刘 毅 ，余数温 ，何 璇 ，黄石亮 ，刘 渝 ，李显寅 ，王敦举

（1.西南科技大学国防科技学院，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999）

1 引言

梯恩梯（TNT）是一种典型的单质炸药，原料易得，爆炸性能良好，成本低廉，经常被用于爆炸恐怖事件［1］。面对日益严峻的公共安全威胁，爆炸物检测技术的需求日益迫切，发展痕量炸药的检测和识别手段变得尤为重要。由于传统的离子迁移质谱、气相色谱质谱联用等大型仪器存在前处理复杂，设备昂贵，操作流程繁琐，无法满足现场快速检测的要求。因此，发展一种灵敏度高，检测速度快，成本低廉，可现场实时分析的检测方法尤为迫切［1-4］。

表面增强拉曼散射（SERS）技术是一种新型的痕量分析技术，它可以将待测物信号放大104～1014倍，可实现超痕量的单分子探测。且该技术具有样品无需预处理，检测速度快，可透过玻璃等透明器皿检测的特点，被圣地亚国家实验室定位为未来重点突破和持续推进的先进技术［5-8］。SERS 的增强效应主要有物理增强和化学增强［9-10］。传统的SERS 基底主要有金、银、铜等贵金属材料，然而，单一的贵金属材料已经不能满足SERS 基底的设计要求［11］。复合材料由于其性能突出，近年来受到热捧。将复合材料用作SERS 基底也是研究热点之一，如银纳米和聚（苯乙烯-丙乙烯）复合材料［12］，银纳米和氧化石墨烯复合材料［13］，银纳米和氧化锌复合材料［14］等。虽然这些复合材料可以使SERS性能更加稳定，但在有机小分子的检测，如炸药的痕量检测方面仍面临巨大挑战。

金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子与有机配体链接形成的纳米功能材料，具有可调节的孔洞结构和良好的光学性质，在化学传感领域具有非常广阔的应用前景［15-19］，可作为 SERS 基底，已报道 MIL-101作为SERS 基底用于检测对苯二胺和甲胎蛋白［20］，UiO-66 和MOF-199 作为SERS 基底其增强效应能稳定存在 40 天以上［21］。但是，目前利用 MOFs 作为基底检测炸药的文献还未见报道。

由于小分子自身微弱的散射信号无法通过贵金属材料的局域等离子体共振效应得到增强，导致无法采集到拉曼光谱的指纹谱图，从而使小分子在直接探测中表现出很低的响应灵敏性，因此，传统的SERS 传感技术对于分子量小于200 D（相当于分子量1.25×1026g·mol-1）的小分子无法识别探测。TNT 是一种典型的小分子炸药，很难直接吸附到基底表面，获得增强信号。ZIF-8 由锌离子和二甲基咪唑组成，具有高的比表面积（大于1600 m2·g-1），多孔（3.4 Å）和稳定的空腔（11.6 Å），已经被用于气体吸附和分离［22］。为此，本研究以ZIF-8作为SERS 基底的基础材料，用光还原技术在ZIF-8 上原位生长银纳米颗粒（AgNPs），获得ZIF-8@Ag 复合材料作为SERS 基底，并采用自组装法将探针4-巯基苯酚（4-ATP）修饰在复合材料表面用于TNT 检测。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

试剂：ZIF-8，化学纯，先丰纳米科技有限公司；AgNO3，99.99%，阿法埃莎（中国）化学有限公司；4-ATP，98%，东京化成工业株式会社；奈尔兰（NBA），78%，阿拉丁生化科技股份有限公司；TNT，三硝基苯酚（PA），三硝基苯（TNB），二硝基苯（DNB），化学纯，中国工程物理研究院化工材料研究所；去离子水，实验室自制。

仪器：WFH-2038 三用紫外分析仪，上海驰唐电子有限公司；UV3150 紫外可见分光光度计，日本岛津公司；In Via 显微共聚焦拉曼光谱仪，英国雷尼绍公司；Ultra 55 场发射扫描电子显微镜和Libra 200FE 场发射透射电子显微镜，德国蔡司仪器公司；D8 X 射线粉末衍射，德国Bruker 公司。

2.2 实验过程

2.2.1 ZIF-8@Ag 复合材料的制备

称取20 mg的ZIF-8（白色粉末）于10 mL的AgNO3溶液中，避光浸渍10h；用紫外光照射10 h 后，制得黑灰色的ZIF-8@Ag 复合材料；离心（时间：10 min，速度：6000 r·min-1）去掉上层清夜，保留底部黑灰色的ZIF-8@Ag 复合材料，重复离心操作两次；最后将ZIF-8@Ag 复合材料分散在2 mL 的去离子水中备用。

2.2.2 ZIF-8@Ag 复合材料的SERS 性能评估

将ZIF-8@Ag 复合材料制备为薄膜后作为SERS 基底；将NBA 溶液滴在ZIF-8@Ag 复合材料薄膜上，利用共聚焦显微拉曼进行SERS 性能评估。测试条件：激光波长532 nm，功率0.1%，积分时间15 s，光斑大小直径约为2 mm。每个样品至少测试5 次。

2.2.3 TNT 检测

将ZIF-8@Ag 复合材料基底浸泡在4-ATP 溶液中4 h，用乙醇冲洗去除未吸附在ZIF-8@Ag 复合材料表面的4-ATP，得到4-ATP 自组装修饰的ZIF-8@Ag 复合材料。分别取3 μL 不同浓度的TNT 滴在4-ATP 修饰的ZIF-8@Ag 复合材料上，利用共聚焦显微拉曼进行检测。测试条件：激光波长532 nm，功率0.1%，积分时间15 s。每个样品至少测试5 次。

3 结果与讨论

3.1 ZIF-8@Ag 复合材料形貌表征

通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）对ZIF-8@Ag 复合材料的形貌与结构进行表征，结果见图1。从图1a 可知，ZIF-8 颗粒附着着很多小颗粒。TEM 图清晰的显示ZIF-8 表面均匀的包裹着 AgNPs，AgNPs 的大小约为 7 nm（图1b）。如图1b～图1d 所示，随着 AgNO3浓度的增加，AgNPs 分布密集程度也随之增加。为了证明TEM 图谱上的颗粒为高纯银颗粒，本研究进一步开展了高分辨TEM 和选区电子衍射表征，图1e 得到纳米颗粒晶格间距为0.24 nm，为Ag的（1 1 1）晶面［23］。选区电子衍射图能清晰显示复合材料上AgNPs的（1 1 1），（2 2 0），（3 1 1）三个晶面衍射圆环（图1f），这表明AgNPs 具有很好的纯度和结晶性。

图1 ZIF-8@Ag 复合材料的 FE-SEM 和 TEM 图Fig.1 FE-SEM and TEM images of ZIF-8@Ag composites

ZIF-8 和ZIF-8@Ag 复合材料XRD 表征结果如图2所示。由图2 可知，38°和44°两个衍射峰归属于Ag 的（1 1 1）晶面和（2 0 0）晶面（PDF 卡片号：87-0597），表明成功制备ZIF-8@Ag 复合材料，且材料纯净，结晶性好。

图2 ZIF-8 和 ZIF-8@Ag 复 合材 料的 XRD 图Fig.2 XRD of ZIF-8 and ZIF-8@Ag composites

3.2 ZIF-8@Ag 复合材料的SERS 性能评估

用 10-4～5×10-6mol·L-1的NBA溶液吸附在ZIF-8@Ag 复合材料上，其SERS 性能如图3a 所示。由图3a可知，即使浓度低至5×10-6mol·L-1，也能明显观察到NBA的三个特征峰（591，1377，1643 cm-1）。此外，在相同测试条件下随机测试吸附有NBA（10-4mol·L-1）的ZIF-8@Ag 复合材料的10 个SERS 谱图，用于检验复合材料作为SERS基底时的信号均匀性，结果如图3b所示。由图3b 可知，591 cm-1处特征峰的强度相对标准偏差（RSD）为6.24%，这可能是因为：（1）ZIF-8@Ag复合材料上的AgNPs提供的电磁增强；（2）ZIF-8 具有裸露的锌离子，具有一定的电子补偿作用，ZIF-8 的半导体效应为基底提供化学增强，并保证了银纳米颗粒的稳定［24］。

为了计算ZIF-8@Ag 复合材料的增强因子（EF），分别滴加 1 μL 的 NBA 在 ZIF-8@Ag 复合材料和硅片表面，其SERS 谱图和拉曼谱图如图4 所示。根据SERS的增强因子（EF）计算公式［25］：

式中，ISERS是591 cm-1处105mol·L-1的NBA在ZIF-8@Ag复合材料的强度，IRef是 591 cm-1处 10-2mol·L-1的 NBA在硅片上的强度，NSERS是激光光斑照射在ZIF-8@Ag 复合材料上所含NBA 的分子数，NRef是激光光斑照射在硅片所含 NBA 的分子数。1 μL 的 NBA 溶液在 ZIF-8@Ag复合材料上扩散区域约为 10 mm2，1 μL 的 NBA 溶液滴在硅片上形成直径大约为2 mm 的圆。计算得到NBA 对 ZIF-8@Ag 复合材料的 EF 值为 8.84×103。

图3 NBA 吸附在ZIF-8@Ag 复合材料的SERS 谱图Fig.3 SERS spectra of NBA on ZIF-8@Ag composities

图4 NBA 吸附在ZIF-8@Ag 复合材料的SERS 谱图和硅片的拉曼谱图Fig.4 SERS spectra of NBA on ZIF-8@Ag composites and Raman spectra of NBA on silicon wafer

3.3 ZIF-8@Ag 复合材料对痕量爆炸物的检测应用

ZIF-8@Ag 复合材料的具有SERS 增强效果，可以作为SERS 基底应用。由于TNT 等系列同系物炸药的分子量小，无法直接吸附到基底表面。根据本课题组对痕量 TNT 的前期研究［25］，选取 4-ATP 作为探针分子。一方面，该分子可以通过S-Ag 键，在银颗粒表面形成稳定的单分子层；另一方面，待测物TNT 及其同系物（如DNB，PA），由于硝基的强吸电子作用，硝基芳香环呈现缺电子性，是良好的电子受体。4-ATP 分子中的氨基是良好的电子给体，两者产生的分子间作用不仅可以将TNT“拉”到基底表面，产生拉曼信号。也能使TNT 的SERS 信号增强，从而实现灵敏检测的效果 。 ZIF-8 和 4-ATP 的 拉 曼谱 图 与 ZIF-8@Ag 和ZIF-8@Ag@4-ATP 的 SERS 谱图如图5 所示，用 4-ATP标记ZIF-8@Ag 复合材料后，可以观察到4-ATP 的1070 cm-1和1577 cm-1处的峰。在激光的作用下，4-ATP 发生偶氮反应变为p，p'-二甲基偶氮苯（DMAB）在 1392 cm-1和 1439 cm-1处出现新的拉曼峰，这说明4-ATP 吸附在基底表面。

图5 ZIF-8 和4-ATP 的拉曼谱图与ZIF-8@Ag 和ZIF-8@Ag@4-ATP 的 SERS 谱 图Fig.5 Raman spectra of ZIF-8 and 4-ATP，SERS spectra of ZIF-8@Ag and ZIF-8@Ag@4-ATP

如图6 所示，将复合材料浸泡在 10-7～10-3mol·L-1的4-ATP 溶液，4-ATP 的峰强度随着浓度增加而增加，10-7mol·L-1浓度下也能明显观察到4-ATP的特征峰，选择浓度为 10-5mol·L-1的 4-ATP 溶液作为 ZIF-8@Ag 复合材料功能化浓度。图7a是4-ATP功能化的ZIF-8@Ag复合材料检测不同浓度 TNT（10-9～10-4mol·L-1）的SERS 谱图，随着 TNT 浓度的增加，4-ATP 的拉曼信号也随之增加。在4-ATP 的1392 cm-1处拉曼峰的左肩出现一个小的弱峰（1378 cm-1），是 TNT 的—NO2的峰，检测TNT 的浓度可以低至10-9M。图7b 是1439 cm-1处强度和TNT 浓度的线性拟合曲线，由图7b 可知，4-ATP 的拉曼信号与TNT 浓度有好的线性关系，R2值为 0.9843，其 线 性 公 式Y=3.9064+0.2895lgX。4-ATP 功能化ZIF-8@Ag 复合材料对TNT 具有良好的检测灵敏性。

图6 不同浓度4-ATP 吸附在ZIF-8@Ag 复合材料的SERS 谱图Fig.6 SERS spectra of 4-ATP on ZIF-8@Ag composites

图7 4-ATP 功能化 ZIF-8@Ag 复合材料检测 TNT 的 SERS 谱图Fig.7 SERS spectra of detection TNT by 4-ATP functionalized ZIF-8@Ag composites

进一步探究4-ATP 功能化的ZIF-8@Ag 复合材料对TNT 是否具有选择性，测试与TNT 有相似结构的爆炸物（10-4mol·L-1，TNB，DNB和PA）如图8a所示。虽然TNB，DNB和PA也与探针4-ATP有作用，使4-ATP 的信号增强，但增强的幅度低于TNT。如图8b所示是在1439 cm-1处加爆炸物信号强度比空白信号强度图，TNT增强了 2.65倍，但TNB，DNB和PA增强最高的也就增强了1.71 倍。结果表明4-ATP 功能化的ZIF-8@Ag 复合材料对TNT 具有一定的选择性。

图8 ZIF-8@Ag 复合材料选择性检测TNTFig.8 Selective detection of TNT in ZIF-8@Ag composites

3.4 ZIF-8@Ag 复合材料为SERS 基底对TNT 的检测机理

TNT 属于缺电子结构体系，4-ATP 探针上具有丰富的电子结构，两者能产生π-π 共轭相互作用。图9为 TNT，4-ATP 和 TNT 与 4-ATP 混合溶液的紫外图，由图9 可知，加入 TNT 后，TNT 加入 4-ATP 后溶液颜色从无色变为暗红色（见图9 插图），并且在529 nm 处出现了一个明显的吸收信号，说明TNT 与4-ATP 形成Meisenheimer 复合物。表明两者的分子间相互作用可以提供化学增强，当加入TNT 后，4-ATP 拉曼信号增强，从而达到间接检测TNT 的目的。

图9 TNT，4-ATP 和 TNT 与 4-ATP 混合溶液的紫外图Fig.9 UV-vis absorption spectra of TNT，4-ATP，TNT and 4-ATP complex

4 结论

（1）通过FE-SEM 和TEM 表征表明光还原制备的复合材料，通过光照条件的控制和硝酸银浓度的调控，AgNPs 均匀分布在ZIF-8 表面，形成均匀的ZIF-8@Ag复合材料；

（2）ZIF-8@Ag 复合材料对 NBA 的 SERS 增强因子为8.84×103，表明其具有一定的SERS 活性，可以作为SERS 基底进行传感应用。

（3）4-ATP 通过S-Ag 键自组装均匀吸附在AgNPs表面，TNT 与 4-ATP 作用后能形成 Meisenheimer 复合物，产生的分子间相互作用使4-ATP 的拉曼信号增强，达到间接检测TNT 的目的。4-ATP 功能化ZIF-8@Ag复合材料能对TNT 产生一定的选择性响应，检测TNT的浓度可以低至 10-9mol·L-1，在 10-9～10-4mol·L-1的线性曲线公式是Y=3.9064+0.2895lgX。