发布日期： 2024-03-19 18:17:24 来源：开云手机app平台下载
磷是一种高效的广谱有机磷农药，具备极高的化学和光稳定性，在环境中很难发生降解，其残留物会通过食物链进入人体并进行蓄积，从而对身体健康造成极大威胁。表面增强拉曼光谱（SERS）技术具备优秀能力的指纹光谱特性和单分子检验测试能力。然而，具有SERS活性的等离子体纳米颗粒（PNPs）稳定性差，易发生团聚，造成SERS信号不稳定；并且，PNPs与分析物分子的亲和力较弱，导致SERS技术的增强效果差。将一些具备特定功能的纳米材料和PNPs相结合从而给SERS基底“定制”各种各样的功能是一种可行的解决方案。
华南理工大学 食品科学与工程学院的 阳能静、朱浩帆、蒲洪彬*等以(Fe)@Ag NPs作为基底对有机磷农药磷的检测研究。该基底是用MIL-100(Fe)涂层的Fe3O4并原位负载Ag NPs上制备而成，对该基底在农残SERS传感中的应用展开研究，并与传统高效液相色谱（HPLC）法进行比较对该SERS方法展开评估。
Fe3O4、(Fe)和(Fe)@Ag NPs的SEM如图1所示。如图1A所示，Fe3O4的直径约为200 nm，且表现为大小均一的球状。在(Fe)的SEM图像中（图1B），可以清楚地观察到MOFs外壳在球形Fe3O4纳米粒子表面均匀生长，呈薄膜状，证明了MOFs外壳的成功包覆，同时MOFs的生长并没改变与破坏Fe3O4的结构。在图1C可观察到，MOFs外壳上生长出了直径为20～50 nm球形Ag NPs。通过以上结果证明成功合成了核-壳-卫星结构的(Fe)@Ag NPs基底。
通过SEM-EDS进一步观察所制备基底的元素信息。在图1D～I中，Fe、C和O元素均匀分布，证实了(Fe)核壳结构的成功合成。并且，Ag元素清晰可见，也较均匀地分布在(Fe)核壳结构表面。
通过XRD测试观察合成材料每一步的晶体结构和组成，分别使用“◆”和“●”表示Fe3O4和Ag NPs的特征峰。如图2A所示，其中，Fe3O4晶体的特征峰与文献所报道的相符；在包覆了MOFs外壳之后，其对应的特征衍射峰并没发生明显变化，说明了MOFs外壳的合成并没有破坏Fe3O4的晶体结构。最终的基底同时呈现Fe3O4和Ag NPs的特征衍射峰，证明(Fe)@Ag NPs基底被成功合成。
同时，通过对合成的材料做磁滞回线测试观察每一步合成过程中的磁性变化，如图2B所示，每一步复合之后的基底磁化强度均比单独的Fe3O4低，且原位合成Ag NPs后材料的磁性强度下降，说明MOFs外壳的包覆和Ag NPs的负载均会在某些特定的程度上影响材料的磁性。图2C表明了在添加外部磁场之后，包覆MOFs外壳并且负载Ag NPs之后的Fe3O4仍然展现出了极佳的磁分离能力，能够在30 s内实现迅速的固液分离。
为研究不同低温循环自组装次数对(Fe)吸附性能的影响，将CV作为分析物对材料来吸附表征，在400～700 nm波长范围内进行紫外-可见吸收光谱测定。
在制备基底的过程中，对MIL-100(Fe)外壳包覆Fe3O4的次数来优化，使其吸附效果达到最佳。在观察紫外-可见吸收光谱图后确定最优条件。如图3A～C所示，随着循环次数的增加，CV溶液的颜色逐渐变浅，且在590 nm波长处的吸光度逐渐下降。在9～10 个循环过后，CV溶液的颜色几乎不再变化，在590 nm波长处的吸光度也趋于稳定，因此最终选择循环10 次作为最优条件，来合成后续进行实验的基底。
接着，对(Fe)负载Ag NPs的次数来优化，以得到最佳的SERS响应效果。如图3D～F所示，以CV作为拉曼探针，分别制备0～5 个银镜循环的基底并进行SERS信号的对比。制备的基底均呈现出CV明显的特征拉曼峰，选取1 175 cm-1作为CV的定量峰。当银镜循环为0 次时，SERS响应几乎为零；随着银镜反应次数增加，SERS信号先逐渐增强，达到平稳后SERS信号强度和稳定能力反而会降低。考虑到以上因素，本实验选取3 次银镜循环作为基底的合成条件。
由于所制备基底中的MOFs多孔结构对分析物具有吸附作用，这一吸附作用会帮助磷分子到达Ag NPs的热点区域，从而使得SERS信号增强。使用DFT对磷分子的理论拉曼光谱进行了仿线g(d,p)基组优化后的磷分子结构，图4B则展示了使用(Fe)@Ag NPs获取的磷标准溶液的SERS光谱和DFT仿线处振动峰归属为C-N-N及苯环的弯曲振动，1 000 cm-1处振动峰归属为苯环伸缩振动，1 407 cm-1处振动峰为磷环上C-N拉伸引起，1 600 cm-1处振动峰为磷环上C＝C拉伸引起，磷4 个主要拉曼特征峰的理论和实际出峰位置偏差均不超过25 cm-1。由于SERS光谱中归属于磷环上C＝C拉伸振动的SERS峰强度最高，因此选取1 600 cm-1作为磷的定量峰。
为探究(Fe)@Ag NPs基底对磷标准溶液的灵敏性，采集梯度浓度磷标准溶液的SERS光谱，从图4C能够准确的看出，磷标准溶液的SERS信号随着质量浓度的降低而逐渐降低，在质量浓度低至0.01 mg/L时，仍旧能清晰得识别出磷分子于1 600 cm-1处的拉曼特征峰。由图4D可知，磷标准溶液于1 600 cm-1处的SERS特征峰强度和其质量浓度在0.01～5 mg/L之间有着良好的相关性，回归方程为Y＝0.525 5X＋3.419，R2为0.983。根据公式计算得到的LOD为1.75 μg/L，充分证明了核-壳-卫星结构的(Fe)@Ag NPs基底能够作为灵敏的SERS基底用于对磷的检测。
通过合成基底对苹果中的磷残留进行SERS定量分析。如图5A所示，苹果基质在1 300、1 480 cm-1附近分别出现非常明显的SERS信号峰，同时，在实际样品的SERS光谱中也观察到了这些SERS信号。如图5B所示，磷在1 600 cm-1处的SERS特征峰强度的对数值与其质量浓度的对数值在0.05～10 mg/L的范围内拥有非常良好的线）。通过计算，其LOD为11.9 μg/L。与标准溶液相比，实际样品的LOD更高。但与经典的样品前处理方法如QuEChERS法相比，这种简单的萃取方式更便捷、迅速，也更符合现场检测和快速检测的需要。
使用加标质量浓度为2、5、10 mg/L的样品进行回收实验，结果如表1所示，使用SERS法检测苹果中磷残留的回收率范围为90.07%～103.27%，相对标准偏差为3.02%～8.24%，证明了该SERS办法能够作为一种可靠、灵敏的方法实现对苹果中磷残留的检测。
为了和SERS法作对比，使用HPLC法对苹果中磷残留进行测定。如图6所示，磷的出峰时间在24 min附近，随着磷质量浓度的降低，峰面积逐渐下降，在0.2 mg/L时仍能观察到该峰的存在，但到0.1 mg/L时磷的峰几乎完全消失，说明该HPLC法对磷的LOD约为0.2 mg/L。以峰面积为纵坐标，以磷质量浓度为横坐标绘制标准曲线 mg/L的范围内线。为进一步探究HPLC法在实际样品检测中的定量分析能力，使用2、5、10 mg/L三种不同加标水平的样品进行定量分析。如表1所示，HPLC法对苹果中磷残留的加标回收率为98.51%～109.76%，相对标准偏差为1.82%～3.40%。
将SERS法与传统的HPLC法作对比评价本实验所建立的磷SERS检测的新方法。HPLC法对苹果中磷残留的加标回收率为98.51%～109.76%，相对标准偏差为1.82%～3.40%，而建立的SERS快速检测的新方法的回收率范围为90.07%～103.27%，相对标准偏差为3.02%～8.24%。通过加标回收率的对比可知，SERS检测的新方法和传统HPLC法的回收率均在90%～110%之间，能够完全满足实际检验测试要求。通过对比检测结果的相对标准偏差可知，相对于SERS检测的新方法，HPLC法的稳定性更佳。使用SERS检测的新方法获取的磷LOD为11.9 μg/L，线 mg/L；使用HPLC法获取的磷的LOD为0.2 mg/L，线 mg/L。
表2中对比了几种检测食品中磷残留的方法，能够准确的看出，基于(Fe)@Ag NPs所建立的SERS法具有较宽的检测线性范围和良好的检测灵敏度，能够作为可靠、灵敏的快速检测的新方法用于食品中磷残留的监测。
基底的稳定性和可重现性是影响基底实际应用的主要的因素。为了对(Fe)@Ag NPs基底的稳定性进行测定，通过对不同批次的基底在不同位置各采集10 条SERS光谱。如图7所示，在5 批基底的不同位置采集的光谱其出峰位置和峰强度大体一致，并且SERS在1 175 cm-1处特征峰强度较为稳定，计算得到的RSD为5.58%。为了对(Fe)@Ag NPs的稳定性做多元化的分析，采用化学还原法制备Ag NPs溶胶，分别采集两种基底对CV标准溶液的SERS光谱。图8展示了两种基底在0、5、10、15、20 d的SERS信号，跟着时间延长，Ag NPs溶胶对CV的SERS信号明显降低，而(Fe)@Ag NPs在储存20 d后，在1 175 cm-1处特征峰的强度几乎保持稳定。可见，(Fe)@Ag NPs基底拥有非常良好的稳定性和可重复性。
在实际应用中，基底的可回收性和重复使用性是重要的评价指标。本实验对(Fe)@Ag NPs基底进行了重复使用研究，10 mmol/L H 2 O 2 、5 min内可将CV分子完全降解，使用H2O2溶液清洗基底。图9表明制备的基底循环5 次时，CV的SERS信号并未发生明显减弱，循环6 次时其SERS信号稍会降低，但总体信号较好；并且，基底在每次清洗过后，CV无明显的SERS信号。
本研究制备了(Fe)@Ag NPs基底，对食品农残实际检验测试中的应用展开研究，并和传统的HPLC分析办法来进行对比，对该SERS办法来进行评估。磷分子的DFT仿真拉曼光谱与SERS光谱相似度极高，选取1 600 cm-1处的SERS特征峰作为磷的定量峰。使用该基底对苹果中的磷残留进行仔细的检测，磷于1 600 cm-1的SERS特征峰强度对数值与其质量浓度对数值在0.05～10 mg/L范围内拥有非常良好线 μg/L，加标质量浓度为2、5、10 mg/L时得到的回收率为90.07%～103.27%。相较于HPLC方法，SERS方法的LOD更低，样品前处理更容易，加标回收率和HPLC方法相近，证明了本实验制备的SERS基底在食品农残的检测中具有巨大潜力。
本文《基于(Fe)@Ag NPs的磷SERS检测的新方法》来源于《食品科学》2023年44卷12期376-384页. 作者：阳能静，朱浩帆，韦庆益，孙大文，蒲洪彬. DOI:10.7506/spkx0518-238. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄. 责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
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