基于UiO-66/AuNPs的SERS基底制备与有机色素的检测研究

谢玉婷,韦庆益,蒲洪彬

(华南理工大学 食品科学与工程学院,广东 广州 510641)

0 引言

表面增强拉曼散射(SERS)是一种的高灵敏度检测分析技术,常用于食品有害物质[1]、环境污染物[2]以及生物标志物[3,4]的高灵敏度检测。SERS利用纳米材料的电磁增强机制和化学增强机制来实现拉曼信号的增强,其中电磁增强机制源于粗糙金、银等纳米粒子表面引发的局域等离激源元共振,增强因子可达到1010-1015[5];而TiO2、CuO、WO2等半导体材料多呈现拉曼信号的化学增强,增强因子一般仅为～5-10[6]。Au和Ag等具有优良增强效果的贵金属纳米粒子(MNPs)仍然起着重要作用,但是,单一Au、Ag纳米粒子的SERS基底稳定性和基底多功能特性面临一定挑战[2]。如何实现目标物质的选择性富集和拉曼增强是SERS技术在基底多功能研究中亟待解决的问题。

金属有机框架(MOFs)作为一种新型多孔材料,在SERS传感器中进行应用越来越受到研究学者的关注[7]。MOFs是由金属离子或金属团簇作为结点,通过有机配体作为连接构建的三维多孔材料,在吸附、分离、催化、传感等领域得到了广泛应用[8]。MOFs具有比表面积大、孔径可调、吸附性能好和良好的表面化学活性等特点,在SERS传感器中可以作为负载Au、Ag等MNPs的骨架,通过静电、共轭等相互作用稳定MNPs,同时可以发挥吸附萃取作用,实现目标物的选择性地富集[9,10]。并且, 部分MOFs自身电荷转移也可以起到SERS的化学增强作用,进一步提升SERS信号[11]。Fu(2020)等人利用MIL-100阵列实现了对挥发性有机物的超灵敏和多重检测,单一MOFs阵列对甲苯的检测限低至2.5 mg/L,复合AuNPs后使得检测限进一步降低至0.48 μg/L。MOF-MNPs复合材料为实际应用场景下的SERS检测提供了一种十分有潜力的解决方案,具有广泛的应用前景。

本研究通过巯基乙酸(TGA)修饰的金纳米颗粒(AuNPs)静电吸附在UiO-66表面制备得到UiO-66/AuNPs的表面增强拉曼(SERS)基底,研究了基底对不同带电性质的六种有机色素(孔雀石绿、亚甲基蓝、藏红T、柠檬黄、日落黄、刚果红)的SERS响应规律。结果发现,UiO-66/AuNPs对阳离子型孔雀石绿、亚甲基、蓝藏红T染料增强因子分别为2.12×104、4.46×104、7.20×104,比阴离子型柠檬黄、日落黄、刚果红染料的增强因子(1.43×102、2.54×102、1.73×102)高2个数量级。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

四氯化锆(ZrCl4)、对苯二甲酸(BDC)、冰乙酸、巯基乙酸(TGA)均购于上海麦克林生化科技有限公司;三水合氯金酸(HAuCl4·3H2O)、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、二水合柠檬酸三钠、孔雀石绿、亚甲基蓝、藏红T、柠檬黄、日落黄、刚果红购于上海阿拉丁试剂有限公司。实验用水均为超纯水(18 MΩ·cm),所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

激光共聚焦显微拉曼光谱仪(LabRAM HR Evolution,日本 HORIBA公司);场发射扫描电子显微镜(Merlin,德国卡尔·蔡司股份公司);X射线衍射仪(Empyrean,荷兰帕纳科公司);紫外可见吸收光谱仪(UV-1800,日本岛津制造所);真空干燥箱(DZF-6050,上海齐欣科学仪器有限公司;纳米粒度及Zeta电位仪(Zetasizer Nano ZS,英国马尔文仪器有限公司)

1.3 方法

1.3.1UiO-66/AuNPs的制备

UiO-66的合成参考张雯方法并作适当修改[13],具体步骤为:称取0.35 g ZrCl4粉末,溶于20 mL DMF溶液中,超声10 min后,形成A液备用;用27.4 mL DMF溶解0.25 g BDC粉,并加入2.6 mL冰乙酸作为调节剂,超声10 min,形成B溶液。将A液加入到B液中,混合超声10 min后,转移到反应釜在120 ℃下反应24 h;反应结束后,待反应釜冷却至室温后,用DMF和无水乙醇交替洗涤沉淀4次,最后将产物放在60 ℃真空干燥箱中干燥12 h,得到白色UiO-66粉末。

AuNP溶胶通过柠檬酸钠还原法制备[14],所有的仪器在使用前用王水浸泡过夜,并洗净烘干备用。首先用量筒取60 mL超纯水于锥形瓶中,然后加入3.0 mL 0.5%(w/v)HAuCl4溶液,混合均匀后置于磁力加热搅拌器上加热至沸腾,保持沸腾2 min,然后迅速加入2.25 mL 1%(w/v)柠檬酸钠溶液,并保持沸腾15 min,等颜色稳定后停止加热,并继续搅拌20 min。室温下冷却得到透亮的紫红色AuNPs溶。取4 mL上述制得的AuNPs溶胶于10 mL的离心管中,将其放置在振荡器上保持振荡,然后滴加20 μL 1 mM的TGA溶液,并振荡修饰24 h,然后在6000 rpm下离心10 min,并将沉淀物重新分散在2 mL超纯水中,得到TGA修饰的AuNPs的溶胶(AuNPs/TGA),由于AuNPs表面修饰了含有羧基的TGA,修饰后的AuNPs表现出较强的负电性。

UiO-66/AuNPs制备:取2 mL的超纯水于10 mL离心管中,然后加入0.4 mg的UiO-66固体粉末并超声溶解,称作UiO-66的悬浮液,然后将其置于振荡器上保持振荡,接着将2 mL上述制备的AuNPs/TGA溶胶滴加入UiO-66的悬浮液中,并在室温下保持振荡24 h,使其通过静电相互作用负载在UiO-66上,最后将混合液离心浓缩在300 μl超纯水中得到UiO-66/AuNPs基底。

1.3.2UiO-66/AuNPs检测不同有机染料

选取三种阳离子型的色素(孔雀石绿、藏红T和亚甲基蓝)和三种阴离子型的色素(柠檬黄、日落黄和刚果红)作为目标物质,研究UiO-66/AuNPs基底的SERS响应特性。激发波长为 633 nm,积分时间为10 s,采集2次,物镜为10倍,进行拉曼测试。随后,将色素分子配置成浓度为10 、5 、1 、0.1 ppm的水溶液,然后将10 μl UiO-66/AuNPs基底与10 μl不同浓度和种类的色素溶液混合,室温下孵育2 h。孵育结束后进行SERS测试,激发波长为633 nm,积分时间为10 s,采集2次,物镜为10倍。光谱数据经过LabSpec 6.0软件进行平滑和基线校正,并用Origin 2019绘图。

1.3.3增强因子的计算

根据下述公式计算增强因子(EF)[15]:

(1-1)

其中:ISERS和IRaman分别表示被测色素在相应特征峰处SERS和普通拉曼中的拉曼信号强度,CSERS和CRaman分别表示SERS和普通拉曼光谱所测试的色素浓度。对比不同色素的影响因子时,普通拉曼信号由浓度为10000 ppm的色素溶液得到,而SERS信号由1或10 ppm的色素溶液与UiO-66/AgNPs基底分散液混合测得,具体测试条件同1.3.2。

2 结果与讨论

2.1 UiO-66/AuNPs基底的表征

AuNPs、UiO-66、UiO-66/AuNPs的形貌结构如图1A-1C所示。根据图1A中的SEM图像,我们可以看出合成的AuNPs呈现球形,粒径约为35 nm;而合成的UiO-66(图1B)呈现粒径约为200 nm的近似于球状的八面体结构,结构的均匀一致为材料成功复合提供了保障。图1C表明成功复合的UiO-66/AuNPs中,AuNPs均匀且密集地附着在UiO-66表面,产生了大量的热点,对SERS信号的灵敏度和稳定性的提升有很大贡献。

图1 (A)AuNPs的SEM图,(B)UiO-66的SEM图,(C)UiO-66/AuNPs的SEM图,(D) UiO-66/AuNPs的XPS全谱图,(E)Au4f轨道高分辨率XPS图,(F) Zr3d轨道高分辨率XPS图,(G)C1s轨道高分辨率XPS图,(H)O1s轨道高分辨率XPS图

XPS用于表征 UiO-66/AuNPs复合材料的元素组成及存在形式,结果如图1D-1H所示。图 1D中的XPS全谱图证明了Zr、Au、O、C四种元素的存在;Au4f的高分辨XPS光谱(图1E),在83.8 eV和87.4 eV处出现了两个能带,分别对应于4f7/2和4f5/2两个化学状态,表明Au元素以0价单质的形式存在[16];图1F中的两个能带出现在181.7 eV和184 eV,分别归属于Zr 3d5/2和Zr 3d3/2,证明了复合材料中UiO-66的存在[17];C 1s图谱(图1G)中283.8 eV和287.7 eV处的峰分别表示苯环的键和BDC中的O=C-O键;图1H中的O1s光谱,能带出现在530.8 eV,可以认为是UiO-66中的Zr-O键和其表面吸附的羟基[18]。

XRD测试进一步验证了UiO-66/AuNPs的成功合成。如图2所示,UiO-66在2θ=7.34°和8.49°处具有十分强烈的衍射峰,与文献中报道一致[13],说明UiO-66成功制备且具较强的结晶度。综合UiO-66的SEM表征来看,合成的MOF均匀规整,不团聚,且结晶度高为金纳米粒子的均匀负载提供了良好的框架。在UiO-66/AuNPs的XRD图中(图2红线),可以观察到UiO-66在7.3°和8.5°处的特征衍射峰,同时在38.5°、44.5°、64.7°和77.6°出现了新的特征衍射峰,分别对应于Au的(111)、(200)、(311)和(222)四个晶面[14]。这些证据表明AuNPs成功负载在了UiO-66上,且两种材料的晶型结构没有改变。

图2 UiO-66、UiO-66/AuNPs的XRD图

使用UV-vis分别获取了AuNPs、UiO-66和UiO-66/AuNPs材料的紫外可见消光光谱。如图3所示,AuNPs溶胶的紫外消光光谱特征峰在526 nm处,UiO-66的特征峰出现在270 nm处。在UiO-66上负载AuNPs之后, UiO-66/AuNPs复合材料的紫外可见消光光谱中同时出现了AuNPs和UiO-66的特征峰。这表明利用静电相互作用法在UiO-66材料上负载AuNPs并不会影响各自的紫外可见消光特性。

图3 AuNPs、UiO-66、UiO-66/AuNPs的UV-vis图

2.2 UiO-66/AuNPs的性能

为了探究UiO-66/AuNPs基底的SERS性能,以R6G作为拉曼信标分子进行EF的计算,图4展示了1000 mg/L R6G溶液的普通拉曼光谱和以UiO-66/AuNPs为基底得到的1 mg/L R6G的SERS光谱,选取1510 cm-1处的拉曼强度来计算EF。根据公式(1-1),取ISERS=25686,IRaman=2333,CRaman和CSERS为普通拉曼和SERS中检测的R6G浓度为1 mg/L和1000 mg/L,最后计算得到的EF = 1.1×104。

图4 UiO-66/AuNPs基底测得的1 mg/L R6G的SERS光谱和1000 mg/L R6G溶液的普通拉曼光谱

在实际应用中,结合MOFs的SERS传感器,能够发挥MOFs优异的吸附性能,并同时通过静电吸附、π-π共轭作用等选择性富集目标物[9],从而简化前处理的萃取过程,提高检测灵敏度。为了探究UiO-66/AuNPs基底的选择性吸附效果,选用了六种色素作为探针分子,其中三种为阳离子型色素(孔雀石绿、亚甲基蓝和藏红T),三种为阴离子型色素(柠檬黄、日落黄和刚果红)。不同色素的SERS光谱图如图5所示,当阳离子型色素浓度为10、5、1 ppm时,色素分子的拉曼特征峰均清晰可见(图5 A-C),然而,当检测阴离子型色素时,只有在浓度较高的10、5 ppm时才能观察到较弱的拉曼特征峰,而在1 mg/L时无法观察到明显的拉曼信号(图5 D-F)。对孔雀石绿(1614 cm-1)、亚甲基蓝(465 cm-1)、藏红T(1360 cm-1)、柠檬黄(1586 cm-1)、日落黄(1585 cm-1)、刚果红(1156 cm-1)六种色素分子在相应特征峰处的SERS信号强度进行比较(表1)。在1 ppm浓度下,三种阳离子型色素的SERS信号强度分别为3238、5026、11226,而对于三种阴离子色素来说,尽管在10 ppm的浓度下,SERS信号强度仅分别为274、1459、3773。根据式(1-1)计算得,UiO-66/AuNPs对阳离子型孔雀石绿、亚甲基蓝、藏红T染料增强因子分别为2.12×104、4.46×104、7.20×104,比阴离子型柠檬黄、日落黄、刚果红染料的增强因子(1.43×102、2.54×102、1.73×102)高2个数量级。因此,UiO-66/AuNPs基底对阳离子型色素的拉曼响应程度远高于阴离子型色素。这可能是由于UiO-66/AuNPs复合材料负载的AuNPs表面经过了TGA修饰,含有羧基,在水溶液中呈负电离状态。对于阳离子型色素来说,UiO-66/AuNPs基底不仅能够通过π-π共轭作用吸附[20],还存在静电吸引作用;而对于阴离子型色素来说,则可能存在静电排斥作用。因此,在本研究中,相对于阴离子型分析物,UiO-66/AuNPs基底对阳离子型分析物具有更强的吸附作用,从而能够产生更好的SERS增强效果。

表1 不同浓度色素对应特征峰的SERS强度和普通拉曼强度及增强因子

图5 10000 ppm不同染料的普通拉曼光谱及不同浓度的SERS光谱。(A)孔雀石绿(B)亚甲基蓝(C)藏红T(D)柠檬黄(E)日落黄(F)刚果红

2.3 UiO-66/AuNPs合成与检测选择性的机制

为了进一步探究UiO-66/AuNPs的合成机制,验证基底对色素分子的响应程度具有倾向性的原因,本研究对基底的zeta电位进行了测量。AuNPs、AuNPs/TGA、UiO-66和UiO-66/AuNPs四种材料的zeta电位如图6所示,被柠檬酸钠还原的AuNPs的zeta电位为-9.5 mV,偏小的电位绝对值表明单纯的AuNPs分散稳定性差,极易发生团聚。经过 TGA修饰的AuNPs,其表面的-COOH基团水解使金纳米粒子比单纯AuNPs的zeta电位负的更多[21],说明TGA的修饰既有助于AuNPs溶胶的稳定,又可以促使AuNPs以更强的静电吸附作用锚定在UiO-66(+37.3 mV)上。最终合成的UiO-66/AuNPs复合材料的zeta电位为-22.6 mV,意味着复合材料具有优良的分散稳定性。此外, UiO-66/AuNPs基底呈现负电性,可以通过静电吸附作用提升对带正电物质的检测灵敏度,因此,UiO-66/AuNPs基底对阳离子型色素(孔雀石绿、亚甲基蓝和藏红T)具有吸附作用更强[22],使更多的目标分子富集在“热点”周围,获得更强的SERS信号;而对于阴离子型色素(柠檬黄、日落黄和刚果红)会通过静电排斥作用降低热点附近目标物的浓度,造成得到的SERS信号较弱[20]。

图6 AuNPs、AuNPs/TGA、UiO-66和UiO-66/AuNPs的zeta电位图

4 总结与展望

本研究将TGA修饰的AuNPs通过静电自组装法均匀且密集地附着在UiO-66表面,成功制备了UiO-66/AuNPs复合基底。以R6G作为探针分子探究了基底的灵敏度,得到基底的EF=1.1×104。同时, 就基底检测的选择性而言,UiO-66/AuNPs基底对阳离子型色素能够起到更好的SERS效果。Zeta电位的变化说明UiO-66/AuNPs是通过静电自组装而合成的具有良好分散稳定性的胶体,并且带有负电UiO-66/AuNPs基底能够通过能够静电吸附作用进一步提高对阳离子型色素检测灵敏度。综上,UiO-66/AuNPs基底能够选择性增强阳离子型色素的SERS信号,为MOFs材料在SERS检测中应用提供了一条十分可行的思路。