我國科學家實現對多種毒性有機汙染物的快速檢測

2020-12-19 中國科學院科技產業網

近日，中國科學院合肥研究院固體物理研究所納米材料與器件技術研究部研究員孟國文課題組，在三維柔性表面增強拉曼散射（SERS）襯底的構築及其對有機汙染物的快速靈敏響應研究方面取得新進展。

研究人員採用原位生長法製備出Ag納米顆粒修飾的細菌纖維素柔性複合襯底，利用細菌纖維素的體積收縮特性進一步提高Ag顆粒密度和襯底的SERS活性，實現了對多種毒性有機汙染物的快速檢測。相關研究成果以Ag-Nanoparticles@Bacterial-Nanocellulose Composite as 3D Flexible and Robust Surface-Enhanced Raman Scattering Substrate為題，發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

圖1.Ag納米顆粒@細菌纖維素複合結構的製備流程圖。

與常規汙染物相比，毒性有機汙染物具有不易降解、生物累積性、遷移性和高毒性等特點，威脅人類健康和生態環境。傳統的色譜、質譜檢測技術所需設備複雜、檢測周期長，難以實現環境中毒性有機汙染物的臨場快速檢測。

SERS技術因其具有靈敏度高、響應速度快、指紋效應等特點，在環境汙染物的臨場快速檢測方面有廣泛的應用前景。設計和製備敏感性高、信號重複性好的SERS襯底是實現SERS檢測技術應用的關鍵因素之一。環境中的有機物汙染物由於檢測環境複雜，對SERS襯底的穩定性和機械柔韌性提出了更高的要求，因此，研發柔性SERS襯底成為研究的熱點之一。

圖2.（a）體積收縮前細菌纖維素SEM圖像；（b）和（c）不同放大倍數下的體積收縮前的Ag納米顆粒@細菌纖維素複合結構的SEM圖像；（d）體積收縮後的細菌纖維素SEM圖像；（e）和（f）體積收縮後的Ag納米顆粒@細菌纖維素複合結構的SEM圖像，（f）中插圖為Ag納米顆粒的粒徑分布。

目前，已報導的柔性SERS襯底的製備方法主要是將預先合成的貴金屬納米顆粒通過浸塗、過濾等方式修飾到柔性材料表面，這種方法製備的複合襯底中貴金屬顆粒和柔性材料之間連接較弱，貴金屬顆粒的負載數量有限。另外，在檢測過程中貴金屬顆粒容易從柔性基底上脫落，導致檢測信號的穩定性和重複性差。

鑑於此，研究人員採用由細菌納米纖維素組成的三維網絡結構作為柔性載體，利用銀鏡反應在其表面原位生長均勻分布的Ag納米顆粒，獲得了高密度Ag納米顆粒修飾的細菌纖維素柔性（Ag納米顆粒@細菌纖維素）複合襯底，並利用細菌纖維素乾燥時體積收縮的特性，進一步提高了Ag顆粒密度。

圖3.（a）和（b）超聲前後的Ag納米顆粒@細菌纖維素襯底的SEM圖像；（c）超聲前後的Ag納米顆粒@細菌纖維素襯底對R6G的SERS光譜圖；（d）Ag納米顆粒@細菌纖維素襯底在初始和彎曲狀態下對10-7 M R6G的SERS光譜，其中（d）中的插圖是彎曲狀態和裁剪成不同形狀的Ag納米顆粒@細菌纖維素襯底光學照片。

這種高密度的Ag顆粒之間產生大量均勻分布的高活性SERS「熱點」，因此，所製備的複合襯底表現出超高的SERS靈敏度和良好的信號重複性；親水的細菌纖維素具有良好的滲透性和吸附性，可將目標分子有效捕獲到高SERS活性區域，從而進一步提高了襯底的SERS檢測靈敏度；Ag納米顆粒原位生長並牢牢固定在細菌纖維素三維框架上，有效避免了銀納米顆粒的脫落，因此，該柔性襯底在彎曲、超聲處理等不同的檢測條件下仍然表現出較好的穩定性與高SERS靈敏度。

圖4.（a）在10-5-10-10 M濃度下的福美雙SERS信號；（b）福美雙1382 cm-1特徵峰的強度和濃度對數之間的線性擬合圖；（c）2-萘硫醇在10-3-10-7 M不同濃度下的SERS信號；（d）2-萘硫醇1380 cm-1特徵峰強度和濃度對數之間的線性擬合圖。

利用這種Ag納米顆粒@細菌纖維素複合襯底，不僅實現了對常規探針分子羅丹明6G的檢測，而且實現了對多種毒性有機汙染物（福美雙、2-萘硫醇）的快速檢測，並將其檢測限分別降低到3.8×10-9 M和1.6×10-8 M。此外，福美雙和2-萘硫醇的檢測信號強度和濃度對數之間均呈現良好線性關係，表明該襯底在毒性有機汙染物的定量快速檢測中具有潛在的應用前景。

研究工作得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目及安徽省自然科學基金等的支持。

來源：合肥研究院

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