银离子修饰的银溶胶及其制备方法以及在表面增强拉曼光谱定量检测砷中的应用

1.本发明涉及表面增强拉曼光谱技术和环境分析领域，具体涉及一种银离子修饰的银溶胶及其制备方法以及在表面增强拉曼光谱定量检测砷中的应用。


背景技术：

2.目前，全球约有1.4亿人饮用含有砷的地下水(science,2013,341,852-853)。含砷物质的毒性取决于其残留浓度和砷的化学形态(science,2003,300,939-943)。一般来说，亚砷酸比砷酸毒性更大。因此，水中亚砷酸根(as(ⅲ))和砷酸根(as(v))的快速、定量检测是砷污染风险评估的先决条件，已引起越来越多的关注(food control,2021,121,107588.)。as(ⅲ)和as(v)的分析方法主要有高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(environ.sci.technol,2014,48(24),14203-14210.)、电泳(chem.rev.,2013,113(1),778-812.)、原子荧光光谱等(analyst,2004,129(5),373-395.)。这些方法具有很好的准确性和精密度，但是样品预处理耗时，无法将上述方法用于环境现场的快速形态分析。
3.表面增强拉曼光谱(sers)具有高灵敏度、快速、提供分子特异性指纹信息的特点(science,1997,275(21),1102-1106)，通过sers拉曼位移可以区分as(ⅲ)和as(v)。银溶胶是常用的sers基底，可以对as(ⅲ)和as(v)离子产生较好的sers响应。但是，该方法的定量分析能力有待提高。同时，由于不同批次或者不同实验室合成的银溶胶的sers基底活性的重复性差，导致该方法无法用于在实际的环境快速检测。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的不足，本发明通过调控纳米银溶胶表面银离子浓度，获得了一种外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)，以agnp@ag

为sers基底分析as(ⅲ)和as(v)的灵敏度比银溶胶基底高，同时，不同批次合成的agnp@ag

对as(v)和as(ⅲ)的sers响应的重复性得到显著性增强，为该方法进一步开发成快速检测方法提供基础。
5.本发明的技术方案为：
6.一种外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)，所述外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)以纳米银溶胶为内核，内核的表面吸附有银离子，所述agnp@ag

体系中银离子的浓度为1.1
×
10-7
mol/l至4.3
×
10-4
mol/l，其中，所述纳米银溶胶是通过现有技术制备的常规纳米银溶胶。
7.优选的，所述内核的粒径为40nm-60nm。
8.一种外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)的制备方法，包括以下步骤，以硝酸银为原料，以柠檬酸钠为还原剂和保护剂，通过化学还原法制备纳米银溶胶，该纳米银溶胶的制备方法为现有技术，而后，将纳米银溶胶与nabh4溶液在冰水浴中混合并在冰水浴放置一段时间，而后逐滴加入乙酸溶液至无气泡产生后，形成表面无银离子的“裸银溶胶”，而后，在“裸银溶胶”中加入一定浓度的硝酸银溶液，充分混合后，静置一段时间，即可制得外加银
离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)。
9.优选地，外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)的制备方法，具体包括以下步骤：以硝酸银为原料，柠檬酸钠为还原剂和保护剂，通过化学还原法制备直径约为40-60nm的纳米银溶胶，而后，将1ml纳米银溶胶与100μl浓度为1.0
×
10-2
mol/l的nabh4溶液在冰水浴中混合放置10分钟，逐滴加入0.1％乙酸溶液至无气泡产生后，形成表面无银离子的“裸银溶胶”，而后向“裸银溶胶”中加入100μl浓度为2.0
×
10-6
mol/l-8.0
×
10-3
mol/l硝酸银溶液，静置30分钟，即可制得外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)。
10.优选地，当agnp@ag

用于检测as(ⅲ)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液时，“裸银溶胶”中加入的硝酸银的浓度为2.0
×
10-6
mol/l，制得的外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)体系中银离子的浓度为1.1
×
10-7
mol/l。此时，(agnp@ag

)体系作为sers基底用于对as(ⅲ)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液进行sers分析时，具有最佳效果。
11.优选地，当agnp@ag

用于检测as(v)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液时，“裸银溶胶”中加入的硝酸银的浓度为8.0
×
10-3
mol/l，制得的外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)体系中银离子的浓度为4.3
×
10-4
mol/l。此时，(agnp@ag

)体系作为sers基底用于对as(v)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液进行sers分析时，具有最佳效果。
12.一种上述外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag )在表面增强拉曼光谱定量检测砷中的应用，对as(ⅲ)和as(v)进行拉曼光谱定量检测方法包括以下步骤：检测样本的配置：将agnps@ag

、氢氧化钠溶液以及含有as(ⅲ)或as(v)的待测溶液混合，然后，将硝酸镁溶液添加到上述混合物中，定容至2ml，充分摇匀；检测参数的设置：激发波长设置为785nm，激发功率设置为300mw，积分时间设置为100ms。
13.优选地，所述检测样本的配置的具体步骤为：将1ml的agnps@ag

、20μl的浓度为0.01mol/l的氢氧化钠溶液以及100μl的含有as(ⅲ)或as(v)的待测溶液混合，然后，将50μl的浓度为0.1mol/l的硝酸镁溶液添加到上述混合物中，定容至2ml，充分摇匀。
14.优选地，所述待测溶液为瓶装水、湖水和泉水。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16.1)利用本发明制备方法制备得到的不同批次的agnps@ag

作为sers基底用于sers分析时，在sers活性批次间重复性小于3.2％；
17.2)当agnps@ag

体系中银离子浓度为1.1
×
10-7
mol/l时，相较于常规银溶胶sers基底，agnps@ag

作为sers基底在分析as(ⅲ)时，sers分析增强因子提高了1.5倍、检测限达到4.0
×
10-11
mol/l、响应平衡时间由5.5min缩短为2min、批次间重复性由48.5％提高至3.0％；
18.3)当agnps@ag

体系中银离子浓度为4.3
×
10-4
mol/l时，相较于常规银溶胶sers基底，agnps@ag

sers基底在分析as(v)，sers分析增强因子提高了6.4倍、检测限达到8.0
×
10-11
mol/l、sers响应平衡时间由6.5min缩短为0.7min、批次间重复性由22.0％提高至3.1％；
19.综上，本发明的sers方法可以对含有as(ⅲ)或as(v)的待测溶液进行检测。总体来说，当分析对象为as(ⅲ)或as(v)时，使用本发明所制备的agnps@ag

作为sers基底，可有效提高sers分析的灵敏度和重复性。从重复性来看，本发明的sers方法在分析as(ⅲ)时，三个批次制备的agnps@ag

对as(ⅲ)的精密度rsd为3.0％，本发明的sers方法在分析as(v)时，三个批次制备的agnps@ag

对as(v)检测的精密度rsd为3.1％；从反应灵敏度来看，与银溶
胶作为sers基底相比，本发明所述的sers方法在检测as(ⅲ)时，对as(ⅲ)的sers检测最低浓度下降了1.5倍、检测限达到4.0
×
10-11
mol/l，而本发明的sers方法在检测as(v)时，与银溶胶作为sers基底相比，其对as(v)的sers检测最低浓度下降了800倍、检测限达到8.0
×
10-11
mol/l。
附图说明
20.图1为agnps@ag

作为sers基底，对亚砷酸根(as(ⅲ))和砷酸根(as(v))进行检测的原理示意图；
21.图2(a)为“裸银溶胶”和agnps@ag

对as(ⅲ)的sers响应强度比较图；图2(b)图是“裸银溶胶”和agnps@ag

对as(v)的sers响应强度比较图；
22.图3(a)是agnps@ag

作为sers基底，检测as(ⅲ)时纳米银溶胶表面外加银离子浓度的优化图；图3(b)是agnps@ag

作为基底，检测as(v)时纳米银溶胶表面外加银离子浓度的优化图；
23.图4(a)为银溶胶和agnp@ag

分别作为sers基底，检测不同浓度as(ⅲ)的信号响应；图4(b)为银溶胶和agnp@ag

分别作为sers基底检测不同浓度as(v)的信号响应；
24.图5(a)为银溶胶和agnp@ag

分别作为sers基底，检测as(ⅲ)的响应速度对比图；图5(b)为银溶胶和agnp@ag

分别作为sers基底，检测as(v)的响应速度对比图；
25.图6(a)为3个批次银溶胶用于检测as(ⅲ)的sers光谱图；图6(b)为3个批次的银溶胶和3个批次的agnp@ag

分别作为sers基底，检测as(ⅲ)的重现性；图6(c)为3个批次银溶胶用于检测as(v)的sers光谱图；图6(d)为3个批次的银溶胶和3个批次agnp@ag

分别作为sers基底，检测as(v)的重现性。
具体实施方式
26.本技术中agnps@ag

指的是外加银离子修饰的银溶胶；as(ⅲ)为待测溶液中的亚砷酸根，as(v)为待测溶液中的砷酸根。
27.实施例一：
28.一种外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)，所述agnp@ag

以纳米银溶胶为内核，纳米银溶胶表面吸附有银离子，agnp@ag

体系中银离子的浓度为1.1
×
10-7
mol/l。
29.该agnps@ag

是通过以下步骤制备的：以硝酸银为原料，柠檬酸钠为还原剂和保护剂，通过化学还原法制备直径约为40-60nm的纳米银溶胶，具体工艺为：将0.027g硝酸银粉末和150ml超纯水加入至圆底烧瓶中，搅拌加热至微沸，用注射器快速注入3ml浓度为1％的柠檬酸钠溶液，继续加热煮沸30min，观察溶液变为灰绿色时，即制得纳米银溶胶。而后，将1ml纳米银溶胶与100μl浓度为1.0
×
10-2
mol/l的nabh4溶液在冰水浴中混合并在冰水浴放置10分钟，逐滴加入1％乙酸溶液至无气泡产生后，形成表面无银离子的“裸银溶胶”；在“裸银溶胶”加入100μl浓度为2.0
×
10-6
mol/l的硝酸银溶液，充分混合后静置30分钟，制备出agnps@ag

，此时，agnps@ag

体系中含有的银离子浓度为1.1
×
10-7
mol/l。
30.一种利用实施例一制备的agnp@ag

对as(ⅲ)进行拉曼光谱定量检测方法，包括以下步骤：向5ml离心管中，分别加入1ml实施例一制备的用于检测as(ⅲ)的agnps@ag

、20μl浓度为0.01mol/l的氢氧化钠溶液、100μl含as(ⅲ)的待测溶液，而后涡旋振荡30s，然后再
加入50μl浓度为0.1mol/l的硝酸镁溶液，并定容至2ml，而后将上述定容溶液涡旋振荡30s后，用于sers分析。sers分析的条件为：激发波长785nm，功率300mw，积分时间为100ms。se rs分析结果显示，agnp@ag

体系中的银离子浓度为1.1
×
10-7
mol/l时，该ag nps@ag

在检测分析as(ⅲ)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液时，有较佳效果。
31.实施例二至实施例十：
32.为了验证实施例一中agnp@ag

体系中的银离子浓度为1.1
×
10-7
mol/l时，该agnps@ag

在分析as(ⅲ)时有较佳效果，本技术还特地进行了实施例二至十，其中，实施例二至十中，只有裸银溶胶中硝酸银的加入情况与实施例一不同，实施例二至十分别通过调整“裸银溶胶”中加入的硝酸银溶液的浓度来制备出不同银离子浓度的agnp@ag

体系，而后将该上述制备出的不同银离子浓度agnp@ag

体系分别作为sers基底对as(ⅲ)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液进行sers分析，分析发现，体系中含有1.1
×
10-7
mol/l银离子的agnp@ag

体系对as(ⅲ)具有最佳响应，如图3(a)所示。其中，实施例二至十中，“裸银溶胶”中加入的硝酸银溶液的浓度与制备出的agnp@ag

体系中银离子浓度对应关系如表1所示：
[0033][0034]
表1
[0035]
实施例十一：
[0036]
一种外加银离子修饰的银溶胶(agnp@ag

)，所述agnp@ag

以纳米银溶胶为内核，纳米银溶胶表面吸附有银离子，agnp@ag

体系中的银离子浓度为4.3
×
10-4
mol/l。
[0037]
该agnps@ag

是通过以下步骤制备的：以硝酸银为原料，柠檬酸钠为还原剂和保护剂，通过化学还原法制备直径约为40-60nm的纳米银溶胶，具体工艺如下：将0.027g硝酸银粉末和150ml超纯水加入至圆底烧瓶中，搅拌加热至微沸。用注射器快速注入3ml浓度为1％的柠檬酸钠溶液，继续加热煮沸30min，溶液变为灰绿色时，即制得纳米银溶胶。而后，将1ml纳米银溶胶与100μl浓度为1.0
×
10-2
mol/l的nabh4溶液在冰水浴中混合并在冰水浴放置10分钟，逐滴加入1％乙酸溶液至无气泡产生后，形成表面无银离子的“裸银溶胶”；在“裸银溶胶”加入100μl浓度为8.0
×
10-3
mol/l的硝酸银溶液，充分混合后静置30分钟，制备出agnps@ag

，该agnps@ag

体系中含有的银离子浓度为4.3
×
10-4
mol/l。
[0038]
一种利用实施例十一制备的agnp@ag

对as(v)进行拉曼光谱定量检测方法，包括以下步骤：向5ml离心管中，分别加入1ml上述制备的用于检测as(v)的agnps@ag

、20μl浓度为0.01mol/l的氢氧化钠溶液、100μl含as(v)的待测溶液，而后涡旋振荡30s，然后再加入50μl浓度为0.1mol/l的硝酸镁溶液，并定容至2ml，而后将上述定容溶液涡旋振荡30s后，用于
sers分析。sers分析的条件为：激发波长785nm，功率300mw，积分时间为100ms。ser s分析结果显示：agnp@ag

体系中的银离子浓度为4.3
×
10-4
mol/l时，该agn ps@ag

在分析as(v)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液时，有较佳效果。
[0039]
实施例十二至实施例二十：
[0040]
为了验证实施例十一中agnp@ag

体系中的银离子浓度为4.3
×
10-4
mol/l时，该agnps@ag

在分析as(v)时有较佳效果，本技术还特地进行了实施例十二至实施例二十，其中，实施例十二至实施例二十中，只有裸银溶胶中硝酸银的加入情况与实施例十一不同，实施例十二至实施例二十分别通过调整“裸银溶胶”中加入的硝酸银溶液的浓度来制备出不同银离子浓度的agnp@ag

体系，然后，将该上述制备出的不同银离子浓度的agnp@ag

体系分别作为sers基底，对as(v)浓度为1
×
10-6
mol/l的待测溶液进行sers分析，发现，体系中含有4.3
×
10-4
mol/l银离子的agnp@ag

对as(v)具有最佳响应，如图3(b)所示。而实施例十二至实施例二十中，“裸银溶胶”中加入的硝酸银溶液的浓度与制备出的agnp@ag

体系中银离子浓度对应关系，如表2所示：
[0041][0042]
表2
[0043]
此外，为了便于清楚地了解以agnps@ag

作为sers基底对as(ⅲ)和as(v)进行sers分析检测的原理，本技术还特提供了以agnps@ag

作为sers基底对as(ⅲ)和as(v)进行sers分析检测的原理示意图，如图1所示。
[0044]
为了对比本技术实施例一所制备的agnps@ag

对as(ⅲ)进行分析检测的关键性作用以及实施例十一制备的agnps@ag

对as(v)进行分析检测的关键性作用，本发明中还特地对以表面无银离子的“裸银溶胶”作为sers基底，其他检测条件均分别与实施例一、实施例十一所述的agnps@ag

为sers基底对as(ⅲ)、as(v)进行分析检测的条件一致，进行对含as(ⅲ)或as(v)待测溶液分析检测的sers响应情况进行研究，结果显示，以表面无银离子的“裸银溶胶”作为sers基底，对as(ⅲ)或as(v)进行分析检测，均不产生sers响应，而以实施例一所制备的agnps@ag

作为sers基底，对as(ⅲ)进行分析检测却能够产生sers响应，以实施例十一所制备的agnps@ag

作为sers基底，对as(v)进行分析检测也能够产生sers响应，如图2(a)和图2(b)所示，这也说明了纳米银溶胶表面吸附的银离子在as(ⅲ)和as(v)的sers检测中起到关键作用。
[0045]
另外，纳米银溶胶表面的银离子与as(ⅲ)和as(v)阴离子存在很强的亲和力。与同等条件下以“裸银溶胶”作为sers基底进行sers分析相比，实施例一所制备的agnp@ag

在对
as(ⅲ)进行分析检测时，其检测下限由6.2
×
10-11
mol/l降低至4.0
×
10-11
mol/l，如图4(a)所示；而实施例十一所制备的agnp@ag

在对as(v)进行分析检测时，其检测下限由6.5
×
10-8
mol/l降低至8.0
×
10-11
mol/l；由于agnp@ag

中表面银离子的量对as(v)与银离子沉淀溶解平衡影响更大，所以agnps@ag

作为sers基底检测as(v)灵敏度的提高尤为明显。
[0046]
此外，sers极限响应强度与基底对as(ⅲ)和as(v)的饱和吸附容量有关。本发明实施例十一所制备的agnp@ag

表面存在大量银离子，使得agnps@ag

对as(v)具有更高的饱和吸附容量，所以，与同等条件下以未经修饰的纳米银溶胶作为sers基底进行sers分析相比，实施例十一中所制备的agnp@ag

在对as(v)进行分析时，其定量上限由1.4
×
10-7
mol/l提高至7.0
×
10-6
mol/l，如图4(b)所示。
[0047]
由于纳米银溶胶表面的银离子与as(ⅲ)和as(v)阴离子还存在沉淀平衡，通过调节纳米银溶胶表面的银离子浓度，可以提升银离子与as(ⅲ)和as(v)阴离子相互作用的反应速率。与同等条件下以未经修饰的纳米银溶胶作为sers基底进行sers分析相比，采用实施例一制备的agnp@ag

分析as(ⅲ)的响应时间由5.5min提升至2.0min，如图5(a)所示，采用实施例十一制备的agnp@ag

分析as(v)的响应时间由6.5min提升至0.7min，如图5(b)所示。
[0048]
由于agnp@ag

表面的银离子与as(ⅲ)和as(v)阴离子存在沉淀平衡，表面的银离子含量与as(ⅲ)和as(v)的sers响应强度直接相关，然而不同实验室，或者同一实验室不同批次合成的银溶胶表面银离子浓度有差异，所以银溶胶在检测as(ⅲ)和as(v)时的批次间重复性很差，如图6(a)所示，导致该方法无法用于环境检测。而本技术实施例一所制备的agnp@ag

(即用于检测as(ⅲ)的agnp@ag

)和实施例十一所制备的agnp@ag

(即用于检测as(v)的agnp@ag

)，其外加银离子的浓度远高于银溶胶自身表面银离子浓度，不同批次合成的银溶胶制成的agnp@ag

表面银离子浓度达到一致，对as(ⅲ)和as(v)的sers响应也趋于一致，如图6(c)所示。与未经修饰的纳米银溶胶相比，不同批次的采用实施例一所述方法制备的用于分析as(ⅲ)的agnp@ag

分析as(ⅲ)的变异系数由48.5％提升至3.0％，不同批次的采用实施例十一所述方法制备的用于分析as(v)的agnp@ag

分析as(v)的变异系数由22.0％提升至3.1％，如图6(b)、6(d)所示。
[0049]
另外，本技术还利用本技术实施例一所述拉曼光谱定量检测方法(也就是采用银离子浓度为1.1
×
10-7
mol/l的agnps@ag

体系进行的sers检测方法)和实施例十一所述拉曼光谱定量检测方法(也就是采用银离子浓度为4.3
×
10-4
mol/l的agnp@ag

体系进行的sers检测方法)，分别对含有as(ⅲ)的瓶装水、湖水和泉水以及含有as(v)的瓶装水、湖水和泉水进行了sers检测，并在三个加标水平下测定相对回收率，测定结果如表3所示。
[0050]
表3中，as(ⅲ)的低加标浓度指的是加标浓度浓度为3.8
×
10-7
mol/l、as(ⅲ)的中加标浓度指的是加标浓度浓度为1.1
×
10-6
mol/l、as(ⅲ)的高加标浓度指的是加标浓度浓度为2.8
×
10-6
mol/l；as(v)的低加标浓度指的是加标浓度浓度为2.8
×
10-7
mol/l、as(v)的中加标浓度指的是加标浓度浓度为1.4
×
10-6
mol/l、as(v)的高加标浓度指的是加标浓度浓度为4.2
×
10-6
mol/l。而且，as(ⅲ)的三个加标浓度以及as(v)的三个加标浓度中，每个加标浓度分析6个平行样本。
[0051][0052]
表3为agnp@ag

作为sers基底检测水中的as(ⅲ)和as(v)的回收率
[0053]
从表3中可以看出，as(ⅲ)的回收率在81.0％到109.7％之间，rsd低于6.5％，as(v)的回收率在96.7％到108.3％之间，这表明本发明所述的拉曼光谱定量检测方法是准确而且可靠的。