CN113533296B - CuO@Ag碗状阵列及其可循环SERS检测黄曲霉毒素的应用 - Google Patents

CuO@Ag碗状阵列及其可循环SERS检测黄曲霉毒素的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CuO@Ag碗状阵列及其可循环SERS检测黄曲霉毒素的应用,所述CuO@Ag碗状阵列是采用气‑液界面自组装技术和限域生长方法,在铜箔表面形成CuO碗状阵列后,溅射一层Ag纳米颗粒薄膜获得。本发明CuO@Ag碗状阵列作为SERS基底不仅具有优异的SERS拉曼增强效果,优异的稳定性、灵敏性,还能够在可见光下光降解目标分子,表现出优异的自清洁性能以及卓越的可循环SERS检测性能。并且,CuO@Ag碗状阵列制备过程简单、成本低廉、重复性高等优点。因此,这种CuO@Ag碗状阵列作为SERS基底可用于SERS传感。

Description

CuO@Ag碗状阵列及其可循环SERS检测黄曲霉毒素的应用
技术领域
本发明属于化学分析检测技术领域,具体涉及一种CuO@Ag碗状阵列,以及采用该阵列可循环表面增强拉曼光谱(SERS)检测黄曲霉毒素的应用。
背景技术
近年来,食品安全问题严重威胁着人们的生命安全。黄曲霉毒素是一种白色、无味的晶体物质,主要是由黄曲霉和寄生曲霉等真菌产生的一类次生代谢产物。其具有较强的毒性,对动物和人类有较强的伤害能力,主要表现在抑制生物的生长和降低免疫力等方面,可导致动物肝脏等器官发生癌变。常见的几种黄曲霉毒素有B1、M1、G1、B2和G2等,其中B1毒性最强,是砒霜的68倍,是氰化钾的10倍。黄曲霉毒素B1(Aflatoxin B1,AFB1)主要存在于各种豆类食品中(例如:花生、玉米和各类坚果等)威胁着人们的健康。因此,发展高效、灵敏、准确的黄曲霉毒素检测方法对食品安全保障显得尤为重要。
目前,国内外用于检测黄曲霉毒素B1的方法主要有薄层分析法、液相色谱法、酶联免疫法、毛细管电泳法、生物传感器法等,这些方法都可实现对黄曲霉毒素的检测,但它们存在一些不足之处,如灵敏度差、仪器设备价格昂贵、操作复杂、对人体危害大、花费高等。与此同时,单一传感器对传感器选择性要求较高,大大限制了传感器的应用范围。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的不足,构建一个CuO@Ag碗状阵列,实现对黄曲霉毒素的检测识别。
针对上述目的,本发明所提供的CuO@Ag碗状阵列是:将单分散聚苯乙烯微球通过气-液界面自组装形单层成二维有序聚苯乙烯微球阵列;将单层二维有序聚苯乙烯微球阵列转移到表面清洁处理后的铜箔表面,并通过热处理促使聚苯乙烯微球牢固结合在铜箔表面;然后将载有单层二维有序聚苯乙烯微球阵列的铜箔浸入到含氧化剂的碱性水溶液中进行氧化反应,反应完后通过非极性溶剂溶解聚苯乙烯微球,在铜箔表面获得结构有序的CuO碗状阵列;最后在CuO碗状阵列表面溅射一层Ag纳米颗粒薄膜,即获得有序排列的CuO@Ag碗状阵列。
上述表面清洁处理后的铜箔是采用丙酮与乙醇、去离子水的混合溶剂超声清洗铜箔表面,实现铜箔表面清洁处理。
上述制备方法中,优选热处理的温度为40~70℃、时间为30~60分钟。
上述制备方法中,将载有二维有序聚苯乙烯微球阵列的铜箔浸入到含氧化剂的碱性水溶液中,室温氧化反应的时间为10~60分钟。
上述制备方法中,优选氧化剂为次氯酸钠、次氯酸钾、过硫酸钾中任意一种,碱性水溶液中氧化剂的浓度为0.05~0.2mol/L。
上述碱性水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液,其浓度为0.5~1mol/L。
上述制备方法中,所述非极性溶剂为三氯甲烷、甲苯、乙苯、四氢呋喃等中任意一种。
本发明CuO@Ag碗状阵列可作为SERS基底用于检测黄曲霉毒素。
本发明采用气-液界面自组装技术在气-液界面形成单层二维有序的聚苯乙烯微球,随后利用铜箔衬底将单层二维有序的聚苯乙烯微球阵列转移,作为合成有序阵列的牺牲模板,通过简单的氧化处理在原始铜箔表面原位生长出CuO纳米线,并继续在聚苯乙烯微球阵列中进行限域生长和堆积,由于氧化剂分子与铜箔之间的氧化反应主要在相邻聚苯乙烯微球的限域空间中进行,导致CuO纳米线限域生长在聚苯乙烯微球相邻区域,最终在聚苯乙烯微球阵列表面形成CuO碗状阵列,将聚苯乙烯微球阵列通过溶剂溶解移除后,在CuO碗状阵列表面溅射一层Ag纳米颗粒薄膜,最终制备出结构有序的CuO@Ag碗状阵列。由于CuO@Ag碗状阵列表面具有周期性有序等离子体结构,可以产生众多均匀分布的SERS检测活性“热点”。因此,CuO@Ag碗状阵列对吸附在表面的被检测分子表现出高灵敏度的SERS活性。而且,借助CuO自身具有的可见光催化降解性能,可以对SERS检测后残留的目标检测分子实施可见光光分解,实现CuO@Ag碗状阵列表面的自清洁。因此,CuO@Ag碗状阵列可以作为SERS基底对目标检测分子实施循环SERS检测。
本发明的有益效果如下:
本发明CuO@Ag碗状阵列作为SERS基底不仅具有优异的SERS拉曼增强效果,优异的稳定性、灵敏性,对于黄曲霉毒素最低理论检测限为6.5×10-15mol/L,同时该CuO@Ag碗状阵列在可见光照下对黄曲霉毒素可进行催化降解以实现基材表面的自清洁,表现出优异的自清洁性能以及卓越的可循环SERS检测性能,最终实现了对黄曲霉毒素分子的循环SERS检测。并且,本发明CuO@Ag碗状阵列制备过程简单、成本低廉、重复性高等优点。因此,这种CuO@Ag碗状阵列作为SERS基底可用于SERS传感。
附图说明
图1是CuO碗状阵列的扫描电镜图。
图2是CuO碗状阵列的XRD图。
图3是CuO碗状阵列的XPS总谱图。
图4是CuO碗状阵列中Cu2p的XPS图谱。
图5是CuO碗状阵列中O1s的XPS图谱。
图6是CuO@Ag碗状阵列的扫描电镜图。
图7是CuO@Ag碗状阵列的XRD图。
图8是CuO@Ag碗状阵列的XPS总谱图。
图9是CuO@Ag碗状阵列的中Ag3d的XPS图谱。
图10是CuO@Ag碗状阵列上20个随机的点对黄曲霉毒素B1进行检测得到的SERS光谱图。
图11是CuO@Ag碗状阵列对不同浓度黄曲霉毒素B1的SERS图谱。
图12是CuO@Ag碗状阵列在可见光辅助条件下对1×10-8mol/L黄曲霉毒素B1溶液进行降解的实时SERS检测谱图。
图13是CuO@Ag碗状阵列在可见光辅助条件下进行5次降解-再吸附测试的SERS谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明,但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
裁剪大小为1cm×1cm的铜箔放入到丙酮与乙醇、去离子水体积比1:1:1的混合溶液中超声震荡清洗30分钟,以除去铜箔表面的杂质,然后取出干燥,接着将其放入1mol/LHCl水溶液中清洗5分钟去除表面氧化物,取出并用超纯水洗涤3次,干燥之后备用。
取10mL聚苯乙烯微球(质量浓度10%,粒径1.2μm)分别用无水乙醇和超纯水各离心洗涤3次,倒掉上清液,再加入超纯水和无水乙醇体积比8:3的混合溶液进行超声分散,得到单分散的聚苯乙烯微球分散液。在250mL烧杯中加入200mL超纯水,用5mL注射器吸入聚苯乙烯微球分散液,再将其缓慢的滴加到超纯水液面上,液面上会形成致密的单层二维有序聚苯乙烯微球阵列(液面在可见光下呈现彩色)。以上述处理后的铜箔为载体,将单层二维有序聚苯乙烯微球阵列转移到铜箔表面,然后将其放入电热恒温鼓风干燥箱中60℃热处理30分钟,使聚苯乙烯微球与铜箔之间黏贴牢固,取出后备用。
将2.0g(0.05mol)NaOH溶解于80mL去离子水和20mL质量浓度为0.06g/mL NaClO水溶液的混合溶液中。在室温条件下,将载有单层二维有序聚苯乙烯微球阵列的铜箔浸入50mL上述混合溶液中反应30分钟后取出,用超纯水冲洗三遍后干燥。然后,将其放入50mL三氯甲烷中静置50分钟,待聚苯乙烯微球被完全溶解后取出,洗涤,干燥,在铜箔表面获得结构有序的CuO碗状阵列。最后,通过溅射法在CuO碗状阵列表面形成一层Ag纳米颗粒薄膜(溅射时间为60s),获得有序排列的CuO@Ag碗状阵列。
铜箔表面氧化生成的CuO纳米线沿单层二维有序聚苯乙烯微球阵列模板中聚苯乙烯微球间的空隙不断生长、堆积,在聚苯乙烯微球表面形成了纳米线碗状壳层,用三氯甲烷将聚苯乙烯微球除去后,得到有序且连续的CuO碗状阵列,如图1所示,单独的CuO碗是由许多纳米线互相堆积编织而成,直径约为1.2μm。图2是CuO碗状阵列的XRD图,经过分析2θ为43.3°、50.4°和74.1°的衍射峰分别对应铜箔基底的(111)、(200)和(220)晶面;同时,位于35.5°(002)和38.7°(111)处的特征衍射峰与CuO(JCPDS卡号80-1917)的标准卡片完全重合,这也证实了CuO碗状阵列在原始铜箔上成功生成。图3~5进一步证实了发生氧化反应后生成的碗状阵列主要成分为CuO。从图6中可以看出CuO@Ag碗状阵列依旧保留了CuO碗状阵列的形貌与结构,其表面未发生明显结构变化。从XRD表征分析可知(图7),位于38.3°(111)、44.5°(200)、64.7°(220)和82.0°(222)处的特征衍射峰与Ag(PDF#87-0719)的标准衍射峰完全吻合,这些实验结果也证实了在CuO碗状阵列表面成功沉积上了单质Ag。通过X射线光电子能谱对CuO@Ag碗状阵列进行表面化学成分以及电子结构的进一步分析,如图8、图9为所示,也充分证明Ag单质成功沉积到CuO碗状阵列表面。
实施例2
实施例1制备的CuO@Ag碗状阵列作为SERS基底检测黄曲霉毒素的应用
选用黄曲霉毒素B1(AFB1)作为探针分子来考察CuO@Ag碗状阵列的SERS性能。首先,将AFB1溶解在乙醇中,配制不同浓度的AFB1溶液(10-14~10-4mol/L)备用。再将大小为1cm×1cm的CuO@Ag碗状阵列分别浸渍在3mL不同浓度的AFB1溶液(10-14~10-4mol/L)中,10分钟后取出干燥,并采用显微共聚焦激光拉曼光谱仪进行SERS检测(样品的干燥和测试过程均在暗室内进行)。测试时每个样品随机选择20个不同的点进行测试。拉曼光谱的激发光源为λ=532nm,数据采集时间为10秒,光源强度为1mW。对众所周知,SERS基底对目标分子的拉曼检测信号均一性和重现性,是评估SERS活性基底材料性能优异的重要参数。选用浓度10- 8mol/L的AFB1为目标分子,考察了CuO@Ag碗状阵列对AFB1分子SERS检测信号的均一性及重现性。图10是CuO@Ag碗状阵列SERS基底上20个随机的点对黄曲霉毒素B1进行检测得到的SERS光谱图。从图中可知,在995cm-1(β(C-O),ν(C-C))、1187cm-1(γ(C-H)(ring))、1356cm-1(δCH3)、1440cm-1(β(C–H)(CH3),β(C–H)(ring))和1592cm-1(ν(C–C),ν(C–C–C))处均出现明显的AFB1特征拉曼信号峰,且每个点的拉曼测试结果中其峰型与强度都未出现明显的差距,说明制备的材料保持了良好的结构完整性和成分均一性。
图11是CuO@Ag碗状阵列SERS基底对不同浓度黄曲霉毒素B1的SERS图谱。从图中可以看出,随AFB1浓度的减小,其拉曼特征峰峰强明显降低,当AFB1浓度低至10-14mol/L时,仍然可以收集到明显的AFB1拉曼信号峰,说明CuO@Ag碗状阵列对AFB1具有优异的拉曼检测性能,对AFB1分子表现出高的SERS灵敏度。AFB1在10-14~10-4mol/L浓度范围内,满足回归方程y=2.84x+40.285,相关系数为R2=0.9。通过计算可知,CuO@Ag碗状阵列对AFB1分子最低SERS检测限浓度为6.5×10-15mol/L。
进一步研究CuO@Ag碗状阵列对AFB1分子的光催化降解性能以及可循环SERS检测。首先,选用10-8mol/L AFB1溶液,将CuO@Ag碗状阵列浸渍在3mL 10-8mol/L AFB1溶液中,浸泡10分钟后取出干燥,然后用显微共聚焦激光拉曼光谱仪进行SERS检测(样品的干燥和测试过程均在暗室内进行)。待SERS检测结束,将负载AFB1分子的CuO@Ag碗状阵列通过氙灯可见光照处理。待30分钟可见光降解完全,将CuO@Ag碗状阵列经过超纯水洗涤后再次吸附AFB1分子继续进行多次循环SERS检测。由图12可见,初始浓度为10-8mol/L的AFB1吸附到CuO@Ag碗状阵列表面,能够呈现出明显的SERS特征峰。随着持续的可见光光照,吸附在CuO@Ag碗状阵列表面的AFB1分子也开始逐渐被分解,以致AFB1的拉曼特征峰强度也持续降低。当可见光光照30分钟后,CuO@Ag碗状阵列能够完全分解AFB1分子,拉曼光谱几乎无法检测到AFB1分子的存在,其拉曼特征峰强度几乎为零。这一实验结果说明:CuO@Ag碗状阵列具有较高的光催化降解活性,能够对残留在其表面的检测分子实施可见光分解,最终在CuO@Ag碗状阵列表面实现自清洁。因此,利用自身的自清洁效应,CuO@Ag碗状阵列可以实现可循环SERS检测目标分子。如图13所示,CuO@Ag碗状阵列对相同浓度AFB1(10-8mol/L)分别进行5次循环SERS检测,随着循环SERS检测次数的增加,AFB1分子的拉曼特征峰的峰强有所下降,但整个循环测试过程中AFB1分子均呈现出明显的拉曼特征峰。上述实验结果表明:CuO@Ag碗状阵列不仅具有优异的自清洁性能,还具有出色的可循环SERS检测性能,可以实现目标分子可循环SERS检测。

Claims (8)

1.一种CuO@Ag碗状阵列的制备方法,其特征在于:将单分散聚苯乙烯微球通过气-液界面自组装形成单层二维有序聚苯乙烯微球阵列;将单层二维有序聚苯乙烯微球阵列转移到表面清洁处理后的铜箔表面,并通过热处理促使聚苯乙烯微球牢固结合在铜箔表面;然后将载有单层二维有序聚苯乙烯微球阵列的铜箔浸入到含氧化剂的碱性水溶液中进行氧化反应,反应完后通过非极性溶剂溶解聚苯乙烯微球,在铜箔表面获得结构有序的CuO碗状阵列;最后在CuO碗状阵列表面溅射一层Ag纳米颗粒薄膜,即获得有序排列的CuO@Ag碗状阵列;
上述的氧化剂为次氯酸钠、次氯酸钾、过硫酸钾中任意一种。
2.根据权利要求1所述的CuO@Ag碗状阵列的制备方法,其特征在于:采用丙酮与乙醇、去离子水的混合溶剂超声清洗铜箔表面,实现铜箔表面清洁处理。
3.根据权利要求1所述的CuO@Ag碗状阵列的制备方法,其特征在于:所述热处理的温度为40~70℃、时间为30~60分钟。
4.根据权利要求1所述的CuO@Ag碗状阵列的制备方法,其特征在于:将载有二维有序聚苯乙烯微球的铜箔浸入到含氧化剂的碱性水溶液中,室温氧化反应10~60分钟。
5.根据权利要求1或4所述的CuO@Ag碗状阵列的制备方法,其特征在于:所述碱性水溶液中氧化剂的浓度为0.05~0.2 mol/L。
6.根据权利要求1或4所述的CuO@Ag碗状阵列的制备方法,其特征在于:所述碱性水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液,其浓度为0.5~1 mol/L。
7.根据权利要求1所述的CuO@Ag碗状阵列的制备方法,其特征在于:所述非极性溶剂为三氯甲烷、甲苯、乙苯、四氢呋喃中任意一种。
8.权利要求1所述方法制备的CuO@Ag碗状阵列作为SERS基底在检测黄曲霉毒素中的应用。
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