基于金属有机框架材料复合基底表面增强拉曼光谱测定水中的戊二醛

徐 阳，雷 蕾，严 军*，陈裕雲，谭学才，刘玉乾，王 齐

1.广西民族大学化学化工学院，广西高校食品安全与药物分析化学重点实验室，广西林产化学与工程重点实验室，广西 南宁 530006 2.横县综合检验检测中心，广西 横县 530300 3.昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 615000

引 言

戊二醛(glutaraldehyde，GA)可通过烷基化反应使菌体蛋白质变性，是一种被广泛应用的新型消毒剂，常用于医用或水体消毒、食品加工等领域。GA水溶液经废水排放到环境中，对水生生物具有急性毒性，并产生长期影响，同时给人类及其他动物的健康带来隐患。我国GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》明确规定生活饮用水中的戊二醛的检出量不可超过0.07 mg·L-1[1]。目前，已报道的戊二醛检测方法有高效液相色谱[2]、气相色谱[3]、气相色谱-质谱法[4-6]、液相色谱-质谱法[7]、荧光光谱法[8-9]等。例如，Kang[4-5]通过柱前衍生建立了戊二醛的气相色谱-质谱法(GC-MS)检测方法；Miao[9]通过合成带有侧链质子化伯氨基(PPE-NH3+)的荧光聚苯乙炔，建立了测定戊二醛的荧光猝灭法，检出限为4.9×10-4mol·L-1；Filenko[8]使用胺化改性二氧化硅纳米粒子与乙二胺荧光素硫代氨基甲酸酯(EDF)和戊二醛形成三明治结构，通过荧光法测定了消毒剂中戊二醛。色谱法需要衍生、萃取、解吸、分离等复杂的处理程序，荧光法探针结构复杂，合成路线长，合成困难。迫切需要开发新的分析方法，以满足水性环境中痕量GA的检测需求。

表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)因其灵敏度高、光谱信息丰富等特点，在分析检测中表现出了巨大的潜力。局域表面等离子体共振效应使贵金属“热点”范围内的分子产生强的SERS信号，即电磁增强，在表面增强拉曼中占主导作用，化学增强则是通过基底与分子发生电荷转移[10]引起的信号增强。目前，贵金属纳米粒子在表面增强拉曼光谱领域已经得到了广泛的研究与应用[11]，然而贵金属纳米材料由于其易聚合不稳定，且对溶液pH极度敏感等缺点限制了其在SERS中的应用。由于某些小分子的拉曼散射截面极低，导致拉曼散射效应很弱，也难以获得较高的灵敏度。因此，将金纳米粒子与其他功能材料(半导体[12]、碳材料[13]、金属有机框架[14]等)相结合制备得到复合基底材料，可克服贵金属纳米粒子易团聚的缺点，并充分利用复合基底的富集、化学增强、衍生化等功能，可有效提高SERS的分析性能并扩展其应用范围。MOFs材料超高的比表面积、强的热稳定性和与沸石相似的永久性纳米级空腔，可以附着并稳定大量的贵金属颗粒，极大地改善了SERS增强基底的稳定性[15-16]。同时，MOFs多孔材料的特殊孔道结构赋予了SERS基底较强的吸附作用，促使检测物分子被吸附在贵金属表面，从而得到较好的电磁增强效果[14,17-18]。

本研究采用溶液浸渍法在MIL-101(Cr)内部还原生成AuNPs，并将拉曼活性探针分子PATP修饰到Au@MIL-101中的金纳米颗粒表面，得到Au@MIL-101/PATP复合SERS基底。该基底具有两个功能：(1)利用MIL-101(Cr)的高比表面积和多孔性实现对待测物戊二醛的富集；(2)利用PATP与戊二醛的席夫碱衍生化反应将戊二醛选择性吸附到金纳米颗粒的局域表面等离子共振电场，产生拉曼增强信号。基于Au@MIL-101/PATP复合基底建立的戊二醛SERS测定方法具有灵敏度高、分析时间短、操作简单等优势。图1为Au@MIL-101/PATP检测戊二醛的示意图及席夫碱反应式。

图1 Au@MIL-101/PATP检测戊二醛示意图Fig.1 Schematic diagram of Au@MIL-101/PATP detecting glutaraldehyde

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV-2100双光束紫外可见分光光度计(北京北分瑞利)；FEI Talos F200X 透射电镜(美国赛默飞世尔科技公司)；K-Alpha X射线光电子能谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)；inVia激光共聚焦显微拉曼光谱仪(英国雷尼绍公司)；H1850R 台式高速冷冻离心机(中国湘仪离心机仪器有限公司)；D8 ADVACE X射线单晶衍射仪(美国布鲁克公司)。

四水合氯金酸(HAuCl4·4H2O)、对苯二甲酸(PTA)、硝酸铬(Cr(NO3)3·9H2O)、氢氟酸(HF)、柠檬酸钠、对氨基苯硫酚(PATP)、戊二醛水溶液(GA)、冰乙酸(C2H4O2)等均为分析纯(上海麦克林公司)。超纯水为Milli-Q Reference超纯水仪(美国Millipore公司)制备。自来水为南宁地区家庭用自来水，河水采自广西合浦洪潮水库地表水。

1.2 方法

1.2.1 Au@MIL-101/PATP的制备

首先采用Férey[19]的方法合成MOFs材料。MIL-101(Cr)经洗涤活化后，参照Hu等[20]报道的方法，采用溶液浸渍法以柠檬酸钠还原氯金酸制备Au@MIL-101。称取50 mg MIL-101(Cr)，超声分散于30 mL氯金酸水溶液中，并在45 ℃油浴下磁力搅拌2.5 h，然后加热至沸腾，在快速搅拌的条件下注入220 μL的柠檬酸钠溶液，保持沸腾状态，持续搅拌40 min。冷却后，经离心分离(3 000 r·min-1，3 min)，用超纯水洗3次，干燥得到Au@MIL-101。将10 mg的Au@MIL-101分散在5 mL 1×10-3mol·L-1的PATP乙醇溶液中，孵育1 h。洗涤并离心收集Au@MIL-101/PATP，分散于1 mL水中，基底浓度为10 g·L-1。

1.2.2 SERS检测

移取30 μL Au@MIL-101/PATP悬浮液，加入2 μL乙酸，加入40 μL的戊二醛溶液，50 ℃水浴反应0.5 h，取3 μL混合液置于玻璃片上，室温干燥后，检测拉曼信号。激发光波长为785 nm(功率为0.1%)，曝光时间为1 s，累积三次，50倍长焦聚焦观察。

2 结果与讨论

2.1 Au@MIL-101/PATP复合基底的制备与表征

采用柠檬酸钠还原法在MIL-101(Cr)内部原位还原生成AuNPs，得到Au@MIL-101复合材料。图2为不同氯金酸浓度制得的Au@MIL-101紫外吸收光谱图，左上插图为材料溶液颜色的变化。可以看出，随着氯金酸逐渐被还原，溶液颜色由淡绿色变为红棕色，纯MIL-101(Cr)并无紫外吸收峰，但随氯金酸含量的增加，在约580 nm处出现新的吸收峰，且峰强度逐渐增强，峰形变宽，这是由于AuNPs的等离子体共振吸收和不均匀的形状导致。

图2 不同氯金酸浓度的Au@MIL-101的紫外-可见光吸收光谱图，插图为材料溶液颜色的变化Fig.2 The UV-Vis absorption spectra of Au@MIL-101 with different concentrations of chlorogenic acid. Inset shows the color change of material solutions

透射电镜结果分别如图3(A—F)所示，样品晶体形貌呈正八面体，尺寸约为1 μm，在氯金酸经柠檬酸钠还原到MIL-101(Cr)内部生成AuNPs后，Au@MIL-101晶体形貌保留较好。通过改变氯金酸的浓度可以调控复合材料中AuNPs的数量，随着氯金酸浓度的增加，AuNPs在MIL-101(Cr)中的密度变大。当氯金酸浓度为0.6 g·L-1时，AuNPs分布较为均匀，且密度较为合适，利于形成多个具有表面等离子体共振效应的“热点”区域。然而，过量AuNPs的形成将导致聚集发生，且将对材料的多孔结构造成破坏。当氯金酸浓度为0.6 g·L-1时，Au@MIL-101电子衍射花样[图3(F)]呈六边形，与文献一致[20]，表明Au@MIL-101的晶体结构未受破坏。

图3 (A)MIL-101(Cr);(B)—(E)Au@MIL-101 (氯金酸浓度依次为0.4，0.6，0.8和1.0 g·L-1)的透射扫描电镜图(TEM);(F)Au@MIL-101(氯金酸浓度为0.6 g·L-1)中Au纳米粒子的选区电子衍射Fig.3 Transmission scanning electron microscopy (TEM)of (A)MIL-101;(B)—(E)Au@MIL-101(The concentration of chloroauric acid is 0.4,0.6,0.8,1.0 g·L-1);(F)the selected area electron diffraction pattern from the gold nanoparticles in Au@MIL-101

Au@MIL-101的能量色散X射线光谱[图4(a)]出现C，O，Cr和Au元素的峰，证明了AuNPs的存在。MIL-101(Cr)与Au@MIL-101的X射线衍射图[图4(b)]显示MIL-101(Cr)的衍射峰与Mercury模拟的图谱相一致[19]，证明MIL-101(Cr)被成功合成。MIL-101(Cr)作为AuNPs的载体，Au@MIL-101低角度的主要衍射峰在复合前后基本相同，并出现Au的晶面衍射峰，38.11°，44.33°，64.52°和77.52°，分别与Au(111)，Au(200)，Au(220)，Au(311)晶面相对应[21]，表明Au@MIL-101(Cr)的晶体结构被较好的保留，且AuNPs与MIL-101(Cr)复合。图4(c,d)是对Au@MIL-101与Au@MIL-101/PATP的X光电子能谱表征分析，两个材料的XPS谱图中都有C，O，Cr和Au的轨道峰，而Au@MIL-101/PATP的谱图中出现了N和S的轨道峰，位于164.30 eV的结合能峰归属于Au@MIL-101/PATP的S2p峰，说明PATP已修饰到AuNPs表面。

图4 (a)Au@MIL-101的X射线能量色散谱图(EDS)；(b)MIL-101(Cr)和Au@MIL-101的粉末X射线衍射图；(c)Au@MIL-101与Au@MIL-101/PATP的X射线光电子能谱；(d)S元素结合能峰Fig.4 (a)X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS)of Au@MIL-101;(b)Powder X-ray diffraction pattern of MIL-101(Cr)and Au@MIL-101;(c)X-ray photoelectron spectroscopy of Au@MIL-101 and Au@MIL-101/PATP;(d)Binding energy peak of S

2.2 Au@MIL-101/PATP基底优化

图5 (a)PATP、戊二醛和席夫碱的拉曼光谱图；(b)Au@MIL-101/PATP的拉曼光谱图Fig.5 (a)Raman spectra of PATP,glutaraldehyde and Schiff base;(b)Raman spectra of PATP and Au@MIL-101/PATP

为研究MIL-101(Cr)中AuNPs密度对SERS增强的影响，分别用0.4，0.5，0.6，0.7，0.8和1.0 g·L-1氯金酸制备Au@MIL-101复合基底，考察其对10-5mol·L-1PATP在1 078 cm-1峰的增强效果。由图6(a)可见，0.6 g·L-1氯金酸所制得的Au@MIL-101增强性能最好。分析认为低浓度氯金酸制备的材料中AuNPs的密度较低，不能产生密集的等离子激元共振局域电场，而高浓度氯金酸制备的材料在MIL-101(Cr)中形成的AuNPs过于密集，损失了MOFs独特的孔道空间，吸附能力下降，PATP分子难以进入内部大量的“热点”区域，从而导致增强效果的降低。为考察PATP浓度的影响，我们分别用0.01,0.1和1 mmol·L-1PATP溶液对Au@MIL-101基底进行修饰，PATP在1 078 cm-1处的拉曼信号均随着孵育时间增加而逐渐升高[图6(b)]，并在1 h后趋于稳定，其中1 mmol·L-1PATP具有最好的增强效果。

图6 (a)不同浓度(0.4,0.5,0.7,0.8,1.0 g·L-1)氯金酸及(b)不同浓度(0.01,0.1,1 mmol·L-1)PATP对增强效果的影响Fig.6 (a)Effects of different concentrations (0.4,0.5,0.7,0.8,1.0 g·L-1)of chloroauric acid and (b)different concentrations (0.01,0.1,1 mmol·L-1)of PATP on the enhancement effect

2.3 Au@MIL-101/PATP的富集与衍生功能

图7 10-4 mol·L-1戊二醛在(a)Au@MIL-101/PATP，(b)Au-PATP和(c)Au@MIL-101上的拉曼光谱Fig.7 Raman spectra of 10-4 mol·L-1 glutaraldehyde on (a)Au@MIL-101/PATP，(b)Au-PATP and (c)Au@MIL-101

2.4 实验条件的优化

实验以1 078 cm-1处峰强与1 621 cm-1处峰强比值(I1 078/I1 621)对戊二醛进行定量分析，考察了反应温度、体积比、反应时间、催化条件等因素的影响。如图8(a)和(b)所示，在室温和40 ℃下，席夫碱反应缓慢，特征峰无明显信号，在50 ℃时，席夫碱特征峰1 621 cm-1处出现明显的拉曼峰，说明在此温度下，席夫碱反应可以有效地进行。随着温度的升高，相对强度值(I1 078/I1 621)变化不大，为保证反应条件的温和性，采用50 ℃为反应温度。

图8(c)显示，拉曼信号随着戊二醛体积增大呈现出先增强后降低的趋势，并在Au@MIL-101/PATP和戊二醛体积比为3∶4时达到极值。这是因为当戊二醛用量不足时，PATP未被完全反应，故随着戊二醛用量的增大信号逐渐增强，而过量的戊二醛与基底混合后，生成的席夫碱总量恒定，但总体积的增大将使得席夫碱浓度降低，从而降低拉曼信号的强度。

席夫碱反应一般需要酸的催化，由于氨基的碱性较弱，提供弱酸性环境来活化醛基，加强醛基的正电性，有利于反应的进行。本实验在反应中加入乙酸以促进反应的快速进行。相比于在无乙酸条件下，乙酸催化对席夫碱反应的反应速率及拉曼信号有明显影响[图8(d)]，并且席夫碱的SERS信号随反应时间的增加而增加，在30 min后信号逐渐稳定。当反应时间超过30 min后，拉曼信号不再有明显的变化，表明反应达到平衡状态。

图8 (a)不同温度下10-5 mol·L-1戊二醛在复合基底上的SERS光谱图；实验条件对SERS强度的影响 (b)温度；(c)基底与戊二醛的体积比；(d)乙酸的催化及反应时间Fig.8 (a)SERS spectra of 10-5 mol·L-1 glutaraldehyde on composite substrate at different temperatures;Effect of experimental conditions on the intensities of SERS signals,including (b)temperature,(c)volume ratio of substrate and glutaraldehyde,(d)Catalysis of glacial acetic acid and reaction time

2.5 基底的均一性、稳定性、重复性、选择性

在Au@MIL-101/PATP基底随机取15个点并记录SERS光谱，RSD为12.0% [图9(a)]，表明基底有良好的均匀性。将基底室温保存30 d后，进行拉曼检测，发现其信号强度仍可达到原始值的78.3%，表明此基底具有较好的稳定性。在优化条件下，用5个不同批次的复合基底对10-5mol·L-1戊二醛样品进行测定[图9(b)]，RSD等于6.1%，说明此基底具有很好的重复性。

图9 (a)Au@MIL-101/PATP信号的均一性；(b)戊二醛在相同条件下不同批次基底上的SERS信号；(c)不同醛类在相同实验条件下的拉曼谱图a—g：戊二醛，甲醛，5-羟甲基糠醛，乙醛，乙二醛，苯甲醛，丙酮醛Fig.9 (a)Uniformity of Au@MIL-101/PATP;(b)SERS detection of glutaraldehyde on different substrates under the same conditions;(c)Raman spectra of different aldehydes under the same test conditions a—g:glutaraldehyde,formaldehyde,5-hydroxymethylfurfural,acetaldehyde,glyoxal,benzaldehyde，acetone aldehyde

2.6 工作曲线线性范围及检出限

图10 (a)戊二醛浓度与特征峰的相对强度之间的关系；(b)不同浓度戊二醛的SERS光谱Fig.10 (a)Relationship between the concentration of glutaraldehyde and the relative intensity of characteristic peaks; (b)SERS spectra of glutaraldehyde with different concentrations

2.7 实际环境水样品检测

用实验方法及SERS检测条件对南宁地区家用自来水与广西合浦洪潮水库地表水进行分析检测，通过加标回收实验进行准确度评价。结果见表1，自来水和水库地表水均未检出戊二醛。自来水和地表水中的加标回收率分别为91.4%～111.8%，89.8%～114.2%，相对标准偏差分别为5.2%～14.5%，8.6%～13.4%。

表1 实际水样中戊二醛检测及3个加标水平回收率结果Table 1 Detection and recoveries of glutaraldehyde in actual water samples at three spiked levels

3 结 论

迄今，痕量戊二醛检测的研究相对较少，利用表面增强拉曼光谱定量检测痕量戊二醛尚未见报道。研究中针对戊二醛分子拉曼散射截面小，拉曼信号弱，难以直接检测的困难，利用醛基与氨基的特异性席夫碱反应特性，设计了集富集与衍生功能为一体的Au@MIL-101/PATP复合基底，所建立的方法具有样品前处理简单、灵敏度高、操作容易、样品用量少、选择性好、绿色环保等优点，在实际样品分析中的回收率结果令人满意，说明本方法能较好的满足水中痕量戊二醛含量的测定需求。提供了一种小分子的SERS检测策略，扩大了SERS的检测范围，为后期利用SERS技术检测醛类小分子提供了参考。