一种可检测水中PAHs的基于针孔式过滤器的三维SERS基底的制备方法与流程

本发明涉及表面增强拉曼光谱分析检测领域，特别涉及一种可检测水中pahs的基于针孔式过滤器的三维sers基底的制备方法。

背景技术：

随着环境污染，尤其是对人类健康危害极大的、具有多种毒害作用和生物富集性的有机污染物多环芳烃（pahs）污染的日益严重，急需要一套现场检测系统，以实现对环境的实时监测。

拉曼光谱具有对样品无接触、无损伤、无需样品制备、能够实现快速分析、鉴别各种材料的结构和特征等优势，可作为现场探测pahs的一种手段。但是拉曼散射是个非常弱的过程，其拉曼散射信号也非常弱，再加上环境水中pahs含量极低，一般只有几十个pm，这限制了拉曼光谱的应用。而表面增强拉曼散射光谱（sers）技术的发现极大地促进了拉曼光谱在物质探测中的应用。sers技术除具有拉曼光谱的特性外还具有信息含量丰富（可识别pahs的种类）、灵敏度高、无需样品预处理、操作简便、准确率高等特点，是目前用于痕量pahs探测的一种重要技术。

由于sers效应是发生在粗糙金属表面间隙中的局域性物理现象，sers基底的选择成为是否能够获得理想sers增强效果的决定性因素。金、银纳米材料因其制备方法简单、粒径大小可控、增强效果较好，现已成为应用最为广泛的sers活性基底。但实际水环境中pahs含量极低，且水体成分复杂，而经典的金属纳米溶胶溶液作为sers基底，具有探测灵敏度低、纳米颗粒分布随机的缺点，不能满足环境水体中有机污染物的现场检测要求。所以进一步提高sers增强基底的探测灵敏度、优化探测重复性，在早日实现sers技术的现场应用方面具有显著的意义。

近年来的研究发现，三维多孔材料sers基底对pahs的探测具有较高的灵敏度。gma-edma多孔材料具备丰富的三维多孔结构，能够对pahs进行预富集的处理，且该材料物理化学性能稳定，适合作为固化金属纳米颗粒的载体，实现颗粒间隙中更多“活性”热点的形成，从而达到增强效果显著提高的目的。研究发现gma-edma多孔材料，在多环芳烃的实验室探测中得到了较好的探测极限。但由于实验条件的限制，制备出的多孔材料不可重复使用，且每次只有很少一部分多孔材料能够被真正利用，此外该多孔材料形貌为半径约2.5mm，高约10mm的白色柱状，其体积较大，没有真空泵的抽滤，待测液很难渗透到该材料中，这不利于其在现场探测中的应用。为了使sers技术能够应用于pahs的现场探测，需要一种成本低、制作工艺简单、适用于现场探测的sers增强基底制备方法。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种可检测水中多环芳烃的基于针孔式过滤器的三维sers基底的制备方法，解决了现有技术中sers增强基底灵敏度低、稳定性差、不利于现场探测的问题。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种可检测水中多环芳烃的基于针孔式过滤器的三维sers基底的制备方法，包括如下步骤：

（1）金纳米溶胶的制备：氯金酸溶液放于磁力搅拌器上加热至沸腾后，调节温度使氯金酸溶液完全无气泡，调节磁力搅拌器转速，向氯金酸溶液中缓慢加入柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色改变后，调节磁力搅拌器转速和温度，持续搅拌、加热反应一定时间。待反应成全后，关掉磁力搅拌器，溶液自然冷却至室温，获得金纳米溶胶，制备得的金纳米颗粒平均粒径为57nm左右、颜色为砖红色。

（2）gma-edma多孔材料的制备：首先将gma、edma、环己醇、十二醇以及aibn按一定比例混合均匀，然后将适量混合溶液加入到容量为5ml的塑料模具中，向其中通入氮气以充分排除其中氧气，将反应容器密封置入恒温箱中65℃下反应12h。反应完成后，分别以10倍柱体积无水乙醇和10倍柱体积超纯水冲洗残留制孔剂，得到多孔材料为白色柱状固体，存放备用，其中，柱体积为塑料模具体积。

（3）基于针孔式过滤器的三维sers基底的制备：将步骤2中制备的柱状gma-edma多孔材料进行进一步加工，加工步骤为1）将步骤2中制备的柱状gma-edma多孔材料在恒温箱中干燥，2）用研钵将干燥好的gma-edma多孔材料研磨，3）量取一定量研磨好的粉末状gma-edma多孔材料，其颗粒尺寸约为2um，4）将量取的粉末状gma-edma多孔材料填充于针孔式过滤器，5）将针孔式过滤器中末状gma-edma多孔材料压缩为一体，最终制备出增强效果更佳，且gma-edma多孔材料用量较少的基于针孔式过滤器的三维sers基底。

所述的将柱状gma-edma多孔材料在恒温箱中干燥时，干温度为20℃，时间为3h。

所述的用研钵将干燥好的gma-edma多孔材料研磨时，将柱状gma-edma多孔材料研磨成粉末状，其颗粒尺寸约为2um。

所述的量取gma-edma多孔材料质量约为0.7g。

所述的填充为将量取好的粉末状gma-edma多孔材料填充于针孔式过滤器中。

所述的针孔式过滤器中滤膜孔径约为0.45um。

所述的压缩时所用压力约为20n。

（4）pahs探测：将步骤1中制备的金纳米溶胶、1m的naoh溶液、pahs溶液按一定比例混合，取适量混合液滴于步骤3中得到的基于针孔式过滤器的三维sers基底上，进行sers探测。

所述的将金纳米溶胶、1mnaoh溶液、pahs溶液的混合比例为v金纳米溶胶:vnaoh溶液:vpahs溶液=15：45：4。

所述的取混合液体积为300ul。

较现有技术，本发明具有以下优点：

（1）本发明提供的可检测水中pahs的基于针孔式过滤器的三维sers基底制作成本低、制作工艺简单且，具有很好的重复性和稳定性。

（2）本发明提供的可检测水中pahs的基于针孔式过滤器的三维sers基底在对pahs进行sers探测时具有高的探测灵敏度，该灵敏度也是目前pahs探测中最好结果之一。

（3）本发明提供的可检测水中pahs的基于针孔式过滤器的三维sers基底在探测pahs溶液时由于材料体积小、pahs溶液用量少，故在pahs溶液探测时无需真空泵的抽滤，能够在现场pahs的探测中发挥作用。

附图说明

图1为gma-edma多孔材料的反应原理图；

图2为可检测水中多环芳烃的基于针孔式过滤器的三维sers基底制备过程图，图中附图标记跟步骤是对应的，其中（1）干燥条件20℃恒温箱中干燥3h，（2）用研钵将干燥好的gma-edma多孔材料研磨至粉末状，其颗粒尺寸约为2um，量取约0.7g研磨好的粉末状gma-edma多孔材料，（3）将量取的粉末状gma-edma多孔材料填充于针孔式过滤器，用约20n的压力将粉末状gma-edma多孔材料压缩为一体，（4）量取300ul混合液滴于基于针孔式过滤器三维sers基底上；

图3为基于针孔式过滤器三维sers基底的扫描电镜图；

图4为滴加金纳米溶胶后的基于针孔式过滤器三维sers基底的扫描电镜图；

图5为8组基于针孔式过滤器三维sers基底上100nm芘在590cm-1、1234cm-1波数处sers特征峰峰强分布，图中误差条为随机选取的5个探测点在每组基底上检测结果的标准偏差；

图6为调节溶液ph后金纳米溶胶和基于针孔式过滤器三维sers基底上10nm芘的sers谱，其中峰强高的为基于针孔式过滤器三维sers基底上芘的sers谱，峰强低的为金纳米溶胶为基底的芘的sers谱；

图7为芘固体和不同浓度芘的sers谱，其中（a）为空白三维sers基底的拉曼光谱；（b）、（c）、（d）分别为0.3nm、1nm、10nm芘溶液在基底上的sers光谱图；(e)芘固体拉曼光谱；

图8为不同浓度芘溶液在拉曼频移590cm-1和1234cm-1波数处的sers特征峰峰强与浓度的关系曲线（图内插图为10nm以下线性拟合）。

具体实施方式

以下是对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种可检测水中pahs的基于针孔式过滤器的三维sers基底的制备方法，包括如下步骤：

（1）金纳米溶胶的制备

体积分数为1%的氯金酸溶液放于磁力搅拌器上，加热温度设置为190℃，加热至沸腾后，调节温度为140℃，使氯金酸溶液完全无气泡，调节磁力搅拌器转速为600r/min。打开计时器，向氯金酸溶液中缓慢加入10ml5.8mm的柠檬酸三钠溶液，用时约42s，待溶液颜色改变后，调节磁力搅拌器温度为190℃，待计时器计时为10min时调节磁力搅拌器转速和温度分别为360r/min和140℃，持续搅拌、加热反应50min。待反应成全后，关掉磁力搅拌器，溶液自然冷却至室温，获得金纳米溶胶，制备得的金纳米颗粒平均粒径为57nm左右、颜色为砖红色。

（2）gma-edma多孔材料的制备

将gma、edma、环己醇、十二醇按vgma：vedma：v环己醇：v十二醇=15:15:49:21的比例混合，再加入质量占gma与edma混合物质量（指上述将gma、edma、环己醇、十二醇按vgma：vedma：v环己醇：v十二醇=15:15:49:21的比例混合步骤中gma与edma两种物质的质量和）1.15%的aibn。将混合液放于超声清洗器中超声约10min，待各物质完全溶解后，取适量的混合溶液加入到容量为5ml的塑料模具中，向其通入氮气约90s，以充分排除其中氧气，将反应容器密封置入恒温箱中65℃下反应12h，图1为gma-edma多孔材料的的反应原理图。反应完成后，分别以10倍柱体积无水乙醇和10倍柱体积超纯水冲洗残留制孔剂，得到多孔材料为白色柱状固体，存放备用。

（3）基于针孔式过滤器的三维sers基底的制备

参阅图2，基于针孔式过滤器的三维sers基底的制备过程，具体步骤如下：

1）将步骤2中制备的柱状gma-edma多孔材料在20℃恒温箱中干燥3h，2）用研钵将干燥好的gma-edma多孔材料研磨至粉末状，其颗粒尺寸约为2um，3）量取约0.7g研磨好的粉末状gma-edma多孔材料，4）将量取的粉末状gma-edma多孔材料填充于针孔式过滤器，5）用约20n的压力将针孔式过滤器中末状gma-edma多孔材料压缩为一体，最终制备出增强效果更佳，且gma-edma多孔材料用量较少的基于针孔式过滤器的三维sers基底。图3为基于针孔式过滤器的三维sers基底的扫描电镜图。

（4）pahs探测

1）为了解金纳米颗粒在基于针孔式过滤器的三维sers基底上的分布，取一定量步骤1中得到的金纳米溶胶，去离子水和1mnaoh溶液，调节溶液比例使得v金胶:v去离子水:vnaoh=15:45:4，将混合液搅拌均匀后取300ul，在注射器的抽滤下缓慢地滴在步骤三中得到的基于针孔式过滤器的三维sers基底上。图4为滴加金纳米溶胶后的基于针孔式过滤器的三维sers基底的扫描电镜图。

2）为了对基于针孔式过滤器三维sers基底的稳定性和重复性进行分析，配制一定浓度pahs芘溶液，取一定量步骤1中得到的金纳米溶胶，芘溶液和1mnaoh溶液，调节溶液比例使得v金胶:v芘溶液:vnaoh=15:45:4，将混合液搅拌均匀后取300ul混合液，在注射器的抽滤下缓慢地滴在步骤三中得到的基于针孔式过滤器的三维sers基底上，将制备好的材料放于sers探测系统中进行sers探测。如图5所示，对100nm芘在基于针孔式过滤器的三维sers基底上进行同一基底不同点、不同基底上的sers探测，结果表明，在同一基底上不同点间sers探测强度的相对标准偏差（rsd）在4.18%-6.28%之间，而不同基底间的rsd为3.69%和2.11%，这说明该基于针孔式过滤器的三维sers基底具有良好的重复性和稳定性。

具体应用：

以pahs芘为例，进行具体的应用研究。

1）配制1m的naoh溶液。

2）为了比较基于针孔式过滤器的三维sers基底的sers增强效果，配制10nm芘溶液，调节溶液比例使得v金胶:v芘溶液:vnaoh=15:45:4，先取2ml混合液，放于sers探测系统中进行sers探测，再取300ul混合液，在注射器的抽滤下缓慢地滴在步骤三中得到的基于针孔式过滤器的三维sers基底上，进行sers探测。图6为调节溶液ph后金纳米溶胶和基于针孔式过滤器的三维sers基底上10nm芘的sers谱，其中峰强高的为基于针孔式过滤器三维sers基底上芘的sers谱，峰强低的为金纳米溶胶为基底的芘的sers谱。

3）配制系列浓度比溶液，调节溶液比例使得v金胶:v芘溶液:vnaoh=15:45:4，取300ul混合液，在注射器的抽滤下缓慢地滴在步骤三中得到的基于针孔式过滤器的三维sers基底上，进行sers探测。图7为芘固体和不同浓度芘的sers谱，其中（a）为空白三维sers基底的拉曼光谱；（b）、（c）、（d）分别为0.3nm、1nm、10nm芘溶液在基底上的sers光谱图；(e)芘固体拉曼光谱。图8为不同浓度芘溶液在拉曼频移590cm^-1和1234cm^-1处的sers特征峰峰强与浓度的关系曲线（图内插图为10nm以下线性拟合）。

较现有技术，本发明提供的可检测水中pahs的基于针孔式过滤器的三维sers基底制作成本低，制作工艺简单，具有很好的重复性、稳定性和探测灵敏度，利用该增强基底，pahs芘的最低检测浓度为0.3nm，较传统的金纳米溶胶近10倍的提高，该灵敏度是目前pahs探测中最好结果之一，此外该sers增强基底还具有pahs溶液用量少，易于pahs待测液渗透的特点，能够在现场pahs的探测中发挥作用。