基于分子印迹的高选择性表面增强拉曼纳米探针制备及其在环境污染物快速检测中的应用

杨圆圆，李原婷

(上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201418)

随着化学工业的发展，许多新兴化学品相继出现，如抗生素、增塑剂、全氟化合物、新型阻燃剂、兴奋剂等。它们被人类大量使用，在环境中广泛存在，但却缺乏相应的检测标准；且新兴化学品可以通过多种途径进入环境与人体，有潜在的生态和健康威胁。水体新兴污染物(emerging contaminants,ECs)水溶性高，在环境水体中含量较低，并且部分ECs是结构类似物，因此对其的有效分离和分析是极大的挑战。目前，ECs的主流检测手段有HPLC-MS/MS(高效液相色谱-质谱联用)和GC-MS(气相色谱-质谱联用)等[1-2]。但是此类方法通常具有检测设备昂贵、设备不方便携带、需要复杂的样品预处理步骤和检测耗时长等不足，因而亟需开发选择性高、灵敏度好、且简单、快速、便于携带的ECs分析技术。

表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)作为一种新兴的分析技术，可以快速原位获取分子的“指纹”光谱，检测灵敏度高，且仪器便携，适用于新兴污染物的现场快速检测[3-4]。但是由于实际样品基体往往十分复杂，目标污染物的结构类似物较多，或者在样品中含量非常低，因而要求分析方法有较好的抗干扰能力和较高的灵敏度[5]。而分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer,MIP)技术的原理是，当模板分子(目标分子)与聚合物相结合，会形成多重作用位点并被“记忆”下来，当模板分子去除后，MIP中就形成与模板分子空间构型和尺寸相匹配的空穴，因而对模板分子具有高度选择识别特性，能在复杂基体中特异性分离和识别出目标物[6-7]。因此，将MIP与SERS技术相结合，能有效提高分析方法的分离富集能力和检测选择性[8-10]。

在现阶段的研究工作中，本课题组制备了一系列基于MIP技术的高选择性SERS纳米探针，并将其应用于水体污染物的快速检测中。首先利用绿色的电化学制备技术，将修饰于丝网印刷电极(SPE)表面的薄层二硫化钼(MoS2)进行电化学还原，得到还原态二硫化钼修饰电极(rMoS2/SPE)。电化学还原法制备的rMoS2可迅速将正六价的氧化态Mo还原成正四价的还原态Mo，并且将氧化态二硫化钼上所附带的氧化基团彻底除去，稳定其结构，从而进一步增加比表面积、电导率和电子转移速率，提高修饰电极的导电能力。进一步采用循环伏安法同时电聚合邻苯二胺单体，模板分子和电还原SERS活性的金纳米颗粒(AuNPs)，一步形成三维多孔结构的分子印迹SERS探针AuNPs-MIP/rMoS2/SPE。将该探针中的模板分子洗脱后，即可形成与模板分子空间构型相匹配的识别位点(见图1)。该纳米探针制备过程简单快速，聚合物膜厚度可控，稳定性高，重复性好。将该探针应用于兴奋剂类物质茶碱的定性定量分析，检出限低至10-11mol/L。在复杂的实际样品体系中，可可碱和咖啡因等结构类似物常与茶碱共存，容易形成干扰。当不同浓度比例的茶碱与咖啡因和可可碱共存时，分子印迹SERS纳米探针相较于非印迹的探针表现出更低的光谱干扰。此探针制备方法有望拓展至其它分子印迹-SERS基底的制备，该成果已发表在MicrochimicaActa上[11]。

图1 便携式AuNP-MIP/rMoS2/SPE纳米探针制备及检测茶碱示意图[11]Fig.1 Schematic illustration of fabricating portable AuNP-MIP/rMoS2/SPE nanoprobe for determination of theophylline[11]

同时，课题组致力于寻求新的分子印迹功能单体，并开发新型MIP-SERS探针的合成方法。多巴胺(DA)作为一种天然的功能单体，在碱性和溶解氧条件下容易自聚形成聚多巴胺(PDA)，反应条件温和，生物相容性好，制备过程中无需引入交联剂和引发剂等其他有机试剂。此外，通过控制聚合时间，单体浓度等条件，可有效控制PDA膜厚度，是一种理想的分子印迹聚合材料[12]。更有趣的是，PDA表面富含羟基和羧基等基团，可以在PDA膜表面原位还原金属纳米颗粒，而无需预合成贵金属纳米颗粒，避免了还原剂等有机试剂的加入，大大简化了制备流程[13]。利用PDA的优势，我们提供了一种新型PDA分子印迹SERS纳米探针的制备方法(见图2)。利用多巴胺的自发聚合特性，将DA与3种邻苯二甲酸酯类(PAEs)模板分子在碱性溶解氧条件下匀速搅拌自聚，得到多种在SPE表面生长的PDA基分子印迹聚合物纳米颗粒(MIP-PDA)。通过合理控制DA浓度、聚合时间和温度，可以有效调控MIP-PDA层的厚度及空穴分布密度，显著提高该分子印迹纳米探针的吸附动力学性能。MIP-PDA中的模板分子通过超声进行洗脱，形成具有特异性识别的位点。随后，利用PDA表面的氨羟基官能团，在其表面原位还原生长金纳米颗粒，得到基于金纳米颗粒/聚多巴胺分子印迹聚合物纳米探针(AuNPs/PDA-MIP)，并实现了对PAEs的选择性富集和识别。制备得到的AuNPs/PDA-MIP纳米探针对于邻苯二甲酸二甲酯(DMP)的检测限低至10-10mol/L，其SERS信号的增强远远超过非印迹纳米探针(AuNPs/PDA-NIP)，见图3(a)。吸附动力学研究表明，该纳米探针可在10分钟内迅速达到吸附平衡，使其在短时间内有效与DMP进行特异性结合，见图3(b)。同时，该纳米探针表现出良好的重复性，见图3(c)，在贮存15周后对DMP的检测仍具有优异的稳定性，见图3(d)。这种绿色环保的制造方法有望用于合成高性能的传感基底、吸附剂或催化剂中，并且在环境监测、食品安全和国土安全方面具有巨大的应用潜力。该成果目前已发表在ChemicalEngineeringJournal上[14]。

图2 AuNPs/PDA-MIP纳米探针的制备过程及检测邻苯二甲酸酯类示意图[14]Fig.2 Schematic illustration of the preparation process of AuNPs/PDA-MIP nanoprobes for determination of phthalates[14]

图3 (a)不同基底材料吸附1.0×10-5 mol/L DMP溶液后的SERS光谱图(b)AuNPs/PDA-MIP与AuNPs/PDA-NIP的吸附动力学曲线 (c)吸附1.0×10-5 mol/L DMP后，在AuNP/PDA-ir-MIP/SPE任意选取20个不同位置记录连续测量的SERS光谱 (d)AuNPs/PDA-MIP贮存0-15周后检测的稳定性柱状图[14]Fig.3 (a) SERS spectra of the different substrate materials after adsorption of 1.0×10-5 mol/L DMP (b) The adsorption kinetic curves of AuNPs/PDA-MIP and AuNPs/PDA-NIP,respectively (c) Successively measured SERS spectra on 20 different positions of AuNP/PDA-ir-MIP/SPE after adsorption of 1.0×10-5 mol/L DMP (d) The stability histogram of AuNPs/PDA-MIP after the storage of 0-15 weeks[14]

上述MIP-SERS纳米探针的制备方法操作简单，不需要引入交联剂、引发剂和还原剂等有机试剂，能够降低成本且环境友好，解决了现有技术制备过程繁琐，方法识别能力有限或需进行样品前处理等问题。制备得到的纳米探针能实现对目标分子的高选择性高灵敏检测，结合便携式拉曼光谱仪，能满足现场高通量的实际检测需求。在未来的研究工作中，MIT-SERS纳米探针有望与其他分析技术联用，如微流控(Microfluidics)[15]、电化学富集(EP)[5]或固相萃取(SPE)技术[16]等，从而进一步优化分析技术的样品预分离能力，有效提高MIP-SERS纳米探针的选择性吸附和检测能力，为实际环境样品中污染物的快速分离分析提供更优异的技术手段。