银纳米-泡沫铜基底的透射-表面增强红外光谱法对福美双的检测

江欣承，施林宏，罗 彬，王东梅，王照丽，范美坤，龚正君*

1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756 2.四川省环境政策研究与规划院，四川 成都 610041 3.成都市环境保护科学研究院，四川 成都 610072

引 言

1980年Hartstein等[1]发现金属薄膜表面吸附有机物后红外光谱信号有显著增强，从而开创了表面增强红外光谱(surface-enhanced infrared absorption spectroscopy,SEIRAS)研究的时代。SEIRAS和表面增强拉曼光谱(SERS)都属于表面增强振动光谱，能使某些表面分子的光学信号放大几十甚至几百万倍，具有高灵敏度并能完整呈现有机分子的结构信息的优点，成为新型的界面化学研究的重要手段[2]。在SEIRAS研究中多采用的衰减全反射(ATR)的采样模式实现界面反应过程跟踪，实现包括水在内的液相化学反应的原位监测[3-4]。Brown等[5]将透射式表面增强红外光谱(T-SEIRAS)方法用于选择性抗原吸附，实现了通用型红外光谱仪上的样品快速测试，拓展了SEIRAS的应用，为SEIRAS方法研究及应用提供了新思路。

福美双是一种杀菌剂，因其对环境的危害和对生物的毒性，已被WHO列为有危害农药[6]，2018年被欧盟委员会宣布禁用。我国暂时未将福美双纳入禁用限用名单，其在环境和食品安全等领域的影响和危害还在持续。目前对福美双的检测方法主要有分光光度法、液相色谱法、顶空气相色谱法和液相色谱质谱法等，近年有较多研究尝试使用SERS技术检测福美双，主要是基于种子生长法[7-8]制备基底实现其检测。拉曼设备昂贵和种子生长法制备基底步骤的繁琐耗时限制了福美双的检测，使其难以实现快速检测和推广。SEIRAS和SERS机理相同，都具有高灵敏度的特点，因此研究一种低成本的T-SEIRAS基底，实现福美双的快速检测具有很好的理论及实际应用价值。

采用改进置换反应的方法，在泡沫铜上原位生长上贵金属纳米粒子制得T-SEIRAS基底，利用探针分子11-巯基十一烷酸(MUA)实现对基底的光学性能的系统优化，在此基础上建立测定福美双的SEIRAS新方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硝酸银(AgNO3，99.9%)，聚乙烯吡咯烷酮[PVP，(C6H9NO)n，MW=55 000 g·mol-1]，11-巯基十一烷酸[MUA，HS(CH2)10CO2H，95%]，福美双[(CH3)2NCSS2CSN(CH3)2，99%]均购自Sigma-Aldrich公司(上海，中国)。泡沫铜购自昆山嘉亿万盛电子有限公司(昆山，中国)。

Spectrum Two傅里叶变换红外光谱仪(Perkin Elmer，美国)，JSM 7800F场发射扫描电镜(JEOL，日本)，ESCALab250型X射线光电子能谱仪(Thermo Scientific，美国)。

1.2 银纳米-泡沫铜基底制备及优化

采用PVP改进置换反应的方法，向硝酸银溶液中添加PVP，并与泡沫铜反应，获得银纳米-泡沫铜T-SEIRAS基底，制备流程见图1。

图1 银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底的制备过程Fig.1 The preparation process of Ag NPs-Cu foam SEIRAS substrate

银纳米-泡沫铜T-SEIRAS基底制备优化如下：用3.6%的稀HCl溶液浸泡泡沫铜10 min，再用无水乙醇、超纯水依次冲洗干净，以去除泡沫铜表面的杂质。(1)AgNO3浓度优化：即将10 mL AgNO3(浓度从0.1～2 mmol·L-1)与0.1 mL 0.05 g·mL-1的PVP混合。然后把经过预处理的泡沫铜衬底浸没在混合液中，并振荡30 s。之后基底依次用无水乙醇、超纯水冲洗，氮气吹干。(2)PVP用量优化：将10 mL AgNO3(浓度为优化得到的0.2 mmol·L-1)与0.05 g·mL-1的PVP(0.02～5 mL)混合作为前驱溶液制备银纳米-泡沫铜基底，反应时间30 s，找到最优的PVP用量。(3)反应时间优化：将10 mL AgNO3与0.05 g·mL-1的PVP混合，反应时间分别持续5～120 s，找出最优的反应时间。在优化实验中，均使用1 mL 1 mmol·L-1MUA的乙醇溶液，浸泡30 min，然后测试基底上的MUA浓度，以1 689 cm-1处最大峰值为优化的依据。

1.3 扫描电镜(SEM)表征和X射线光电子能谱(XPS)表征

用JSM 7800F场发射扫描电镜，在10 kV下观察优化后的SEIRAS透射基底表面银纳米粒子的形貌。通过X射线光电子能谱，对优化后的SEIRAS透射基底表面化学元素进行分析，以证明银纳米的成功负载。

1.4 最优银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底对福美双农药的检测应用

将福美双农药溶解于乙醇中，配制待测溶液。将最优银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底放入待测溶液中浸泡30 min，然后用氮气吹干。在红外光谱仪的透射模式下采集红外光谱。扫描范围为400～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1。

对于最优基底进行增强因子计算的方法借鉴SERS技术中常用的增强因子计算等式[9]，如同王倩等[10]以此来计算SEIRAS的增强倍数。该公式如式(1)

EF=(ISEIRASCIR)/(IIRCSEIRAS)

(1)

式中ISEIRAS和IIR分别是银纳米-泡沫铜基底和普通泡沫铜吸附的待测物分子的选定红外峰的强度。CSEIRAS和CIR分别是浸泡银纳米-泡沫铜基底和普通泡沫铜的待测物溶液浓度。

2 结果与讨论

2.1 银纳米的最优负载条件

2.1.1 AgNO3溶液浓度优化

MUA在银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底上的红外吸收信号明显的出峰位置主要是1 689，2 849和2 916 cm-1[图2(e)]，其中1 689 cm-1处的红外吸收峰与其他峰分离及信号明显，因此在后续实验中以1 689 cm-1处信号作为依据。AgNO3浓度对基底的性能影响非常明显，导致基底上探针分子MUA的红外吸信号收剧烈变化[如图2(a)所示]，硝酸银的浓度为0.2 mmol·L-1时，SEIRAS信号最强，因此选择此浓度进行后续实验。

2.1.2 PVP用量优化

PVP是一种封端剂，可以起到稳定剂的效果，防止纳米粒子团聚[11]。纳米粒子的形貌会影响表面增强红外的信号增强效果。考察PVP用量(0.05 g·mL-1，0.02～5mL)对SEIRAS信号的影响，结果如图2(b)。PVP用量为2 mL时，SEIRAS信号最强，因此选择此用量进行后续实验。

2.1.3 基底反应时间优化

由图2(c)可知，置换反应时间对制备的T-SEIRAS基底的信号有明显影响，本方法制备银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底的置换反应时间选择为30 s。

2.1.4 T-SEIRAS基底对MUA的响应效果

测定了MUA的压片红外光谱如图2(d)，其红外出峰位置主要在722，936，1 293，1 469，1 699，2 850和2 919 cm-1处。MUA在T-SEIRAS基底上的红外光谱如图2(e)，峰位置在718,899,1 285,1 470,1 689,2 849和2 916 cm-1处。对比其峰型、峰位置，本文制备的基底对MUA分子探针的红外信号出峰基本不变形、位移小，性能稳定。

SEIRAS信号增强明显的峰主要在1 689，2 849和2 916 cm-1，其中1 689 cm-1为MUA分子中羧基的伸缩振动，2 849和2 916 cm-1分别为MUA分子中亚甲基的对称伸缩振动和不对称伸缩振动[12-13]。1 689 cm-1处峰分离及信号明显，根据式(1)，此波数的银纳米-泡沫铜T-SEIRAS的增强倍数约为32.7倍。

图2 (a)AgNO3浓度对MUA的SEIRAS信号影响；(b)PVP用量对MUA的SEIRAS信号影响；(c)反应时间对MUA的SEIRAS信号影响；(d)MUA压片红外光谱图；(e)MUA的SEIRAS光谱图(1:普通泡沫铜衬底；2:银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底)
Fig.2(a):EffectofAgNO3concentrationonSEIRASsignalofMUA;(b):effectofPVPvolumeonSEIRASsignalofMUA;(c):effectofreactiontimeonSEIRASsignalofMUA;(d):infraredspectrumofMUA(KBrpelletmethod);(e):SEIRASspectraofMUA(1:Cufoam;2:AgNPs-CufoamT-SEIRASsubstrate)

2.2 扫描电镜(SEM)表征和X射线光电子能谱(XPS)表征

泡沫铜具有孔隙结构[如图3(a)和(b)]，本研究制备的银纳米-泡沫铜基底可以采用红外透射模式。采用SEM对所制备的T-SEIRAS基底进行表征，从图3(c)可见，未负载银纳米的时材料表面平整光滑；图3(d)展示大量密集的银纳米结构生长于泡沫铜表面，这些岛状银纳米的尺寸在几十到一百纳米范围，岛状贵金属纳米结构有利于红外信号增强。

采用了XPS表征分析银纳米-泡沫铜T-SEIRAS的表面元素。由图4可知，材料的主要的元素为C，O，Cu和Ag，含量分别为56.51%，27.05%，13.24%和3.2%，从Ag3d插图可充分证明银纳米的成功负载。

图3 (a) 泡沫铜实物图；(b)，(c) 泡沫铜电镜图；(d) 银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底电镜图Fig.3 (a) Photo of Cu foam;(b),(c) SEM images of Cu foam;(d) SEM image of Ag NPs-Cu foam T-SEIRAS substrate

图4 银纳米-泡沫铜T-SEIRAS透基底的XPS表征图Fig.4 XPS spectrum of Ag NPs-Cu foam T-SEIRAS substrate

2.3 银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底对福美双的红外信号增强效果

图5(a)是福美双在T-SEIRAS基底上的红外透射光谱图。福美双在T-SEIRAS基底上的峰位主要在1 045,1 140,1 236,1 371和1 495 cm-1处，与压片测定福美双的峰型、峰位置相比有轻微变化。这可能与福美双吸附在金属表面后，两个S原子与金属形成的双齿配合物有关[14]。图5(a)中a和b分别是1 mmol·L-1福美双吸附于普通泡沫铜衬底和银纳米-泡沫铜T-SEIRAS基底后的红外吸收信号。1 371 cm-1处峰信号明显，且与其他峰分离较好。根据式(1)，用1 371 cm-1处的红外吸收峰计算增强倍数，银纳米-泡沫铜SEIRAS透射基底对福美双的增强倍数约为2.9倍。

图5 (a)1 mmol·L-1福美双的SEIRAS光谱图;(b)福美双(thiram)的分子结构式Fig.5 (a) SEIRAS spectra of 1 mmol·L-1 thiram; (b) molecular formula of Thiram

2.4 福美双浓度与红外吸收信号的线性拟合

银纳米-泡沫铜透射T-SEIRAS基底检测福美双的信号响应，并对谱峰峰高进行了线性拟合。在0.1，0.4，0.6，0.8和1 mmol·L-1的浓度范围内，选择了1 236，1 371和1 495 cm-1处的红外信号进行分析，结果如图6所示，相关系数分别为0.923，0.896和0.850。可以看出，1 236 cm-1处的特征峰信号强度与福美双浓度的线性关系最好。

2.5 T-SEIRAS法检测福美双的检出限

考察了方法的灵敏度，0.1mmol·L-1福美双的SEIRAS信号明显，0.08 mmol·L-1时信号和噪音难辨，故银纳米-泡沫铜T-SEIRAS法对福美双农药的检出限为0.1 mmol·L-1，即0.024 mg·mL-1。与已报道的FL-FTIR[15]检测福美双中0.098 mg·mL-1的溶液检出限相比有所提升。

另有报道[10]采用水热法合成银纳米后以压片法测定福美双，可实现对福美双的超低浓度检测，该方法没有基底可预先制备，所以难于实现现场快速分析。与之相比，本研究的基底制备可实现预制和便于携带，促使检测更加便捷，更有望应用于福美双的现场快速检测。

3 结 论

研发了一种基于改进置换反应原理制备红外透射基底的方法，具备快速、简便、低成本的优点，且基底的灵敏度较好，有良好的实际应用价值。由于基底为三维孔隙结构，未来有很大潜力将其应用于流体中污染物的检测，比如对液体中福美双的表面增强红外检测将有较好的应用前景。

图6 不同浓度福美双向的SEIRAS光谱(a)(1：0.1 mmol·L-1；2：0.4 mmol·L-1；3：0.6 mmol·L-1；4：0.8 mmol·L-1；5：1 mmol·L-1)和不同波数处吸收强度与福美双浓度的拟合曲线：1 236 cm-1(b),1 371 cm-1(c),1 495 cm-1(d)
Fig.6SEIRASspectraofthiramwithdifferentconcentration(a) (1:0.1mmol·L-1;2：0.4mmol·L-1；3:0.6mmol·L-1;4:0.8mmol·L-1;5:1mmol·L-1)andthefittingcurveofinfraredabsorptionintensitywiththeconcentrationatwavenumbersof1236cm-1(b),1371cm-1(c),1495cm-1(d)