基于滤纸基底表面增强拉曼光谱法的水中毒死蜱农药的循环快速检测研究

金翔鹰，孙泽飞，王 松，郭鹏然，雷永乾*

(1.广东省科学院 广东省测试分析研究所(中国广州分析测试中心) 广东省化学危害应急检测技术重点实验室 广东省水环境污染在线监测工程技术研究中心，广东 广州 510070;2.沈阳工业大学 理学院，辽宁 沈阳 110870)

毒死蜱是一种高效、应用广泛的有机磷农药，可抑制害虫体内乙酰胆碱酯酶的活性[1]，对广泛植食性昆虫如稻纵卷叶螟、飞虱和菜青虫均有很好的毒杀效果[2]。毒死蜱作为谷物、蔬菜、水果以及糖料作物等农产品生产中的杀虫剂已被广泛使用。虽然毒死蜱等高效农药的使用显著增加了农作物的产量，但因过量使用导致的环境残留对生态环境造成了一定的危害，并对人类健康构成威胁[3]。开发此类农药的快速检测技术及方法是控制环境中农药残留的有效手段。目前农药残留的检测方法，如高效液相色谱法[4]、液相色谱-质谱法[5]、气相色谱法和气相色谱-串联质谱法[6]，均具有较高的检测灵敏度及稳定性。然而上述方法存在样品前处理复杂，检测耗时长，仪器设备成本高并且需要专业操作等问题，极大地限制了其在农残快速检测方面的应用[7]。为了严格防控农残污染，有效降低农药残留对生态环境及人体健康的潜在危害，迫切需要开发针对环境中农药残留的快速识别、筛查和检测技术[8]。

光谱技术作为一种快速、高效的检测手段被广泛应用于污染物的快速鉴定与筛查，其中表面增强拉曼光谱(SERS)作为光谱检测技术之一，具有灵敏度高、水分干扰少等特点，在农残快速检测方面具有显著优势[9-11]。目前表面增强拉曼光谱已被应用于农药残留、抗生素等有机污染物及重金属污染物的快速检测[12-15]中。在表面增强拉曼光谱的研究中，低成本、高性能增强基底的制备一直是研究的热点[16-17]。其中，滤纸表面增强拉曼检测基底由于制备成本低、检测方式灵活，近年来备受关注[18]。与硅或金属膜基底相比，滤纸材料来源广泛，成本低廉，且可以剪切、卷曲和折叠[19-21]，其表面具有的多孔结构利于拉曼活性纳米颗粒均匀分布，形成较多的表面增强检测热点[22]。将基于滤纸基底的表面增强拉曼检测技术用于废水中农药残留的检测，为拉曼光谱在实际检测中的应用提供了新思路。

本文基于滤纸表面拉曼增强基底的上述特性，开发了负载银纳米粒子和氧化锌纳米粒子的复合检测基底材料，并将其用于地表水中毒死蜱的检测研究，基底材料具有的光催化功能及表面增强拉曼光谱检测活性实现了检测基底的循环利用。考察了毒死蜱在上述复合基底循环检测过程中的降解动力学、检出限、稳定性及重复性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

AgNO3、盐酸羟胺和NaOH均购自上海麦克林生物化学有限公司；无水乙醇购自广州化学试剂厂；KOH、Zn(CH3COO)2购自阿拉丁试剂(上海)有限公司；毒死蜱农药产品购自北京燕化永乐生物技术有限公司；滤纸购自杭州沃华滤纸有限公司。毒死蜱标准品购自Ehrenstorferm GmbH公司。实验中所用化学试剂均为分析纯。整个实验过程中配制溶液所用水均为高纯去离子水。

采用便携式拉曼光谱仪(BWS465-785H，BWTEK，785 nm laser)进行样品检测。材料表面微观结构采用扫描电镜(Hitachi S3700)进行表征。

1.2 ZnO纳米粒子的制备

ZnO纳米粒子的制备参考文献方法[23]。首先将0.97 g醋酸锌和0.48 g氢氧化钾分别溶解在42 mL和23 mL乙醇中，随后将醋酸锌溶液在搅拌下加热至60 ℃，30 min后滴加氢氧化钾溶液。持续搅拌10 min至溶液由澄清变成乳浊状。最后将所得乳浊液经多次离心及去离子水洗涤，得到ZnO纳米粒子。

1.3 银纳米粒子(AgNPs)的制备

AgNPs采用已有方法[24]制备。将10.4 mg盐酸羟胺和12 mg NaOH溶解在90 mL高纯水中，然后在持续搅拌下滴加90 mL AgNO3溶液，搅拌10 min后获得AgNPs悬浊液。将制备的AgNPs进行多次洗涤纯化，并用去离子水洗涤，分散，待用。

1.4 滤纸基底的制备与表征

将滤纸剪成1 cm×1 cm大小的滤纸片，并浸入ZnO纳米粒子分散液中，5 min后取出于80 ℃烘箱干燥，然后将干燥的滤纸浸入AgNPs分散液中浸泡，5 min后取出，待真空干燥后对制备的基底进行扫描电镜分析。

1.5 滤纸基底对毒死蜱的拉曼光谱检测

配制不同浓度的毒死蜱标准溶液，将20 μL溶液滴加在滤纸检测基底上进行表面增强拉曼检测。每次检测后，用紫外光(254 nm)对检测基底进行照射，并定时检测。待检测特征峰消失，目标物降解去除后，重复滴加样品，保持滴加量和浓度不变考察检测基底的重复性。在紫外降解过程中，利用表面增强拉曼检测特征峰强度变化考察毒死蜱的降解过程。

2 结果与讨论

2.1 纸质基底的表征及用于毒死蜱的检测

通过扫描电镜对制备的纸质SERS检测基底微观结构进行了表征。图1A和1B分别为空白滤纸和滤纸检测基底的微观结构，从图1A可以看出，空白滤纸表现为不规则的纤维交织并呈现出三维网状结构，而在负载AgNPs及ZnO纳米粒子的微观结构(图1B)上，其微观孔结构被大量粒子填充覆盖，且负载的粒子分布均匀。图1C显示毒死蜱在此基底上表现出强的拉曼信号，与空白滤纸上检测的毒死蜱拉曼信号相比，复合基底上的拉曼信号得到明显增强。用EDX能谱(图1D)对其表面元素组成的进一步表征显示，ZnO和AgNPs有效负载在滤纸表面。上述表征结果表明，滤纸基底能够有效负载ZnO和AgNPs并作为拉曼检测基底实现毒死蜱的检测。

图1 空白(A)及负载AgNPs与ZnO纳米粒子基底(B)滤纸的扫描电镜图与毒死蜱(500 μg/L)在复合检测基底上的拉曼光谱图(C)和复合检测基底的EDX谱图(D)Fig.1 SEM images of a blank filter paper(A) and filter paper with AgNPs and ZnO loaded(B),and Raman spectrum of chlorpyrifos(500 μg/L) sample on the SERS substrate(C) and the EDX pattern of the SERS substrate(D)

2.2 纸质基底检测的可靠性

为评估制备的复合检测基底的可靠性，对单一滤纸不同位置的检测结果及不同滤纸片之间的检测结果进行了对比。图2A为单片增强滤纸基底上6个随机检测点的拉曼光谱图，图2B为6片不同增强滤纸基底上拉曼检测特征峰341 cm-1处的强度对比。从结果可以看出本方法所制备的滤纸增强基底材料具有很好的检测一致性，不同检测基底间毒死蜱的特征拉曼峰检测强度(峰面积)偏差小于5%。此结果表明本方法制备的滤纸拉曼增强检测基底的活性位点具有很好的分布均匀性，可保证后续样品检测结果的可靠性。

图2 单片增强滤纸基底上6个随机检测点的拉曼光谱图(A)和 6片不同增强滤纸基底上拉曼检测特征峰341 cm-1处的强度对比(B)Fig.2 Raman spectra of 6 random detection points on one paper(A) and the intensity of the character peak at 341 cm-1 for 6 different pieces of SRES substrate(B)20 μL 500 μg/L chlorpyrifos sample in each experiment

图3 5次重复实验中毒死蜱(500 μg/L)341 cm-1处拉曼特征峰的强度变化Fig.3 Intensity changes of character peak at 341 cm-1 for chlorpyrifos(500 μg/L) in 5 repeatable experiments

2.3 纸质基底对毒死蜱的检测性能

为进一步考察滤纸基底对毒死蜱农药的检测性能，配制不同浓度毒死蜱的标准溶液进行线性范围和检出限考察。以毒死蜱的质量浓度(x，μg/L)为横坐标，其在滤纸增强检测基底上于341 cm-1处的峰强度(峰面积)(y)为纵坐标，拟合得到线性回归方程y=129.82x+11 604，相关系数(r2)为0.990 6，线性范围为50～500 μg/L。以3倍信噪比(3S/N)计算得到毒死蜱的检出限为48.53 μg/L。其检出限可满足地下水质量标准(GB/T 14848-2017)对农业用水中毒死蜱的限值(60 μg/L)以及食品中农药残留限制标准(GB/T 2763-2019)对水果蔬菜中毒死蜱最大残留限值(水果蔬菜分别为0.3和0.05 mg/L)[28-29]的要求。从检测性能看，复合滤纸检测基底在农业水环境及相关农产品中毒死蜱农药残留的快速检测方面具有良好的应用前景。

2.4 纸质基底循环检测重复性

在采用制备的基底对毒死蜱的检测过程中，除了基底检测活性点的均匀性外，检测的稳定性同样重要。本实验中基底的稳定性通过光催化降解目标物及重复性检测目标物进行考察。以500 μg/L毒死蜱产品作为检测目标物，在样品检测完成后进行紫外灯(254 nm)照射，经紫外线照射10 min后，毒死蜱的拉曼检测峰强度显著下降。以341 cm-1处的特征峰为例，如图3所示，在5次重复检测实验中，其特征峰强度在每次光照后均降至10%以下，而在重复滴样后检测强度并未发生明显衰减。此实验结果表明在毒死蜱的检测过程中，复合滤纸检测基底的结构和检测活性具有很好的稳定性。紫外照射条件下ZnO纳米粒子降解毒死蜱分子的过程中并未影响AgNPs的拉曼增强活性。

2.5 紫外光照下的降解动力学

在复合检测基底对毒死蜱的检测过程中，由于ZnO在紫外光照下的高催化活性，使得目标物可在短时间内快速降解从而达到基底重复检测的目的。通过对其降解动力学的研究可以了解光催化条件下目标物的降解过程及最佳降解时间，进而优化检测条件。本实验通过在相同光照时间间隔定时检测毒死蜱的拉曼增强信号来考察其降解的动力学过程。以500 μg/L的毒死蜱作为检测目标物，在制得的滤纸基底上进行毒死蜱的表面增强拉曼检测，在检测完成及紫外光照2 min后进行再次检测。6次间隔检测的拉曼光谱图如图4A所示，毒死蜱的拉曼检测峰强度随紫外光照时间的增加而逐渐降低，且所有特征峰随光照时间的变化保持了一致的趋势。为进一步研究其降解过程，选择强度较高的341 cm-1和634 cm-1两处特征峰作为研究对象，其信号强度(峰面积)相对光照时间的变化如图4B所示。结果表明，在紫外光照射下，目标农药可以在10 min内有效降解。由于在低浓度下拉曼光谱的特征峰强度(峰面积)与其浓度呈正相关性，可以近似用拉曼特征峰强度的变化来考察其降解动力学过程。根据降解动力学方程拟合结果，毒死蜱在紫外灯下的降解符合零级反应过程，即其浓度变化与时间的关系可表述为：C=C0-kt，其中C为目标物浓度，C0为目标物起始浓度，k为反应速率常数，t为时间。由图4B的降解动力学曲线计算得到341 cm-1与634 cm-1处两个特征峰的动力学常数k分别为0.092 4和0.086 7，对应的相关系数r2分别为0.969和0.974。

图4 不同光照时间下滤纸增强基底检测的毒死蜱拉曼光谱图(A)及拉曼检测信号强度随光照时间变化曲线(B)Fig.4 Raman spectra of chlorpyrifos in prepared paper substrate under different light time(A) and the relationship between the intensities of the Raman detection and the time of illumination(B)

表1 地表水加标实验的回收率与RSDs(n=3)Table 1 Recoveries and RSDs in surface water with different spike levels(n=3)

2.6 实际水样中毒死蜱农药的检测

为评估复合滤纸基底对实际水样的检测能力，以地表水作为样品进行加标回收实验。分别取一定量地表水样品进行100、250、 500 μg/L 3个水平的加标回收实验，在实验同时测定空白地表水。表1为地表水加标3次的回收率和相对标准偏差(RSD)测定结果。从结果可以看出，复合滤纸基底对农药毒死蜱的检测回收率为111%～139%，RSD≤12%。以上数据说明滤纸表面增强拉曼基底可用于实际水样中毒死蜱农药的检测。

3 结 论

本文报道了一种滤纸负载AgNPs和ZnO纳米粒子的复合表面拉曼增强基底材料，并将其用于环境水中毒死蜱农药的残留检测，基于ZnO纳米粒子在紫外光照射下强的光催化作用，制备的复合基底材料在实现农药残留循环检测的同时仍能保持高的拉曼检测活性。农药目标物在复合检测基底上的降解动力学符合零级反应过程。该复合基底材料制备方法简单，检测位点分布均匀，可规模化制备。基于该复合基底的检测方法具有操作简单、检测成本低等优点，在农残快速检测方面具有巨大的应用潜力。