基于近红外光激发h-BN/Au纳米复合材料的恩诺沙星检测

马 慧

（1 山东警察学院公共基础教研部 山东 济南 250200；2 山东大学物理学院 山东 济南 250100）

1 引言

表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS）可以在单分子水平上提供许多超灵敏的分子指纹检测[1-2]，在各种特殊应用中引起了广泛关注[3-5]。在食品、药品和环境检测领域中，催化反应和化学转化的原位超灵敏SERS监测具有潜在的应用价值，特别是其可在许多重要的化学/生物过程中提供单分子动力学的实时信息[6-9]。例如，在Fe3O4@TiO2@Ag-Au NCs[11]或二氧化硅包裹的金纳米粒子（NPs: Nanoparticles）[10]存在下，SERS可以深入监测4-硝基苯硫酚（4-NTP:4-nitrothiophenol）催化还原4-苯胺衍生物（4-ATP：4-anilinederivative）的反应机制。此外，SERS的热稳定性也是SERS技术在现实场景中应用的另一个重要指标。一般来说，在室温下具有高活性的SERS纳米材料基底可能只适用于温和的化学反应。然而，许多催化反应热辅助引起化学键合/断裂不能在常温下进行，并且许多有机化合物化学反应也应置于高温环境中[11-13]。例如，对于金属催化剂上的CO氧化，通常需要较高的反应温度（〉100℃）来减弱CO吸附并促进多相催化反应过程中O2的吸附[14-15]。对于热稳定和高活性SERS光学传感，应考虑两个主要方面进行构建：一方面，纳米基底的耐热性对于开发热稳定的 SERS 系统至关重要，这是由于具有化学活性的金属或半导体纳米结构的材料在高温条件下会遭到破坏，例如单金属Ag、Cu或Al，以及它们的氧化物/硫化物和二维碳化物/碳氮化物等；另一方面，与传统短波长（〈 650nm）的UV-Vis波段诱导的SERS相比，长波段（〉650 nm）的近红外光激发的SERS（Near-infrared SERS，NIR-SERS）具有更高的细胞组织穿透深度和较高信噪比等优势[16]。与此同时，NIR光谱的光子能量较低不仅可以减少待测样品的辐照损伤，还可以有效降低荧光噪声信号、提高信噪比，因此，其在食品、药品和环境监测等领域备受研究人员青睐。

近年来，在功能化h-BN纳米片下，miRNA原位SERS成像已被确立为一种新型治疗诊断平台，可以克服传统治疗和诊断工具的低选择性和灵敏度差的问题。与传统绝缘体如二氧化硅或氧化铝相比，h-BN具有以下几个优点：结晶度高，有利于在金属颗粒负载生长；渗透性差，有利于防止化学物质渗透；绝热材料中导热系数最高。同时，由于具有范德瓦尔斯相互作用的层状晶体结构，h-BN即使在没有任何悬空键或缺陷的一个原子厚度下仍保持高度结晶，而薄层硅或氧化铝具有多晶或非晶结构。此外，块体h-BN（～500 Wm-1K-1）的基面热导率与石墨烯相当，比二氧化硅和氧化铝的相应值高2个数量级[17]。近年来，研究人员将h-BN与Ag[18]/Au[19]纳米颗粒结合，获得了高灵敏度和可重复使用SERS性能。因此，h-BN的高导热系数提高了激光照射时的散热，从而减少了对被分析物的热损伤，但用于高温NIR-SERS的h-BN使用尚未得到充分研究。基于上述讨论，本研究选择具有热稳定性的h-BN作为支撑材料，合成基于h-BN的贵金属复合纳米材料，进而探究基于h-BN的贵金属复合纳米材料对抗生素的检测情况，为食药环中抗生素的定量检测提供实验依据。

2 实验

2.1 试剂及仪器

氯金酸、六方氮化硼（上海阿拉丁生化科技股份有限公司，上海）；氢氧化钠（莱阳市康德化工有限公司，莱阳）；N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、恩诺沙星、结晶紫（上海麦克林生化科技有限公司，上海）；罗丹明6G、甲基蓝、甲基橙（天津市科密欧化学试剂有限公司，天津）。所有试剂均为分析纯，无需进一步处理直接使用。制造和测量中使用的去离子水使用 Millipore 纯化系统（18.2 MΩ cm）制备。

2.2 材料表征

h-BN/Au复合纳米材料制备中使用PLSSXE300/300UV作为氙灯光源，该材料的吸收谱使用紫外—可见光—近红外吸收光谱仪（UV-1800，Shimadzu）进行采集。该复合材料的表面形貌使用聚焦离子束电子显微镜（FIB, Helios G4UC）进行观察。在高分辨透射电子显微镜（TEM，model JEM-2100F）测得微观形貌及晶格特征。此外，利用X射线衍射仪（XRD，Rigaku Smartlab）获得该纳米材料的晶格结构，并采用X射线光电子能谱仪（EACALAB Xi）进行元素分析。利用傅里叶红外光谱（FTIR）仪器（赛默飞IS50）采集样品的傅里叶红外光谱图。通过共聚焦显微拉曼仪收集NIRSERS光谱, 激光波长为 785nm, 到达样品的激光能量为0.75mW，采用Linkam控温池进行温度控制。

2.3 h-BN/Au纳米复合材料的制备

将0.01g的h-BN溶于30mL的NaOH溶液中，超声1h混合均匀。取5mL上述h-BN溶液置于烧杯中，依次加入4mL的NVP和1mL乙醇，超声10min使其混合均匀，再加入HAuCl4（0.05M）搅拌均匀。将上述溶液置于磁力搅拌器上，转速500 rpm，进行氙灯辐照（0min、10min、20min、30min、40min、50min和60min）。将产物进行离心处理，离心速度为7000rpm，10min，所得沉淀是不同Au含量的h-BN/Au纳米复合材料。

3 结果与讨论

3.1 h-BN/Au纳米复合材料的形貌表征

二维材料，如石墨烯[20]、六方氮化硼（h-BN）[21]或过渡金属二卤族化合物（TMDs）[22]及它们的异质堆，因其从超导到大载流子迁移的各种特殊性质而越来越受到人们的关注。众所周知，h-BN的片状结构具有高比表面积、无毒，具有热稳定性优异等特点，是一种很好的空穴受体材料，其中图1（a）展示了h-BN的微观形貌。基于此特性，设计制备了h-BN负载生长Au纳米颗粒，h-BN/Au复合材料充分整合了h-BN和贵金属Au的优点，由于组分之间相互接触产生大量的异质结，加快电子传输，从而有效提高了纳米复合材料的热稳定性。

图1 （a）是原始h-BN 的SEM 图像；（b）、（c）、（d）分别是氙灯辐照不同时间的h-BN/Au 纳米复合材料的SEM 图像

为阻止h-BN快速团聚的趋势，并达到改善其分散性和界面相容性，需要进行h-BN功能化改性。目前，h-BN功能化改性的方法较多，例如利用球磨和超声等手段可以为h-BN修饰上羟基（-OH）、醚键（-OR）、-NH2、烷基（-R）、卤素（-X）和杂原子（C和O）等基团，而这些基团优先与B原子结合。与其他基团改性相比，羟基改性被认为是最具应用前景的h-BN改性方法。因此，在氙灯辐照诱导合成h-BN/Au纳米复合材料之前，先对h-BN功能化进行改性。实验中，将0.01g的h-BN溶于30mL的NaOH溶液中，超声1h混合均匀，经过羟基改性后的h-BN在水中的溶解度可以达到0.2mg/mL，从而极大地拓展了h-BN在复合材料中的应用潜力。为了验证羟基的形成，对原始h-BN、羟基化的h-BN样品进行傅里叶红外光谱（FTIR）测试，结果如图2所示。从FTIR谱图中可以看出，h-BN的810cm-1和1380cm-1两个主特征峰与之前的报道一致[23]。其中，810cm-1特征峰来源于B-N-B键面外振动；1380cm-1特征峰来源于B-N键面内伸缩振动。此外，～3200cm-1特征峰归功于-OH能带。从图2可以看出，羟基化的h-BN的～3200cm-1特征峰加强，从而表明羟基化的h-BN样品表面羟基基团明显增加，h-BN被羟基基团成功改性。

图2 原始h-BN、羟基化的h-BN 的FTIR 谱图

原始h-B N 的形貌通过扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM）进行检测，如图1（a）所示。可以看出，低倍SEM的原始h-BN图像呈现不规则形状。取5mL羟基化的h-BN溶液置于烧杯中，并依次加入4mL的NVP、1mL乙醇溶液和HAuCl4（60μL，0.05M），超声10min使其均匀混合，在氙灯辐照下调控h-BN/Au纳米复合材料。实验中，通过SEM和EDS对氙灯辐照不同时间h-BN/Au纳米复合材料的形貌和组分进行验证，如图1所示。氙灯辐照10min后，与原始h-BN的SEM相比，h-BN材料表面可以发现少量的Au纳米颗粒，具有良好的分散性，其中Au含量约为0.6%，如图1（b）所示。随后，氙灯辐照时间进一步延长至40min和60min，所得产物的SEM形貌表明h-BN表面出现了大量的Au纳米颗粒，其中Au含量分别为1.7%和1.8%，如图1（c）和（d）所示。

为进一步验证SEM的结果，通过TEM对氙灯辐照60min的h-BN/Au纳米复合材料的形貌和结构进行分析，如图3所示。低倍TEM显示了h-BN/Au表面形成了分散的Au纳米颗粒，如图3（a）所示。为分析h-BN/Au纳米复合材料表面的晶格结构，对两个区域（Ⅰ和Ⅱ）的HRTEM图进行分析，如图3（b）所示。可以明显看出Au纳米颗粒嵌入到了h-BN中，对比图像中浅灰色h-BN和深灰色Au纳米颗粒，实验结果发现Au纳米颗粒是随机负载在h-BN纳米表面上。同时，图3（b）放大图中Au纳米颗粒和h-BN具有明显的晶格条纹，其中，h-BN（002）平面的0.332nm的条纹距离，壳层上的另一个0.232nm的晶格条纹恰好与面心立方Au晶体（111）晶面间距相对应。图3（c）显示了TEM的MAPPING元素分布图像，图中给出了h-BN/Au纳米复合材料中B、N和Au的分布，其中Au的相应原子比例约为1.8%，与EDS测试结果基本一致。

图3 （a）和（b）分别是h-BN/Au 的TEM 和HRTEM 图像；（c）是h-BN/Au 的元素映射图

为进一步探究原始h-BN和h-BN/Au纳米复合材料的物质结构，采集该纳米复合材料的XRD数据，如图4所示。图中可清楚地观察到原始h-BN的四个衍射峰，其中26.7°、41.6°、50.1°和54.9°分别对应原始h-BN（002）、（100）、（102）、（004）面，其符合标准卡片（PDF# 45-0896）。然而，在h-BN/Au纳米复合材料的XRD图谱中，除原始h-BN的（002）面，其他3个衍射峰均被新产物的衍射峰掩盖。其中，38.2°、44.4°、64.6°和77.5°分别对应面心立方Au的（111）、（200）、（220）和（311）面，其符合标准卡片（PDF# 04-0784），再一次验证了Au纳米颗粒的形成。

图4 原始h-BN（黑线）和h-BN/Au 纳米复合材料（红线）的XRD 图谱

对原始h-BN和h-BN/Au纳米复合材料进行X射线光电子能谱（XPS）分析，以确定纳米复合材料的元素价态，如图5所示。XPS全谱显示原始h-BN包含元素B、N和C，而h-BN/Au纳米复合材料明显多了Au元素。在对元素进行单独分析前，以C1s位于284.8eV进行峰位校正。图5（b）和（c）分别是原始h-BN和h-BN/Au纳米复合材料中元素B1s和N1s的XPS谱图。相比于原始h-BN，h-BN/Au纳米复合材料单独出现了Au4f图谱，如图5（a）和（d），其中，Au4f由于自旋轨道分裂形成两个峰Au4f7/2和Au4f5/2，这两个峰来源于原子态Au0，从而说明Au在h-BN纳米复合材料中以原子态存在。

图5 原始h-BN 和h-BN/Au 纳米复合材料的XPS：（a）全谱；（b）、（c）和（d）分别是B1s、N1s 和Au4f 的XPS 谱图

3.2 调控h-BN/Au纳米复合材料的Au含量

有效调控h-BN/Au纳米复合材料中Au的相对含量，有利于实现其作为NIR-SERS基底活性的可控调节，因此，通过改变氙灯辐照时间合成了具有不同Au含量的h-BN/Au纳米复合材料。实验中，采用紫外—可见光—近红外吸收光谱对原始h-BN溶液和氙灯辐照不同时间（0～60min）获得的h-BN/Au纳米复合材料进行初步分析，如图6（a）所示。显然，原始的h-BN在400～1000nm波长范围内没有明显吸收峰，溶液为乳白色。在氙灯辐照10min，由于Au纳米颗粒成功负载在h-BN上，500～600nm的谱线出现凸起；随着进一步延长氙灯辐照时间，551nm峰处源于Au纳米颗粒的特征峰变得越来越明显，并且强度不断增强，这种现象是由于随氙灯辐照时间的加长，Au纳米颗粒负载量不断增加；直至60min后，其强度没有发生明显提高，溶液颜色逐渐变为紫色。为进一步验证上述结果，采用EDS测试给出了氙灯不同辐照时间Au负载量的变化曲线，如图6（b）所示。氙灯辐照时间0～30min内，Au负载量呈线性增长至1.5%，30min后Au负载量变化趋势缓慢；当氙灯辐照60min，Au的相对含量为1.8%。因此，通过氙灯对h-BN表面的含氧官能团进行有效激发，从而还原溶液中的Au离子，进而实现Au的负载生长。

图6 （a） h-BN/Au 的吸收谱图；（b）随着氙灯照射时间Au 含量的变化曲线；（c）和（d）分别是氙灯辐照20min和40min h-BN/Au 的TEM 图像

为验证上述推测，对氙灯辐照不同时间所得产物的形貌通过TEM进行分析，图6（c）和（d）分别是氙灯辐照20min和40min所得产物的TEM图像，氙灯辐照60min所得产物的TEM图像如图3所示。氙灯辐照20min的TEM图像显示h-BN纳米片表面有零星分布的Au纳米颗粒。当辐照时间增加至40min，h-BN纳米片表面的Au纳米颗粒变得稠密，而且较均匀地分散在纳米片表面。辐照时间继续增加至60min，Au纳米颗粒堆积在h-BN表面形成团聚。实验结果显示，TEM图像的变化直观反映了h-BN表面Au纳米颗粒的负载量随着激光辐照时间的增长而增加，且前40min内增加较快，随后增加缓慢，渐渐趋于平稳，如图6（b）所示。

3.3 探究h-BN/Au纳米复合材料的NIR-SERS活性

为确定最佳NIR-SERS基底，以CV作为探针分子对氙灯辐照不同时间的h-BN/Au纳米复合材料的NIR-SERS性能进行系统分析，如图7所示。氙灯辐照0min的h-BN/Au纳米复合材料几乎检测不到CV的NIR-SERS谱图，但是其他辐照时间h-BN/Au纳米复合材料样品都可以检测到 CV 分子（10-7M）NIRSERS谱图，其主要的特征峰在730cm-1、914cm-1、1175cm-1、1369cm-1、1586cm-1和1615cm-1[24]，其能够提供非常丰富的“分子指纹”信息。具体而言，1615cm-1和1586cm-1处特征峰来源于环C-C伸缩振动；1369cm-1特征峰与N-苯基拉伸有关；914cm-1处特征峰应该源自自由基取向的环骨架振动；1175cm-1和730cm-1处特征峰对应于环C-H弯曲。观察可见，当氙灯辐照时间从0～30min，h-BN/Au纳米复合材料的NIR-SERE信号强度迅速增强，然而随着氙灯辐照时间继续增长，NIRSERE信号强度持续缓慢增强并在60min保持不变，如图7（a）所示。详细分析结果显示，氙灯辐照时间30min，位于1175cm-1特征峰的NIR-SERS信号强度约17404 a.u.，随着氙灯辐照时间增至60min，位于1175cm-1特征峰的NIR-SERS信号强度约33171 a.u.，约是30min的NIR-SERS信号强度1.9倍，如图7（b）所示。同时，随着氙灯辐照时间增长，1615cm-1、1586cm-1和1396cm-1特征峰的NIR-SERE信号强度变化曲线与1175cm-1特征峰变化趋势一致，如图7（c）所示。上述结构说明，氙灯辐照时间为60min的h-BN/Au纳米复合材料为最佳NIRSERS基底。

图7 以CV 作为探针分子，（a）随着氙灯照射不同时间的h-BN/Au 纳米复合材料NIR-SERS 谱图（下区）和填充图（上区）；（b）1175cm-1 特征峰NIR-SERS 信号强度随着氙灯照射时间变化柱状体；（c）位于1615cm-1、1586cm-1 和1396 cm-1 的特征峰NIR-SERE 信号强度变化曲线

此外，为确定2D材料h-BN负载贵金属纳米颗粒的性能优势，分别对h-BN/Au纳米复合材料、原始h-BN和Au纳米颗粒作为NIR-SERS基底进行对比。图8显示了在h-BN/Au纳米复合材料、原始h-BN和Au纳米颗粒三种基底对应探针分子CV（10-7M）的NIR-SERS谱图。在600～1700cm-1范围内，原始h-BN基底没有明显的NIR-SERS信号，但h-BN/Au纳米复合材料和Au纳米颗粒都显示出明显的CV特征峰。实验数据显示，h-BN/Au纳米复合材料的NIR-SERS信号强度明显高于Au纳米颗粒。其中，在1175cm-1特征峰，Au纳米颗粒的NIR-SERS信号强度约14040 a.u.，而h-BN/Au纳米复合材料的NIR-SERS信号强度约33171 a.u.，其约是Au纳米颗粒的NIR-SERS信号强度2.4倍，如图8（b）所示。同时，1615cm-1、1586cm-1和1396cm-1特征峰的NIR-SERE信号强度柱状图与1175 cm-1特征峰变化趋势一致，如图8（b）所示，从而验证了h-BN/Au纳米复合材料在NIR-SERS应用方面具有明显的优势。

图8 以CV 作为探针分子（10-7M），（a）和（b）分别是h-BN、Au NPs 和h-BN/Au 的NIR-SERS 谱图和特征峰NIRSERS 信号强度柱状图

实验结果显示，h-BN/Au纳米复合材料具有良好的NIR-SERS性能，这是由于h-BN/Au纳米复合材料具有较高的比表面积，可以吸附更多的探针分子，有利于提高NIR-SERS信号强度。众所周知，传统的电磁增强（EM）来源于激光束与等离子体Au、Ag纳米结构之间的相互作用，与半导体和探针分子之间的电荷转移（CT）机制相比，EM增强在改善NIR-SERS信号方面起主导作用。因此，EM增强机制将为h-BN/Au纳米复合材料的整体NIR-SERS增强提供主要贡献。除此之外，具有10～100nm的大规模粗糙度的贵金属Ag、Au纳米颗粒在半导体上产生相对应的长程EM增强[25]，h-BN/Au纳米复合材料独特的长程效应为NIR-SERS增强提供了帮助，贵金属Au产生的电磁场可以增强半导体附近探针分子的拉曼散射。

以最优h-BN/Au纳米复合材料为基底对不同浓度的探针分子CV（10-7M～10-12M）进行NIRSERS探测，如图9所示，NIR-SERS信号强度随着探针分子CV浓度的降低而减弱。详细数据显示，h-BN/Au可以探测CV 分子的浓度低至10-12M。从图9可见，该基底可以实现探针分子CV的低浓度探测，浓度低至10-12M，满足NIR-SERS痕量检测的要求，并且优于之前如gold nanorod/graphene oxide[26]、Pd@AuCu core-shell[27]等报道。与此同时，CV分子浓度在10-7M～10-12M情况下，802cm-1、1175cm-1、1369cm-1、1586cm-1和1617cm-1处特征峰的 SERS信号强度和探针分子浓度之间有着很好的线性关系，如图9（b）所示。其中，1617cm-1处特征峰的线性方程的相关系数R2=0.98，进一步说明该纳米复合材料有利于探针分子精确浓度的灵敏探测。

图9 （a）不同浓度（10-7M～10-12M）的CV 子在h-BN/Au 上的NIR-SERS 谱图；（b）特征峰1617cm-1、1586cm-1、1369cm-1、1175cm-1 的NIR-SERS 信号强度与CV 分子浓度的线性关系

为验证h-BN/Au纳米复合材料的普适性，对不同浓度的染料探针分子R6G（10-7M～10-12M）进行NIR-SERS探测，如图10所示。在NIR-SERS光谱中，R6G分子在612cm-1、772cm-1、1183cm-1、1307cm-1、1363cm-1、1508和1648cm-1处的主要特征谱带均清晰可见。具体而言，612cm-1和772cm-1两个特征峰分别属于C-C-C环的面内振动模式和C-H环的面外弯曲模式；1183cm-1和1307cm-1特征峰分别属于C-H平面内弯模和N-H平面内弯模有关；1363cm-1、1508cm-1和1648cm-1特征峰都是由C-C拉伸模式引起的。同时，R6G分子浓度和SERS信号强度有很好的线性关系，例如，特征峰1648cm-1处的线性方程的相关系数R2=0.99，如图10（b）所示。实验结果显示，在h-BN/Au纳米复合材料基底上，实现了不同浓度（10-7M～10-12M）R6G分子的NIR-SERS信号探测，并且随着探针分子R6G浓度的降低，信号强度呈现很好的线性关系。

图10 （a）不同浓度（10-7M ～10-12M）的R6G 分子在h-BN/Au 上的SERS 谱图；（b） SERS 信号强度随不同浓度的R6G （10-7M～10 -12M）的线性关系

3.4 探究h-BN/Au纳米复合材料的高温NIRSERS稳定性

为验证h-BN/Au纳米复合材料高温稳定的NIR-SERS活性，采用Linkam系统探测分子CV（10-7M）的高温NIR-SERS检测，如图11所示。图11（a）显示从20℃到200℃，每间隔30℃采集h-BN/Au纳米复合材料基底吸附的CV分子NIRSERS信号。实验结果显示，h-BN/Au纳米复合材料基底并没有随着温度的升高而降低NIR-SERS信号强度。802cm-1、1175cm-1、1586cm-1和1648cm-1特征峰的点线图表面，h-BN/Au纳米复合材料在高温情况下具有优异的高温稳定NIR-SERS活性，如图11（b）所示。

图11 以CV 作为探针分子（10-7M），（a）和（b）分别是不同温度下h-BN/Au 的NIR-SERS 谱图和特征峰NIRSERS 信号强度点线图

为进一步验证基于h-BN/Au纳米复合材料的NIR-SERS系统在200℃的耐久性，以CV作为探针分子（10-7M），采集了不同时间的NIR-SERS信号，如图12所示。在200℃情况下，基于h-BN/Au纳米复合材料的NIR-SERS谱图能够持续7天，其NIR-SERS谱图和原始一致，如图12（a）所示。详细数据显示，在200℃情况下，7天后位于1396cm-1的NIR-SERS信号仍可以保留90%的NIR-SERS信号强度。在200℃下，由于h-BN/Au纳米复合材料的显微结构的耐热性，探针分子信号可很好地保留，然而在较长时间内的下降趋势可能是由于探针分子本身的降解引起的[28]。

图12 以CV 作为探针分子（10-7M），（a） h-BN/Au 不同时间的NIR-SERS 谱图；（b）、（c）和（d）特征峰的NIR-SERS 信号强度随时间变化的柱状图（温度：200℃）

为验证高温稳定的h-BN/Au纳米复合材料的普适性，分别采集三种染料分子R6G（10-7M）、MB（10-7M）和MG（10-7M）高温情况下的NIR-SERS图谱，如图13所示。可以看出，R6G、MB和MG随着温度变化的NIR-SERS谱图与探针分子CV的变化趋势相似，如图13（a）、（c）和（e）所示。同时，在温度变化的连续测试中，R6G、MB和MG特征峰NIR-SERS信号强度随着温度变化的点线图进一步表明h-BN/Au纳米复合材料具有较好的高温稳定特性，如图13（b）、（d）和（f）所示。上述结果清晰地表明，获得热稳定的h-BN/Au纳米复合材料具有优异的NIR-SERS活性，以及高温条件下的耐久性。

图13 以R6G 作为探针分子（10-7M），（a）和（b）分别是不同温度的h-BN/Au 的NIR-SERS 谱图和特征峰NIR-SERS 信号强度点线图；以MB 作为探针分子（10-7M），（c）和（d）分别是不同温度的h-BN/Au 的NIR-SERS 谱图和特征峰NIR-SERS 信号强度点线图;以MG 作为探针分子（10-7M），（e）和（f）分别是不同温度的h-BN/Au的NIR-SERS 谱图和特征峰NIR-SERS 信号强度点线图

3.5 恩诺沙星的高温NIR-SERS探测

恩诺沙星是一种合成的具有广谱抗菌活性的氟喹诺酮类抗生素，可有效控制动物体内多种细菌[29]。同时，临床恩诺沙星主要用于治疗各种霉形体病、大肠杆菌、沙门杆菌、嗜血杆菌、丹毒杆菌、葡萄球菌、链球菌等引起的呼吸系统、消化系统、泌尿生殖系统感染、皮肤感染和败血症等，尤其适用于多种细菌引起的混合感染。通常情况下，恩诺沙星储存温度为2℃～8℃，受热分解，因此，尝试将h-BN/Au纳米复合材料作为NIR-SERS基底用于恩诺沙星分子的温度探测。基于最佳h-BN/Au纳米复合材料作为NIR-SERS基底，采集恩诺沙星不同浓度的近红外拉曼光谱图，如图14（a）所示。其中，h-BN/Au纳米复合材料可以检测到恩诺沙星分子NIR-SERS谱图，其主要的特征峰在639cm-1、1396cm-1、1465cm-1、1573cm-1和1624cm-1。具体而言，1396cm-1处特征峰归因于对称O-C-O伸缩；1465cm-1归因于苯环振动；1624cm-1处特征峰归因于C=O伸缩振动。同时，NIR-SERS信号强度随着恩诺沙星分子的浓度降低而降低，恩诺沙星分子的浓度从10-3M降至10-7M，位于1465cm-1特征峰的NIR-SERS强度从28440a.u.降至1788a.u，其线性方程的相关系数R2=0.97。而且，在639cm-1、1396cm-1、1465cm-1、1573cm-1和1624cm-1特征峰的NIR-SERS强度与恩诺沙星分子浓度呈线性关系，从而有利于灵敏检测恩诺沙星探针分子，实验结果如图14（b）所示。为验证该基底的均匀性，在h-BN/Au纳米复合材料基底上随机选取42个点进行NIR-SERS探测，图14（c）下区是其中任意10个点的NIR-SERS谱线，图14（c）上区是其中42个点的NIR-SERS色谱图。从测试结果可以看出，恩诺沙星的谱图颜色几乎恒定，进而表明该h-BN/Au纳米复合材料基底的NIR-SERS信号具有良好的均匀性。

图14 （a）不同浓度（10-3M～10-7M）的恩诺沙星分子在h-BN/Au 上的NIR-SERS 谱图；（b）NIR-SERS 信号强度随不同浓度的恩诺沙星分子（10-3M ～10-7M）的线性关系；（c）恩诺沙星分子（10-4M）在h-BN/Au 上的SERS 颜色填充图（上区）和10 个随机点NIR-SERS 图谱（下区）

采用Linkam系统探测分子恩诺沙星（10-4M）的高温NIR-SERS检测，如图15所示。图15（a）显示从20℃到100℃，每间隔20℃采集h-BN/Au纳米复合材料基底吸附的恩诺沙星分子NIR-SERS信号。实验结果显示，h-BN/Au纳米复合材料基底随着温度的升高而降低NIR-SERS信号强度。实验数据分析可知，在20℃情况下，1465cm-1特征峰的NIR-SERS信号强度为20598 a.u.，当温度到达80℃时，其NIR-SERS信号强度仍可以保留71%。但是当温度持续升高，1465 cm-1特征峰的NIR-SERS信号强度快速下降，如图15（a）和（b）所示。在温度保持在80℃的情况下，图15（c）展示了恩诺沙星分子连续测试结果。对位于1396 cm-1处特征峰的NIR-SERS随着时间变化进行谱图采集，如图15（d）所示，实验数据分析显示，在80℃情况下，位于1396cm-1的NIR-SERS信号强度约是其常温下的84%。从图15（b）可以明显观察到，特征峰1396cm-1的NIR-SERS信号强度随着时间增长快速下降，直至第9min，在谱图中找不到其特征峰的强度了。因此，具有热稳定性的h-BN/Au纳米复合材料NIR-SERS基底可以实时检测恩诺沙星分子随温度变化情况，为高温检测抗生素的变化提供了实验依据。

图15 以恩诺沙星作为探针分子（10-4M），（a）和（b）分别是不同温度的h-BN/Au 的NIR-SERS 谱图和特征峰NIR-SERS 信号强度柱状图；在80℃情况下，（c）和（d）分别是不同时间的NIR-SERS 谱图和特征峰信号强度变化曲线

4 结论

本研究成功合成了h-BN/Au复合纳米材料，实现了一种具有热稳定和高活性NIR-SERS传感器。通过调控h-BN/Au纳米复合材料Au的含量，进一步提高了其NIR-SERS活性，实现基底对探针分子CV和R6G低浓度检测限，浓度都低至10-12M，满足NIR-SERS痕量检测的超灵敏要求。与单金属Au纳米结构相比，h-BN/Au纳米复合材料在200℃的高温下表现出优异的热稳定性，并且约90%的NIRSERS活性可以很好地保持7天。同时，h-BN/Au纳米复合材料对不同染料分子（CV、R6G、MB、MB）进行了高温稳定NIR-SERS分析，说明基底具有普适性。

本研究合成的h-BN/Au纳米复合材料实现了对抗生素恩诺沙星的探测，且恩诺沙星的NIR-SERS信号强度与恩诺沙星浓度（10-3M～10-7M）之间表现出良好的线性关系。此外，该基底成功检测了探针分子恩诺沙星随温度的NIR-SERS变化。因此，具有高活性和热稳定性的h-BN/Au纳米复合材料基底对生物医药中恩诺沙星微量检测提供了实验依据，有利于促进NIR-SERS在食药环中的应用。