CN109932353A - 一种特异性检测Cr3+的表面增强拉曼光谱基底及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特异性检测Cr³⁺的表面增强拉曼光谱基底及其制备方法和应用。所述表面增强拉曼光谱基底是以柠檬酸三钠和异烟肼修饰银纳米粒子制备的基底。通过不同浓度的三价铬离子与INA‑cit‑Ag NPs中基团结合，实现纳米基底的不同程度团聚，通过检测特征峰的拉曼信号来反映三价铬离子的浓度。本发明方法具有工艺简单、可操作性强等优点，对制备高性能表面增强拉曼光谱基底具有借鉴意义。

Description

一种特异性检测Cr3+的表面增强拉曼光谱基底及其制备方法 和应用

技术领域

本发明涉及表面增强拉曼光谱技术领域，更具体地涉及一种特异性鉴别Cr³⁺的表面增强拉曼光谱(SERS)基底及其制备和应用。

背景技术

表面增强拉曼散射光谱(SERS)是一种基于检测分子振动的一种表面分析的技术，通过分析吸附在金属基底中的物质的振动，得到吸附物质的结构等信息，进而确定物质的种类。通过将检测分子吸附到合适的金属纳米粒子上，利用金属纳米粒子的电磁场效应，放大分析振动信息，得到更准确光谱信号。表面增强拉曼散射光谱技术具有的高灵敏度特点使得该技术可以检测单分子物质，进而应用于各类化学分析的检测中。

金属离子的污染的消除在环境污染中越发重要，由于金属离子一旦进入人体不易排出，同时金属离子对人体各类系统的破坏产生不可小觑的危害。铬的过量摄入会造成中毒，长期职业接触、空气污染或接触铬的灰尘，可引起皮肤过敏和溃疡，鼻腔的炎症、坏死，甚至肺癌。经口摄入，可引起胃肠道损伤，循环障碍、肾衰竭。所以环境污染及食品中检测铬的含量就显得至关重要。目前多种方法兴起，色谱法，原子吸收光谱法，电化学，荧光法，比色法等，这些方法检测周期长，造成人力物力的消耗使成本高，因此需要运用成本低，灵敏度高，操作简单的方法实现三价铬离子的检测。

而利用表面增强拉曼散射光谱(SERS)特异性检测金属离子的关键在于基底的制备，在拉曼光谱检测中，常存在金属纳米材料稳定性差的问题。所以制备一种稳定性高，灵敏度高的特异性检测Cr³⁺的表面增强拉曼光谱基底具有现实的意义。

发明内容

本发明的目的在于通过表面增强拉曼散射光谱技术实现对三价铬离子的选择性检测。

本发明采用的技术方案是：一种特异性检测Cr³⁺的表面增强拉曼光谱基底，所述表面增强拉曼光谱基底是以柠檬酸三钠和异烟肼修饰银纳米粒子制备的基底。

一种特异性检测Cr³⁺的表面增强拉曼光谱基底的制备方法，包括如下步骤：将AgNO₃和柠檬酸三钠混合，加入去离子水，室温下搅拌30～40min后，加入异烟肼，继续搅拌2～3h，形成柠檬酸和异烟肼修饰的银纳米粒子INA-cit-Ag NPs溶胶。

本发明还提供表面增强拉曼光谱基底在特异性检测Cr³⁺中的应用。

优选的，利用表面增强拉曼光谱基底定性检测Cr³⁺，方法如下，于上述的表面增强拉曼光谱基底中，加入含有Cr³⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅板上，烘干水分后进行拉曼光谱检测，观察1606cm^-1与1013cm^-1处拉曼信号峰强度的变化。

优选的，所述表面增强拉曼光谱基底半定量检测Cr³⁺，方法如下，于上述的表面增强拉曼光谱基底中，加入含有Cr³⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅板上，烘干水分后进行拉曼光谱检测，测定1606cm^-1与1013cm^-1处拉曼信号峰强度，计算I₁₆₀₆/I₁₀₁₃比值。

优选的，所述含有Cr³⁺的溶液是浓度范围在5×10^-5mol/L～2×10^-4mol/L之间的Cr³⁺标准溶液，或含有Cr³⁺的待测样品溶液。

本发明的原理是：以柠檬酸三钠和异烟肼对银纳米粒子进行修饰，合成了新型的表面增强拉曼基底材料，三价铬离子与修饰后的银纳米粒子表面基团进行识别后，与修饰银纳米基底材料团聚，不同浓度的三价铬离子与银纳米粒子团聚程度不同，产生不同强度的拉曼信号，实现三价铬离子的选择性检测。

本发明具有如下有益效果

1、本发明，由于不同浓度的三价铬离子与柠檬酸三钠和异烟肼修饰的银纳米粒子的表面基团的识别结合，产生不同团聚程度的银纳米粒子，进而产生不同强度的拉曼信号，实现不同增强基底下的拉曼信号的检测，从而对三价铬离子进行定性或半定量检测。

2、本发明设计合成的柠檬酸三钠和异烟肼修饰的银纳米粒子基底材料，具有稳定性好、灵敏度高的优点，在一定程度上解决了金属纳米材料稳定性差的问题。

3、本发明在基底材料中增加了异烟肼修饰银纳米粒子，使得三价铬金属离子的添加与纳米粒子进行团聚，产生热点，实现了拉曼信号的增强。

附图说明

图1是实施例1制备的INA-cit-Ag NPs的TEM图。

图2是实施例1添加5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的TEM图。

图3a是实施例1制备的INA-cit-Ag NPs的动态光散射图(DLS)。

图3b是实施例1加入不同浓度Cr³⁺INA-cit-Ag NPs的动态光散射的柱状图。

图4a是实施例1制备的INA-cit-Ag NPs的Zeta电位图。

图4b是实施例1加入5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的Zeta电位图。

图5是实施例1制备的INA-cit-Ag NPs与加入5×10^-5mol/L～4×10^-4mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的紫外-可见吸收光谱图(UV-vis)。

图6是实施例1中INA，INA-cit-Ag NPs与加入5×10^-5mol/LCr³⁺的INA-cit-Ag NPs红外光谱图(FT-IR)。

图7a是实施例1制备的INA-cit-Ag NPs的XPS全谱图。

图7b是Ag 3d的XPS全谱图。

图7c是C 1s(c)的XPS图。

图8是实施例1制备的INA-cit-Ag NPs与加入5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-AgNPs的X-射线粉末衍射图(XRD)。

图9a是实施例1中Cit、INA、INA-cit-Ag NPs和加入5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的SERS光谱图。

图9b是实施例1中Cit、cit-Ag NPs和加入5×10^-5mol/L Cr³⁺的cit-Ag NPs的表面增强拉曼光谱图(SERS)。

图10实施例1中是不同种类金属离子对INA-cit-Ag NPs柱状图。

图11a是实施例2中加入5×10^-5mol/L～2×10^-4mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPsSERS光谱图。

图11b是实施例2中加入5×10^-5mol/L～2×10^-4mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPsSERS光谱中I₁₆₀₆/I₁₀₁₃线性拟合图。

具体实施方式

实施例1。

(一)特异性检测Cr³⁺的表面增强拉曼光谱基底INA-cit-Ag NPs的制备

制备方法:于250mL锥形烧瓶中，加入10mL(0.01mol/L)AgNO₃和5mL(0.1mol/L)柠檬酸三钠(Cit)，混合均匀后，用去离子水稀释至100mL，在室温(25℃)下强烈搅拌30-40min后，加入5mL(0.002mol/L)异烟肼(INA)，继续搅拌2h，在此期间，可观察到溶液形成黄色溶胶，为异烟肼-柠檬酸修饰的银纳米粒子，记为INA-cit-Ag NPs，放入4℃冰箱备用。

对比例：将100mL(0.001mol/L)AgNO₃溶液在搅拌情况下加热煮沸，爆沸情况下迅速加入5mL 1％柠檬酸三钠(Cit)，混合溶液继续强烈搅拌加热，直到溶液变为黄色溶胶，形成柠檬酸修饰的银纳米粒子，记为Cit-Ag NPs，冷却至室温，并放入4℃冰箱备用。

(二)表面增强拉曼光谱基底INA-cit-Ag NPs对Cr³⁺的响应

方法：分别在15mL离心管中，加入5mL制备的INA-cit-Ag NPs或Cit-Ag NPs，然后分别加入50μL浓度范围为3×10^-5mol/L～4×10^-4mol/L的Cr³⁺溶液，加入三次蒸馏水稀释到10mL，混合均匀，室温放置15min。

1、图1是INA-cit-Ag NPs的TEM图。由图1可见异烟酸修饰的银纳米粒子呈球形，分散性良好，粒径约8nm左右。由于异烟酸的修饰使银纳米粒子表面具有静电排斥作用，有力的限制纳米粒子的聚集，使得金属纳米粒子具有较好的单分散性。

2、图2是添加了5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的TEM图。由图2可见加入5×10^-5mol/L的Cr³⁺后，在INA-cit-Ag NPs基底上可以看到银纳米粒子团聚，导致颗粒变大，说明三价铬离子的加入可以导致纳米粒子颗粒变大。

3、图3a是INA-cit-Ag NPs的动态光散射图(DLS)。图3b是加入不同浓度Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的柱状图。由图3a可见，异烟酸修饰的银纳米粒子粒径较小并且比较均一，平均8nm，图3a中半峰宽较小更进一步说明异烟酸修饰纳米粒子具有良好的稳定性，并且使粒径较集中。通过对比图3a和图3b，加入3×10^-5mol/L，5×10^-5mol/L，1×10^-4mol/L，1.5×10^{- 4}mol/L，2×10^-4mol/L Cr³⁺后银纳米粒子的粒径依次增大为30nm，66nm，85nm，161nm，181nm。表明Cr³⁺的加入使银纳米粒子明显团聚，粒径增大。

4、图4a是INA-cit-Ag NPs的Zeta电位图。图4b是加入5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的Zeta电位图。由图4a可见INA-cit-Ag NPs表面电荷呈负电性，Zeta电位值是-43mV，由于异烟酸与柠檬酸三钠的修饰使银纳米结构表面呈现负电荷。由图4b可见，5×10^{- 5}mol/L Cr³⁺的加入，加入的正电荷使负电荷改变，Zeta电位值是-41mV。

5、图5是加入50μL浓度为0、2、3、5、10、15、20、30、40×10^-5M Cr³⁺的INA-cit-AgNPs的紫外-可见吸收光谱图(UV-vis)。由图5可见，异烟酸修饰的银纳米粒子在402nm左右出现明显银纳米粒子形成的特征吸收峰，说明成功合成了银纳米粒子。从图5还可以看到随着Cr³⁺浓度的增加，溶液颜色由黄色变为橙红色，在402nm处的峰逐渐降低，浓度达到5×10^-5M时，由于银纳米粒子的聚集导致509nm处出现新峰，继续增加浓度达到15×10^-5mol/L时，509nm处的峰红移到533nm处且峰强达到最大，可能是Cr³⁺浓度引起聚集程度最大，继续增加浓度到20×10^-5M时533nm处峰位置不发生红移，峰强基本保持不变。

6、图6是INA，INA-cit-Ag NPs与加入5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs红外光谱图(FT-IR)。从异烟肼曲线中可以看到843cm^-1归属为吡啶4-取代C-H的伸缩振动，1602cm^-1归属碳碳双键伸缩振动峰，3111cm^-1归属为N-H对称伸缩振动吸收峰，1682cm^-1归属为羰基伸缩振动峰，1559cm^-1归属为N-H面内变形振动，748cm^-1归属为N-H面外变形振动，1317cm^-1归属为C-N伸缩振动。本发明制备的INA-cit-Ag NPs与加入5×10^-5mol/L Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的红外谱图中在843cm^-1与1682cm^-1出现异烟肼的特征峰。表明异烟酸成功修饰到银纳米粒子的表面，同时铬离子的加入不改变银纳米粒子的结构。

7、图7a是INA-cit-Ag NPs的XPS全谱图，图7b是Ag 3d的XPS图，图7c是C 1s(c)的XPS图。由图7a可知INA-cit-Ag NPs纳米粒子复合材料的XPS结果，367.7eV和373.7eV分别源于Ag 3d_5/2以及Ag 3d_3/2的结合能，证明了Ag纳米粒子的存在。401.0eV与1071.5eV处的结合能则来自于N 1s，Na 1s，说明异烟酸与柠檬酸三钠的存在。由图7b可知银纳米粒子的XPS中可得367.7eV源于Ag 3d_5/2的结合能，373.7eV源于Ag 3d_3/2的结合能，可以证明本发明制备的INA-cit-Ag NPs存在银纳米粒子。图7C的C 1s的谱图拟合所得到的四个峰可以看出，结合能284.2eV，286.1eV，284.8eV，286.7eV则来自于异烟肼中的C＝C，C-N，C＝O，C-O上的碳峰，进一步证明了异烟肼的存在。

8、图8是INA-cit-Ag NPs与加入5×10^-5mol/L Cr³⁺INA-cit-Ag NPs的X-射线粉末衍射图(XRD)。在图8中，可知银纳米粒子在38.2°，44.4°，64.6°，77.5°处出现了4个特征衍射峰，与银的4个晶面(111)，(200)，(220)，(311)的对应一致，表明成功合成了银纳米粒子。加入5×10^-5mol/L Cr³⁺后在38.2°，44.4°，64.6°，77.5°出现4个特征衍射峰，与4个晶面(111)，(200)，(220)，(311)分别对应。由此得出，加入铬离子前后，都出现Ag的衍射峰，并且两者位置完全相同，表明合成的Ag中没有杂相，并且铬离子的加入不改变银的晶体结构。

9、图9a是柠檬酸三钠(Cit)、INA、INA-cit-Ag NPs，加入5×10^-5mol/L Cr³⁺INA-cit-Ag NPs的SERS光谱图。图9b是柠檬酸三钠(cit)的拉曼光谱图(Raman)以及cit-Ag NPs和加入5×10^-5mol/L Cr³⁺cit-Ag NPs的表面增强拉曼光谱图(SERS)。由图9a中异烟肼的曲线可知，1606cm^-1归属为羰基伸缩振动峰，1013cm^-1归属为吡啶环的伸缩振动，1191cm^-1归属为C-N的伸缩振动。对比INA-cit-Ag NPs与5×10^-5mol/L Cr³⁺INA-cit-Ag NPs两条曲线可以发现INA-cit-Ag NPs中加入5×10^-5mol/L的铬离子溶液后异烟肼拉曼信号峰型不变，1013cm^-1处异烟肼的拉曼信号明显增强。说明Cr³⁺的加入引起银纳米粒子的聚集导致异烟肼拉曼信号的增强。由图9b曲线可知1444cm^-1归属为O-H的面内变形振动，1150cm^-1归属为C-O的不对称伸缩振动。对比添加铬离子前后的cit-Ag NPs两条曲线可以发现特征峰峰强不变，说明Cr³⁺的加入不会引起柠檬酸三钠拉曼信号的增加，从而不会造成异烟肼拉曼信号的干扰。

(三)表面增强拉曼光谱基底INA-cit-Ag NPs对Cr³⁺的特异性

方法：分别在11支15mL离心管中，加入5mL制备的INA-cit-Ag NPs，然后分别加入50μL浓度为1×10^-2mol/L的Cr³⁺，K⁺，Na⁺，Mg²⁺，Sr²⁺，Sn²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Fe³⁺金属离子，加入三次蒸馏水稀释到10mL，使金属离子浓度达到5×10^-5mol/L，放置15min之后进行拉曼光谱检测。

图10是不同种类金属离子对INA-cit-Ag NPs柱状图。为了测定其他离子是否会对Cr³⁺的检测存在干扰，添加了部分碱金属离子(Na⁺，K⁺)与碱土金属离子(Mg²⁺，Sr²⁺)以及过渡金属离子(Mn²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺)还有其他金属离子(Sn²⁺)对共存离子干扰性进行检测。由图10柱状图，可以更直观的看到加入铬离子后，I₁₆₀₆/I₁₀₁₃两峰强度比其他金属离子产生的强度比强，通过强度的对比能反应纳米材料对铬离子的特异性检测。

实施例2。

表面增强拉曼光谱基底INA-cit-Ag NPs半定量检测Cr³⁺

(一)标准曲线绘制

方法:于250mL锥形烧瓶中，加入10mL(0.01mol/L)AgNO₃和5mL(0.1mol/L)柠檬酸三钠(Cit)，混合均匀后，用去离子水稀释至100mL，在室温(25℃)下强烈搅拌30-40min后，加入5mL(0.002mol/L)异烟肼(INA)，继续搅拌2h，在此期间，可观察到溶液形成黄色溶胶，为异烟肼-柠檬酸修饰的银纳米粒子，记为INA-cit-Ag NPs。

分别在15mL离心管中，加入5mL制备的INA-cit-Ag NPs，然后分别加入50μL不同浓度的Cr³⁺标准溶液，加入蒸馏水定容至10mL，混合均匀，制得Cr³⁺标准浓度分别为0、5、9、10、15、20×10^-5M的待测INA-cit-Ag NPs溶液，室温放置15min。

将待测INA-cit-Ag NPs溶液滴入硅片上，烘干水分，置于拉曼光谱仪中，于入射测试波长532nm下进行检测。

图11a是加入不同浓度Cr³⁺的INA-cit-Ag NPs的SERS光谱图。由图11a可见，INA-cit-Ag NPs中加入不同浓度铬离子后，从拉曼曲线中可以看到在1606cm^-1与1013cm^-1处异烟肼的拉曼信号峰强度比值呈递增趋势。说明Cr³⁺的加入引起银纳米粒子的聚集导致异烟肼拉曼信号的增强。

图11b是根据图11a取1606cm^-1和1013cm^-1处异烟肼的拉曼信号，计算1606cm^-1和1013cm^-1峰强度比值(I₁₆₀₆/I₁₀₁₃)，以I₁₆₀₆/I₁₀₁₃为纵坐标，以Cr³⁺浓度为横坐标，线性拟合图如图11b所示。由图11b可见，Cr³⁺浓度在5×10^-5mol/L～2×10^-4mol/L Cr³⁺范围内拟合曲线呈线性关系，线性方程为y＝0.0473x+3.9266，R²＝0.994。

(二)实际样品测定

方法：在15mL离心管中，加入5mL制备的INA-cit-Ag NPs，然后加入50μL含有Cr³⁺的实际待测样品溶液，加入蒸馏水定容至10mL，混合均匀，制得待测样品溶液。

将待测样品溶液滴入硅片上，烘干水分，置于拉曼光谱仪中，于入射测试波长532nm下进行检测，计算1606cm^-1和1013cm^-1峰强度比值(I₁₆₀₆/I₁₀₁₃)，根据线性方程即可计算出样品中Cr³⁺的浓度。

Claims (6)

1.一种特异性检测Cr³⁺的表面增强拉曼光谱基底，其特征在于，所述表面增强拉曼光谱基底是以柠檬酸三钠和异烟肼修饰银纳米粒子制备的基底。

2.一种特异性检测Cr³⁺的表面增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将AgNO₃和柠檬酸三钠混合，加入去离子水，室温下搅拌30～40min后，加入异烟肼，继续搅拌2～3h，获得溶胶，为柠檬酸和异烟肼修饰的银纳米粒子INA-cit-Ag NPs。

3.权利要求1所述的表面增强拉曼光谱基底在特异性检测Cr³⁺中的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，利用表面增强拉曼光谱基底定性检测Cr³⁺，方法如下，于权利要求1所述的表面增强拉曼光谱基底中，加入含有Cr³⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅板上，烘干水分后进行拉曼光谱检测，观察1606cm^-1与1013cm^-1处拉曼信号峰强度的变化。

5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，利用表面增强拉曼光谱基底半定量检测Cr^{3 +}，方法如下，于权利要求1所述的表面增强拉曼光谱基底中，加入含有Cr³⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅板上，烘干水分后进行拉曼光谱检测，测定1606cm^-1与1013cm^-1处拉曼信号峰强度，计算I₁₆₀₆/I₁₀₁₃比值。

6.根据根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述含有Cr³⁺的溶液是浓度范围在5×10^-5mol/L～2×10^-4mol/L之间的Cr³⁺标准溶液，或含有Cr³⁺的待测样品溶液。