Au@Ag致密单层膜的组装及对农药残留的SERS检测

周侠; 张莉; 王红艳; 王雪艳; 杨良保

doi:10.12030/j.cjee.201709086

Au@Ag致密单层膜的组装及对农药残留的SERS检测

1.
宿州学院化学化工学院，宿州 234000
2.
中国科学院合肥智能机械研究所，合肥 230031
基金项目:
宿州学院科研平台开放课题项目 (2014YKF45，2015ykf16，2015ykf17)

国家自然科学基金资助项目 (21571180)

安徽省教育厅大学生创新创业训练项目 (201510379136)

安徽省教育厅高校科研平台创新团队建设项目 (2016SCXPTTD)

安徽省教育厅自然科学重点项目 (KJ2015A271, KJ2016A888, KJ2017A434)

宿州学院自然科学研究重点项目 (2016yzd03)

Assembly of Au@Ag monolayer membrane and SERS detection of pesticide residues

1.
School of Chemistry and Chemical Engineering, Suzhou University, Suzhou 234000, China
2.
Institite of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
Fund Project:

摘要: 采用聚合物溶液组装法构筑致密Au@Ag核壳单层膜结构，用作SERS基底检测有机磷农药具有高灵敏性和重现性。Au@Ag核壳纳米立方体首先通过种子生长法合成，然后用功能化的配体聚乙二醇巯基（mPEG–SH）进行修饰获得有序的致密单层膜结构。该结构的形成归因于适量mPEG–SH的加入可以精确调节颗粒间以及颗粒与基底间的相互作用力，使得基底表面的纳米粒子重新排列。这种有序的单层膜结构用作SERS基底具有稳定和高重现的SERS信号，用于检测乙基对氧磷农药残留时检测限低至10-8 mol·L-1（2.75 μg·mL-1）。该聚合物组装方法为构建高灵敏和高重现性的SERS基底提供了一个有效的途径，为SERS技术在农药残留检测领域的推广应用打下了基础。
- 表面增强拉曼光谱 /
- 聚乙二醇组装法 /
- Au@Ag核壳 /
- 农药残留检测
Abstract: Au@Ag core-shell monolayer film with dense arrangement was built by a simple polyethylene glycol assembly method, and used as SERS substrate to detect organophosphorus pesticides with highly sensitivity and reproducibility. Au@Ag core-shell nanostructures were synthesized by simple seed growth method firstly, and then modified with methoxypolyethylene glycol mercapto (mPEG-SH) to obtain ordered dense monolayer structure. The formation of this structure attribute to an appropriate amount of mPEG-SH added to precisely regulate the interaction of the particles and between the particles and the substrate. This ordered monolayer nanostructures used as SERS substrates with highly uniform and reproducible SERS signals for the detection of organophosphorus pesticide residues, and the detection limits low to 10-8 mol·L-1 (2.75 μg·mL-1). This polymer assembling method provides an effective way to construct a practical SERS substrate with high sensitivity and reproducibility, and gives the basis for the application of pesticide residues detection.
- surface-enhanced raman spectroscopy /
- polyethylene glycol assembly method /
- Au @ Ag core-shell /
- pesticide residue detection
近年来，随着农药大量生产和广泛施用, 农药污染和残留问题日益严重，对人们的身体健康和生命安全造成了威胁。其中，有机磷类农药化学性质不稳定，易受外界条件影响而分解，且存在甲胺磷、对氧磷、水胺硫磷等高毒和剧毒品种，被施用于生长期较短、连续采收的蔬菜，人一旦食用后则会因残留量超标而中毒。目前，该类农药残留最常用的检测方法是配备荧光鉴定器的气相色谱（FPD /GC）^[1]和气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术^[2-3]。然而，这2种方法都需要仪器联用和专业的人员进行操作，检测过程消耗时间长。因此，开发一种简单、灵敏的有机磷农药残留检测的方法是非常必要的。
表面增强拉曼光谱（surface enhanced raman spectroscopy，SERS）是一种超灵敏、无损的光谱技术，能够承载纳米结构表面的结构信息，在食品安全检测^[4-5]，环境监测^[6-7]，生物分子传感^[8]，爆炸物探测^[9-10]以及农药残留检测^[11-12]等领域有重要的应用。ALAK 等^[13]第1次使用SERS技术来检测有机磷农药，就是根据SERS技术较高的灵敏度。SERS的高灵敏检测离不开高性能的基底，一种理想的SERS基底除具有较大的信号增强外，还要能产生均匀的可重现性的SERS信号。传统的基底上纳米颗粒是任意随机分布, 如图1（a）所示，即SERS检测的弱点就是重现性差。从应用的角度来看，开发一种高灵敏且高重现性的规则排列的纳米结构作为SERS基底是关键。不管探测激光照到基底的任何区域，SERS信号应该尽可能地均匀统一^[14]，如图1（b）所示。
高度规则排列的纳米结构一般是通过组装方法获得，主要有溶剂蒸发^[15]，层层组装^[16]，界面组装^[17], 配体修饰组装^[18]，模板法组装^[19]，Langmuir-Blodgett（LB）膜法^[20]，平板印刷^[21]和等离子体刻蚀^[22]等。然而，这些方法各有不足，比如处理时间较长，需要专门的仪器，或是产率低等，其潜在应用受到了很大的限制。因此，寻找一种简单的方法来构建有序的纳米结构来解决SERS检测中低重现性的问题仍然是一个具有挑战性的工作。

图1 激光斑点内有效活性位点的分布
Fig. 1 Distribution of effective spots of laser sites

图1 激光斑点内有效活性位点的分布
Fig. 1 Distribution of effective spots of laser sites

本研究采用一种简单、方便的聚合物溶液组装法构筑致密的Au@Ag核壳单层膜结构，实现了对农药残留高灵敏和高重现的SERS检测。首先通过种子生长法制备Au@Ag核壳纳米长方体，然后用聚乙二醇巯基（mPEG–SH）对其进行修饰，从而获得有序的致密单层膜结构。该结构的形成归因于适量mPEG–SH的加入可以精确调节颗粒间以及颗粒与基底间的相互作用力，使之达到一个临界点。在这一临界点上纳米颗粒间团聚和颗粒与基底表面间的作用力同时存在，2种作用力使得基底表面的纳米粒子重新排列形成有序的结构。该聚乙二醇溶液组装方法主要有以下优点：1）组装过程简单易操作；2）可以调节和优化纳米颗粒间的间隙；3）形成致密排列的纳米结构；4）组装原理和策略可用于设计一系列新型的纳米结构。这种有序的单层膜结构用作SERS基底检测乙基对氧磷时具有较高的SERS灵敏度和重现性，检测限低至10⁻⁸ mol·L⁻¹（2.75 μg·mL⁻¹）。
1 实验部分
1.1 金银核壳纳米长方体的制备
金银核壳纳米长方体（Au@Ag NB）合成主要采用种子生长法^[23]，主要分为3步。
1）金纳米种子（约3 nm）的合成。在 CTAB水溶液中用NaBH₄还原HAuCl₄，将 0.6 mL 0.01 mol·L⁻¹ NaBH₄的冰水溶液加入10 mL含有0.1 mol·L⁻¹ CTAB和0.25×10⁻³ mol·L⁻¹ HAuCl₄混合溶液，生成茶褐色金种子溶液，室温下静止1 h。
2）金纳米棒制备。种子在AgNO₃和HAuCl₄存在的条件下，利用L-AA还原HAuCl₄生长为金纳米棒。将25 mL 0.2 mol·L⁻¹ CTAB 溶液与相同体积1 mmol·L⁻¹ HAuCl₄溶液加入1 mL 4 mmol·L⁻¹ AgNO₃溶液中，然后将0.4 mL 0.08 mol·L⁻¹ L-AA 加入混合溶液中，红黄色混合溶液很快变为无色。将0.06 mL种子溶液加入生长溶液中反应6 h来制备金纳米棒。金纳米棒在8 000 r·min⁻¹条件下离心15 min，并用去离子水清洗。
3）金银核壳纳米长方体合成。利用L-AA还原AgNO₃方法在金纳米粒子表面形成Ag壳层。5 mL金纳米棒与45 mL CTAC（0.08 mol·L⁻¹）溶液混合，并在65 ^oC水浴中搅拌。然后将4.4 mL AgNO₃（4×10⁻³ mol·L⁻¹）加入金纳米棒溶液中，随后加入2.2 mL L-AA（0.1 mol·L⁻¹）还原AgNO₃，搅拌速度为1 000 r·min⁻¹，反应时间为3 h。最后，将金银核壳纳米立方体溶液离心（6 500 r·min⁻¹, 10 min），并用去离子水洗3次，用于纳米薄膜制备使用。
1.2 金银核壳纳米长方体的组装
首先配制100 mL 2×10⁻³ mol·L⁻¹ mPEG–SH 水溶液。然后，适量的mPEG–SH 聚合物加入到2.94×10⁻⁸ mol·L⁻¹ Au@Ag NB的溶液中，室温下保持搅拌8 h。最后，经离心水洗后去除未结合的聚合物，重新分散在水中。
1.3 SERS测试
将经过mPEG–SH修饰的Au@Ag NB溶液逐滴滴加到干净的硅片上，干燥后获得致密排列的单层膜结构。取20 μＬ一定浓度的乙基对氧磷滴加到已修饰Au@Ag NB的硅片上，并在室温下干燥，用于SERS分析。所有光谱只需要简单的调基线和平滑处理。实验所使用的拉曼光谱仪激发光波长为785 nm，激发能量为2 mW, 积分时间均为5 s。
2 结果与讨论
2.1 金银核壳纳米长方体（Au@Ag NB）的表征
金银核壳纳米长方体（Au@Ag NB）的生长过程是金纳米种子在生长溶液中长成金纳米棒，然后利用L-AA还原AgNO₃方法在金纳米粒子表面形成Ag壳层，从而得到Au@Ag NB，最后用mPEG–SH 聚合物对其进行组装，实验结果如图2所示。图2（a）和（b）分别是合成的Au@Ag NB用mPEG–SH聚合物组装前后的SEM图。可以看出：未用mPEG–SH聚合物组装的Au@Ag NB出现大量团聚，分散性很差；而用mPEG–SH聚合物组装后的金银核壳长方体呈现出均匀分散而且致密排列的单层膜结构。这种结构形成的主要原因是通过加入适量的mPEG–SH来精确调节颗粒间以及颗粒与基底间的相互作用力，使之达到一个临界点。在这一临界点上纳米颗粒间团聚和颗粒与基底表面间的作用力同时存在，2种作用力使得基底表面的纳米粒子重新排列形成有序的结构^[24]。
图2（c）是金银核壳长方体的TEM图，可知壳层厚度约为5 nm。且相邻的Au@Ag NB的间隙尺寸只有5 nm，如图2（b）所示。构筑如此小的间隙是因为电场的增强主要依赖于颗粒间隙尺寸，当颗粒间隙尺寸小于10 nm时，电场增强变得尤为明显，而且随着间隙尺寸的减小，电场增强产生非线性的增加^[25-26]。金银核壳长方体中Au、Ag的元素分布如图2（d）所示，合金中Ag的存在可以进一步提高此结构用作SERS基底检测的灵敏度；而Au的存在，使此结构具有较好的稳定性。因此，该Au@Ag NB组装体结构作为SERS基底检测时同时具有高的灵敏度和稳定性。

图2 合成的Au@Ag 核壳纳米长方体的表征
Fig. 2 Characterization of synthesized Au@Ag core-shell nanocuboids

图2 合成的Au@Ag 核壳纳米长方体的表征
Fig. 2 Characterization of synthesized Au@Ag core-shell nanocuboids

2.2 Au@Ag NB组装体作为SERS基底用于农药残留的检测
2.2.1 Au@Ag NB组装体作为SERS基底的灵敏度
农药污染和残留问题已经对人类的身体健康和生命安全造成了威胁，我们需要建立一种简单、灵敏的检测农药残留的方法。为了评估Au@Ag NB组装体作为SERS基底能否满足检测的需要，首先要对其灵敏度进行表征。我们选用有机磷农药（乙基对氧磷）来评估基底的灵敏度。10 μＬ不同浓度的乙基对氧磷溶液分别滴加到同一批次的Au@Ag NB组装前后的基底上，待其自然干燥后进行SERS检测，获得的谱图如图3所示。以该基底的SERS峰为背底，经过扣除之后，乙基对氧磷的特征峰位能够清楚地被识别，SERS光谱在817、860、 1 110、1 164、1 252和1 326 cm⁻¹位置呈现出主要特征峰。其中, 最主要特征峰1 252 cm⁻¹对应于P＝O伸缩振动峰。而817、860、1 110、1 164和1 326 cm⁻¹分别是环的呼吸振动峰、NO₂剪切振动峰、 C－H面内弯曲振动峰、硝基苯酚面内振动峰、NO₂对称振动峰^[27-28]。
另外，实验结果显示，未组装的Au@Ag NB作为SERS基底检测乙基对氧磷的检测限是10⁻⁶ mol·L⁻¹（图3（a）），而Au@Ag NB组装体的检测限可以达到10⁻⁸ mol·L⁻¹（2.75 μg·mL⁻¹），如图3（b）所示。这一结果证明Au@Ag NB经过mPEG-SH组装之后，作为SERS基底，其灵敏度明显提高。另外，Au@Ag NB作为SERS基底用来检测一系列不同浓度的乙基对氧磷溶液时（图3（c）），计算结果表明乙基对氧磷浓度的对数与SERS峰强度的对数呈现很好的线性关系（图3（d）），此结果说明我们可以通过测量SERS峰强度变化实现对乙基对氧磷的定量检测。

图3 组装前、后Au@Ag NB作为SERS基底检测乙基对氧磷时获得的SERS光谱
Fig. 3 SERS spectra of ethyl paraoxon obtained on before and after assembled Au@Ag NB film substrates

图3 组装前、后Au@Ag NB作为SERS基底检测乙基对氧磷时获得的SERS光谱
Fig. 3 SERS spectra of ethyl paraoxon obtained on before and after assembled Au@Ag NB film substrates

2.2.2 Au@Ag NB组装体作为SERS基底的重现性
一种理想的SERS基底除了具有较好的灵敏度外，也需要具备较好的重现性。因此我们对该基底组装前后的重现性也进行了研究。图4显示的是组装前、后的Au@Ag NB基底上随机选择的8个不同点所获得的10⁻⁶ mol·L⁻¹乙基对氧磷溶液的3D SERS光谱。可以看出，组装的Au@Ag NB基底获得的SERS光谱（图4（b）），与未组装的SERS基底相比（图4（a）），不仅SERS强度较高，而且8个点的强度差距较小，说明组装后的SERS基底具有较高的重现性。

图4 组装前、后基底上8个不同点的乙基对氧磷的3D SERS 光谱
Fig. 4 3D SERS spectra of ethyl paraoxon obtained by 8 spots on before and after assembled substrates

图4 组装前、后基底上8个不同点的乙基对氧磷的3D SERS 光谱
Fig. 4 3D SERS spectra of ethyl paraoxon obtained by 8 spots on before and after assembled substrates

为了定量评估Au@Ag NB基底组装后的SERS重现性，我们对该基底组装前后检测10⁻⁶ mol· L⁻¹乙基对氧磷时随机选择的45个点强度的RSD值进行了计算，如图5所示。可知860 cm⁻¹组装前后的RSD值分别为15.11%（图5（a））和12.08%（图5（b））, 而1 252 cm⁻¹组装前后的RSD值分别为16.51%（图5（c））和13.32%（图5（d））。进一步证明了组装后的基底具有较好的重现性。综上所述，经过mPEG-SH组装后的Au@Ag NB基底具有较高的灵敏度和重现性，因此，它是一种理想的有机磷农药残留检测的SERS基底。

图5 组装前、后的基底上45个点的乙基对氧磷的主要峰的RSD 值
Fig. 5 RSD value of ethyl paraoxon about 45 points on before and after assembled substrates at main peak

图5 组装前、后的基底上45个点的乙基对氧磷的主要峰的RSD 值
Fig. 5 RSD value of ethyl paraoxon about 45 points on before and after assembled substrates at main peak

3 结论
1）这种简单的mPEG-SH聚合物溶液组装法成功将Au@Ag纳米长方体组装成均匀分散的致密单层膜结构。该有序结构的形成归因于适量的mPEG–SH加入可以精确调节颗粒间以及颗粒与基底间的相互作用力，使得基底表面的纳米粒子重新排列。
2）将经过mPEG-SH组装前、后的Au@Ag纳米长方体溶液干燥获得的单层膜结构分别作为SERS基底检测乙基对氧磷。结果显示，组装后的Au@Ag长方体单层膜的SERS检测具有较高的灵敏度，检测限达到10⁻⁸ mol· L⁻¹（2.75 μg·mL⁻¹）；且在860和1 252 cm⁻¹位置计算出的RSD值分别为12.08%和13.32%，具有较好的重现性。总之，组装后的Au@Ag NB单层膜检测乙基对氧磷时具有高灵敏性和重现性。
3）该溶液聚合物组装法获得致密单层膜结构的策略为构建高灵敏和高重现性的SERS基底提供了一个有效的途径，为SERS技术在环境检测领域的推广应用提供了基础。
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近年来，随着农药大量生产和广泛施用, 农药污染和残留问题日益严重，对人们的身体健康和生命安全造成了威胁。其中，有机磷类农药化学性质不稳定，易受外界条件影响而分解，且存在甲胺磷、对氧磷、水胺硫磷等高毒和剧毒品种，被施用于生长期较短、连续采收的蔬菜，人一旦食用后则会因残留量超标而中毒。目前，该类农药残留最常用的检测方法是配备荧光鉴定器的气相色谱（FPD /GC）^[1]和气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术^[2-3]。然而，这2种方法都需要仪器联用和专业的人员进行操作，检测过程消耗时间长。因此，开发一种简单、灵敏的有机磷农药残留检测的方法是非常必要的。

表面增强拉曼光谱（surface enhanced raman spectroscopy，SERS）是一种超灵敏、无损的光谱技术，能够承载纳米结构表面的结构信息，在食品安全检测^[4-5]，环境监测^[6-7]，生物分子传感^[8]，爆炸物探测^[9-10]以及农药残留检测^[11-12]等领域有重要的应用。ALAK 等^[13]第1次使用SERS技术来检测有机磷农药，就是根据SERS技术较高的灵敏度。SERS的高灵敏检测离不开高性能的基底，一种理想的SERS基底除具有较大的信号增强外，还要能产生均匀的可重现性的SERS信号。传统的基底上纳米颗粒是任意随机分布, 如图1（a）所示，即SERS检测的弱点就是重现性差。从应用的角度来看，开发一种高灵敏且高重现性的规则排列的纳米结构作为SERS基底是关键。不管探测激光照到基底的任何区域，SERS信号应该尽可能地均匀统一^[14]，如图1（b）所示。

高度规则排列的纳米结构一般是通过组装方法获得，主要有溶剂蒸发^[15]，层层组装^[16]，界面组装^[17], 配体修饰组装^[18]，模板法组装^[19]，Langmuir-Blodgett（LB）膜法^[20]，平板印刷^[21]和等离子体刻蚀^[22]等。然而，这些方法各有不足，比如处理时间较长，需要专门的仪器，或是产率低等，其潜在应用受到了很大的限制。因此，寻找一种简单的方法来构建有序的纳米结构来解决SERS检测中低重现性的问题仍然是一个具有挑战性的工作。

图1 激光斑点内有效活性位点的分布
Fig. 1 Distribution of effective spots of laser sites

本研究采用一种简单、方便的聚合物溶液组装法构筑致密的Au@Ag核壳单层膜结构，实现了对农药残留高灵敏和高重现的SERS检测。首先通过种子生长法制备Au@Ag核壳纳米长方体，然后用聚乙二醇巯基（mPEG–SH）对其进行修饰，从而获得有序的致密单层膜结构。该结构的形成归因于适量mPEG–SH的加入可以精确调节颗粒间以及颗粒与基底间的相互作用力，使之达到一个临界点。在这一临界点上纳米颗粒间团聚和颗粒与基底表面间的作用力同时存在，2种作用力使得基底表面的纳米粒子重新排列形成有序的结构。该聚乙二醇溶液组装方法主要有以下优点：1）组装过程简单易操作；2）可以调节和优化纳米颗粒间的间隙；3）形成致密排列的纳米结构；4）组装原理和策略可用于设计一系列新型的纳米结构。这种有序的单层膜结构用作SERS基底检测乙基对氧磷时具有较高的SERS灵敏度和重现性，检测限低至10⁻⁸ mol·L⁻¹（2.75 μg·mL⁻¹）。

1 实验部分

1.1 金银核壳纳米长方体的制备

金银核壳纳米长方体（Au@Ag NB）合成主要采用种子生长法^[23]，主要分为3步。

1）金纳米种子（约3 nm）的合成。在 CTAB水溶液中用NaBH₄还原HAuCl₄，将 0.6 mL 0.01 mol·L⁻¹ NaBH₄的冰水溶液加入10 mL含有0.1 mol·L⁻¹ CTAB和0.25×10⁻³ mol·L⁻¹ HAuCl₄混合溶液，生成茶褐色金种子溶液，室温下静止1 h。

2）金纳米棒制备。种子在AgNO₃和HAuCl₄存在的条件下，利用L-AA还原HAuCl₄生长为金纳米棒。将25 mL 0.2 mol·L⁻¹ CTAB 溶液与相同体积1 mmol·L⁻¹ HAuCl₄溶液加入1 mL 4 mmol·L⁻¹ AgNO₃溶液中，然后将0.4 mL 0.08 mol·L⁻¹ L-AA 加入混合溶液中，红黄色混合溶液很快变为无色。将0.06 mL种子溶液加入生长溶液中反应6 h来制备金纳米棒。金纳米棒在8 000 r·min⁻¹条件下离心15 min，并用去离子水清洗。

3）金银核壳纳米长方体合成。利用L-AA还原AgNO₃方法在金纳米粒子表面形成Ag壳层。5 mL金纳米棒与45 mL CTAC（0.08 mol·L⁻¹）溶液混合，并在65 ^oC水浴中搅拌。然后将4.4 mL AgNO₃（4×10⁻³ mol·L⁻¹）加入金纳米棒溶液中，随后加入2.2 mL L-AA（0.1 mol·L⁻¹）还原AgNO₃，搅拌速度为1 000 r·min⁻¹，反应时间为3 h。最后，将金银核壳纳米立方体溶液离心（6 500 r·min⁻¹, 10 min），并用去离子水洗3次，用于纳米薄膜制备使用。

1.2 金银核壳纳米长方体的组装

首先配制100 mL 2×10⁻³ mol·L⁻¹ mPEG–SH 水溶液。然后，适量的mPEG–SH 聚合物加入到2.94×10⁻⁸ mol·L⁻¹ Au@Ag NB的溶液中，室温下保持搅拌8 h。最后，经离心水洗后去除未结合的聚合物，重新分散在水中。

1.3 SERS测试

将经过mPEG–SH修饰的Au@Ag NB溶液逐滴滴加到干净的硅片上，干燥后获得致密排列的单层膜结构。取20 μＬ一定浓度的乙基对氧磷滴加到已修饰Au@Ag NB的硅片上，并在室温下干燥，用于SERS分析。所有光谱只需要简单的调基线和平滑处理。实验所使用的拉曼光谱仪激发光波长为785 nm，激发能量为2 mW, 积分时间均为5 s。

2 结果与讨论

2.1 金银核壳纳米长方体（Au@Ag NB）的表征

金银核壳纳米长方体（Au@Ag NB）的生长过程是金纳米种子在生长溶液中长成金纳米棒，然后利用L-AA还原AgNO₃方法在金纳米粒子表面形成Ag壳层，从而得到Au@Ag NB，最后用mPEG–SH 聚合物对其进行组装，实验结果如图2所示。图2（a）和（b）分别是合成的Au@Ag NB用mPEG–SH聚合物组装前后的SEM图。可以看出：未用mPEG–SH聚合物组装的Au@Ag NB出现大量团聚，分散性很差；而用mPEG–SH聚合物组装后的金银核壳长方体呈现出均匀分散而且致密排列的单层膜结构。这种结构形成的主要原因是通过加入适量的mPEG–SH来精确调节颗粒间以及颗粒与基底间的相互作用力，使之达到一个临界点。在这一临界点上纳米颗粒间团聚和颗粒与基底表面间的作用力同时存在，2种作用力使得基底表面的纳米粒子重新排列形成有序的结构^[24]。

图2（c）是金银核壳长方体的TEM图，可知壳层厚度约为5 nm。且相邻的Au@Ag NB的间隙尺寸只有5 nm，如图2（b）所示。构筑如此小的间隙是因为电场的增强主要依赖于颗粒间隙尺寸，当颗粒间隙尺寸小于10 nm时，电场增强变得尤为明显，而且随着间隙尺寸的减小，电场增强产生非线性的增加^[25-26]。金银核壳长方体中Au、Ag的元素分布如图2（d）所示，合金中Ag的存在可以进一步提高此结构用作SERS基底检测的灵敏度；而Au的存在，使此结构具有较好的稳定性。因此，该Au@Ag NB组装体结构作为SERS基底检测时同时具有高的灵敏度和稳定性。

图2 合成的Au@Ag 核壳纳米长方体的表征
Fig. 2 Characterization of synthesized Au@Ag core-shell nanocuboids

2.2 Au@Ag NB组装体作为SERS基底用于农药残留的检测

2.2.1 Au@Ag NB组装体作为SERS基底的灵敏度

农药污染和残留问题已经对人类的身体健康和生命安全造成了威胁，我们需要建立一种简单、灵敏的检测农药残留的方法。为了评估Au@Ag NB组装体作为SERS基底能否满足检测的需要，首先要对其灵敏度进行表征。我们选用有机磷农药（乙基对氧磷）来评估基底的灵敏度。10 μＬ不同浓度的乙基对氧磷溶液分别滴加到同一批次的Au@Ag NB组装前后的基底上，待其自然干燥后进行SERS检测，获得的谱图如图3所示。以该基底的SERS峰为背底，经过扣除之后，乙基对氧磷的特征峰位能够清楚地被识别，SERS光谱在817、860、 1 110、1 164、1 252和1 326 cm⁻¹位置呈现出主要特征峰。其中, 最主要特征峰1 252 cm⁻¹对应于P＝O伸缩振动峰。而817、860、1 110、1 164和1 326 cm⁻¹分别是环的呼吸振动峰、NO₂剪切振动峰、 C－H面内弯曲振动峰、硝基苯酚面内振动峰、NO₂对称振动峰^[27-28]。

另外，实验结果显示，未组装的Au@Ag NB作为SERS基底检测乙基对氧磷的检测限是10⁻⁶ mol·L⁻¹（图3（a）），而Au@Ag NB组装体的检测限可以达到10⁻⁸ mol·L⁻¹（2.75 μg·mL⁻¹），如图3（b）所示。这一结果证明Au@Ag NB经过mPEG-SH组装之后，作为SERS基底，其灵敏度明显提高。另外，Au@Ag NB作为SERS基底用来检测一系列不同浓度的乙基对氧磷溶液时（图3（c）），计算结果表明乙基对氧磷浓度的对数与SERS峰强度的对数呈现很好的线性关系（图3（d）），此结果说明我们可以通过测量SERS峰强度变化实现对乙基对氧磷的定量检测。

图3 组装前、后Au@Ag NB作为SERS基底检测乙基对氧磷时获得的SERS光谱
Fig. 3 SERS spectra of ethyl paraoxon obtained on before and after assembled Au@Ag NB film substrates

2.2.2 Au@Ag NB组装体作为SERS基底的重现性

一种理想的SERS基底除了具有较好的灵敏度外，也需要具备较好的重现性。因此我们对该基底组装前后的重现性也进行了研究。图4显示的是组装前、后的Au@Ag NB基底上随机选择的8个不同点所获得的10⁻⁶ mol·L⁻¹乙基对氧磷溶液的3D SERS光谱。可以看出，组装的Au@Ag NB基底获得的SERS光谱（图4（b）），与未组装的SERS基底相比（图4（a）），不仅SERS强度较高，而且8个点的强度差距较小，说明组装后的SERS基底具有较高的重现性。

图4 组装前、后基底上8个不同点的乙基对氧磷的3D SERS 光谱
Fig. 4 3D SERS spectra of ethyl paraoxon obtained by 8 spots on before and after assembled substrates

为了定量评估Au@Ag NB基底组装后的SERS重现性，我们对该基底组装前后检测10⁻⁶ mol· L⁻¹乙基对氧磷时随机选择的45个点强度的RSD值进行了计算，如图5所示。可知860 cm⁻¹组装前后的RSD值分别为15.11%（图5（a））和12.08%（图5（b））, 而1 252 cm⁻¹组装前后的RSD值分别为16.51%（图5（c））和13.32%（图5（d））。进一步证明了组装后的基底具有较好的重现性。综上所述，经过mPEG-SH组装后的Au@Ag NB基底具有较高的灵敏度和重现性，因此，它是一种理想的有机磷农药残留检测的SERS基底。

图5 组装前、后的基底上45个点的乙基对氧磷的主要峰的RSD 值
Fig. 5 RSD value of ethyl paraoxon about 45 points on before and after assembled substrates at main peak

3 结论

1）这种简单的mPEG-SH聚合物溶液组装法成功将Au@Ag纳米长方体组装成均匀分散的致密单层膜结构。该有序结构的形成归因于适量的mPEG–SH加入可以精确调节颗粒间以及颗粒与基底间的相互作用力，使得基底表面的纳米粒子重新排列。

2）将经过mPEG-SH组装前、后的Au@Ag纳米长方体溶液干燥获得的单层膜结构分别作为SERS基底检测乙基对氧磷。结果显示，组装后的Au@Ag长方体单层膜的SERS检测具有较高的灵敏度，检测限达到10⁻⁸ mol· L⁻¹（2.75 μg·mL⁻¹）；且在860和1 252 cm⁻¹位置计算出的RSD值分别为12.08%和13.32%，具有较好的重现性。总之，组装后的Au@Ag NB单层膜检测乙基对氧磷时具有高灵敏性和重现性。

3）该溶液聚合物组装法获得致密单层膜结构的策略为构建高灵敏和高重现性的SERS基底提供了一个有效的途径，为SERS技术在环境检测领域的推广应用提供了基础。

参考文献 (28)

参考文献

Au@Ag致密单层膜的组装及对农药残留的SERS检测

Assembly of Au@Ag monolayer membrane and SERS detection of pesticide residues

1 实验部分

1.1 金银核壳纳米长方体的制备

1.2 金银核壳纳米长方体的组装

1.3 SERS测试

2 结果与讨论

2.1 金银核壳纳米长方体（Au@Ag NB）的表征

2.2 Au@Ag NB组装体作为SERS基底用于农药残留的检测

2.2.1 Au@Ag NB组装体作为SERS基底的灵敏度

2.2.2 Au@Ag NB组装体作为SERS基底的重现性

3 结论