表面增强拉曼散射与分子印迹技术快速检测痕量辛基酚的试验研究

杨 戈，李 萍

（1.广东省肇庆生态环境监测站，广东 肇庆 526040；2.广东工业大学 环境科学与工程学院，广东 广州 510006）

1 问题的提出

酚类内分泌干扰物(Phenolic Endocrine Disrupting,PEDs) 对生态环境的危害不容忽视[1]。尽管PEDs在环境介质中广泛分布，但是质量浓度低，难以检测，亟待开发快速、高效的检测方法。辛基酚属于典型的PEDs，作为一种重要的精细化工原料，可用于生产非离子表面活性剂、抗氧化剂、涂料、防锈剂[2]，也是制备酚醛树脂的不可缺少的材料，广泛应用于橡胶、印刷油墨、电缆行业[3]。随着辛基酚使用量的日益增加，辛基酚会通过各种途径进入环境体系中。目前，在国内外的河流湖泊等地表水体中都已经检测到辛基酚的存在。Heemken等[4]测得德国北海易北河口附近水体中辛基酚的质量浓度为0.4×10-9～2.1×10-9kg/L。刘敏等[5]用气相色谱质谱联用方法对太原市小店污灌区地表水中辛基酚的浓度进行检测，发现辛基酚的质量浓度高达2.05×10-6kg/L(均值0.19×10-6kg/L)。辛基酚具有羟基酚类结构和类雌激素活性，具有较强的亲脂性与生物蓄积性，可通过食物链进入生物体并导致各种生物毒性作用[6-7]。辛基酚在环境介质中的质量浓度非常低，通常是10-9kg/L级，常用的检测方法有液相色谱、气相色谱、气质联用等仪器分析法，样本预处理过程复杂，检测成本高、需要的时间长[8]。表面增强拉曼散射技术(Surface Enhancement of Raman Scattering, SERS) 用于痕量物质的检测，具有快速、灵敏度高、前处理简单等特点[9]，但该技术不具有特异性选择功能，容易受环境中目标污染物以外杂质干扰。分子印迹技术(Molecular Imprinting Technology, MIT)具有选择性吸附目标污染物的功能[10-11]，可以弥补SERS技术的不足。将上述两个技术结合在一起，有望开发一种前处理简单、灵敏度高，适用于大面积快速筛查水环境中PEDs的方法。

2 材料与方法

2.1 试验材料

硝酸银、柠檬酸钠、正硅酸乙酯、辛基酚、3-氨丙基三乙氧基硅烷、双酚A(BPA) 、氨水、无水乙醇、冰乙酸、丙酮、甲醇、盐酸等药剂为分析纯，实验用水为超纯水，试验器皿经乙醇浸泡24 h后依次用自来水、超纯水清洗烘干后备用；JEM-2100型透射电子显微镜(日本电子公司)、Ultima III型X-射线衍射仪(日本理学)、Kratos Axis Ulra DLD型多功能光电子能谱仪(英国Kratos公司)、Lab RAM HR 800型激光紫外拉曼光谱仪(法国HORIBA Jobin Yvon 公司)。

2.2 试验方法

2.2.1 银核辛基酚印迹微球的制备

在持续加热搅拌的硝酸银溶液中加入1%的柠檬酸钠溶液获得纳米级的银核粒子；在用无水乙醇搅拌分散银核粒子的溶液中先加入氨水，然后加入不同剂量的正硅酸乙酯溶液，常温反应8 h后，得到以银核粒子为核不同厚度二氧化硅为壳的微球小粒；在溶解有模板分子辛基酚的甲醇溶液中加入以银为核二氧化硅为壳的微球小粒，在充分搅拌分散的过程中加入适量的正硅酸乙酯和醋酸溶液，持续磁力搅拌反应24 h后得到银核辛基酚印迹微球。

2.2.2 表面增强拉曼光谱与分子印迹技术联用快速检测辛基酚

将体积比为1∶1的Ag@SiO2的胶体与不同浓度的辛基酚溶液超声混合均匀后滴加至干净的载玻片上自然晾干后形成Ag@SiO2膜，采用拉曼光谱仪进行SERS检测。拉曼光谱仪的检测条件为激发光源波长为632.88 nm，输出功率为100 mW，光谱扫描范围为100～2 000 cm-1，物镜50倍长焦，积分时间10 s，积分2次求平均。

3 结果与讨论

3.1 银核辛基酚印迹微球表征结果

3.1.1 TEM表征结果

在银核辛基酚印迹微球制备过程中，对于等量的银粒子，随着正硅酸乙酯加入量的增多，微球粒子外层壳的厚度也随之变厚。经粒度仪测定平均粒径为73.3 nm的银核辛基酚印迹微球，TEM表征结果如图1所示。

图1 银核辛基酚印迹微球透射电镜图Fig.1 TEM image of silver core octylphenol imprinted microspheres

从图1可以很清晰地看到银核辛基酚印迹微球内外呈现明显的颜色差异，外层灰白色的壳状物即为二氧化硅外壳，里面颜色较深的核状物即为银核。本文制备的平均粒径为73.3 nm的银核辛基酚印迹微球核壳结构完整并且紧密，壳层包覆均匀。

3.1.2 XRD表征结果

银核辛基酚印迹微球与被包埋印迹前银核微粒子XRD表征结果如图2所示。

图2 银核辛基酚印迹微球与银核微粒子的XRD图Fig.2 XRD pattern of silver core octylphenol imprinted microspheres and silver core particles

从图2可以看出，与银核微粒子相比，银核辛基酚印迹微球在2θ为20°～25°处出现了非晶衍射宽峰，说明了二氧化硅等无机基团与银核微粒子成功链接；两者在2θ为38.04°，44.32°，64.4°，77.5°，82.5°等相同的位置均有明显的衍射峰，说明银核微粒子经过印迹后银单质并没有发生变化，银核的晶型并没有受到影响。

3.1.3 光电子能谱表征结果

银核辛基酚印迹微球多功能光电子能谱表征结果如图3所示。

图3 银核辛基酚印迹微球的EDS能谱图Fig.3 Energy dispersive spectrum of silver core octylphenol imprinted microspheres

从图3可以看出，银核辛基酚印迹微球从外到里依次出现了C、O、Si、Ag等元素的峰，其中Ag元素的峰最高、最清晰。C、O、Si分别是印迹分子辛基酚和交联剂二氧化硅的元素，图3可以为银核辛基酚印迹微球制备成功提供依据。

3.2 壳层厚度对银核辛基酚印迹微球拉曼光谱增强效应的影响

为考察银核辛基酚印迹微球壳层厚度对拉曼光谱增强效应的影响，选用二氧化硅壳层厚度分别为7，25，50 nm 3种银核辛基酚印迹微球对同一浓度的辛基酚溶液(10-8mol/L) 进行表面增强拉曼光谱与分子印迹技术联用快速检测，得到拉曼光谱增强图谱如图4所示。

图4 不同壳层厚度银核辛基酚印迹微球拉曼光谱增强图Fig.4 Raman spectra of silver core octylphenol imprinted microspheres with different shell thickness

从图4可以看出，对于同一浓度的辛基酚溶液，壳层厚度为25 nm的银核辛基酚印迹微球在辛基酚溶液中达到吸附平衡后拉曼光谱增强效果最好。可能是因为壳层太薄(7 nm)模板分子(辛基酚)不容易印迹到壳层表面，难以形成三维空穴；壳层太厚(50 nm)印迹在壳层表面的模板分子(辛基酚)距离银核太远，导致银核表面拉曼光谱增强效应减弱。因此，选择合适壳层厚度对提升银核辛基酚印迹微球表面增强拉曼光谱检测辛基酚的灵敏度很重要，本文选用壳层厚度为25 nm的银核辛基酚印迹微球开展试验。

3.3 表面增强拉曼光谱与分子印迹技术联用检测辛基酚的最低检测限

最低检测限是衡量检测方法是否可行的标准之一，为了获得表面增强拉曼光谱与分子印迹技术联用检测辛基酚的最低检测限，本文选用壳层厚度为25 nm的银核辛基酚印迹微球检测浓度分别为10-8，10-9，10-10，10-11，10-12，10-13mol/L的辛基酚标准溶液，得到增强拉曼光谱图谱如图5所示。

图5 不同浓度辛基酚溶液的拉曼光谱图Fig.5 Raman spectra of different concentration of octylphenol

从图5可以看出，增强拉曼光谱图谱信号随标准溶液中辛基酚的浓度降低而减弱，当辛基酚标准溶液的浓度低到10-13mol/L，已经很难看出辛基酚的特征峰。本文得出表面增强拉曼光谱与分子印迹技术联用检测辛基酚的最低检测限为10-12mol/L。

4 结论

银离子(Ag+)被还原为银粒子(Ag)作为SERS活性基底，正硅酸乙酯(TEOS) 被水解成二氧化硅沉积在银粒子的表面沉积形成壳层，辛基酚作为模板分子印迹在壳层表面，制备出不同壳层厚度银核辛基酚印迹微球。TEM、XRD和EDS表征的结果表明：正硅酸乙酯(TEOS) 被水解成二氧化硅沉积在银粒子表面的过程中，不影响银核的晶型结构，因此也不会影响银粒子表面增强拉曼光谱的特性；辛基酚印迹在二氧化硅壳层的表面，赋予银核辛基酚印迹微球选择性吸附辛基酚的功能。试验7，25，50 nm 3种不同壳层厚度的银核辛基酚印迹微球用于痕量辛基酚浓度检测，发现壳层厚度为25 nm的银核辛基酚印迹微球在辛基酚溶液中达到吸附平衡后拉曼光谱增强效果最好。表面增强拉曼光谱与分子印迹技术联用检测环境介质中痕量的辛基酚，其最低检测限为10-12mol/L。