁腈（AIBN），将混合物系统密封，放入恒温浴振荡器中，50℃反应数小时后，再提高到60℃反应继续反应。产物用乙醇和水多次洗涤，除去未反应的试剂，再用索氏提取进一步洗涤。

基于表面增强拉曼散射的用于选择性检测水中抗生素的高灵敏度印迹膜，所述印迹膜是由乙烯基改性的银纳米粒子、PVDF膜、印迹聚合物复合而成，所述乙烯基改性的银纳米粒子均匀分散在PVDF膜的内部和表面，形成Ag/PVDF复合膜，所述印迹聚合物包覆于Ag/PVDF复合膜外。

基于表面增强拉曼散射的用于选择性检测水中抗生素的高灵敏度印迹膜的制备方法，步骤如下：

步骤1、银纳米粒子的制备

向蒸馏水中加入硝酸银，无水柠檬酸和抗坏血酸并磁力搅拌；将产物离心分离，洗涤烘干，得到银纳米粒子，待用；

步骤2、乙烯基改性的银纳米粒子的制备

将银纳米粒子置于甲苯中，缓慢加入KH-570，在90℃下磁力搅拌，将产物离心分离，洗涤烘干，得到乙烯基改性的银纳米粒子，待用；

步骤3、乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜的制备

将乙烯基改性的银纳米粒子分散到NMP中，加入PVDF，PVP，机械搅拌后静置，将静置后的溶液倒在玻璃板上，用玻璃棒刮擦出膜，浸入水中以完成相转化，得到乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜，待用；

步骤4、银基SERS印迹膜（ASIMs）的制备

将乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜，盐酸恩诺沙星，AM和EGDMA加入到乙醇中，用惰性气体清除氧气。随后，加入AIBN，密封，置于恒温水浴振荡器中，设定在50℃进行预聚合反应，然后升温至60℃继续反应；产物用乙醇和水洗涤，得到ASIMs，即所述基于表面增强拉曼散射的用于选择性检测水中抗生素的高灵敏度印迹膜。

步骤1中，所述蒸馏水，硝酸银，无水柠檬酸和抗坏血酸的用量比为50~70 mL：160~180 mg：1.90~1.94 g：500~560 mg；所述搅拌时间为0.5~1.5 h。

步骤2中，所述银纳米粒子，甲苯和KH-570的用量比为0.9~1.1 g：40~60 mL：2.0~4.0 mL；所述搅拌时间为22~26 h。

步骤3中，乙烯基改性的银纳米粒子，NMP，PVDF，PVP的用量比为 0.9~1.1 g：15~25mL：3.8~4.2 g：400~600 mg；搅拌时间为22~26 h，静置时间为10~14 h。

步骤4中，乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜，乙醇，盐酸恩诺沙星，AM，EGDMA，AIBN的用量比为1.0~9.0 cm²：50~70 mL：0.2~0.4 mmol：40~60 mg：0.3~0.5 mL：15~25 mg；所述惰性气体为氮气；所述50℃反应时间为5.0~7.0 h；所述60℃反应时间为20~28 h。

步骤1~4中，所述的洗涤，均为乙醇和水分别洗涤3次。

所制备的基于表面增强拉曼散射的高灵敏度印迹膜用于选择性吸附水中盐酸恩诺沙星。

本发明对应的非印迹聚合膜的制备方法类似合成方法如上，但不加盐酸恩诺沙星。

本发明的技术优点：

本发明将膜技术、SERS技术与MIT相结合，使得制备的产物兼具PVDF膜优异的物理和化学性质，SERS探测技术的高灵敏度和MIT的高选择性；本发明选择银作为SERS基底材料，利用银优异的表面等离子体共振效应，实现对痕量盐酸恩诺沙星的高灵敏度检测；利用PVDF膜作为传统SERS基底的支撑材料，利用膜材料较大的表面积，使得SERS检测面积较传统材料有所扩大，提升了检测的灵敏度；加入分子印迹聚合物（MIPs），利用功能单体和目标分子之间的特异性结合作用，增加传统SERS基底材料的选择性能，扩大SERS检测的应用范围；近几年，PVDF膜备受关注，将其与SERS技术、MIT相结合，对SERS技术的发展，有着十分重要的意义。由于其易于制备，低成本和高SERS性能以及高选择性，本发明成功地为水中盐酸恩诺沙星及其他抗生素的有效检测提供了一种有前景且低成本的方法，该技术为SERS检测提供了新的方法，拓宽了应用范围。

附图说明

图1：制备的Ag/PVDF复合膜和ASIMs的SEM图像：Ag/PVDF复合膜（a），ASIMs（b）；

图2：PVDF膜，Ag/PVDF膜和ASIMs的XRD图像：PVDF膜（a），Ag/PVDF膜（b），ASIMs（c）；

图3：PVDF膜，Ag/PVDF膜，ASIMs和银基SERS非印迹聚合膜（ASNMs）的傅立叶变换红外光谱：PVDF膜，（a）Ag/PVDF膜（b），ASIMs（c），ASNMs（d）；

图4：ASIMs吸附不同浓度盐酸恩诺沙星的SERS光谱图（a）与其拉曼强度与盐酸恩诺沙星浓度的线性关系（b）；

图5：ASIMs在10^–3 mol/L浓度的盐酸恩诺沙星（a），环丙沙星（b），盐酸土霉素（c）和加替沙星（d）中的SERS选择性。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

实施例1：

（1）银纳米粒子的合成

在100 mL单口烧瓶中，加入60 mL蒸馏水，并加入170 mg硝酸银和1.92 g无水柠檬酸。搅拌条件下，加入530 mg抗坏血酸，持续搅拌1.0 h。将产物离心分离，洗涤烘干，待用。

（2）乙烯基改性的银纳米粒子的合成

在100 mL单口烧瓶中，加入50 mL甲苯，并加入1.0 g银纳米粒子。搅拌条件下，缓慢滴加3.0 mL KH-570，在90℃下持续搅拌24 h，将产物离心分离，洗涤烘干，待用。

（3）乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜的制备

在250 mL三口烧瓶中，加入20 mL NMP，并加入1.0 g乙烯基改性的银纳米粒子，4.0 gPVDF，500 mg PVP。持续搅拌24 h，然后静置12 h，随后将溶液均匀浇筑在玻璃板上，用玻璃棒刮擦出膜，浸入水中以完成相转化。

（4）ASIMs的制备

在100 mL单口烧瓶中，将4.0 cm²乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜置入60 mL乙醇中，加入0.3 mmol盐酸恩诺沙星，50 mg AM和0.4 mL EGDMA，在室温下通入氮气15分钟，彻底清除氧气。随后，加入20 mg AIBN，密封，放入恒温水浴振荡器中，将反应温度设定在50℃，反应时长6.0 h。随后提高到60℃，再反应24 h。产物用乙醇和水洗涤，除去未反应的反应物，进一步使用索氏提取液洗涤。

步骤（1）所述的反应体系中，硝酸银与水的质量体积比为170 mg：60mL，硝酸银与无水柠檬酸的质量比为170 mg：1.92 g，硝酸银与抗坏血酸质量比为 170 mg：530 mg。步骤中所述的洗涤为水洗涤3次。

步骤（2）所述的反应体系中，银纳米粒子与甲苯的质量体积比为1.0 g：50 mL，银纳米粒子与KH-570的质量体积比为1.0 g：3.0 mL。步骤中所述的洗涤为乙醇洗涤3次。

步骤（3）所述的反应体系中，乙烯基改性的银纳米粒子与NMP的质量体积比为1.0g：20 mL，乙烯基改性的银纳米粒子与PVDF的质量比为1.0 g：4.0 g，乙烯基改性的银纳米粒子与PVP的质量比为1.0 g：500 mg。

步骤（4）所述的反应体系中，Ag/PVDF复合膜与乙醇溶液的面积体积比为4.0 cm²：60 mL，Ag/PVDF复合膜与AIBN的面积质量比为4.0 cm²：20 mg，Ag/PVDF复合膜与盐酸恩诺沙星的面积摩尔比为4.0 cm²：0.3 mmol，Ag/PVDF复合膜与AM的面积质量比为4.0 cm²：50mg，Ag/PVDF复合膜与EGDMA溶液的面积体积比为4.0 cm²：0.4 mL。步骤中所述的洗涤，均为乙醇和水分别洗涤3次。

本发明对应的非印迹聚合物的制备方法类似合成方法如上，但不加盐酸恩诺沙星。

实施例2：

（1）银纳米粒子的合成

在100 mL单口烧瓶中，加入50 mL蒸馏水，并加入160 mg硝酸银和1.9 g无水柠檬酸。搅拌条件下，加入500 mg抗坏血酸，持续搅拌0.5 h。将产物离心分离，洗涤烘干，待用。

（2）乙烯基改性的银纳米粒子的合成

在100 mL单口烧瓶中，加入40 mL甲苯，并加入0.9 g银纳米粒子。搅拌条件下，缓慢滴加2.0 mL KH-570，在90℃下持续搅拌22 h，将产物离心分离，洗涤烘干，待用。

（3）乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜的制备

在250 mL三口烧瓶中，加入15 mL NMP，并加入0.9 g乙烯基改性的银纳米粒子，3.8 gPVDF，400 mg PVP。持续搅拌22 h，然后静置10 h，随后将溶液均匀浇筑在玻璃板上，用玻璃棒刮擦出膜，浸入水中以完成相转化。

（4）ASIMs的制备

在100 mL单口烧瓶中，将1.0 cm²乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜置入50 mL乙醇中，加入0.2 mmol盐酸恩诺沙星，40 mg AM和0.3 mL EGDMA，在室温下通入氮气15分钟，彻底清除氧气。随后，加入15 mg AIBN，密封，放入恒温水浴振荡器中，将反应温度设定在50℃，反应时长5.0 h。随后提高到60℃，再反应20 h。产物用乙醇和水洗涤，除去未反应的反应物，进一步使用索氏提取液洗涤。

步骤（1）所述的反应体系中，硝酸银与水的质量体积比为160 mg：50mL，硝酸银与无水柠檬酸的质量比为160 mg：1.9 g，硝酸银与抗坏血酸质量比为160 mg：500 mg。步骤中所述的洗涤为水洗涤3次。

步骤（2）所述的反应体系中，银纳米粒子与甲苯的质量体积比为0.9 g：40 mL，银纳米粒子与KH-570的质量体积比为0.9 g：2.0 mL。步骤中所述的洗涤为乙醇洗涤3次。

步骤（3）所述的反应体系中，乙烯基改性的银纳米粒子与NMP的质量体积比为0.9g：15 mL，乙烯基改性的银纳米粒子与PVDF的质量比为0.9 g：3.8 g，乙烯基改性的银纳米粒子与PVP的质量比为0.9 g：400 mg。

步骤（4）所述的反应体系中，Ag/PVDF复合膜与乙醇溶液的面积体积比为1.0 cm²：50 mL，Ag/PVDF复合膜与AIBN的面积质量比为1.0 cm²：15 mg，Ag/PVDF复合膜与盐酸恩诺沙星的面积摩尔比为1.0 cm²：0.2 mmol，Ag/PVDF复合膜与AM的面积质量比为1.0 cm²：40mg，Ag/PVDF复合膜与EGDMA溶液的面积体积比为1.0 cm²：0.3 mL。步骤中所述的洗涤，均为乙醇和水分别洗涤3次。

实施例3：

（1）银纳米粒子的合成

在100 mL单口烧瓶中，加入70 mL蒸馏水，并加入180 mg硝酸银和1.94 g无水柠檬酸。搅拌条件下，加入560 mg抗坏血酸，持续搅拌1.5 h。将产物离心分离，洗涤烘干，待用。

（2）乙烯基改性的银纳米粒子的合成

在100 mL单口烧瓶中，加入60 mL甲苯，并加入1.1 g银纳米粒子。搅拌条件下，缓慢滴加4.0 mL KH-570，在90℃下持续搅拌26 h，将产物离心分离，洗涤烘干，待用。

（3）乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜的制备

在250 mL三口烧瓶中，加入25 mL NMP，并加入1.1 g乙烯基改性的银纳米粒子，4.2 gPVDF，600 mg PVP。持续搅拌26 h，然后静置14 h，随后将溶液均匀浇筑在玻璃板上，用玻璃棒刮擦出膜，浸入水中以完成相转化。

（4）ASIMs的制备

在100 mL单口烧瓶中，将9.0 cm²乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜置入70 mL乙醇中，加入0.4 mmol盐酸恩诺沙星，60 mg AM和0.5 mL EGDMA，在室温下通入氮气15分钟，彻底清除氧气。随后，加入25 mg AIBN，密封，放入恒温水浴振荡器中，将反应温度设定在50℃，反应时长7.0 h。随后提高到60℃，再反应28 h。产物用乙醇和水洗涤，除去未反应的反应物，进一步使用索氏提取液洗涤。

步骤（1）所述的反应体系中，硝酸银与水的质量体积比为180 mg：70mL，硝酸银与无水柠檬酸的质量比为180 mg：1.94 g，硝酸银与抗坏血酸质量比为180 mg：560 mg。步骤中所述的洗涤为水洗涤3次。

步骤（2）所述的反应体系中，银纳米粒子与甲苯的质量体积比为1.1 g：60 mL，银纳米粒子与KH-570的质量体积比为1.1 g：4.0 mL。步骤中所述的洗涤为乙醇洗涤3次。

步骤（3）所述的反应体系中，乙烯基改性的银纳米粒子与NMP的质量体积比为1.1g：25 mL，乙烯基改性的银纳米粒子与PVDF的质量比为1.1 g：4.2 g，乙烯基改性的银纳米粒子与PVP的质量比为1.1 g：600 mg。

步骤（4）所述的反应体系中，Ag/PVDF复合膜与乙醇溶液的面积体积比为9.0 cm²：70 mL，Ag/PVDF复合膜与AIBN的面积质量比为9.0 cm²：25 mg，Ag/PVDF复合膜与盐酸恩诺沙星的面积摩尔比为9.0 cm²：0.4 mmol，Ag/PVDF复合膜与AM的面积质量比为9.0 cm²：60mg，Ag/PVDF复合膜与EGDMA溶液的面积体积比为9.0 cm²：0.5 mL。步骤中所述的洗涤，均为乙醇和水分别洗涤3次。

本发明具体实施方式中检测能力评价按照下述方法进行：吸附不同浓度盐酸恩诺沙星的所有的SERS基底都在自然风干后平铺在载玻片。激发为514 nm，每个样本的光谱采集的曝光时间10 s和入射激光功率的15 mW，SERS光谱收集使用50×尼康镜头。以盐酸恩诺沙星的浓度[c]为横坐标，SERS强度为纵坐标绘制曲线。

试验例1：

首先检测了ASIMs吸附不同浓度盐酸恩诺沙星的拉曼强度，然后考察了拉曼强度与盐酸恩诺沙星浓度之间的线性关系。配置10^-3-10^-8 mol/L的盐酸恩诺沙星溶液，分取6片ASIMs加入到离心管中，分别加入不同浓度盐酸恩诺沙星进行吸附，待吸附完成后将膜自然风干，平铺在载玻片，放在物镜下，调节物镜，然后检测拉曼强度。在1581.1 cm^-1处可观察到，随盐酸恩诺沙星浓度逐渐降低，拉曼强度减小，二者成线性关系。

试验例2：

考察了ASIMs对盐酸恩诺沙星，环丙沙星，盐酸土霉素和加替沙星的选择性（如图5所示，所制得的ASIMs在10^{- 3} mol/L的浓度下对盐酸恩诺沙星的选择性更强，对环丙沙星，盐酸土霉素和加替沙星也有选择性但相比对较弱）。将盐酸恩诺沙星，环丙沙星，盐酸土霉素和加替沙星配置成10^-3 mol/L 的溶液。分别取10 mL盐酸恩诺沙星，环丙沙星，盐酸土霉素和加替沙星溶液和一片ASIMs加入到离心管中，进行吸附，待吸附完成后将膜自然风干，平铺在载玻片，放在物镜下，调节物镜，然后检测拉曼强度。结果表明，ASIMs对盐酸恩诺沙星有良好选择性。

Claims

1.一种基于表面增强拉曼散射的印迹膜，所述印迹膜是由乙烯基改性的银纳米粒子、PVDF膜、印迹聚合物复合而成，所述乙烯基改性的银纳米粒子均匀分散在PVDF膜的内部和表面，形成Ag/PVDF复合膜，所述印迹聚合物包覆于Ag/PVDF复合膜外。

2.一种基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、银纳米粒子的制备

步骤2、乙烯基改性的银纳米粒子的制备

步骤3、乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜的制备

步骤4、银基SERS印迹膜（ASIMs）的制备

将乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜，盐酸恩诺沙星，AM和EGDMA加入到乙醇中，用惰性气体清除氧气；

随后，加入AIBN，密封，置于恒温水浴振荡器中，设定在50℃进行预聚合反应，然后升温至60℃继续反应；产物用乙醇和水洗涤，得到ASIMs，即所述基于表面增强拉曼散射的用于选择性检测水中抗生素的高灵敏度印迹膜。

3.根据权利要求2所述的基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备方法，其特征在于，步骤1中，所述蒸馏水，硝酸银，无水柠檬酸和抗坏血酸的用量比为50~70 mL：160~180 mg：1.90~1.94 g：500~560 mg；所述搅拌时间为0.5~1.5 h。

4.根据权利要求2所述的基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备方法，其特征在于，步骤2中，所述银纳米粒子，甲苯和KH-570的用量比为0.9~1.1 g：40~60 mL：2.0~4.0 mL；所述搅拌时间为22~26 h。

5.根据权利要求2所述的基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备方法，其特征在于，步骤3中，乙烯基改性的银纳米粒子，NMP，PVDF，PVP的用量比为 0.9~1.1 g：15~25 mL：3.8~4.2g：400~600 mg；搅拌时间为22~26 h，静置时间为10~14 h。

6.根据权利要求2所述的基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备方法，其特征在于，步骤4中，乙烯基改性的Ag/PVDF复合膜，乙醇，盐酸恩诺沙星，AM，EGDMA，AIBN的用量比为1.0~9.0 cm²：50~70 mL：0.2~0.4 mmol：40~60 mg：0.3~0.5 mL：15~25 mg；所述惰性气体为氮气；所述50℃反应时间为5.0~7.0 h；所述60℃反应时间为20~28 h。

7.根据权利要求2所述的基于表面增强拉曼散射的印迹膜制备方法，其特征在于，步骤1~4中，所述的洗涤，均为乙醇和水分别洗涤3次。

8.如权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射的用于选择性检测水中抗生素的高灵敏度印迹膜用于选择性吸附水中盐酸恩诺沙星。