基于MOFs制备的SERS基底及其对氧氟沙星的检测

杨雨，陈瑞珏，陈绮莹，冯军，程昊，孔红星

(1.广西糖资源绿色加工重点实验室，广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.广西科技大学 医学部，广西 柳州 545000；3.省部共建药用资源化学与药物分子工程国家重点实验室，广西师范大学，广西 桂林 541004)

氧氟沙星(Ofloxacin)被广泛应用于临床用药中，但由于滥用导致相关致病菌耐药性的产生[1-2]。常用检测方法有液相色谱[3]、液质联用[4]和电化学分析法等[5]，虽有较高的灵敏度，但仍存在处理复杂等不足。而表面增强拉曼散射(SERS)具有灵敏快速等优点[6]。金属有机框架(MOFs)因其可调孔径、吸附性好等特点倍受青睐[7-8]。据报道MIL-100(Fe)具有SERS活性[9]，但效果却差强人意。因此拓展MOFs在SERS基底中的应用意义重大。

本项工作中，制备了新型SERS基底Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)，其具有如下优势：①Fe3O4磁性内核可以简化材料制备和检测步骤；②大量的AuNPs可以提高检测灵敏度；③MIL-100(Fe)比表面积大且吸附性能好，在稳定内部AuNPs的同时富集待测物，产生强的SERS信号。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氧氟沙星(OFLX，98%)；六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)、乙二醇、氯金酸(HAuCl4·4H2O，99.9%)、L-抗坏血酸(AA，99%)、三水合乙酸钠(Na Ac)、氨水28%(NH3·H2O)、1,3,5-苯三甲酸(H3BTC，98%)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES，99%)、硫代乙醇酸(TGA)均为分析纯；聚乙二醇4000，化学纯；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，保证试剂；实验用水均为实验室自制纯化水。

JEOL JEM 2-100透射电子显微镜；Bruker D8A A25 X射线衍射仪；XploRA PLUS激光共聚焦拉曼光谱仪；ASAP-2460全自动快速比表面仪；EVOLUTION 220紫外可见分光光度计；MPMS-VSM和MPMS-XL MPMS磁学测量系统。

1.2 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的制备

1.2.1 Fe3O4的制备 采用溶剂热法[10]合成了Fe3O4磁纳米粒子。磁力搅拌下，将FeCl3·6H2O (3.46 g)加入乙二醇(70 mL)，然后快速加入NaAc (4.618 g)。搅拌30 min后，将混合物分散到四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在200 ℃下加热10 h，用磁铁分离制备的Fe3O4纳米粒子，分别用超纯水和乙醇交替清洗3次。再在60 ℃下真空干燥2 h。

1.2.2 Fe3O4@Au的制备 采用种子介导法[11-12]合成Fe3O4@Au复合材料。首先，Fe3O4颗粒(60 mg)分散在APTES(300 mL，质量分数1%)的溶液中，搅拌24 h。另外，取45 mL水加入NaOH(1.5 mL，0.2 mol/L)和1 mL四羟甲基氯化磷搅拌3 min，再加入HAuCl4(270 μL，187 mmol/L)制备金种子溶液，随后，将Fe3O4纳米粒子分散到金种子悬浮液中搅拌5 h，用磁铁分离制备的Fe3O4@Au纳米粒子，用水洗涤。随后，将制备的Fe3O4@Au纳米粒子(50 mg)分散在蒸馏水(40 mL)中，将HAuCl4(4 mL，质量分数1%)水溶液和氨水溶液(12 mL，质量分数10%)依次加入上述悬浮液中。然后，注入AA溶液(32 mL，10 mmol/L)来减少Au种子上的HAuCl4。在4.5 h后，用蒸馏水和乙醇清洗，然后在60 ℃下真空干燥12 h。

1.2.3 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的制备[13]将Fe3O4@Au纳米粒子(0.10 g)分散到TGA(20 mL，0.58 mmol/L)的乙醇溶液中，摇动24 h制备TGA功能化的Fe3O4@Au纳米粒子。将产品磁分离，用乙醇清洗3次。然后，将TGA功能化的Fe3O4@Au纳米粒子(0.1 g)分散在FeCl3·6H2O乙醇溶液(5 mL，10 mmol/L)中超声15 min，用磁铁分离后再分散在1,3,5-苯三羧酸(5 mL，10 mmol/L)的乙醇溶液中，超声分散30 min得到第一层MIL-100(Fe)，循环此步骤1次，3次，5次从而获得不同厚度的MOFs层。合成的磁性Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)纳米粒子在磁富集下用乙醇清洗3次，在 80 ℃下真空干燥。

1.3 样品制备及拉曼光谱采集

室温下精确称取3.61 mg氧氟沙星标准品，加入盐酸水溶液(pH=6.8)溶解定容至10 mL，配制成10-3mol/L的标准溶液，并逐级稀释至所需浓度，待用。氧氟沙星滴眼液样品的制备，取100 μL样品用盐酸水溶液(pH=6.8)定容至100 mL，待用。

取50 μL Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)和50 μL不同浓度的标准溶液或样品溶液超声混合30 min后，用移液枪吸取50 μL混合物滴在洁净的硅片上，同时用磁铁富集，室温晾干，每个样品采集3次拉曼光谱。光谱参数：波长为638 nm，积分时间为10 s，平均次数为1次。

2 结果与讨论

2.1 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的表征

图1a～1e分别为Fe3O4、Fe3O4@Au、Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一层，三层，五层]的TEM图。

由图1a可知，Fe3O4形貌良好，粒径均一；图1b显示金纳米粒子均匀地附着在Fe3O4纳米球表面，可初步证明Fe3O4@Au制备成功；图1c为Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)一层的TEM图，可以发现部分 Fe3O4@Au生长了MOFs，分布不均匀；图1d 为Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)三层的TEM图，可知在Fe3O4@Au外覆盖了一层薄膜，与图1c相比，MIL-100(Fe)厚度更均匀且全部生长在了Fe3O4@Au的表面；图1e为Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)五层的TEM图，与图1d相比，区别并不明显。

图1 Fe3O4(a)、Fe3O4@Au(b)、Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一层(c)，三层(d)，五层(e)]的TEM图Fig.1 The images of TEM (a)Fe3O4;(b)Fe3O4@Au；Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[One layer(c),Three layers(d),Five layers(e)]

Fe3O4，Fe3O4@Au和Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的XRD表征见图2。

图2 Fe3O4，Fe3O4@Au和Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的XRD谱图Fig.2 XRD spectra of Fe3O4,Fe3O4@Au and Fe3O4@Au@MIL-100 (Fe)

由图2可知，Fe3O4的XRD图谱曲线在18.3，30.3，35.6，43.3，53.6，57.4，62.9°的衍射峰分别对应磁性Fe3O4的(111)，(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(440)晶面[14]。与Fe3O4的图谱相比，Fe3O4@Au上出现了几个新的衍射峰，38.2°，44.3°，64.6°和77.6°，这些峰对应Au纳米粒子(111)，(200)，(220)和(311)的立方晶面，这证明了Au纳米粒子成功地沉积在了Fe3O4上[15]。此外，Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的衍射图谱与Fe3O4@Au的高度吻合，且没有出现新的衍射峰，这可能是由于MIL-100(Fe)生长得太薄导致的，同时也说明MIL-100(Fe)的覆盖没有破坏Fe3O4@Au的晶型结构。

图3A为所制备的Fe3O4，Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)磁滞回线，在-3 000～3 000 Oe磁场范围内，Fe3O4、Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)获得的磁化强度分别75.14，41.48 emu/g，都表现出超顺磁性粒子的特征，如很小的滞后、剩磁和矫顽力。AuNPs和MIL-100(Fe)都是非磁性材料，随着它们的包裹，磁性强度有所降低，但Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)仍表现出强磁性，表明该材料适于样品磁分离及富集。紫外光谱图显示(图3B)，Fe3O4没有明显的吸收峰，Fe3O4@AuNPs在569 nm处有明显的吸收峰，说明AuNPs成功地沉积在了Fe3O4表面，Fe3O4@Au @MIL-100(Fe)[一层(c)，三层(d)，五层(e)]分别在在538，527，524 nm处有吸收峰，与Fe3O4@Au相比，发生了蓝移，可能是由于MOFs的包覆导致内部AuNPs的电子结构发生变化[16]。

图3 Fe3O4，Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)磁滞回线(A)及Fe3O4 (a)，Fe3O4@Au (b),Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一层(c)，三层(d)，五层(e)]的紫外-可见吸收光谱图(B)Fig.3 Fe3O4,Fe3O4@Au@MIL-100(Fe) hysteresis loop(A) and UV-visible absorption spectrum(B)

另外，也采用氮气吸附脱附实验对Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的比表面积进行了考察。测量之前需先将Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)在160 ℃下真空脱气处理6 h，实验结果见图4。

图4 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的氮气吸附等温线Fig.4 Nitrogen adsorption isotherm of Fe3O4@Au@MIL-100 (Fe)

由图4可知，Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的比表面积为128.9 m2/g，表明Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)比表面积大,保持了较强的吸附能力，从而起到富集待测物浓度的作用。结合TEM，XRD,VSM和UV-vis表征结果，可证明已成功制备了Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)复合材料。

2.2 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)的SERS性能

分析

图6为1 416 cm-1处10-3mol/L氧氟沙星溶液的峰强图。可以直观的发现，包裹了MOFs之后的SERS基底的拉曼信号强度明显高于Fe3O4@Au。且包覆三层的拉曼信号明显高于包覆一层的拉曼信号，结合TEM图可知，可能是由于包覆一层的MOFs分布不均匀，导致富集待测物能力有所减弱。虽然包覆五层的拉曼信号略强于包覆三层的，但效果并不明显。因此，本实验后续工作所用的SERS基底MOFs厚度皆为三层。

图5 拉曼光谱图Fig.5 SERS spectrum a.10-3 mol/L氧氟沙星盐酸溶液；b.Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)；c.Fe3O4@Au基底上的10-3 mol/L氧氟沙星盐酸溶液;Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一层(d)、三层(e)、五层(f)]底上的10-3 mol/L氧氟沙星盐酸溶液

图6 1 416 cm-1处10-3 mol/L氧氟沙星溶液的峰强图Fig.6 Peak intensity map of 10-3mol/L ofloxacin solution at 1 416 cm-1c.Fe3O4@Au;Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[一层(d)、三层(e)、五层(f)]

2.3 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底均一性及稳

定性考察

除高的灵敏度外，Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)还表现出良好的均一性与稳定性。图7a为10-7mol/L 氧氟沙星样品随机选取11个点的SERS光谱图。氧氟沙星在1 416 cm-1处SERS峰的RSD为10.8%，表明该基底有良好的均一性，这是由于Fe3O4磁性内核在外加磁场的条件下使热点密集且均匀所引起的。

图7 10-7 mol/L氧氟沙星溶液的SERS光谱图(a)和1 416 cm-1处10-7 mol/L氧氟沙星溶液的峰强图(b)Fig.7 SERS spectrum of 10-7mol/L ofloxacin solution (a)peak intensity map of 10-7mol/L ofloxacin solution at 1 416 cm-1 (b)

图7b为10-7mol/L氧氟沙星在4 ℃条件下保存不同时间的Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底上1 416 cm-1处SERS峰的强度图，可知，该基底在3个月内使用，可以获得较好的定量结果，稳定性较好，这主要归功于AuNPs密集且均匀的分布在Fe3O4表面，形成SERS增强热点，MOF壳的覆盖使其更加稳定。这也为氧氟沙星的定量检测提供了强有力的依据。

2.4 Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底对氧氟沙星

灵敏度的考察

不同浓度氧氟沙星溶液的SERS光谱图和浓度与拉曼峰强度的线性关系图见图8。

图8 不同浓度氧氟沙星溶液的SERS光谱图(a)和浓度与拉曼峰强度的线性关系图(b)Fig.8 SERS spectra of ofloxacin solutions with different concentrations(a);The linear relationship between concentration and Raman peak intensity (b)

由图8a可知，Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)对氧氟沙星的检测限(S/N≥3)可达10-10mol/L，并且，在10-9～10-4mol/L的浓度线性范围内(图8b)，SERS信号强度氧氟沙星浓度的对数呈良好的线性关系，线性方程为Y=523.4X+5 069，r=0.994。表明可以通过测量拉曼的特征峰强度来实现对氧氟沙星的定量检测。

2.5 样品分析

为考察Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)基底的实用性，本实验将该基底用于市售氧氟沙星滴眼液中氧氟沙星含量的检测并进行加标回收。将制备好的氧氟沙星滴眼液进行SERS检测(图9)，代入线性回归方程可得该滴眼液中氧氟沙星浓度为7.42×10-7mol/L，即含量约为3 mg/mL，与标示量相符。之后进行加标回收试验，试验结果见表1，回收率在97.1%～106.5%，表明该方法可用于氧氟沙星的定量检测。

图9 拉曼光谱图(A)和1 416 cm-1处样品及加标样品峰强图(B)Fig.9 Raman spectra(A);Peak intensity graphs of samples and spiked samples at 1 416 cm-1(B)a.未加标样品；b.加标1.5×10-6 mol/L；c.加标8.5×10-6mol/L；d.加标1.5×10-5 mol/L

表1 滴眼液样品中氧氟沙星含量的测定(n=3)

3 结论

本文合成的新型SERS基底Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)，该基底的Fe3O4磁性内核具有快速分离富集的能力，丰富均匀的金纳米粒子具有增强拉曼信号的作用，表面生长的MIL-100(Fe)具有良好的吸附能力，同时探讨了MOFs层厚度对SERS性能的影响。最终，以Fe3O4@Au@MIL-100(Fe)[三层]为SERS基底，应用于滴眼液中氧氟沙星含量测定。结果表明Fe3O4@Au@MIL-100(Fe) SERS基底，具有灵敏度高、稳定性好等优点，氧氟沙星检测限低至10-10mol/L。该方法为氟喹诺酮类抗生素快速准确的SERS检测奠定了基础。