王娟　周亚茹　汪倩倩　李曼　栾龙龙　张祥　徐维平

摘 要 利用滤纸的毛细管效应结合表面增强拉曼光谱（SERS）技术的快速检测功能，制备了SERS多功能基底感应卡。首先将合成的金纳米三角片利用液-液界面自组装法制备大面积致密的纳米膜，然后将其转移至滤纸表面作为SERS基底膜。以结晶紫（CV）作为拉曼探针分子，此基底膜具有较好的SERS灵敏度和重复性。利用此基底膜检测了白酒中的塑化剂邻苯二甲酸卞酯（BBP）、 果皮表面的噻苯咪唑（TBZ）和鱼类表面的抗生素孔雀石绿（MG）。结果表明，此基底膜对BBP、 TBZ和MG的检测浓度可低至1×10-8 mol/L，检测速度快、 灵敏度高、 操作便捷，具有良好的SERS分析潜力。

关键词 金纳米三角片; 液-液界面自组装; 滤纸基底; 表面增强拉曼光谱; 食品污染物

1 引 言

近年来，食品污染问题日益突出。邻苯二甲酸卞酯（BBP）是常见的塑化剂，食品中含量过高可导致女性早熟[1]。农药残留也威胁人类的健康，噻苯咪唑（TBZ）因其低成本而广泛应用于农作物，但其存在致畸作用[2]，对人体有不可忽视的危害。孔雀石绿（MG）能有效预防细菌感染，被广泛作为杀菌剂、 防腐剂使用，但其可能对人体具有致癌和致突变效应[3]。为了保障人类的健康安全，建立一种快捷、 操作简单方便的检测食品污染物的方法尤为必要。

目前，食品污染物的常见检测方法有气相色谱-质谱联用法[4]、 高效液相色谱法[5]、 液相色谱-质谱联用法[6]和酶抑制法[7]等。这些方法虽有定量分析准确的优势，但其样品预处理过程复杂耗时，在很多紧急情况下使用受限[8]。表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman spectroscopy， SERS）是一种识别并增强化学分子或生物拉曼信号的光谱分析技术[9]，具有灵敏度高、 响应快、 操作简单、 分辨率高、 样品无需前处理、 样品用量少等优势，已广泛用于分析化学、 环境检测、 医学诊断等领域[10]。

纸具有可再生、 廉价、 再循环、 可生物降解和生物相容好等优点，并且易吸附液体，对小分子物质吸附力好，吸附能力高于传统硅基底。高灵敏度的纸基底用于SERS，可将金属纳米结构均匀吸附到普通滤纸上，采用擦拭的方式对各种化学和生物标记物进行在线检测，快速便捷[11]。柔性滤纸SERS基底可裁剪成任意形状，贴合或包裹不规则的样品表面，且保持基底上有足够的“热点”，实现原位拉曼检测[12]，这样可利用纸张的毛细管效应结合SERS快速检测功能，用于食品污染物的快速检测。随着便携式拉曼光谱仪的出现，纸质SERS基底在痕量分析领域中将具有更大的应用潜力[13]。

本研究利用纸具有可再生、 成本低、 容易吸附液体等特点，将纸张的毛细管效应与SERS快速检测功能结合，制备出便于携带的SERS多功能基底感应卡，用于食品污染物的检测。如图1所示，采用两步种子生长法合成金纳米三角片，利用界面自组装法在油水两相界面形成纳米膜，将其转移至滤纸上，制备了滤纸基底膜，用于对食品污染物的SERS检测。这种纸质SERS基底检测速度快、 操作便捷，具有很大的应用价值。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

HT7700透射电子显微镜（TEM， 日本Hitachi公司）; JSM-6700F场发射扫描电子显微镜（SEM，日本JEOL公司）; UV-2600紫外-可见分光光度仪（日本岛津公司）; LABRAM-HR激光共聚焦拉曼光谱仪（日本HORIBA公司）。

四氯金酸（HAuCl4）、 抗坏血酸（AA）、 柠檬酸三钠、 十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、 NaBH4、  NaI、  NaOH、  环己烷、 无水乙醇、 结晶紫（CV）、 邻苯二甲酸丁卞酯（BBP）、 噻苯咪唑（TBZ）和孔雀石绿（MG）均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司; 滤纸（国药集团化学试剂有限公司）; 实验用水为去离子水; 白酒、 鱼和苹果购于本地超市。

2.2 实验方法

2.2.1 金纳米三角片的制备[14] （1）金种子溶液的制备 将1 mL HAuCl4（10 mmol/L）加入到36 mL去离子水中，再加入10 mmol/L 柠檬酸三钠1.4 mL，搅拌均匀，再加入现配的100 mmol/L NaBH4（冰浴）1.0 mL， 搅拌5 min后，放置2～6 h，待NaBH4反应完全，生成金种子。（2）生长溶液的制备 按表1依次加入各溶液，配制A、 B、 C溶液。将1 mL金种子溶液加入到A溶液中，轻摇混合后，立即取1 mL加入到B溶液中，轻摇混合后，立刻将此B溶液全部加入到C溶液中，轻摇后放置30 min，溶液颜色变为红紫色，放置30 min后，在25℃下静置过夜。第二天弃去上清液，三角片沉淀加入20 mL去离子水，轻摇，得到的溶液呈深绿色，离心浓缩，再加入10 mL CTAB （50 mmol/L），防止团聚。

2.2.2 柔性滤纸SERS基底膜的制备[15]

取5 mL制得的金三角片溶液，加入10 mL PVP（0.01 mg/mL），磁力搅拌15 min后，以5600 r/min离心5 min，弃上清液，沉淀加入5 mL去离子水，超声混合均匀。在小玻璃瓶中加入2 mL环己烷和2 mL金三角片溶液，立即加入2 mL乙醇，放置2 min，形成一片密集的納米膜。采用移液枪取1 mL金三角片膜溶液，慢慢滴加到滤纸上，形成致密的圆斑，室温下干燥备用。

2.3 基底膜的灵敏度与重复性考察

以CV为SERS探针分子对金纳米三角片基底膜的灵敏性和重复性进行考察，取10 μL系列浓度梯度的CV水溶液，滴加到附着基底膜的滤纸位置上。将滤纸在室温下干燥后，进行SERS检测。

2.4 SERS检测

2.4.1 白酒中塑化剂的SERS检测 选取最常见的塑化剂BBP进行检测，配制浓度为1×10-4 mol/L、 1×10-5 mol/L、  1×10-6 mol/L、 1×10-7 mol/L和1×10-8 mol/L的BBP-白酒混合溶液，将剪成箭头（底部尖端长度为2.5 cm，箭头的长度为3.5 cm）的滤纸基质分别插入到不同浓度的BBP-白酒的混合溶液中，将滤纸在室温下干燥后，进行SERS检测。

2.4.2 蘋果表皮农残TBZ的SERS检测 配制浓度分别为1×10-4、 1×10-5、 1×10-6、 1×10-7和1×10-8 mol/L的TBZ溶液，取50 μL系列浓度梯度的TBZ滴加到苹果的表皮，用滤纸基底直接擦拭苹果表面的残留的TBZ，将滤纸在室温下干燥后，进行SERS检测。

2.4.3 鱼表面抗生素MG的SERS检测 配制浓度分别为1×10-5 、 5×10-6 、 1×10-6、 1×10-7、 5×10-7和1×10-8 mol/L的MG溶液，取50 μL系列浓度梯度的MG滴加到鱼鳞上，用滤纸擦拭鱼表面的残留的MG溶液，将滤纸在室温下干燥后，进行SERS检测。

用激光共聚焦拉曼光谱仪进行SERS检测，激发波长为633 nm， 光谱收集范围为600～1800 cm-1; 物镜参数：放大倍数50倍，数值孔径（N.A.）为0.75，工作距离（WD）为0.37 mm;  CV积分时间为1 s， BBP、 TBZ和MG为5 s。

3结果与讨论

3.1 金纳米三角片的表征

由金纳米三角片的透射电镜图（图2A和2B）可见，金纳米三角片形貌规整，大小较均一，边长约（200±18）nm。由金纳米三角片在300～1350 nm波长范围的紫外-可见吸收光谱（图2C）可知，此金纳米三角片的表面等离子体共振峰位于931 nm左右，在650 nm左右有吸收峰，是由残留的金颗粒产生的。

3.2 柔性滤纸基底膜的表征

对于传统的硅片和玻璃基底 ，由于纳米粒子通常位于其表面，易被擦除。以纸作为基板，可将纳米粒子固定在纸的三维纤维结构内，并具有一定的吸附性和渗透性。由图3A可见滤纸的纤维束表面的形状，纤维束相互交错，大大增加了纸张的表面积; 纤维束表面附着了一层致密、 大面积的膜状结构（图3C），金纳米三角片成功通过界面组装成膜，形貌良好、 大小均一的金纳米三角片紧密排列（图3D），进一步增加了表面粗糙度，有利于增强等离子体共振效果，增加SERS热点效应。

3.3 柔性基底膜的重复性和灵敏度

为了考察柔性滤纸基底膜的灵敏度和有效性，以CV作为活性基底的拉曼探针分子，考察其灵敏度与重复性。由图4A可知，CV的拉曼特征峰为802、 916、 1178、 1375和1617 cm-1，其中，802和1178 cm-1处的拉曼特征峰是CH 键振动引起的，916和1375 cm-1的拉曼峰是CV的放射状芳香骨架振动与N-Pheny1振动引起的，1617 cm-1处的拉曼峰归属于芳香环的振动[16]。CV的拉曼特征峰见图4A，此基底可以检测到1×10-8 mol/L CV，灵敏度较高。选取不同浓度的3条1617 cm-1处拉曼谱，绘制浓度与SERS强度关系散点图（图4B），在10-5～10-8 mol/L浓度范围内，浓度与强度呈正相关。在1×10-6 mol/L CV基底上随机选取20个点进行SERS检测，制作特征峰清晰可见的二维Mapping（图4C），不同颜色代表拉曼光谱的强度，图4 金纳米三角片滤纸基底膜的SERS灵敏度（A、 B）和重复性分析图（C、 D）Fig.4 SERS sensitivity （A，B） and repeatability （C，D） analysis of substrate film of gold nanotriangle filter paper在CV特征峰处颜色比较均一，说明此基底的重现性较好。在1×10-6 mol/L CV处取30条光谱，随机选取20条光谱，在特征峰为1617 cm-1处，做强度的柱状分布图（图4D），计算得相对标准偏差（RSD）为8.1%，说明此金纳米三角片滤纸基底膜具有较好的重复性。

3.4 SERS检测

3.4.1 白酒中BBP的SERS检测 由含不同浓度BBP的白酒进行SERS检测得到的SERS图谱（图5A）可知，BBP的主要拉曼特征峰位于650、 1003、 1039、 1121、 1164、 1581、 1602 和1725 cm-1处，其中650、 1003、 1038、 1163、 1580和1600 cm-1处拉曼特征峰为芳香环环面CC键向内弯曲振动，1120 cm-1处是由于CC键环面内弯曲振动和CCO环面向内弯曲振动共同作用，1725 cm-1处是由于CH3面向外摇摆振动和CO伸缩振动共同作用[17]。由图5B可见，在1003 cm-1处，随着BBP浓度减小，拉曼峰强度降低，对白酒中BBP的检测浓度可低至1×10-8 mol/L，说明金纳米三角片滤纸基底膜对白酒中的塑化剂BBP检测的灵敏度较高，可用于白酒中塑化剂的检测。

3.4.2 苹果表皮农残TBZ的SERS检测 为了证明此基底对污染物的快速检测性能，采用SERS检测了苹果皮表不同浓度的TBZ。由图6A可知，在787、 1010、 1282、 1306、 1458、 1570 和1593 cm-1处出现了TBZ的拉曼特征峰，其中787和1010 cm-1处拉曼位移来源于CH键的表面弯曲振动，1282和1306 cm-1来源于CH表面振动和环振动，1458 cm-1处特征拉曼峰归属于CN键的伸缩振动[18]，随着TBZ浓度减小，拉曼峰强度逐渐减弱，对TBZ的检测浓度可低至1×10-8 mol/L。选取1458 cm-1处不同浓度TBZ的拉曼谱峰各3个，作浓度对数与SERS强度关系柱状图（图6B），在1458 cm-1处的SERS强度与TBZ的对数浓度呈正相关，说明此金纳米三角片滤纸基底膜可用于苹果表面TBZ残留的检测。

3.4.3 鱼表面抗生素MG的SERS检测 MG的拉曼特征峰位于422、 440、 526、 760、 908、 1174、 1221、 1399和1610 cm-1处（图7A），其中， 422和440 cm-1来源于苯C苯平面外振动，760 cm-1为CH平面外振动引起，908 cm-1为N-苯基伸缩振动和CH面外弯曲振动，1174 cm-1为CH环的平面内振动，1221 cm-1为CH振动，1399 cm-1为N-苯基的拉伸振动，1610 cm-1为CC环的拉伸振动[19]。由图7A可知，此滤纸基底膜对MG的检测浓度可达到1×10-8 mol/L，因此，可用SERS技术对MG进行检测。选取1610 cm-1处的不同浓度拉曼谱图各3条，制作浓度对数与SERS强度关系散点图 （图7B），在1610 cm-1处的SERS强度与MG的对数浓度呈正相关。CV、 BBP、 TBZ、 MG的标准谱图如图8所示。

4 结 论

以滤纸代替传统硅片基板，利用纸可再生、 使用便捷、 可吸附液体等特性，成功地制备了金纳米三角片滤纸SERS基底膜。此滤纸基底膜具有良好的重复性和灵敏度，可对白酒中BBP、 苹果表皮的农残物TBZ、 鱼类表面抗生素MG进行SERS检测，检出浓度可达到1×10-8 mol/L。本研究制备的金纳米三角片滤纸SERS基底膜便于携带、 灵敏度高、 制作简单、 检测方法快捷，可以直接擦拭和吸附待测物，为各种污染物的检测提供了一种新型的基底感应卡，在食品污染物检测方面具有很大的应用潜力。

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Preparation of Base Membrane of Gold Nanotriangle

Filter Paper and Its Application in Rapid Detection

of Food Contaminants

WANG Juan1， ZHOU Ya-Ru2， WANG Qian-Qian1， LI Man3，

LUAN Long-Long2， ZHANG Xiang3， XU Wei-Ping*1，4

1（College of Pharmacy， Anhui University of Chinese Medicine， Hefei 230012， China）

2（College of Chemistry and Chemical Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

3（Department of Life Sciences and Medicine， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China）

4（The First Affiliated Hospital of University of Science and Technology of China， Hefei 230001， China）

Abstract Food safety is closely related with human life and health， therefore， it is particularly necessary to establish a fast， sensitive， simple and convenient testing means for food contaminants. Surface-enhanced Raman spectroscopy （SERS） has the characteristics of quickness， convenience and high sensitivity for the field detection and analysis of food contaminants. In this work， the capillary effect of filter paper combined with the quick detection function of SERS technology was used to prepare SERS multi-functional base sensor cards. Firstly， a large area of dense nano membrane was prepared by using the self-assembly method of liquid-liquid interface with the synthesized gold nanotriangle， which was transferred to the surface of filter paper as SERS base membrane. Crystal violet （CV） was used as the Raman probe molecule to investigate SERS sensitivity and repeatability of the substrate membrane， and the plasticizer benzyl butyl phthalate （BBP） in liquor， thiabendazole （TBZ） on the peel surface and antibiotic malachite green （MG） on the fish surface were also detected. The results showed that the concentration of BBP， TBZ and MG could be detected at 1×10-8 mol/L. This kind of SERS substrate membrane showed a fast detection speed， high sensitivity， convenient operation， and a great potential for SERS analysis.

Keywords Au nanotriangle; Liquid-liquid interfacial self-assembly; Filter paper substrate; Surface-enhanced Raman spectroscopy; Food contaminants

（Received 29 July 2020; accepted 30 September 2020）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No. 51672004）， the Natural Science Foundation of Anhui Province， China （No. 1608085MH176）， and the Project of Science and Technology of Auhui Province， China （No.1804h08020252）.

2020-07-29收稿; 2020-09-30接受

本文系國家自然科学基金项目（No. 51672004）、 安徽省自然科学基金项目（No. 1608085MH176）和安徽省科技攻关项目（No. 1804h08020252）资助

* E-mail： weipingx@ustc.edu.cn