CN110376178A - 一种可用于农残检测且能循环利用sers基底的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,利用水热合成法在钛片表面制备了TiO2纳米纤维,利用光还原法在TiO2纳米纤维上还原了银纳米颗粒,通过TiO2的光催化降解作用实现农残的降解,从而达到SERS基底的循坏利用,本发明所合成的可循环SERS基底与前人所合成的光催化可循环基底相比,极大的缩短了可循环SERS基底的合成时间,减少了合成所用的化学试剂,在应用方面,将该可循环SERS基底用于农残的非特异性检测,可显著降低检测时间及检测成本。

Description

一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法
技术领域
本发明涉及表面增强拉曼光谱和光催化的技术领域,尤其是一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,通过二氧化钛和银纳米颗粒的电荷转移和局域电场增强实现拉曼信号的增强,通过二氧化钛的光催化作用降解吸附在SERS基底上的农药。利用SERS进行检测,利用光催化降解,从而实现SERS基底的可循环利用。
背景技术
表面增强拉曼散射(surface enhancement Raman scattering,SERS)是拉曼散射的发展与延伸,其利用金、银等贵金属纳米颗粒作为SERS基底,通过化学增强和物理增强机理增强待分析物的拉曼信号,使拉曼散射可检测单分子层甚至亚单分子层的物质,即在分子水平给出关于物质结构的丰富信息。但是,样品的SERS信号极其依赖于SERS基底的形状、大小、聚集度。目前为了增强SERS信号的稳定性和灵敏性,不同形貌、大小、状态的单贵金属、多贵金属以及贵金属与半导体复合的SERS基底相继被研发报道。
虽然目前报道的SERS基底具有良好的稳定性和增强效果,但是基本上都是一次性使用,并且由于纳米颗粒的自发聚集,致使其不能长期存放。这就导致了SERS基底的使用成本高、局限性大。除此之外,目前使用的SERS基底的制备工艺复杂、耗时长、所用的试剂多,化学污染较为严重。
由于SERS基底的制备成本高,一次性使用导致资源浪费,因此在近两年,有许多关于可循环利用SERS基底的报道。其循环利用的原理可分为以下几种:一清洗型可循环利用基底,Ho Yeon Son于2017年报道了一种金硅混合微球,利用NaOH清洗吸附在材料表面的结晶紫,从而实现对负载金纳米的二氧化硅微球基底的循环利用,可循环利用4次,检测限为10-8M;二热分解可循环利用基底,Xiang Zhang在2017年利用石墨烯包裹了金纳米从而防止金纳米聚集,通过高温处理降解吸附在增强剂上的待测物分子,从而实现SERS基底的可重复利用,可循环利用16次,对罗丹明6G的检测限可达10-5M;三超疏水可循环利用基底,YukunGao于2018年报道了一种超疏水的Ag NPs-Cu(OH)2纳米针阵列基底,以结晶紫和罗丹明为探针分子,在没有任何清洗的情况下,信号强度波动很小,可重复利用6次,被用来检测牛奶和苹果汁中的三聚氰胺,检测限约为0.1ppm;四光催化可循环利用基底,Kaichen Xu在2018年以CuO/Cu2O杂化纳米结构为骨架,对其热氧化后蒸镀上银纳米颗粒,通过三元Ag/CuONWs/Cu2O复合材料的光催化作用降解待测物,实现SERS基底循环利用,可重复利用7次以上。然而,前三种可循环SERS基底虽能重复利用,但是合成过程复杂,再生过程耗能大、耗时长,没有很好的应用价值。
发明内容
本发明针对现有技术中SERS基底目前存在的问题,设计并合成了一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,本发明合成的光催化可循环利用的SERS基底制备方法简单、成本低、性质稳定、使用时可根据需求剪成任意尺寸。
一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法:将干净的钛片和氢氧化钠水溶液加入到高压反应釜中,通过水热法在钛片表面合成了具有三维立体网状结构的二氧化钛纳米纤维膜;通过还原法在二氧化钛纳米纤维膜的表面还原贵金属纳米颗粒,获得负载了贵金属纳米颗粒的二氧化钛SERS基底。
进一步,所述钛片单位面积氢氧化钠的浓度在0.00267mol/cm2到0.02857mol/cm2之间;
进一步,所述水热法的加热温度保持在180℃~300℃,加热时间在12h~48h;
进一步,所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒,所述贵金属纳米颗粒尺寸小于100nm,且紧密附着在二氧化钛纳米纤维上;
进一步,所述还原法采用光还原法或者采用化学剂还原法,所述化学还原剂采用硼氢化钠、柠檬酸钠、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)等;
进一步,还原贵金属纳米颗粒的过程中,二氧化钛纳米纤维膜要与还原剂等均匀接触,保证负载在二氧化钛纳米纤维膜上的贵金属纳米颗粒的均匀性较好;
进一步,所述二氧化钛SERS基底在光催化下降解吸附在其上的检测物,从而实现自清洁;
有益效果:
本发明的与现有的SERS基底技术相比,具有以下技术优点:
本发明结合了SERS检测的高灵敏性优势与光催化的自清洁作用,制作了一种基于TiO2的自清洁可循环SERS基底,增加了SERS基底的使用次数,减少了制作成本。
本发明所合成的可循环SERS基底为片状,其性质稳定,遍于携带、存放。该SERS基底也可根据实际要求自行裁剪,能更好地满足实际要求。
本发明所合成的可循环SERS基底可用于食品、水、土壤中多种农残的检测,具有较广泛的应用价值。
本发明所合成的可循环SERS基底增强效果好,对孔雀石绿的检测限为10-11M,比国标规定的方法的检测限还低2个数量级。
本发明所合成的二氧化钛纳米纤维为三维网状结构,表面孔隙度,比表面积大,对贵金属纳米颗粒的束缚能力强。其可利用5次以上。
附图说明
图1是可循环SERS基底的制备流程;
图2是可循环SERS基底的扫描电镜图;
图3是可循环SERS基底的应用示意图;
图4是不同浓度孔雀石绿的SERS信号图;
图5是吡蚜酮的SERS信号图;
图6是联苯菊酯的SERS信号图;
图7是噬菌灵的SERS信号图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明提出的一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法:
S1,取3×4cm2的钛片,加入40mL的丙酮和异丙醇溶液(丙酮和异丙醇体积比为1:1)超声清洗3次,再用纯水清洗3次;
S2,晾干后的钛片放入装有50mL,2M氢氧化钠溶液的高压反应釜中,在250℃下加热12h形成二氧化钛纳米前体,然后将其在稀盐酸溶液中浸泡1h,用去离子水清洗几次后在650℃退火1h形成具有三维立体网状结构的二氧化钛纳米纤维膜。
S3,通过还原法在其表面还原贵金属纳米颗粒,在本事实例中负载贵金属纳米颗粒以银纳米为例,通过光还原,先将二氧化钛纳米纤维膜片剪成1.5×1cm的小片,放入到10mL 2mg/mL的硝酸银溶液和10mL、2mg/mL柠檬酸钠中,室温避光吸附5分钟,取出后在300W的氙灯下照射5分钟生成种子银纳米颗粒,光源距离瓶底5cm。之后将改SERS基底取出,室温老化2天,使得银纳米长大。最后将该SERS基底用去离子水洗干净、晾干、常温存放。除了使用光还原,还可以采用化学试剂还原法。例如可用硼氢化钠还原硝酸银。即二氧化钛片用纯水清洗干净,晾干放入含硝酸银溶液中静置几分钟,再放入硼氢化钠溶液中几分钟,之后用纯水洗干净、吹干即可使得负载的贵金属纳米颗粒,如果用化学试剂还原法一次还原效果不理想时,也可在进行反复多次还原,以保证二氧化钛纳米纤维表面有数量较多的贵金属纳米颗粒。
通过本发明方法所获得的SERS基底的表征,如图3所示:通过扫描电镜表征本发明可循环SERS基底的形貌。发现该可循环SERS基底具有三维立体网状结构,该纳米纤维粗细均匀,分布均一,且表面均匀、紧密地负载了很多大小均一的银纳米颗粒。
综上本发明方法生产的可循环利用SERS基底为片状,性质稳定、易于保存,可循环利用SERS基底在后期的使用过程中可根据需求自行剪切大小,在检测过程中只需将待测物滴在该基底之上即可,使用更加方便,且可以根据需要进行剪切避免了浪费,节约成本。
由于二氧化钛具有良好的光催化能力,使得负载了银纳米颗粒的二氧化钛SERS基底可在光催化下降解吸附在其上的检测物,因此本发明方法生产的SERS基底既具有较高的增强效果,又可以自行催化降解吸附的待测污染物,并且可以循环使用数次。为了更清楚的解释本发明的效果,以下通过实验数据进行验证本发明SERS基底的效果:
1、验证SERS基底的增强效果:
以孔雀石绿为例进行评价,剪切0.5×0.5cm2的本发明可循环SERS基底,滴加0.5μl不同浓度的孔雀石绿溶液,黑暗条件下孵化10min,使待测物与SERS基底充分吸附,为了尽量减少光催化降解,我们在避光条件下采集SERS信号。根据公式计算该可循环SERS基底的增强因子。结果表明该可循环SERS基底的增强因子可达6.51×109,而相同条件下合成的银纳米颗粒的增强因子只有9.58×103.
2、验证SERS基底的降解能力:
以孔雀石绿为例进行评价,分别取1×1cm2的可循环SERS基底与二氧化钛纳米纤维片放入含有10mL1×10-5M孔雀石绿水溶液的烧杯中,将其放入16W的紫外灯灯下照射,光源瓶底距离为5cm,室温下每降解10min取3mL在620nm的波长下测其吸光度值。结果显示该SERS基底在两小时内可降解85.8%的孔雀石绿,而二氧化钛纳米纤维片只能降解66.2%,所以该可循环SERS基底的降解效果优于二氧化钛纤维片的降解效果。
3、验证SERS基底的循环利用效果:
以孔雀石绿为例进行评价,将10-4M的孔雀石绿溶液滴到该可循环SERS基底上,黑暗条件下孵化10min,之后在785nm的波长下快速采集其拉曼信号,采集时应注意避光。然后再将滴有孔雀石绿的SERS基底放入10mL纯水中,16W紫外灯照10min,再用水清洗几次,晾干后再滴孔雀石绿溶液,采集拉曼信号。如此重复6次,观察该可循环SERS基底的增强效果是否受影响。结果表明该可循环SERS基底在前五次重复使用时均具有良好的稳定性,5次获得的SERS光谱的形状和强度都很一致,但在第六次重复使用时,SERS信号的强度没有下降,但是光谱的基线漂移了,导致SERS光谱的形状发生了改变,因此,该可循环SERS基底可重复利用5次以上。
同时,本发明所设计的可循环SERS基底在对以下几种农残的SERS信号的采集具有良好的效果,如图3所示的检测过程如下:
以孔雀石绿、吡蚜酮、联苯菊酯、噬菌灵四种农残为例,配成适宜浓度的溶液,分别降低滴到该可循环SERS基底上,黑暗条件孵化5min,避光采集其SERS信号。若是定量检测,则需先用标准液的SERS信号绘制标准曲线,再进行定量检测分别如图4、5、6、7所示。
鱼肉中孔雀石绿的定量检测。首先称取鱼肉2g,加入10-6M、10-7M、10-8M的MG,加入50μL 9.5g/L的盐酸羟胺室温15min,加入10ml乙腈、1g无水硫酸镁剧烈搅拌1min,加0.5gAl2O3搅拌30s,摇床混合10min,离心取上层清液,在50℃用N2吹到500μL,取5μL滴到该可循环SERS基底上测SERS信号。该可循环SERS基底通过Ag@TiO2纳米纤维的电荷转移和局域电场增强效应实现了SERS信号的增强,从而用于检测农残。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,本发明的保护范围不限于上述实施例。所以,凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰,均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,其特征在于,将干净的钛片和氢氧化钠水溶液加入到高压反应釜中,通过水热法在钛片表面合成了具有三维立体网状结构的二氧化钛纳米纤维膜;通过还原法在二氧化钛纳米纤维膜的表面还原贵金属纳米颗粒,获得负载了贵金属纳米颗粒的二氧化钛SERS基底。
2.根据权利要求1所述的一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,其特征在于,所述钛片单位面积的氢氧化钠浓度为0.00267mol/cm2—0.02857mol/cm2
3.根据权利要求1所述的一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,其特征在于,所述水热法的加热温度保持在180℃~300℃,加热时间在12h~48h。
4.根据权利要求1所述的一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,其特征在于,所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒,所述贵金属纳米颗粒尺寸小于100nm,且紧密附着在二氧化钛纳米纤维上。
5.根据权利要求1所述的一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,其特征在于,所述还原法采用光还原法或者采用化学剂还原法,所述化学还原剂采用硼氢化钠、柠檬酸钠、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵。
6.根据权利要求5所述的一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,其特征在于,还原贵金属纳米颗粒的过程中,二氧化钛纳米纤维膜要与还原剂等均匀接触,保证负载在二氧化钛纳米纤维膜上的贵金属纳米颗粒的均匀性较好。
7.根据权利要求1所述的一种可用于农残检测且能循环利用SERS基底的制备方法,其特征在于,二氧化钛SERS基底在光催化下降解吸附在其上的检测物,从而实现自清洁。
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