一种用于检测农药可擦拭的SERS基底及其制备方法和应用

一种用于检测农药可擦拭的sers基底及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及表面增强拉曼散射(sers)和食品安全检测技术领域，具体涉及一种用于检测农药可擦拭的sers基底及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，农药被广泛用于防治农业害虫。然而，农药施用造成的环境污染和在食品中的残留已引起世界各国的关注，严重影响和威胁了人类的健康和生命安全。因此，针对含量偏低的农药，建立和完善快速、灵敏和方便的检测方法，加强农药检测的研究，对于环境保护，人类健康以及促进我国经济的发展具有重要意义。
3.测定农药残留的传统分析方法包括高效液相色谱法，气相色谱法以及结合不同检测技术的气相色谱法。然而，这些分析方法受到需要消耗大量有机溶剂和较长分析周期的限制。因此，有必要开发一种简单方便的分析方法用于农药的快速定量检测。表面增强拉曼散射(sers)光谱是鉴定和量化痕量分析物的最强大的分析工具之一，可以在几秒到几分钟内提供独特的分析指纹峰。然而，传统的sers基底不能满足农药残留检测的快速传感需求。农药的预处理通常需要耗时且复杂的实验操作，例如农药富集、干燥和将农药转移到sers基底等操作。常见的基于硅片和玻璃片的sers基底是非共形和刚性的，它们不能直接接触不同形状和粗糙度的固体表面分析物，这些缺点限制了sers基底的广泛应用。因此，寻求一种简单、便携、低成本的制备柔性sers基底的方法，以及将其进一步应用于农药的检测是sers研究领域的一个重要课题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种用于检测农药可擦拭的sers基底及其制备方法和应用。
5.本发明的技术方案如下：一种用于检测农药可擦拭的sers基底，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
6.1)银纳米粒子的制备，将硝酸银融于去离子水中，加热至沸腾，加入柠檬酸钠进行反应，反应结束后冷却至室温，备用；
7.2)sers基底的制备：制备壳聚糖溶液，将壳聚糖溶液注入多孔培养盒中冷冻过夜，冻干得到多孔结构，洗涤后得到壳聚糖泡沫衬底，调节ph至中性，将壳聚糖泡沫衬底置于银纳米离子悬浮液中，超声，冷冻干燥得到目标产物。
8.优选地，上述的一种用于检测农药可擦拭的sers基底，其特征在于，步骤1)中，按摩尔比，硝酸银：柠檬酸钠＝1mm：1m。
9.优选地，上述的一种用于检测农药可擦拭的sers基底，其特征在于，步骤1)中，反应时间为15-18min。
10.优选地，上述的一种用于检测农药可擦拭的sers基底，其特征在于，所述的洗涤是采用2wt％naoh溶液和水依次洗涤。
11.优选地，上述的一种用于检测农药可擦拭的sers基底，其特征在于，银纳米离子的
尺寸为50nm-60nm。
12.上述的一种用于检测农药可擦拭的sers基底在检测尼罗蓝中的应用。
13.上述的一种用于检测农药可擦拭的sers基底在检测农药三唑磷中的应用。
14.本发明采用柠檬酸钠还原法合成银纳米粒子，然后将银纳米粒子负载到壳聚糖泡沫衬底上。在sers技术的监控下，对所合成基底的sers性能进行了探究，结果发现该基底具有很高的灵敏度，检出限可低至80ppt，同时还具有良好的重现性和稳定性，可成功应用于快速检测果蔬表面痕量农药三唑磷。
15.该sers基底既可以直接浸泡在溶液中进行sers检测，还可以直接通过擦拭果蔬表面的方法检测农药残留，实现了三唑磷农药的快速，高效，低成本的检测。
16.本发明提供了一种可通过直接擦拭的方法快速检测果蔬表面农药残留的sers基底制备方法。采用在壳聚糖泡沫衬底上负载银纳米粒子的方法增强基底的sers信号，实验操作简单，制备过程可控，成本很低，具有良好的应用前景。
17.本发明具有如下有益效果
18.1)本发明采用简单的柠檬酸钠还原法制备的银纳米粒子均匀的分布在壳聚糖泡沫衬底上，极大增强了基底的sers信号强度。
19.2)该基底具有良好的sers性能，灵敏度高，检出限低，且具有良好的重现性，相对标准偏差(rsd)约为10％。此外，该基底既可以直接浸泡在溶液中进行sers检测，还可以直接通过擦拭果蔬表面的方法检测农药残留，实现了三唑磷农药的快速，高效，便捷，低成本检测。
20.3)该sers基底具有良好的稳定性，本发明的目标产品在室温下的稳定性至少5周，主要特征峰590cm-1
处的rsd为12.9％。而文献中对理想基底的定义是rsd低于20％即可，则表明该sers基底具有良好的重现性以及稳定性，本发明产品是一种理想的sers基底，可应用于食品中农药残留的快速检测。
附图说明
21.图1负载银纳米粒子的壳聚糖泡沫基底的实物图和扫描电镜图。其中a是负载银纳米粒子前后的壳聚糖泡沫衬底，b是扫面电镜图，c是扫描电镜的mapping图。
22.图2壳聚糖粉末及负载银纳米粒子的壳聚糖泡沫基底的xrd图。
23.图3不同浓度尼罗蓝溶液的sers光谱图。
24.图4基底的重现性和稳定性sers光谱图。(a)在负载agnps的壳聚糖薄膜基底上随机选取16个点的sers光谱图；(b)16个点在590cm-1
处nba的sers强度柱状图；(c)负载agnps的壳聚糖薄膜基底在室温下放置5周后，在其上随机获取16个点的sers光谱图；(d)16个点在590cm-1
处nba的sers强度柱状图。
25.图5不同浓度三唑磷分子吸附到本发明目标产品sers基底上的拉曼对比图。(a)壳聚糖薄膜基底上不同浓度三唑磷的sers光谱(a-e的浓度分别为1、0.8、0.6、0.4、0.2ppb)；(b)三唑磷浓度与其对应拉曼强度之间的线性回归曲线，误差棒代表5个测量值的标准差(n＝5)。
26.图6基底擦拭果蔬表面检测农药三唑磷的sers光谱图。其中检测对象分别为(a)大葱(b)生菜(c)苹果(d)卷心菜。
27.图7负载ag nps的壳聚糖薄膜基底的制备流程图
具体实施方式
28.为了更好地理解本发明的技术方案，特以具体的实施例作进一步详细说明，但方案不限于此。
29.1、银纳米粒子的制备
30.银纳米粒子能够被固定在壳聚糖表面的氨基链上，所以采用在壳聚糖泡沫衬底上负载银纳米粒子极大增强了sers增强信号。首先称取18mg硝酸银，然后将其加入体积100ml的去离子水中溶解，组装加热装置，加热至溶液沸腾，取2ml新鲜制备的柠檬酸钠溶液迅速加入到沸腾的溶液中，待反应15-18min后，停止加热，冷却至室温，备用。
31.2、sers基底的制备
32.在磁力搅拌下制备具有不同质量分数(0.5-3.0wt％)的壳聚糖溶液，将均匀的壳聚糖溶液注入12孔培养盒中并冷冻过夜。然后将冷冻的溶液通过冷冻干燥机冻干30小时以获得多孔结构。在超声搅拌下用2wt％naoh溶液和水依次洗涤冷干后的泡沫衬底。使用ph计将洗脱液的ph值调节至7。随后将壳聚糖泡沫浸入6ml制备好的眼纳米粒子悬浮液中进行超声处理30分钟以吸附银纳米粒子。将负载银纳米粒子的壳聚糖泡沫进一步用冷冻干燥机冷干30小时，得到的sers基底即本发明的目标产品，基底的制备流程如图7所示。
33.3.检测尼罗蓝溶液
34.将sers基底浸入相同体积的一系列浓度(10-6
至10-12
m)的尼罗蓝溶液中。浸泡30分钟后将基底从溶液中取出，在检测前通过挤压去除多余的溶剂。
35.4.检测农药三唑磷
36.采用三唑磷作为步骤2中制得的sers基底测试的探针分子：将1μg/ml三唑磷储备液用水稀释以达到一系列浓度(0.8、0.6、0.4、0.2μg/ml)。将sers基底浸入相同体积的三唑磷溶液中。浸入30分钟后移出基底，并在sers检测之前通过挤压去除多余的溶剂。
37.5、果蔬表面农药残留的实际检测
38.将在当地超市(中国沈阳)购买的新鲜苹果和蔬菜彻底冲洗干净，然后喷洒10μl不同浓度(0.2、0.4ppb)的三唑磷农药。将样品在25℃下风干，将sers基底用水润湿，用于擦拭水果和蔬菜表面的三唑磷。
39.实施例1银纳米粒子的制备
40.银纳米粒子能够被固定在壳聚糖表面的氨基链上，所以采用在壳聚糖泡沫衬底上负载银纳米粒子极大增强了sers信号。首先称取18mg硝酸银，然后将其加入体积100ml的去离子水中溶解，组装加热装置，加热至溶液沸腾，取2ml新鲜制备的1wt％的柠檬酸钠溶液迅速加入到沸腾的溶液中，待反应15-18min后，停止加热，冷却至室温，备用。
41.实施例2sers基底的制备
42.在磁力搅拌下制备具有质量分数为2wt％壳聚糖溶液，将均匀的壳聚糖溶液注入12孔培养盒中并冷冻过夜。然后将冷冻的溶液通过冷冻干燥机冻干30小时以获得多孔结构。在超声搅拌下用2wt％naoh溶液和水依次洗涤冷干后的泡沫衬底。使用ph计将洗脱液的ph值调节至7得壳聚糖泡沫衬底。随后将壳聚糖泡沫浸入6ml制备好的50-60nm银纳米粒子悬浮液中进行超声处理30分钟以吸附银纳米粒子。将负载银纳米粒子的壳聚糖泡沫进一步
用冷冻干燥机冷干30小时，得到的sers基底即本发明的目标产品。
43.图1是将壳聚糖泡沫衬底浸入灰绿色的银纳米粒子悬浮液中以吸附银纳米粒子，悬浮液在超声30分钟后变得澄清(图1中a)，表明银纳米粒子均匀吸附在壳聚糖泡沫衬底上。良好的吸附是由于银纳米粒子通过壳聚糖分子中的氨基负载到泡沫上。壳聚糖泡沫基底的形貌通过sem进一步表征(图1中b)。可观察到sers基底的多孔结构。图1b中的插图是基底孔壁中银纳米粒子的sem图像。结果表明，银纳米粒子均匀地分布在整个泡沫基底上，因此，它为基底的良好均匀性提供了有力的条件。图1中c，sem-edx中的元素映射进一步证实了银纳米粒子成功负载到壳聚糖泡沫基底上。这也表明壳聚糖泡沫基底可以吸附大量的银纳米粒子。
44.图2是壳聚糖和负载银纳米粒子壳聚糖泡沫基底的xrd图。两个样品在20.2
°
的2θ显示相同的衍射峰，这是结晶壳聚糖含量低的结果。此外，负载银纳米粒子壳聚糖泡沫基底在38.2
°
、44.5
°
、64.6
°
和77.5
°
处显示了四个明显的峰，分别归属于(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)和(3 1 1)面心立方银晶体的平面。
45.实施例3检测尼罗蓝溶液
46.将sers基底浸入相同体积的一系列浓度(10-6
至10-12
m)的尼罗蓝溶液中。浸泡30分钟后将基底从溶液中取出，在检测前通过挤压去除多余的溶剂。
47.为了评估基材的sers性能，将sers基底浸入相同体积的含有不同浓度尼罗蓝(10-6
至10-12
m)的水溶液中，如图3所示，在光谱图中可清晰的观察到位于590cm-1
处的nba分子的特征峰。随着nba浓度的增加特征峰拉曼强度得到明显增大。使用该薄膜基底能够检测到浓度低至10-12
m的nba分子。如此高的灵敏度可能是由于壳聚糖泡沫基底的3d多孔结构上的银纳米粒子之间形成强热点造成的。
48.为进一步研究sers基底的重现性，在基底上随机选取16个点进行拉曼分析。以尼罗蓝作为拉曼探针。测得拉曼光谱如图4中(a)所示，在590cm-1
处观察到一个很强的拉曼特征峰。图4中(b)为nba在590cm-1
处的拉曼强度柱状图，并计算相对标准偏差(rsd)为9.81％。因此，结果表明壳聚糖泡沫表现出可接受的重现性，可作为可靠的sers基底进行定量检测。
49.另一方面，稳定性在sers基底的实际应用中起着重要作用。然而，银纳米粒子在室温下会逐渐被氧化，导致基底的sers性能随时间下降。为了评估基底的稳定性，将载银壳聚糖泡沫基底在室温下放置5周，然后浸入新制备的10-6
m尼罗蓝溶液中进行sers测试(图4中c)。在590cm-1
处的拉曼强度没有显着降低，rsd为12.9％(图4中d)。结果表明sers基底在室温下具有良好的稳定性。
50.实施例4检测农药三唑磷
51.采用三唑磷作为步骤2中制得的sers基底测试的探针分子：将1μg/ml三唑磷储备液用水稀释以达到一系列浓度(0.8、0.6、0.4、0.2μg/ml)。将sers基底浸入相同体积的三唑磷农药中。浸入30分钟后移出基底，并在sers检测之前通过挤压去除多余的溶剂。
52.图5显示了不同浓度三唑磷的sers光谱，a-e农药三唑磷浓度分别为1、0.8、0.6、0.4、0.2ppb。计算得检出限(3σ/k)为80ppt。1597cm-1
处的最强特征峰用于进一步分析。在1597cm-1
处观察到的峰与c＝c拉伸有关。观察到浓度在0.2到1ppb之间的线性范围内(图5b)，相关系数r2值为0.9943。
53.实施例5果蔬表面农药残留的实际检测
54.将在当地超市(中国沈阳)购买的新鲜苹果和蔬菜彻底冲洗干净，然后喷洒10μl不同浓度(0.2、0.4ppb)的三唑磷农药。然后将样品在25℃下风干，将sers基底用水润湿，用于擦拭水果和蔬菜表面的三唑磷。
55.图6为了进一步验证sers基底的实际用途，我们选择了大葱、卷心菜、生菜和苹果作为分析样品。用sers基底擦拭它们表面后进行sers分析。结果表明壳聚糖泡沫基底可有效用于实际样品中三唑磷的检测。从三唑磷sers光谱图可以看出，三唑磷的特征峰出现在1597cm-1
。三个样品的特征峰出现波动，我们认为这可能是由不同的食物表面和生长环境引起的。