纳米活性基底上含硫化合物的表面增强拉曼光谱及在分析测定中的应用

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表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种快速灵敏的表面分析检测技术,已在生命化学、药物化学、分析检测等领域得到了一定的应用。拉曼活性基底的制备一直是SERS技术研究的热点,与传统的电极材料基底相比,纳米活性基底因其粒径和形貌的可控,极大地提高了SERS检测灵敏度,其检测技术是研究表面分子结构、界面化学及表面吸附行为的有效方法和表征手段。本文采用共沉淀法和化学还原法分别制备了具有SERS活性的Fe3O4/Ag磁性纳米粒子、nano-Ag粒子、nano-Au粒子和nano-Au@Ag核壳粒子,并通过紫外可见吸收光谱、能谱和透射电镜对其结构和形貌进行了表征。分别对2-噻吩甲酸(2-TCA)、杀线威(oxamyl)、亚胺硫磷(phosmet)分子进行密度泛函理论(DFT)计算和结构优化,获得了其常规拉曼光谱(NRS)和SERS的特征谱图,进一步从理论和实测角度研究了纳米活性基底上含硫化合物2-TCA、oxamyl、phosmet的拉曼光谱特性,并对吸附增强机理作了进一步的深入研究。首先,对所制备的Fe3O4/Ag基底材料进行了测定表征,表明形貌规整,接近球形,核粒径在30-60 nm;并对oxamyl和2-TCA具有很强的SERS效应,是一种很好的SERS基底材料。以oxamyl为探针分子测算得Fe3O4/Ag的拉曼增强因子为2.08×105,显示出很强的富集吸附和拉曼增强作用。进一步对oxamyl、2-TCA以及配合物Ag-oxamyl、Ag-2-TCA的DFT进行了计算,表明理论计算与实测结果基本一致,发现配合物与Ag原子连接越多,计算结果和实验值NRS越接近。其次,以制备的Fe3O4/Ag为活性基底对oxamyl和2-TCA分子的SERS进行了研究。实验表明2-TCA在Fe3O4/Ag基底上的SERS效应与pH、溶液浓度有关,pH=3浓度为1×10-4 mol·L-1时,SERS效应最佳。研究认为:oxamyl主要以双键侧N原子和S原子作为活性位点,双键侧N原子优先吸附在Ag表面,整个分子S端靠近Ag表面,最终双键侧N原子与S原子共同吸附在Ag表面。另一方面,2-TCA中性分子以环上S:形式垂直吸附在Ag表面,形成S-Ag配位键产生SERS光谱;2-TCA-负离子以S-Ag配位和O-Ag共价,以“双键合”侧卧方式共同吸附在Ag表面而产生SERS光谱,2-TCA中性分子的SERS效应比2-TCA负离子更强。对nano-Ag粒子、nano-Au粒子和nano-Au@Ag核壳粒子进行测定表征,粒径分别在50-60 nm、20-25 nm和30 nm左右,形貌规整,接近球形。进一步研究了phosmet分子在nano-Ag粒子、nano-Au粒子和nano-Au@Ag核壳粒子等不同活性基底上的SERS效应,发现拉曼增强效果与纳米活性基底有关。研究认为:在nano-Ag粒子表面,phosmet主要以单键上S:为活性位点与Ag表面作用产生SERS;在nano-Au粒子表面,phosmet主要以单键S和N杂环上双键O作为活性位点与Au表面吸附键合产生SERS;在nano-Au@Ag核壳粒子表面,phosmet主要通过N杂环上O原子与Au@Ag核壳纳米粒子表面发生键合作用,整个分子垂直吸附在nano-Au@Ag核壳粒子表面产生很强的SERS。最后,利用nano-Ag溶胶作为活性基底,对残留的农药亚胺硫磷分子进行分析测定研究,以硫氰化钾(KSCN)为内标物,通过phosmet的S-P伸缩振动(503cm-1)特征峰与内标物的SCN-特征峰(2120 cm-1)组成相对强度。结果表明:phosmet浓度在5×10-71.2×10-5 mol·L-1范围内呈现良好的线性关系,其线性回归方程为IR=0.1385C(×10-77 mol·L-1)-0.313,线性相关系数为R=0.9978,检出限为2.82×10-7 mol·L-1,并对模拟样品进行了测试相对标准偏差(RSD)不大于5.47%,回收率为88.7%110.2%,结果满意。该方法可进一步推广到其类似化合物分子的测定,具有一定的实际应用价值。
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