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• 1.   引言

  随着我国经济的快速发展和人们生活水平的迅速提高，环境污染问题已经引起了前所未有的重视，水污染问题尤其突出。我国水污染物主要来自于工业废水的违规排放。水中各类污染物中，有机污染物所占比例最大，因其具有不易降解、可生物富集等特性而危害巨大^[1~3]。目前，检测自然水体中有机污染物的方法主要是色谱法，其优点是检出限低、重现性好，但是其缺点如样品处理过程复杂、检测器昂贵、需要标准样品等，使其不能满足目前对水样中污染物快速检测的要求^[4]。

  表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)具有独特的优势，可以在分子水平给出目标物的结构信息，具有较高的光谱选择性和灵敏度^{[5, 6]}; 此外，SERS是一种近场效应，只有当目标分子与拉曼增强基底足够靠近，拉曼散射场才会与金属颗粒的强散射场引起的金属颗粒表面的等离子体振荡发生共振，这使得SERS能够在复杂的背景体系中放大目标分子的信号，得到明确的靶标分子的光谱信息，这一特性使SERS可用于复杂水样的检测中^{[7, 8]}。这些性质也使SERS在各领域中受到越来越广泛的重视，成为环境化学、化学痕量分析和生物学等领域研究的有力工具^[9]。贵金属纳米粒子一直是广范应用的表面增强拉曼基底，具有良好的性能，但是其易团聚、不耐酸碱等缺点限制了其在天然水样、生物样品中的应用。很多研究者对其进行改进。Zhang等^[10]首次将化学气相沉积法合成的核壳结构金石墨纳米囊(Graphene-isolated-Au-nanocrystal，GIAN)应用于鱼体内结晶紫的定量检测，石墨烯既作为金核的保护层，又作为拉曼内标，实现了在酸、碱、多种生物蛋白存在下的高灵敏快速拉曼检测。Zhong等^[11]在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上自组装一层金纳米粒子，制成AuNPs/PMMA薄膜，以此为拉曼检测基底，拉曼增强因子高达(2.4±0.3) ×10⁷，对孔雀石绿的检出限达到0.1 nmol/L，并且能够对鱼体表的孔雀石绿进行拉曼检测。Kim等^[12]制备了聚合物纳米手指阵列，在纳米手指顶端沉积金纳米粒子，以此作为SERS基底捕获并检测靶标分子，在捕获靶标分子的过程中，金手指会因为沾湿而发生毛细管力作用，从而使相邻的金手指靠在一起形成有效热点，从而极大地增大拉曼散射信号。

  本研究以多面体Cu₂O为基底，在其表面原位合成一层金纳米粒子，制备复合纳米粒子Cu₂O@Au，将之作为SERS基底。此基底与传统的金纳米粒子基底相比，不易团聚，能在复杂的天然河水中保持良好的稳定性，且拉曼信号的重现性好; 本方法不依靠传统的酶循环放大，将基底与待测水样直接混合反应一定时间，即可进行拉曼光谱检测。本方法可快速、灵敏、可靠地检测天然水体中的有机染料污染物罗丹明B(Rh B)，有望成为天然水体中有机污染物的快速检测提供简单可行的方法。

  2.   实验部分

  2.1   仪器与试剂

  激光共聚焦显微镜拉曼光谱仪(Invia，英国Renishaw公司); JSM-6700F透射电子显微镜(日本电子株式会社); JEM7800F型扫描电子显微镜(日本电子株式会社); SmartLab9X射线衍射(日本理学公司); HemaTGL-16R冷冻高速离心机(珠海黑马有限公司); THZ-82A气浴恒温振荡器(金坛市医疗仪器厂); CPX2800H-C超声波清洗器(Bransonic公司)。

  柠檬酸钠(C₆H₅Na₃O₇·4H₂O)、抗坏血酸(Ascorbic acid，Vc)，CuCl₂·2H₂O、氯金酸(HAuCl₄·4H₂O)、罗丹明B(Rh B)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl pyrrolidone，PVP)、无水乙醇等试剂购于阿拉丁试剂有限公司。实验用水为二次蒸馏水

  不同浓度Rh B溶液配制：准确称取适量Rh B，溶于二次蒸馏水中，配制0.05 mol/L的储备液，再用相应体系将储备液稀释到所需浓度。

  2.2   实验方法

  2.2.1   复合纳米粒子Cu₂O@Au的制备

  将25 mL 5 mmol/L CuCl₂·2H₂O置于锥形瓶中，加入10 mL 17 mmol/L柠檬酸钠和15 mL PVP，搅拌混匀，逐滴加入5 mL 2 mol/L NaOH，搅拌0.5 h。逐滴加入5 mL 0.6 mol/L Vc，静置3 h。产物用无水乙醇洗3次，11000 r/min离心去除上清液，产物Cu₂O分散在40 mL无水乙醇中，备用。

  取10 mL Cu₂O乙醇悬浮液，超声分散，快速加入10 mL HAuCl₄水溶液，甩动20 s，陈化90 s，无水乙醇洗3次，产物Cu₂O@Au分散在5 mL水中, 4℃保存备用^[13]。

  2.2.2   形貌和性质表征

  Cu₂O和Cu₂O@Au的形貌、粒径等性质主要通过TEM、SEM和XRD进行表征。(1)透射电子显微镜(TEM)  超声处理Cu₂O@Au乙醇混悬液，使样品在乙醇溶液中分散均匀，吸取少量样品滴加到超薄碳支持膜表面，红外灯照，然后TEM观察。(2)扫描电子显微镜(SEM)  采用JEM7800F型SEM检测样品表面形貌，加速电压20 kV，样品电流3×10^-11A。(3) X射线衍射(XRD)  采用SmartLab9的X射线衍射仪对样品进行表征，测试条件如下，Cu靶，扫描范围是10°~90°，扫描速度为10°/min，管电流40 mA, 管电压40 kV。

  2.2.3   检测方法

  检测过程在激光共聚焦拉曼光谱仪上进行。方法如下：移取500 μL Cu₂O@Au乙醇悬浮液，11000 r/min离心6 min，弃上清液，加入500 μL待测水样，超声使之充分混合，37℃充分振荡反应6 h，取2 μL混合液置于金片上，室温晾干后，检测其拉曼信号。激发光波长为633 nm(功率为10%，5 mW)，曝光时间为10 s，50倍长焦聚焦观察。

  3.   结果与讨论

  3.1   实验原理

  根据文献[13]，采用抗坏血酸还原Cu²⁺制备Cu₂O纳米粒子。在10 mL Cu₂O纳米粒子乙醇分散液中分别加入0.15、0.25和1.00 mmol/L HAuCl₄溶液，使在Cu₂O纳米粒子表面原位还原生成金纳米粒子，分别命名为Cu₂O@Au(#1)、Cu₂O@Au(#2)、Cu₂O@Au(#3)。将Cu₂O@Au与Rh B溶液反应，Rh B吸附在Cu₂O@Au表面，检测到Rh B的拉曼光谱图。制备和检测示意图见图 1。

  图 1

  

  图 1.  Cu₂O和Cu₂O@Au的制备及其对水样中罗丹明B进行拉曼检测的示意图

  Figure 1.  Schematic illustration of synthesis process of Cu₂O and Cu₂O@Au and detection process of Rhodamine B (Rh B) samples

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  3.2   复合纳米材料Cu₂O@Au的制备和表征

  从TEM图(图 2A)可见，Cu₂O具有比较规则的立方相貌，尺寸均匀，平均粒径约为200 nm。图 2B所示为Cu₂O@Au(#3)，Au纳米粒子在其表面的沉积没有改变基底Cu₂O的形貌，仍然呈比较规则的立方形貌，平均粒径约为230 nm。高分辨HR-TEM图(图 2C)可见，分布于Cu₂O表面的Au具有高结晶结构，晶格大小为0.235 nm。SEM图显示Cu₂O呈立方体、八面体、十面体几种结构，Cu₂O@Au(#3)的SEM图显示，Cu₂O表面均匀沉积一层Au纳米粒子。TEM和SEM均显示，随着HAuCl₄水溶液浓度增加，Cu₂O表面沉积的金纳米粒子的密度越大，HAuCl₄浓度为1 mmol/L时，Cu₂O表面完全被金纳米粒子覆盖。

  图 2

  

  图 2.  (A) Cu₂O; (B)Cu₂O@Au; (C)Cu₂O@Au的HR-TEM图透射电镜; (D)Cu₂O、(E)Cu₂O@Au的扫描电镜图。

  Figure 2.  Transmission electron microscopy (TEM) images of (A) Cu₂O and (B) Cu₂O@Au; (C) high-resolution (HR)-TEM images of Cu₂O@Au; Scanning electron microscopy (SEM) images of (D) Cu₂O and (E)Cu₂O@Au.

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  由所合成的Cu₂O与Cu₂O@Au的XRD图(图 3)可见Cu₂O与Cu₂O@Au的晶体结构，扫描区间为2θ 10°~90°。从样品的XRD谱图中可见，2θ为29.64°、36.56°、42.48°、61.63°、73.66°处出现了Cu₂O的特征衍射峰，其峰的位置分别对应是(110)、(111)、(200)、(220)、(311)晶面，同文献[14, 15]中Cu₂O的特征衍射峰相同。与Cu₂O相比，Cu₂O@Au异质材料在2θ为38.2°、44.3°、64.6°处出现新的衍射峰，分别对应Au(111)(200)(220)晶面，与文献[16]相符，表明复合纳米材料中有高结晶的Cu₂O和Au。

  图 3

  

  图 3.  Cu₂O(a)和Cu₂O@Au(b)的XRD图

  Figure 3.  X-ray diffraction (XRD) patterns of (a) Cu₂O and (b) Cu₂O@Au

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  3.3   线性范围和检出限

  分别以Cu₂O、Cu₂O@Au(#1)、Cu₂O@Au(#2)和Cu₂O@Au(#3)为探针，对0.5 mmol/L Rh B溶液进行拉曼检测。如图 4和图 5所示，Rh B的SERS光谱特征峰与文献[17]一致，在1646、1508、1527、1356、1276和1196 cm^-1处检测到较强的特征峰。1646、1356和1276 cm^-1处的拉曼特征峰是由苯环的C＝C双键伸缩振动引起的，在1196 cm^-1处的吸收峰是由苯环的变形振动引起的，在1527 cm^-1处的吸收峰是C—H键的振动引起的。本实验采用1646 cm^-1处最强峰进行定量分析。

  图 4

  

  图 4.  Cu₂O和表面修饰不同AuNPs量的Cu₂O@Au对水样中罗丹明B的检测结果：(a) Cu₂O; (b)Cu₂O@Au(#1); (c)Cu₂O@Au(#2); (d)Cu₂O@Au(#3)。

  Figure 4.  Surface enhanced Raman scattering (SERS) spectra of 0.05 mmol/L Rh B solution using (a)Cu₂O, (b)Cu₂O@Au(#1), (c)Cu₂O@Au(#2)and(d)Cu₂O@Au(#3).

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  如图 4所示，Cu₂O、Cu₂O@Au(#1)的信号最低，Cu₂O@Au(#3)的信号最高，表明检测到的Rh B信号与探针表面沉积的金纳米粒子的密度有直接关系。Cu₂O@Au(#1)表面金纳米粒子最稀疏，因此其检测到的信号与基底Cu₂O类似。Cu₂O@Au(#2)也有较好的拉曼增强效果，但是其结果的重现性不佳。Cu₂O@Au(#3)拉曼光谱的表面增强效果最为显著，且信号稳定，认为其拉曼增强的机理有如下两种可能：(1)Cu₂O本身就是SERS的活性基底，当形成Cu₂O@Au的异质结构后，对拉曼增强有积极作用; (2)Cu₂O@Au(#3)Cu₂O表面沉积的金纳米粒子密度大且均匀，因此金纳米粒子之间距离较近，且相对位置固定，容易产生粒子间热点，增强拉曼信号的同时重现性较好。为了考察本方法的选择性，选择天然水体中可能存在的抗生素磺胺嘧啶作为共存污染物，即在1×10^-5 mol/L Rh B水样中添加磺胺嘧啶至1×10^-5 mol/L，结果表明，磺胺嘧啶不干扰水样中的Rh B拉曼光谱检测。

  以Cu₂O@Au(#3)为探针，检测了不同浓度Rh B溶液的拉曼光谱。从图 5A可见，随着Rh B浓度增加，拉曼特征峰的位置没有发生改变，拉曼光谱信号峰的强度逐渐增强。在1×10^-2~5×10^-6 mol/L浓度范围时，Rh B拉曼光谱信号强度呈增长趋势(图 5B)。样品平行测定11次的结果显示相对标准偏差为15%，检出限为3×10^-7 mol/L (3σ)。

  图 5

  

  图 5.  Cu₂O@Au(#3)对水样中罗丹明B的检测结果(A)和工作曲线(B)

  Figure 5.  SERS spectra of different concentrations of Rh B solution using Cu₂O@Au(#3) (A):(a) 1×10^-2 mol/L; (b) 5×10^-3 mol/L; (c) 1×10^-3 mol/L; (d) 5×10^-4 mol/L; (e) 1×10^-4 mol/L; (f) 5×10^-5 mol/L; (g) 1×10^-5 mol/L; (h) 5×10^-6 mol/L, (i) control. (B) Variation of normalized Raman intensity with concentration of Rh B from 5×10^-6 mol/L to 1×10^-2 mol/L.

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  3.4   Cu₂O@Au的稳定性

  为了测定此复合纳米材料的稳定性和在不同体系中的表现，以0.05 mol/L Rh B溶液为储备液，将之分别用0.01 mol/L HCl和1×PBS溶液稀释至5×10^-4 mol/L，再依照上述检测方法用Cu₂O@Au(#3)进行拉曼光谱检测。如图 6所示，在PBS体系中检测到的结果与在二次蒸馏水溶液中测得了拉曼信号的强度比较一致，而在0.01 mol/L HCl中检测到的信号则比二次蒸馏水溶液中的信号强25%。

  图 6

  

  图 6.  Cu₂O@Au(#3)对不同体系中的5×10^-4 mol/L Rh B的检测结果：(a)二次蒸馏水溶液; (b)0.01 mol/L HCl; (c)1×PBS

  Figure 6.  SERS spectra of 5×10^-4 mol/L Rh B in different solutions using Cu₂O@Au(#3): (a) pure water, (b) 0.01 mol/L HCl, (c) 1×PBS

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  3.5   Cu₂O@Au对沂河水样中目标物的检测

  提取流经市区的沂河水的天然水样，未经任何处理的水样命名为河水，取一份河水用0.45 μm滤膜过滤备用(命名为过滤河水)，仍以0.05 mol/L Rh B溶液为储备液，将之分别用河水和过滤河水稀释至1×10^-4 mol/L，再依照上述检测方法用Cu₂O@Au(#3)进行拉曼光谱检测。如图 7所示，河水中检测到的拉曼信号略高于二次蒸馏水中的检测结果(9%)，而过滤河水中检测到的拉曼信号略低于二次蒸馏水中的检测结果(25%)，在河水和过滤河水中均未检测到Rh B。

  图 7

  

  图 7.  Cu₂O@Au对沂河水中的Rh B的检测结果: (a)1×10^-4 mol/L Rh B(沂河水样); (b)1×10^-4 mol/L(过滤后的沂河水样); (c)沂河水样; (d)过滤后的沂河水样。

  Figure 7.  SERS spectra of different concentrations of Rh B in river samples using Cu₂O@Au(#3): (a) 1×10^-4 mol/L Rh B in river water, (b) 1×10^-4 mol/L Rh B in filtered-river water, (c) river water, (d) filtered-river water

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  4.   结论

  本研究制备了多面体Cu₂O和Cu₂O@Au，Cu₂O@Au的异质结构和Au纳米粒子之间的热点能有效增强靶标的拉曼光谱。此结构有效改善了Au纳米粒子在复杂体系中的稳定性和重现性，在PBS(1×)、酸性水溶液中(0.01 mol/L HCl)和污染较重的天然河水中都能够实现对目标分子的准确快速的拉曼检测。但是作为拉曼基底，其中没有起到荧光猝灭作用的物质，这对提高拉曼光谱信号的信噪比是一个缺陷，还需要进一步改进。

  
  
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  图 1  Cu₂O和Cu₂O@Au的制备及其对水样中罗丹明B进行拉曼检测的示意图

  Figure 1  Schematic illustration of synthesis process of Cu₂O and Cu₂O@Au and detection process of Rhodamine B (Rh B) samples

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  图 2  (A) Cu₂O; (B)Cu₂O@Au; (C)Cu₂O@Au的HR-TEM图透射电镜; (D)Cu₂O、(E)Cu₂O@Au的扫描电镜图。

  Figure 2  Transmission electron microscopy (TEM) images of (A) Cu₂O and (B) Cu₂O@Au; (C) high-resolution (HR)-TEM images of Cu₂O@Au; Scanning electron microscopy (SEM) images of (D) Cu₂O and (E)Cu₂O@Au.

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  图 3  Cu₂O(a)和Cu₂O@Au(b)的XRD图

  Figure 3  X-ray diffraction (XRD) patterns of (a) Cu₂O and (b) Cu₂O@Au

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  图 4  Cu₂O和表面修饰不同AuNPs量的Cu₂O@Au对水样中罗丹明B的检测结果：(a) Cu₂O; (b)Cu₂O@Au(#1); (c)Cu₂O@Au(#2); (d)Cu₂O@Au(#3)。

  Figure 4  Surface enhanced Raman scattering (SERS) spectra of 0.05 mmol/L Rh B solution using (a)Cu₂O, (b)Cu₂O@Au(#1), (c)Cu₂O@Au(#2)and(d)Cu₂O@Au(#3).

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  图 5  Cu₂O@Au(#3)对水样中罗丹明B的检测结果(A)和工作曲线(B)

  Figure 5  SERS spectra of different concentrations of Rh B solution using Cu₂O@Au(#3) (A):(a) 1×10^-2 mol/L; (b) 5×10^-3 mol/L; (c) 1×10^-3 mol/L; (d) 5×10^-4 mol/L; (e) 1×10^-4 mol/L; (f) 5×10^-5 mol/L; (g) 1×10^-5 mol/L; (h) 5×10^-6 mol/L, (i) control. (B) Variation of normalized Raman intensity with concentration of Rh B from 5×10^-6 mol/L to 1×10^-2 mol/L.

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  图 6  Cu₂O@Au(#3)对不同体系中的5×10^-4 mol/L Rh B的检测结果：(a)二次蒸馏水溶液; (b)0.01 mol/L HCl; (c)1×PBS

  Figure 6  SERS spectra of 5×10^-4 mol/L Rh B in different solutions using Cu₂O@Au(#3): (a) pure water, (b) 0.01 mol/L HCl, (c) 1×PBS

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  图 7  Cu₂O@Au对沂河水中的Rh B的检测结果: (a)1×10^-4 mol/L Rh B(沂河水样); (b)1×10^-4 mol/L(过滤后的沂河水样); (c)沂河水样; (d)过滤后的沂河水样。

  Figure 7  SERS spectra of different concentrations of Rh B in river samples using Cu₂O@Au(#3): (a) 1×10^-4 mol/L Rh B in river water, (b) 1×10^-4 mol/L Rh B in filtered-river water, (c) river water, (d) filtered-river water

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