水热法绿色合成纳米银及其在水体有机染料中的表面增强拉曼应用

薛长国，唐 毓，李世琴，刘 松，李本侠

1. 安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001 2. 浙江理工大学理学院化学系，浙江 杭州 310018

引 言

染料的大规模生产和广泛应用给地球生态带来了相当大的影响，对水环境污染非常严重。 然而，对染料组分痕迹的检测和鉴定极具挑战性。 传统色谱和光谱工具难以检测到微弱的光谱和化学信息[1]。

近年来，表面增强拉曼光谱(SERS)在水体检测领域表现了巨大潜力。 自1974年被人们发现以来，该技术显示出极高的灵敏度和特异性[2-3]，因此SERS是研究水溶液中化合物和生物样品的理想工具[4]。 SERS是一种基于金属纳米颗粒表面分子吸附的痕量物质的定量分析技术，在金属纳米粒子中，纳米银(AgNPs)因有优良的光学、电子特性，出色的抗菌活性和催化性等性能而得到广泛应用。 如今，制备纳米银的方法有很多，如机械球磨法、电化学还原法、液相化学还原法、微波处理等。 在这些方法中，化学还原法由于其制备简单、成本低、易于对银纳米粒子的尺寸和形状进行控制而得到广泛的应用。 柠檬酸钠、硼氢化钠、水合肼、苯胺是合成纳米银的常用还原剂。 但是，由于它们的毒性和生物相容性，会造成严重的环境污染。 因此使用无毒化学品、环境友好溶剂和可再生材料是未来材料合成发展的趋势。

海藻酸钠(sodium alginate，SA)是一种从海藻中分离出来的天然碳水化合物聚合物[5]，由于其生物相容性，低毒性，相对低的成本以及通过添加二价阳离子如Ca2+而温和凝胶化而广泛用于食品和饮料，制药和生物工程工业。 藻酸盐的羧基可以与Ag+静电相互作用形成络合物，羟基将Ag+还原为Ag0，随后原子聚结，形成金属团簇； 由于静电斥力和空间效应，含有羧基的藻酸盐碎片产生的表面负电荷稳定了纳米颗粒，使其不与下一个颗粒聚集，从而制得AgNPs。

本工作采用一种简单，快速和完全绿色的方法合成AgNPs，使用海藻酸钠作为还原剂和稳定剂，水作为反应介质，通过水热法进行合成，并将其用于有毒染料的表面增强拉曼光谱检测中。 使用紫外-可见分光光度计和透射电子显微镜进行纳米银的表征与分析。 进一步，对低浓度的染料(亚甲基蓝、罗丹明B、碱性品红)溶液进行SERS的检测，为后续绿色化学制备AgNPs及水体检测提供研究基础。

1 实验部分

1.1 设备

鼓风干燥箱，型号DHG-9247A； 紫外-可见分光光度计，型号UV1901PC； 透射电子显微镜，型号Tecnai G2 20； 785 nm激光器，型号Laser785-5HS； 光纤探头，型号RPB-785-1.5-SS； 光栅光谱仪，型号Omini-λ5008i； Andor CCD，型号iVac-316-CCD。

1.2 原料

海藻酸钠(SA)，化学纯； 硝酸银(AgNO3)，分析纯； 亚甲基蓝(MB)，分析纯； 罗丹明B(RhB)，分析纯； 碱性品红(BF)，分析纯； 去离子水。

1.3 AgNPs的合成

通过在水溶液中用海藻酸钠水热还原AgNO3实现了AgNPs的制备。 将30 mL去离子水、1 mL 0.04 mol·L-1AgNO3和1.6 mL 0.5%海藻酸钠溶液在室温下混合，得到混合均匀的溶液，混合物转移到50 mL不锈钢反应釜中，将反应釜放置在鼓风干燥箱内，加热至120 ℃，6 h后取出反应釜，冷却至室温，产物离心，沉淀物分散到40 mL 0.05%海藻酸钠水溶液形成纳米银水溶胶[6]。

1.4 材料的表征

使用紫外-可见分光光度计来进行UV-Vis光谱测量。 具体表征方法为： 取2 mL纳米银水溶胶于石英比色皿中，将比色皿置于分光光度计样品槽中测量，参比溶液为去离子水。 紫外扫描波长范围为300～800 nm。

利用透射电子显微镜(TEM)观察和表征纳米银颗粒的形态和尺寸。

1.5 拉曼光谱测量

调制不同浓度梯度的亚甲基蓝、罗丹明B、碱性品红，将其与纳米银水溶胶混合后进行表面增强拉曼检测，设置不同的光谱参数，采集拉曼光谱，分析图谱。

2 结果讨论

2.1 AgNPs的表征

本实验使用天然生物聚合物藻酸盐以“绿色”方法合成AgNPs。 藻酸盐起到还原剂和稳定剂的双重作用。 所制备的纳米银水溶胶呈黄棕色。

通过紫外-可见分光光度计和透射电子显微镜对AgNPs进行表征。 图1(a)为室温下所制备的纳米银水溶胶的UV-Vis光谱图，图中显示样品的表面等离子吸收峰波长449 nm，表明溶液中存在纳米银[7]； 峰形较宽，表明制得的纳米银水溶胶粒径较大，分布较宽。 放置半个月后，其UV-Vis光谱图并未发生明显变化，可以证明所制备的纳米银水溶胶是稳定的。 图1(b)为纳米银水溶胶的TEM图像。 TEM分析表明AgNPs分散良好且呈球形，颗粒平均直径为46 nm。

图1 (a)AgNPs的紫外可见吸收光谱，插图为纳米银水溶胶的实物图； (b)AgNPs的TEM图像

2.2 AgNPs对亚甲基蓝的SERS效应

亚甲基蓝(methylene blue，MB)是一种阳离子染料，可使棉花、丝绸和木材染色。 吸入MB会导致呼吸困难，而通过口摄入MB会引起恶心，呕吐和精神错乱[8]。

配置不同浓度的MB水溶液并用保鲜膜封好。 检测不同浓度的MB纯溶液的拉曼光谱，拉曼光谱检测参数设置均相同，样品功率为100 mW，积分时间15 s，累计次数2次。 图2中从谱线f中可知银胶并没有拉曼光谱峰，说明银胶对混合液的拉曼光谱并没有背景影响；a—e为MB纯溶液的拉曼光谱，MB溶液浓度在5×10-4mol·L-1时449，778，1 401和1 628 cm-1附近能检测到特征峰，查阅文献知在449，1 401和1 628 cm-1附近的MB特征峰归属于C—C，C—H伸缩和C—N—C骨架弯曲振动[9]。 随着MB溶液浓度的降低，特征峰基本消失，普通拉曼已检测不出。

图2 不同浓度的MB纯溶液拉曼光谱

ofMBpuresolution

a: 5×10-4mol·L-1MB pure solution;b: 5×10-5mol·L-1MB pure solution;c: 2.5×10-5mol·L-1MB pure solution;d: 2.5×10-6mol·L-1MB pure solution;e: 2.5×10-7mol·L-1MB pure solution;f: Silver gel Raman spectroscopy

图3 不同浓度的MB银胶混合液SERS光谱

图2与图3相比较，可以得出结论： 通过水热法绿色合成的纳米银对低浓度的MB溶液有明显的SERS效应，检测浓度能达到2.5×10-7mol·L-1。

2.3 AgNPs对罗丹明B的SERS效应

罗丹明B(Rhodamine B，RhB)是一种合成的有机红色染料，具有高溶解度，广泛用作食品中的着色剂和水示踪剂荧光，但对人和动物具有致癌、生殖和神经毒性等[10]。

配置不同浓度的RhB水溶液并用保鲜膜封好。 检测不同浓度的RhB纯溶液的拉曼光谱，拉曼光谱参数设置均相同，样品功率为350 mW，积分时间20 s，累计次数4次。 图4中a—d为RhB纯溶液的拉曼光谱，RhB溶液浓度在1×10-3mol·L-1时603，1 194，1 284，1 361，1 506和1 649 cm-1附近能检测到特征峰，查阅文献知这些特征峰分别归属于环变形振动、C—H面内弯曲振动、C—C桥梁伸缩振动、芳香族C—C伸缩振动、芳香族C—C伸缩振动和芳香族C—C伸缩振动[11]。 随着RhB纯溶液浓度的降低特征峰逐渐消失，普通拉曼已检测不出。

图4 不同浓度的RhB纯溶液拉曼光谱

取1 mL纳米银水溶胶与1 mL不同浓度的RhB溶液混合后，将其置于超声波仪中超声5 min后，静置2 h。 将不同浓度的RhB银胶混合液置于石英比色皿中进行拉曼检测，参数设置保持不变。 图5(a—d)为不同浓度的RhB银胶混合液SERS光谱，图中RhB浓度在1×10-3，1×10-4，1×10-5和1×10-6mol·L-1均能检测到上述四个特征峰，而且特征峰明显，在714，1 006，1 130，1 236，1 391和1 593 cm-1处出现了新的特征峰，这是RhB纯溶液所不具有的。

图4与图5相比较，可以得出结论： 通过水热法绿色合成的纳米银溶胶对低浓度的RhB溶液有明显的SERS效应，检测浓度能达到1×10-5mol·L-1。

图5 不同浓度的RhB银胶混合液SERS光谱

2.4 AgNPs对碱性品红的SERS效应

碱性品红(basic fuchsin，BF)是三苯甲烷染料，广泛用于纺织、化学分析和微生物染色。 但其生物降解性差，有毒性和致癌性[12]。

配置不同浓度的BF水溶液并用保鲜膜封好。 检测不同浓度的BF纯溶液的拉曼光谱，拉曼光谱参数设置均相同，样品功率为100 mW，积分时间5 s，累计次数1次。 图6中a—d为BF纯溶液的拉曼光谱，BF溶液浓度在1×10-3mol·L-1时419，1 176，1 374和1 590 cm-1附近能检测到特征峰，根据文献这些振动带分别被指定为平面外苯环变形，C—H弯曲，N-苯基拉伸和平面内环拉伸弯曲振动[12]。 随着BF纯溶液浓度的降低特征峰基本消失，普通拉曼光谱已检测不出。

图6 不同浓度的BF纯溶液拉曼光谱

取1 mL纳米银水溶胶与1 mL不同浓度的BF溶液混合后，将其置于超声波清洗仪中超声5 min后，静置2 h。 将不同浓度的BF银胶混合液置于石英比色皿中进行拉曼检测，参数设置保持不变。 图7为不同浓度的BF银胶混合液SERS光谱，图中BF浓度在1×10-3～1×10-6mol·L-1均能检测到上述四个特征峰，而且特征峰明显，在418，1 169，1 369和1 589 cm-1处出现了新的特征峰，这是BF纯溶液所不具有的。

图6与图7相比较，可以得出结论： 通过水热法绿色合成的纳米银对低浓度的BF溶液有明显的SERS效应，检测浓度能达到1×10-6mol·L-1。

图7 不同浓度的BF银胶混合液SERS光谱

3 结 论

针对传统工具对水中有毒染料的检测存在费用高昂、灵敏度低等缺点，提出利用表面增强拉曼光谱技术对有毒染料进行检测，该方法具有制样简单、检出限高、重现性好等优点。 同时，为了遵循“绿色化学”的主旨，使用海藻酸钠作为还原剂和稳定剂，在水热条件下合成了纳米银溶胶，作为表面增强拉曼光谱的可靠基底，能够有效增强拉曼信号。 利用TEM和UV-Vis对所合成的纳米银进行了表征，表明制得的纳米银溶胶粒径较大，分布较宽。 配置不同浓度梯度的染料(MB，RhB和BF)溶液，并与纳米银溶胶混合进行SERS研究。 结果表明，该纳米银溶胶作为表面增强拉曼光谱基底，能够检测出10-6mol·L-1的染料溶液，且能猝灭染料的荧光，使其特征峰均能很好地显示，表明该纳米银粒子具有非常高的表面增强拉曼光谱活性。 纳米银水溶胶SERS具有高灵敏度和检测速度，用作水中染料的痕量检测表现优异，有着巨大的应用前景。