2. 北京化工大学 机电工程学院, 北京 100029
2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China
对硝基苯酚(p-nitrophenol, PNP)是农药、医药、染料等精细化学品的中间体，在工业中有着广泛应用，但它会对人类神经造成伤害，对环境产生不利影响，因此，对PNP进行有效检测具有重要意义。
目前对PNP的检测有紫外分光光度法[1]、荧光探针法[2]、液相色谱法[3]等，这些检测方法都可以成功检测到PNP的存在，但都存在各种不足。紫外分光光度法对检测环境的pH要求较高，PNP的存在状态会随着溶液pH的变化而变化，从而影响检测结果的精度；荧光探针法由于采用的分子探针不同，检测结果也会出现偏差；液相色谱法检测效果好，但需要纯物质进行对照，且还需借助质谱、红外等方法，实验要求较高。
表面增强拉曼技术(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)是一种常用的痕量检测方法，它通过吸附在金属纳米结构表面上的分子与金属表面发生等离子共振作用，可使拉曼检测效果增强106甚至1014倍[4]。本文采用SERS检测技术，以期高效便捷地实现对PNP的检测。首先合成了棒状、方形及球形的金纳米粒子，分别与氧化石墨烯(graphene oxide, GO)以不同配比混合后超声复合，得到3种不同形态的氧化石墨烯-金纳米粒子复合物，测试了这3种不同形态氧化石墨烯-金纳米粒子(Au/GO)对PNP的检测灵敏度并对检测结果作出分析。
1 实验部分 1.1 原料与仪器石墨，45μm，氯化钡(BaCl2)，分析纯，盐酸(HCl)，36%~38%，硝酸(HNO3)，65%，Alfa Aesar化学有限公司；浓硫酸(H2SO4)，95%~98%，高锰酸钾(KMnO4)，柠檬酸钠(C6H5Na3O7·2H2O)，分析纯，北京化工厂；氯金酸(HAuCl4·4H2O)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；对硝基苯酚(C6H5NO3)，硝酸银(AgNO3)，分析纯，过氧化氢(H2O2)，30%，阿拉丁试剂有限公司；硼氢化钠(NaBH4)，分析纯，天津市华东试剂；溴化十六烷基三甲基铵(C19H42NBr，CTAB)，分析纯，北京伊诺凯科技有限公司；L-抗坏血酸(C6H8O6)，分析纯，北京拜尔迪生物技术有限公司；超纯水，18.2MΩ·cm，北京化工大学。
DF-101S型集热式恒温磁力搅拌器，上海棱标仪器有限公司；ESJ120-4A型电子天平，沈阳龙腾电子有限公司；TG16-WS型台式高速离心机，湘仪实验室仪器开发有限公司；KQ-100DB型超声波清洗机，昆山舒美超声仪器有限公司；DHG-9023A型鼓风干燥箱，深圳市良谊实验室仪器有限公司；Free Zone2.5型台式小型冻干机，美国Labconco有限公司；PH-100笔式pH计，上海力辰邦西仪器科技有限公司。
1.2 GO的制备基于改良的Hummers法[5]制备GO。将3g石墨加至105mL浓硫酸中，冰浴搅拌3h后加入15g KMnO4，2h后换为常温水浴，加入140mL超纯水，继续搅拌30min后，向溶液中滴加15mL过氧化氢溶液。将溶液静置过夜，过滤保留沉淀，6000r/min转速下离心多次清洗，至上层离心液加入氯化钡后无沉淀产生，将产物置于50℃干燥箱中烘干得到氧化石墨。将氧化石墨配制成1mg/mL的水溶液，超声分散后离心，取上层清液冷冻干燥得到GO。
1.3 不同形态金纳米粒子的制备采用种子生长法制备棒状、方形及球形的金纳米粒子，过程分别如下。
1.3.1 棒状金纳米粒子将现制的4℃ NaBH4溶液(0.01mol/L，0.6mL)注入到HAuCl4(0.01mol/L，0.25mL)和CTAB (0.1mol/L，9.75mL)的水溶液中，然后快速搅拌2min，室温下保存2h，得到种子溶液。
依次向CTAB溶液(0.1mol/L，40mL)中加入HAuCl4 (0.01mol/L，2mL)、AgNO3 (0.01mol/L，0.6mL)、HCl (1.0mol/L，0.8mL)和抗坏血酸(0.1mol/L，0.32mL)，将得到的溶液搅拌混合30s，得到生长溶液。
向生长溶液中加入0.3mL种子溶液，搅拌混合2min，静置过夜后，取10mL与H2O2 (30%，60μL)反应30min，生成金纳米棒。在转速8500r/min下离心3次，每次15min，除去未完全反应的H2O2，然后将所得的金纳米棒分散于水中备用。
1.3.2 方形金纳米粒子向9.5mL水中加入HAuCl4(0.01mol/L，0.25mL)和柠檬酸钠(0.01mol/L，0.25mL)，搅拌混合后，加入现制的NaBH4(0.1mol/L，0.3mL)，然后快速搅拌混合2min。所得溶液室温下保存3h，得到种子溶液。
向CTAB溶液(0.1mol/L，7.2mL)中加入HAuCl4(0.01mol/L，0.225mL)和水(1.575mL)，搅拌混合，再加入现制的抗坏血酸(0.1mol/L，0.05mL)，之后再加入1mL种子溶液，搅拌30min，得到生长溶液。
将HAuCl4(0.01mol/L，0.225mL)、水(1.575mL)和CTAB溶液(0.1mol/L，7.2mL)混合，随后加入抗坏血酸(0.1mol/L，0.05mL)，然后加入1mL生长溶液，并将所得反应混合物静置过夜。将混合物在转速8500r/min下离心3次，每次15min，然后将所得的方形金纳米粒子分散于等量水中备用。
1.3.3 球形金纳米粒子将柠檬酸钠(2.5×10-4mol/L，2mL)加入到HAuC14(2.5×10-4mol/L，20mL)中，快速加入现制的NaBH4(0.1mol/L，0.1mL)，搅拌3min后，于25℃水浴中恒温2h，得到种子溶液。
向CTAB溶液(0.1mol/L，20mL)中加入AgNO3(5.0×10-6mol/L，1mL)，再加入HAuCl4(2.5×10-4mol/L，1mL)，然后加入抗坏血酸(0.01mol/L，0.8mL)，搅拌2min后加入0.1mL种子溶液，搅拌15min后停止，于25℃水浴中恒温24h。在转速8500r/min下离心3次，每次15min，然后将所得的球形金纳米粒子分散于等量水中备用。
1.4 Au/GO的制备将得到的不同形态的金属纳米粒子分别按照GO、金纳米粒子、乙醇体积比为1:50:500混合，超声30min后以12000r/min的转速离心3次，每次10min，得到Au/GO复合材料[6]。采用以上步骤合成不同形态的氧化石墨烯-金纳米粒子复合物，分别将球形、棒状、方形金纳米粒子复合物记为Au/GO1、Au/GO2、Au/GO3。
1.5 测试与表征采用日本日立的S4800扫描电子显微镜(SEM)观察Au/GO的表面形貌特征。
采用英国赛默飞世尔公司的ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱仪进行X射线衍射分析(XPS)，表征Au/GO中的元素成分及金的存在状态，以Al靶1486.6eV的Kα射线为激光光源，以Cls的284.8eV进行峰位校准。
采用英国雷尼绍公司的Renishaw in Via plus型激光拉曼光谱仪分析Au/GO的拉曼光谱及对对硝基苯酚进行光谱检测，514nm激光源，扫描范围500~2000cm-1，积分时间10s，单次叠加。
进行PNP检测时，将等体积的Au/GO1、Au/GO2、Au/GO3分别与不同浓度(10-5mol/L、10-6mol/L、10-7mol/L)的PNP充分混合后，静置过夜，吸于毛细管中待测。
2 结果与讨论 2.1 Au/GO复合物的微观形貌图 1为直接观察的棒状、方形及球形3种金纳米粒子溶液，分别表现为紫红、粉红和浅黄色。溶液中金纳米粒子的光学特征与其形态及尺寸大小相关[7]，虽然粒子处于纳米级别，但是其内仍包含有许多原子，根据能带理论[8]，微观原子状态下能带不再连续，会吸收特定波长的光，从而表现出不同的颜色。另外，溶液中粒子间距也会影响粒子的颜色，当金纳米粒子颗粒间距减小，即耦合粒子的半径增大时，其颜色会发生明显改变，光谱红移。
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图 1 棒状、方形及球形金纳米粒子 Fig.1 Images of rodlike, square and ball Au nanoparticles |
图 2为利用种子生长法制备的Au/GO1、Au/GO2、Au/GO3以及GO的SEM图片。从图中可以看出金纳米粒子较为均匀地分散布于GO表面，GO中黑色部分为层叠褶皱，而复合材料中GO并无明显的褶皱现象。可以认为，金纳米粒子的加入有效地抑制了GO的褶皱。图 2中球形金纳米粒子尺度在10~20nm，方形粒子和棒状粒子尺寸较大，约为100nm，属于纳米级别，其中Au/GO1及Au/GO3中的金纳米粒子表现出良好的球形及方形，而Au/GO2中的金纳米粒子在表现出棒状的同时，部分粒子在还发生了弯曲现象，这可能是由于在生长过程中，生长时间过长导致粒子过度生长，长径比过大(高达8:1)，从而在生长方向上不受控制，发生了弯曲。
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图 2 Au/GO1、Au/GO2、Au/GO3及GO的SEM图片 Fig.2 SEM images of Au/GO1, Au/GO2, Au/GO3 and GO |
Au在结合能84.5eV、87eV和88.7eV处分别存在Au4f7、Au4f和Au4f5谱峰。由图 3可知，3种Au/GO均在上述位置出现谱峰，且有一定偏移，具体数据见表 1。谱峰位置之所以出现偏移，是由于存在不同价态的粒子。据文献报道[9-11]，在Au4f7电子层中存在有Au0(84.0eV)和Auδ+(0＜δ≤3)(84.8eV)，Au4f5电子层中存在有Au0(87.7eV)和Auδ+(88.4eV)，其中Au0以金属态存在，Auδ+以离子态存在。
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图 3 Au/GO1、Au/GO2和Au/GO3的XPS谱图 Fig.3 XPS spectra of Au/GO1, Au/GO2 and Au/GO3 |
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下载CSV 表 1 Au/GO1、Au/GO2和Au/GO3的XPS表征结果 Table 1 XPS results for Au/GO1, Au/GO2 and Au/GO3 |
前人研究认为[12]，Au纳米粒子的催化性能主要受Au的离子状态影响，即主要受Auδ+影响，含有Auδ+的粒子越多，催化效果越明显。由表 1峰位偏移ΔEB可知，3种Au/GO均向Auδ+方向有较大偏移，可以认为大多数的Au都以离子形态存在，有较好的催化效果，而在Au/GO2中Au4f面积占比最小，且Au4f7和Au4f5谱峰向Auδ+偏移最大，可以认为Au/GO2中离子态的Auδ+占有最大的比例。
2.3 PNP的SERS分析图 4为Au/GO1、Au/GO2和Au/GO3 3种复合材料对10-5mol/L的PNP的SERS光谱及10-3mol/L PNP的拉曼光谱。10-3mol/L的PNP因浓度很低，特征峰强度很弱，只能得到3个较为明显的峰，分别位于869cm-1，1117cm-1和1343cm-1处，其中1343cm-1处为硝基(—NO2)特征谱峰。3种不同形态的Au/GO复合材料对10-5mol/L的PNP的检测效果基本一致，即在880cm-1、1086cm-1、1118cm-1、1277cm-1、1340cm-1和1456cm-1处出现特征峰。与PNP的拉曼谱峰相比，3种复合材料不仅在1340cm-1处存在有硝基特征峰，另外在1277cm-1处还出现了亚硝基(—NO)的特征峰，原因为Au/GO未使PNP彻底还原，生成对亚硝基苯酚(p-nitrosophenol)。与10-5 mol/L的PNP相比，3种Au/GO对PNP的检测谱图谱峰明显，可以表明3种Au/GO复合材料对PNP具有良好的检测效果。
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图 4 Au/GO1、Au/GO2和Au/GO3对10-5mol/L PNP的拉曼检测谱图 Fig.4 SERS spectra of 10-5 mol/L PNP on Au/GO1、Au/GO2 and Au/GO3 |
利用公式(1)来计算增强因子G以表示3种复合材料的增强效果[13]
| $ G=\left(I_{\mathrm{SERS}} / N_{\mathrm{SERS}}\right) /\left(I_{\mathrm{bulk}} / N_{\mathrm{bulk}}\right) $ | (1) |
式中ISERS为SERS增强后亚硝基的峰面积；NSERS为SERS增强中活性基底上激光所照射到的探针分子数；Ibulk为10-3mol/L PNP溶液的硝基峰的峰面积；Nbulk为10-3mol/L PNP溶液中激光能照射到的有效探针分子数。
3种Au/GO的增强因子利用SERS增强后的亚硝基峰面积与10-3mol/L PNP溶液的硝基峰面积之比进行计算，可以得到G1(Au/GO1)=3750，G2(Au/GO2)=4500，G3(Au/GO3)=2655。可知棒状Au/GO的增强效果最好，分别为球形和方形Au/GO增强效果的1.2倍和1.7倍，而3种Au/GO的检测效果与PNP相比均有较大幅度的提高。分析其原因为，Au/GO2中离子态的Auδ+比例最高，由于离子态的Auδ+有着更好的催化效果，从而使得其对PNP的检测增强效果最好；Au/GO1的增强效果优于Au/GO3，可能是因为Au/GO1中金粒子的尺寸更小，从而表现出更好的表面效应和小尺寸效应，使其增强效果更好。
当PNP的浓度更低(10-6、10-7mol/L)时，拉曼谱图中只存在Au/GO的特征峰，无PNP的特征峰。可以认为，当PNP的浓度低于10-5mol/L时，3种Au/GO检测不出PNP的存在，因此本文方法对PNP的检测限为10-5 mol/L。
3 结论3种Au/GO复合材料对PNP的检测限为10-5mol/L，表明它们有着良好的SERS活性，且其活性与Au的粒子形态、电荷状态及尺寸大小等因素有关。3种Au/GO的增强效果从高到低依次为Au/GO2＞Au/GO1＞Au/GO3，Au/GO2中含有较高含量的具有催化活性的Auδ+，Au/GO1中小尺寸的金纳米粒子由于表面效应具有较高的化学活性，从而使得它们的检测效果都要优于Au/GO3。
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