基于双硫腙修饰银纳米材料的铅离子循环表面增强拉曼检测

郭艳艳，田怀香，李原婷，李丹*

(1.上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201418；2.上海应用技术大学 香料香精化妆品学部食品科学与工程系，上海 201418)

1 引言

随着人们生活水平的不断提高，环境检测方面受到了大家的广泛关注，特别是对环境中重金属污染物的检测。铅离子是严重污染环境危害人类健康的有毒重金属元素[1-3]。它通过空气、水和食物进入我们的身体系统。铅的毒性已被广泛研究。铅(Pb2+)与酶或蛋白质中的-SH基团结合，起到酶抑制剂的作用。铅会干扰钙的代谢并沉积在骨骼中[4-5]。有机铅化合物如四甲基铅，因毒性很强容易穿过皮肤和粘液膜被人体吸收[6]。急性铅中毒会严重损害肾脏、肝脏、大脑、生殖系统和中枢神经系统，有时甚至会导致死亡[7-8]。轻度铅中毒会导致贫血、头痛和肌肉酸痛，受害者可能会感到疲劳和易怒。所有这些发现引起了人们对公众健康的极大关注。对于一般人群，铅暴露的主要来源是通过饮用水，根据国际世界卫生组织(WHO)和环境保护署(EPA)的规定，饮用水中Pb2+的最大允许浓度为10μg/L和50μg/L[9]。因此，建立高准确性、高特异性、简单快速的检测和监控 Pb2+的方法，对于环境污染控制和人类健康都具有及其重要的意义。铅痕量分析最常用的分析方法包括原子荧光光谱法[10]、二硫腙比色法[11]、火焰原子吸收法[12]、气相色谱-质谱法[13]、电感耦合等离子体质谱法(ICP)[14]等。但这些方法价格昂贵、耗时、且需要熟练的操作，尤其是采用ICP技术。因此，需要寻找便宜，耗时较少的简单快速分析检测铅离子方法。

表面增强拉曼散射(SERS)传感器由于大量的“指纹”信息、便携、可用于现场的定性、定量分析等优势常被用作监控和检测重金属铅离子的有力工具[15-16]。另外，AgNPs可以作为SERS检测的优良底物，提供丰富的分子振动信息[17]，可对污染物进行现场监测。双硫腙是一种重要的金属的痕量分析试剂，与大量的金属离子形成水不溶性有色络合物，广泛用于萃取分光光度法测定重金属离子[18]，但用双硫腙修饰纳米颗粒测定铅离子报道很少。

基于上述问题，本研究利用双硫腙结构具有巯基、偶氮基,并且能与重金属离子螯合等特性，将其修饰在纳米颗粒上用SERS 技术对重金属铅离子进行检测。同时利用对双硫腙进行氧化和还原可实现对铅离子的循环检测。这为开发适合SERS检测的其他重金属离子低成本、快速、可循环检测方面提供了有利的参考。

2 实验方法

2.1 主要仪器与试剂

2.1.1仪器

电子秤，785 nm便携式拉曼光谱仪，透射电镜(TEM)，759 S紫外可见分光光谱仪，pHS-25 pH计。

2.1.2试剂

双硫腙(98%)，氯仿(99.8%)，盐酸羟胺(99%+)，硝酸铅(99%)，过氧化氢(30%)，硝酸银(99%)，硼氢化钠(NaBH4)(98%)，柠檬酸三钠(TSC)(98%+)，实验用水为去离子水，双硫腙-三氯甲烷溶液：准确称取 0.05 g 双硫腙粉末溶解于三氯甲烷，用 100 mL 的容量瓶定容，制成 0.5 g/L成的双硫腙储备液，并放置冰箱中(4℃)保存。

铅标准溶液：准确称取0.1598 g 硝酸铅，加入10 mL 1%硝酸，全部溶解后移入100 mL容量瓶，加水稀释至刻度，此溶液每毫升相当于1 mL铅，用时稀释至相应的倍数。

2.2 实验方法

2.2.1制备银纳米颗粒

银纳米颗粒的合成方法采用修订的方法[19]，首先在25 mL纯水中加入62.5 μL 0.1 M硝酸银，然后将62.5 μL的0.1 M柠檬酸三钠添加到所得的溶液中，并在室温下恒定搅拌下混合30 min。然后，将1.5 mL 0.005 M硼氢化钠快速加入到溶液中，颜色立即变为浅黄色，将所得产物剧烈搅拌2 h。最后变为琥珀色，表示银纳米粒子的形成。

2.2.2制备H2Dz修饰的银纳米颗粒(AgNPs@H2Dz)

取10 μL 1 mM的H2Dz氯仿溶液加到10 mL的AgNPs溶液中室温下在黑暗条件下混合孵育30 min，然后离心除去多余未结合的H2Dz。在对溶液用氯仿进行超声分散，在4℃冰箱中保存。

2.2.3H2Dz修饰的银纳米颗粒(AgNPs@H2Dz)的氧化过程

取10 mL制备好的AgNPs@H2Dz加入0.1 M过氧化氢10 μL混合均匀，室温下反应6 h，溶液由浅绿色转化为浅黄色萃取过滤除去上清液在4℃保存备用。

2.2.4 H2Dz修饰的银纳米颗粒(AgNPs@H2Dz)的还原过程

取10 mL上述氧化过的AgNPs@H2Dz加入1 M盐酸羟胺10 μL混合均匀，室温下反应6 h，溶液由浅黄色转化为浅绿色。对此溶液进行萃取分液保留下层溶液在4℃保存备用。

2.3 拉曼检测

采用便携式拉曼光谱仪(BWS 415，B&W Tek Inc.，美国)进行SERS测量，分辨率为5 cm-1，光束直径为10 mm。采用了一条波长为10 mW的785 nm激光谱线。将不同浓度的Pb2+溶液加入到AgNPs@H2Dz体系中室温下混合均匀。然后，在最适条件下，将混合物的10 μL滴在硅片上。采集SERS信号。为了应用于Pb2+的SERS检测，选择了20 mW的激光功率、20 s的积分时间内记录了光谱。

2.4 实际样品检测

为了评估制备的基底的实际应用价值,我们利用 SERS对环境中实际水样品中的 Pb2+进行检测。利用标准加入法将 Pb2+标准溶液加入自来水样品中测定回收率。取自来水、瓶装水、河水为检测目标，向其中加入Pb2+标准溶液。自来水取自实验室，瓶装水是从超市购买的。河水样本取自新安江下游河段。环境样品溶液用0.22 μm膜滤器去除水样中的不溶物，按照实验方法对实际样品通过SERS光谱进行检测。

3 结果与讨论

3.1 材料的表征

3.1.1材料的TEM表征

首先利用透射电子显微镜(TEM)对制备的双硫腙修饰的银纳米颗粒的形貌进行了表征(图1)。图1a即为双硫腙修饰的银纳米颗粒(H2Dz@AgNPs)的TEM 图。从图中可以看出，该功能材料形貌为球形且分散均匀，形貌相对均一。加入铅离子后得到图1b，由于双硫腙与铅离子发生络合作用，使得该功能化材料发生明显的聚集。

图1 加入铅离子前(a)后(b)的双硫腙修饰的银纳米颗粒TEM变化图Fig.1 TEM changes of dithizone-modified silver nanoparticles before(a)and after(b)adding lead ions

3.1.2材料的紫外表征

其次利用双硫腙与铅离子络合形成红色络合物，用紫外可见吸收光谱对制备的双硫腙修饰的银纳米颗粒(AgNPs@H2Dz)和 AgNPs-H2Dz-Pb2+进行表征分析，结果如图2 所示。从图中可以看出，用双硫腙修饰银纳米颗粒后608 nm处出现双硫腙的特征吸收峰，同时423 nm AgNPs的特征吸收峰红移至435 nm，说明双硫腙成功修饰到了银纳米颗粒上。加入铅离子后在 516 nm处出现新峰，同时608 nm处吸收峰降低，说明铅离子与双硫腙发生了络合反应。

图2 双硫腙-银(黑色线)和加入铅离子后的双硫腙-银(红色线)的紫外吸收Fig.2 UV-Vis of AgNPs@H2Dz (black curve)and with the presence of Pb2+ (red curve)

3.1.3材料的拉曼表征

拉曼光谱因其激光光源单一，不发生光致猝灭，可以提供高分辨的指纹信息，与紫外和荧光光谱相比有很多的优势。故而利用表面增强拉曼光谱仪对制备的银-双硫腙体系和加入铅离子后的银-双硫腙体系进行分析，结果如图3所示。从图中可以看出，加入铅离子后，由于铅离子与双硫腙发生络合反应使得银-双硫腙体系在565 cm-1处出现新的拉曼特征峰[20]。图4是银-双硫腙-铅体系结合的示意图。当双硫腙被氧化后无法与金属铅螯合，565 cm-1处的拉曼特征峰消失，当双硫腙被还原时，565 cm-1处的拉曼特征峰又出现。

图3 拉曼表征图。a双硫腙修饰的银纳米颗粒(黑色线);b加入10 μL 5 μM的铅离子(红色线)Fig.3 Raman spectra of a AgNPs@H2Dz (black curve)and b with the presence of 10μL 5μM Pb2+ (red curve)

图4 双硫腙修饰的银纳米颗粒检测铅离子的示意图。Fig.4 Schematic illustration of detection of lead ions on silver nanoparticles modified with dithizone

3.2 反应条件的优化

3.2.1 反应温度的优化

取0.1 μM的标准铅离子按照上述实验方法加入到银-双硫腙体系中，分别考察了温度分别在5℃，10℃，13℃，18℃，25℃，30℃，37℃，43℃，46℃，50℃的络合温度对铅-双硫腙络合物拉曼峰影响。结果如图5a所示,从图中可以看出随络合反应温度的增加，565 cm-1处的拉曼峰强度呈现先增大后下降的趋势，在30℃达到最大值，故而本实验选择30℃作为最佳检测温度。

3.2.2反应时间的优化

同样方法考察了时间分别为0.5 min，1 min，1.5 min，2 min，2.5 min，3 min，3.5 min，4 min，4.5 min，5 min的络合时间对铅-双硫腙络合物拉曼峰影响。结果如图5b所示,从图中可以看出随络合反应时间的增长，565 cm-1处的拉曼峰强度逐渐增强，当络合反应时间在3 min时拉曼峰强度达到最大值，此后随着时间的继续延长拉曼强度基本不变，故而本实验选择3 min作为最佳检测时间。

3.2.3反应的pH优化

此后考察了pH为7.0，7.3，7.6，7.9，8.2，8.5，8.7，8.9，9.0，9.5时铅-双硫腙络合物的拉曼光谱峰，结果如图5c所示。从图中可以看出络合物铅-双硫腙在565 cm-1处的拉曼峰具有先增大后下降的趋势。当pH低于8.5时，铅-双硫腙络合反应不完全，或者其显色化合物被分解导致拉曼峰强度较低；当pH高于8.5时，Pb2+有可能会产生Pb(OH)2沉淀或PbO22-不与双硫腙发生络合反应导致在565 cm-1处的拉曼峰比较低。故本实验选择pH 8.5作为最佳pH检测条件。

图5 条件实验：(a)温度影响；(b)时间影响；(c)pH影响Fig.5 Condition experiment:(a)Temperature influence;(b)Time influence;(c)pH influence

3.3 基于H2Dz@AgNPs-Pb2+体系的SERS定量检测

分别取一系列的铅离子标准溶液(0～10 μM)在最优实验条件下根据实验方法测其拉曼光谱(图6a)。由图6b可知，随着铅离子浓度的增加，归属于双硫腙-铅络合的共振拉曼峰信号强度逐渐增强。铅离子浓度在1 nM～10 μM范围内565cm-1处的拉曼峰强度呈现良好的线性关系，说明在这个浓度范围内可以对铅离子进行定量分析。线性回归方程为Y=426.94X+5886.9，其中Y代表565cm-1处拉曼峰强度，X代表铅离子浓度对数，相关系数R2=0.9975，其检出限为0.35 nM。

图6 (a)加入不同浓度的铅离子后(a-i代表铅离子浓度0-10μM)银-双硫腙-铅体系的SERS光谱，(b)Log[c(Pb2+)]与峰强度之间的线性关系Fig.6 (a)After adding different concentrations of lead ions(0～10 μM)the SERS spectrum of the silver-dithizone-lead system,(b)the linear relationship between Log[c(Pb2+)] and peak intensity

3.4 干扰离子影响

根据实验方法探讨了不同金属离子对Pb2+-AgNPs@H2Dz体系的干扰情况，在最优化的条件下，我们选择浓度为 10-4mol/L 的不同金属离子(Mn2+、Mg2+、Ca2+、K+、Zn2+、Na+、Ba2+、Cu2+)存在条件下对测定结果的影响，结果见图7所示，只有Pb2+在565 cm-1处有较强的拉曼峰。其他金属离子对铅离子的检测结果无影响。因此，我们得出结论，该功能化材料可以避免大多数常见金属离子的干扰，对二价铅离子的检测具有高选择性。

图7 (a)不同干扰离子对体系的影响拉曼光谱图;(b)不同干扰离子对体系在565 cm-1处的影响柱状图Fig.7 (a)The influence of different interfering ions on the system Raman spectrum,(b)the histogram of the influence of different interfering ions on the system at 565 cm-1

3.5 可循环性检测实验

为了验证此方法可循环检测铅离子，我们选择在同一样品中按照实验部分加入过氧化氢对基底进行氧化，加入标准浓度铅离子后检测其拉曼信号得到图8a中的1，3，5，7由于双硫腙被过氧化氢氧化后失去两个氢，从而失去酸的性质，不与铅离子发生螯合作用，565cm-1处的拉曼峰消失。接着对此样品按照实验部分加入盐酸羟胺进行还原检测其拉曼信号得到图8a中的2，4，6，8由于盐酸羟胺具有还原性，使被氧化失氢的双硫腙恢复与金属铅的螯合能力，565 cm-1处的拉曼峰又出现。从而此功能材料可以实现对铅离子的循环检测。

图8 (a)银-双硫腙-铅体系的循环检测拉曼光谱图;(b)拉曼强度在565cm-1处的4组循环图Fig.8 (a)Silver-dithizone-lead system cycle detection Raman spectrum,(b)4 sets of cyclic graphs with Raman intensity at 565cm-1

3.6 实际样品的检测

实验选择自来水、瓶装水和河水依照本实验的方法对实际样品中的铅离子进行检测，结果表明收集到的水样中没有 Pb2+存在。用 1 μmol/L和5 μmol/L的Pb2+标准液对自来水、瓶装水和河水进行加标并用SERS进行检测。如表1 所示，测试水样中的铅离子浓度结果如表1所示。数据表明，加标的回收率为91.6%～106.8%，SERS传感器的相对标准偏差在4.1%～7.9%之间，检测结果与ICP-OES结果一致。结果说明此方法适用于检测样品中的Pb2+，且具有较高的准确性和可靠性。

表1 使用双硫腙修饰的银纳米颗粒测定实际水样品中的铅离子Table 1 Determination of Pb2+ in water samples using the dithizone-modified AgNPs

4 结论

本研究基于铅与双硫腙能形成的淡红色双硫腙-铅络合物的作用，制备了一种双硫腙-银纳米粒子为基底材料，通过表面增强拉曼散射技术，在络合温度为30℃、时间为3 min、pH为8.5等条件下，二价铅离子的浓度在1 nM～10 μM范围内565 cm-1处的拉曼峰强度呈现良好的线性关系，其检出限为0.35 nM。并成功实现了实际水样中的铅离子的特异性检测。基于双硫腙氧化失氢无法与金属铅离子络合原理，制备的功能材料在实现重金属铅离子高的拉曼活性检测的同时还可进行循环检测。功能材料制备方法简单，检测成本低，可循环检测等优点。在重金属离子快速检测方面具有巨大的应用潜力。