基于手持拉曼对水环境中结晶紫的检测

摘要 如海微型共焦拉曼光谱仪，可实现环境水中结晶紫的快速检测。

一、研究背景

拉曼光谱技术由于其快速、无创、无污染的优势，已经广泛应用于生活中各个领域的检测。在水产养殖领域，由于一些不法养殖户为了牟利，通常会在养殖过程中加入一些化学试剂达到除害杀虫等效果，其中结晶紫是一种三苯基甲烷染料，具有较好的杀菌和防治寄生虫的作用，就常常被添加，造成环境水和水产品中可能存在结晶紫残留，严重危害环境和人体健康。目前，很多国家已经将结晶紫列为不得检出的禁用药物。因此，对于养殖水环境中结晶紫的现场检测非常重要，有利于对健康养殖水环境的监控，有利于消费者权益的维护。

传统的检测结晶紫的方法是高效液相色谱法，虽然检测结果较为精确，但是前处理复杂，仪器昂贵，检测步骤繁琐，检测时间长，难以实现现场快速检测，表面增强拉曼光谱技术检测方便，检测速度快，灵敏度高，结合手持拉曼光谱仪，可以实现结晶紫的高效检测。本文合成了双金属银包金纳米粒子（Au@Ag NPs），结合如海光电自主研发的手持式拉曼光谱仪RMS1000，研究了Na Cl诱导的Au@Ag NPs聚集体对环境水中结晶紫的检测性能。

二、研究内容

首先制备了Au@Ag NPs，然后对纳米粒子进行了表征，并以4-MBA作为探针分子，研究了所制备的Au@Ag NPs的均一性和储藏稳定性。接着在Au@Ag NPs聚集体进行了时域有限差分法（FDTD）电场仿真。然后配置了不同浓度的结晶紫标准溶液，使用手持拉曼光谱仪进行检测。以河水和湖水作为实际样本，进行加标实验。分别向河水、湖水中添加不同浓度的结晶紫，获得加标实验样本。取100µL加标环境水溶液进行拉曼光谱检测。

2.1 Au NPs和Au@Ag NPs粒径表征

本研究首先以柠檬酸盐还原法合成了Au NPs作为金种子，然后通过种子生长法合成了具有一定银壳厚度的Au@Ag NPs。纳米粒子的TEM表征结果如图2所示。图3为制备的Au NPs和Au@Ag NPs的UV-VIS光谱。

图2 (a) Au NPs和（b) Au@Ag NPs的TEM图

图3 Au NPs和Au@Ag NPs的UV-VIS光谱图

2.2 SERS的均一性和稳定性

采用手持拉曼光谱仪对Au@Ag NPs聚集体的增强性能进行检测，结果如图4所示。图4a为随机选择的10个区域所测得的4-MBA的SERS光谱图，显示其最强的2个拉曼峰位于1078和1581 cm-1,10个光谱曲线的一致性较好，无明显的信号波动。对1078 cm-1的峰进行统计，结果如图4b所示。可以发现，10个区域的SERS信号相对标准偏差（RSD）为5.3%，说明Au@Ag NPs聚集体进行SERS检测显示出良好的信号均一性。

图4 (a）不同检测区域4-MBA的SERS光谱图；（b) 4-MBA位于1078 cm-1处的峰强度

进一步对Au@Ag NPs的储藏稳定性进行研究。将制得的Au@Ag NPs胶体保存在EP管中，在室温下储藏一定时间后，对其SERS性能进行检测。结果如图5所示，在第21 d时，所制备的Au@Ag NPs聚集体仍保持80%以上的SERS活性，说明Au@Ag NPs稳定性较好。

图5 不同储藏时间下4-MBA在1078 cm-1处的峰强度

2.3 Au@Ag NPs聚集体电场模拟分析

在使用Au@Ag NPs进行SERS分析时，通常需要在体系中加入盐离子，以促使纳米粒子形成聚集体，获得更强的SERS增强效果。如图6a所示，加入Na Cl后，Au@Ag NPs发生聚集，聚集体之间形成大量的SERS“热点”。为了验证所制备的Au@Ag NPs聚集体作为SERS基底的检测性能，采用FDTD数值仿真对其电场分布进行模拟。选取金核粒径30 nm、银壳厚度6 nm的Au@Au NPs构建FDTD数值仿真模型，该模型由数个Au@Ag NPs聚集在一起，设定纳米粒子之间的距离为1 nm。yz和xz截面处的电场分布如图6b和6c所示。结果显示理论上可以证明所制备的Au@Ag NPs聚集体具有良好的SERS活性，这归因于相邻金属纳米粒子之间强烈的局域表面等离子体共振，在金属纳米结构附近产生巨大的局域电磁场，从而可以增强拉曼散射。因此，基于Au@Ag NPs聚集体优良的SERS活性，其具有用于检测微量化学污染物的潜力。

图6 (a)Na Cl诱导的Au@Ag NPs聚集体的TEM图；FDTD模拟的Au@Ag NPs聚集体在（b)yz截面和（c)xy截面的电场|E|2的分布（颜色标尺代表|E|2的对数）

2.4 标准溶液中结晶紫的检测

采用Au@Ag NPs对溶解在超纯水中的不同浓度（0.025～2.50 mg/L）的结晶紫进行SERS检测，结果如图7所示。可以看出，Au@Ag NPs聚集体可以检测到结晶紫的多个拉曼特征峰。随着结晶紫浓度的降低，SERS特征峰的信号强度随之降低，当浓度低至0.025 mg/L时结晶紫的特征峰仍可明显分辨。

分别以1176和1621 cm-1处的特征峰对结晶紫浓度进行定量分析，结果表明在0.025～1.00 mg/L范围内，结晶紫浓度的对数（X）与1176 cm-1特征峰及1621 cm-1特征峰的SERS强度的对数（Y）呈线性关系。采用拟合的方程进行计算，1176和1621 cm-1处的特征峰对结晶紫的LOD分别为9.80和8.20µg/L。结果显示，手持式拉曼光谱仪结合Au@Ag NPs聚集体具有对微量结晶紫检测的能力。

图7 不同浓度结晶紫标准液的SERS光谱

2.5 环境水中结晶紫的检测

将所构建的Au@Ag NPs聚集体用于实际样品中结晶紫的检测。结果表明，对河水和湖水中结晶紫的加标回收率在71.0%～128.4%之间，说明方法准确性较高。将Au@Ag NPs聚集体与手持拉曼光谱仪相结合，无需对样品进行复杂的前处理，即可实现环境水中结晶紫的快速检测，为环境中有机污染物的现场快速筛查提供了一种新的方法。

图8 Au@Ag NPs聚集体对环境水中结晶紫的加标检测结果

为了评价所建立的SERS方法在实际样品分析中的选择性，分别对河水中巯基苯甲酸、氯霉素、福美双以及结晶紫进行检测并对比分析，结果如图9所示。可以发现，结晶紫在1176和1621 cm-1处有较为明显的特征峰，因此以该特征峰对结晶紫进行分析是可行的。但是如果体系中存在与目标物结构相似的其他药物，可能会对目标物的定量检测造成一定的影响。为了降低干扰，后续可选取多个特征峰进行分析，采用多变量数据处理的方法对结晶紫含量进行预测。然而，通过优化前处理方式虽然可以达到更准确的定量分析，但是也会大大降低SERS快检的优势。因此，本研究所建立的SERS方法可作为结晶紫或其类似物的一种快速筛查技术，用于初步判断是否可能存在目标物，然后可通过大型仪器的方法进一步进行精确的检测。

图9 Au@Ag NPs聚集体对环境水中不同药物的检测结果

2.6 小结

以Au NPs作为种子，在其表面生长银纳米，合成了一种金核粒径约30 nm、银壳粒径约6 nm的Au@Ag NPs。以Na Cl作为聚集剂，诱导Au@Ag NPs发生聚集，产生大量SERS“热点”，以此作为结晶紫检测的SERS基底。结合手持式拉曼光谱仪，以1176和1621 cm-1处的特征峰对结晶紫进行定量分析，检出限分别为9.80和8.20µg/L。该方法可实现环境水中结晶紫的快速检测，对河水和湖水中结晶紫加标检测回收率为71.0%～128.4%。本方法无需对环境水样品进行复杂的前处理，可快速实现样品的检测，为环境中的有机污染物的现场、快速筛查提供了一种策略。

文献来源

[1]董锦汝,冯紫临,沈雪怡,等.手持式拉曼光谱仪结合双金属Au@AgNPs聚集体检测环境水中结晶紫[J].分析试验室,2024,43(03):364-370.DOI:10.13595/j.cnki.issn1000-0720.2022.121701.