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lican8341的博客

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日志

 
 

基于银镜的高灵敏表面增强拉曼光谱基底制备及其用于呋喃唑酮检测  

2015-06-20 23:15:41|  分类: 抬头望见北斗星— |  标签: |举报 |字号 订阅

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【摘要】  采用化学沉积法制备了表面增强拉曼散射光谱(SERS)银镜基底,用NaCl溶液与HCl溶液除去银镜表面杂质后,通过扫描电子显微镜对基底进行了表征,表明该基底表面的银纳米粒子平均粒径约为200 nm,以对巯基苯胺为探针分子测得其增强因子为4.6×105。利用表面增强拉曼光谱及表面吸附选择定律研究了广谱抗菌药呋喃唑酮在该基底表面的吸附状态,证明呋喃唑酮分子主要是通过CN吸附于银纳米粒子表面的。

【关键词】  银镜; 对巯基苯胺; 呋喃唑酮; 表面增强拉曼光谱

 1 引 言

  呋喃唑酮(Furazolidone, FZ),又名痢特灵,是一类广泛应用于医药、畜牧以及水产养殖的广谱抗菌药。由于呋喃唑酮具有很强致癌性,已被美国、欧盟等多个国家和地区禁用。目前,检测呋喃唑酮残留的方法主要有比色法、薄层色谱法、气相色谱法、反相高效液相色谱法、气相色谱质谱联用和液相色谱质谱联用等[1],这些方法前处理复杂, 繁琐耗时, 成本贵, 操作技术要求高。

  拉曼光谱技术是以拉曼效应为基础建立起来的以光子为探针、具有实时无损快速检测特点的分子结构表征技术,其中表面增强拉曼散射光谱(SERS)技术源于痕量分子吸附于Cu, Au, Ag等金属溶胶和电极表面, 其拉曼信号可增强104~1015倍[2]。王梅等[3]以苯硫酚为探针分子研究了AgAu合金纳米粒子的SERS效应。在表面增强拉曼光谱的研究过程中,基底的选择至关重要。获得高活性以及良好重现性的基底是实验成功的关键所在。

  本研究基于银镜反应原理,在玻片上镀了一层粗糙的银膜,用NaCl溶液与HCl溶液有效去除银镜表面杂质后,作为SERS基底,对呋喃唑酮在银镜表面的拉曼光谱进行了分析研究。结果表明,呋喃唑酮在银镜表面拉曼信号明显增强,由于所采用的基底制备方法相对比较简单, 成本低廉, 快速,所制备的基底重现性好, 背景干扰低, 灵敏度高,可望应用于其它只能与银纳米粒子发生弱相互作用的探针分子的表面增强拉曼光谱研究。

  2 实验部分

  2.1 仪器与试剂

  LEO21530型扫描电子显微镜(SEM);inVia共焦显微激光拉曼系统(英国Renishaw公司)。呋喃唑酮(FZ)与对巯基苯胺(PATP)纯度为99.9%,购自Sigma公司;其它试剂均为分析纯,实验用水均为超纯水。

  2.2 实验方法

  采用葡萄糖化学还原AgNO3的方法[4]将银纳米粒子沉积于洁净玻片上,通过控制反应时间,制备合适粗糙度的银镜基底。将4片银镜基底先分别用超纯水、3% H2O2, 0.001 mol/L HCl及0.001 mol/L NaCl 溶液冲洗,再用超纯水冲洗,自然晾干后进行拉曼光谱测试。

  配制一定浓度的PATP乙醇溶液和FZ丙酮溶液,用微量移液器分别吸取5 μL上述溶液均匀滴在银镜基底上,在空气中自然晾干,形成液膜,以633 nm HeNe激光器为激发光源,分别采用1% 和10% 激光功率,累积照射时间10 s,采集拉曼信号。

  3 结果与讨论

  3.1 银镜基底的背景处理

  图1为用不同溶剂处理后的银镜基底背景拉曼光谱。由图1可知,仅用超纯水清洗的银镜表面, 有许多杂乱的谱峰出现。 图1 用不同试剂洗涤后的银镜的拉曼光谱

  Fig.1 Raman spectra of silver mirror after washed by different regeants

 A. H2O; B. H2O2; C. HCl; D. NaCl.其中241 cm-1为AgCl的特征峰[5],而代表非晶碳的1361和1580 cm-1[6]非常明显,说明葡萄糖或аC通过静电力与Ag+发生作用吸附于银镜表面,仅仅用超纯水冲洗是无法除去的,这些残留物会对检测一些仅通过与Ag+发生弱相互作用的物质的表面增强拉曼产生干扰;用H2O2清洗的银镜表面虽然消除了非晶碳的杂峰干扰,但在611及917 cm-1处出现Ag2O的两个强振动峰,同样干扰分析结果;而用0.001 mol/L HCl及0.001 mol/L NaCl溶液清洗的银镜表面,由于Cl-能够与Ag+发生比аC与Ag+更强的相互作用,而将葡萄糖或аC 除去[7],仅在245 cm-1处出现一个对应AgO和AgCl的振动峰,不影响分析结果。

  3.2 银镜基底增强因子的计算

  本研究以PATP为探针分子,对所制备的银镜基底的增强因子(EF)按下列公式进行了估算[8]:

  EF=(ISERS/NSERS)/(INR/NNR)(1)

  其中, ISERS和INR分别为0.001和1.0 mol/L PATP乙醇溶液中的1078 cm-1峰强度, 图2 PATP的拉曼光谱

  Fig.2 Raman spectra of PATP

  A. 1.0 mol/L PATP常规拉曼谱(Normal Raman spectra(NRS) of 1.0 mol/L 4aminothio phenol(PATP)); B. 1.0 mmol/L PATP SERS谱(Surface enhanced Raman spectra(SERS)); C. PATP固体粉末常规拉曼谱(NRS of PATP powder)。NSERS和NNR分别为对PATP的SERS和正常拉曼光谱有贡献的分子数。经过一系列估算步骤[9],得到以下简式:

  EF=8.43×103×(ISERS/INR)(2)

  对图2中的曲线A与曲线B的1078 cm-1处谱峰进行拟合,得到其相对积分强度分别是21316和391。利用式(1)计算得该银镜基底增强因子EF=4.6×105。根据图2B中1.0 mmol/L PATP位于1078, 1142, 1190, 1303和1579 cm-1 处的SERS谱峰与图2C中PATP固体拉曼谱峰相比均有不同程度的频移,同时位于1190, 1303和1579 cm-1 等处的SERS谱峰与PATP固体拉曼谱峰相比也有不同程度的展宽的现象,表明此基底的SERS增强机制是化学增强和电磁增强共同起作用的结果。

  3.3 银镜基底的表征

  基底材料只有在其表面被粗糙化后,才能显示出增强效应。通常宏观粗糙度粒子在20~500 nm范围内、亚微观粗糙度粒子在5~20 nm范围内有一定增强效应。图3为银镜反应制备的SERS活性基底的扫描电镜(SEM)照片。由图3可见,以葡萄糖为还原剂,通过银镜反应在玻璃基底上建构的银纳米粒子是近似球形的,其平均粒径约为200 nm,每个纳米粒子并不是单分散的,相互之间存在接触甚至重叠,基底吸附呋喃唑酮后其形貌与粒径没有明显改变。

  3.4 FZ的表面增强拉曼光谱与常规拉曼光谱

  呋喃唑酮(3{[(5硝基2呋喃基)亚甲基]氨基}2唑烷酮)的分子结构式为。

  图4B是FZ粉末的正常拉曼光谱,图4C是FZ分子吸附在银纳米粒子表面的SERS谱。图4中的拉曼峰的频率及指认如表1所示 。表1 呋喃唑酮的主要振动峰及其归属 比较图4 B和图4C可见,FZ在银镜上的SERS光谱与其常规拉曼光谱的主要峰位置基本一致。其中一些峰有一定频移, 图4 A. 背景拉曼光谱; B. 呋喃唑酮粉末的常规拉曼光谱; C. 1.0×10-5 mol/L呋喃唑酮溶液的SERS谱

  Fig.4 A. Raman spectra of background; B. NRS of furazolidone powder; C. SERS of 1.0×10-5 mol/L furazolidone说明其与银镜未发生任何化学作用,是靠范德华力和静电引力吸附于银镜上。其中图4B中1239, 1377, 1610 cm-1处的峰在图4C中均有明显增强,而805, 1021, 1172和1342 cm-1处的峰在图4C中增强较小。根据表面吸附选择原则[10],可以推断呋喃唑酮是通过CN吸附于银纳米粒子表面的。由于呋喃唑酮浓度为1.0×10-5 mol/L时, 其常规拉曼光谱信号非常弱, 几乎检测不到, 而其SERS光谱的强度明显增强。

  结果表明, 本实验成功地制备出具有SERS活性的银镜基底, 该基底的表面颗粒较均匀,增强效果明显。以PATP为探针分子测得该基底的SERS增强因子为4.6×105,对比PATP的SERS谱峰和PATP固体粉末的拉曼谱峰的差别,发现该银镜基底的SERS增强机制是化学增强和电磁增强共同起作用的结果。呋喃唑酮通过CN吸附于银纳米粒子表面,获得了良好的增强效果。

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