一种基于静电纺丝技术的柔性SERS基底及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于食品质量快速检测技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝技术的柔性SERS基底及其制备方法和应用，尤其涉及一种基于表面增强拉曼光谱结合静电纺丝技术对水果表皮上二氰蒽醌的简便、快速及灵敏检测的应用。

背景技术

二氰蒽醌，是一种广谱蒽醌类保护性杀菌剂，用于防治苹果、橘子、梨及其他水果蔬菜的多种病害。其作用机理为通过与含硫基团反应和干扰细胞呼吸而抑制一系列真菌酶，最终导致病害的死亡，二氰蒽醌虽然是被喷洒在农作物表面，但依然能够附着或者渗透并长时间存在，对食用者存在膳食风险，尤其是对六岁及其以下儿童。为保障食用安全，我国一直坚持对食品安全国家标准进行修改与完善，如2021年制定的食品中农药最大残留限量(GB 2763-2021)明确规定了苹果中二氰蒽醌的最大残留限量为5mg/kg，橘子为3mg/kg，梨为2mg/kg。

目前，检测二氰蒽醌残留的主要方法包括色谱法、电化学法和光谱分析法等。其中高效液相色谱法(HPLC)和高效液相色谱耦合质谱法(HPLC-MS)灵敏度高，但是这些方法普遍存在操作繁琐，样品前处理复杂，分析时间长，并且无法实现现场实时、快速的检测等问题。

SERS(表面增强拉曼光谱法，Surface-enhanced Raman Spectroscopy)是一种新型光谱技术，具有灵敏度高、响应快、分子信息丰富、对样品破坏小等优点，可以实现痕量样品的检测，广泛应用于生物分析、环境监测、食品安全等领域，甚至临床诊断和治疗。但是SERS技术用于实际的食品分析还处于起步阶段，检测所用的单金属SERS基底的制备方法较为简便，并具有一定的增强效应，但基底材料的检测能力并不稳定。而传统的纳米溶胶SERS基底稳定性较差。

柔性SERS基底具有良好的机械性能，且质地柔软，易弯曲，更易长期保存，可以通过擦拭、包裹或粘贴实现果蔬表面农药残留的快速检测。但是，传统的柔性SERS基底是将聚合物电纺液与纳米材料共混纺丝，或者通过镀层将纳米颗粒与检测探针结合，以上方法存在一定的局限性，比如纳米金属颗粒易聚集，分布不均匀，都将影响SERS信号。

因此，为保障消费者饮食安全，寻求一种柔性SERS基底实现对二氰蒽醌残留的灵敏、快速检测十分必要。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中存在的缺陷与不足，如高效液相色谱的操作繁琐、以及不利于现场快速检测等问题。本发明提供了基于表面增强拉曼光谱法结合静电纺丝技术制备柔性SERS基底，并能实现快速、灵敏检测二氰蒽醌，本发明采用银包金纳米长方体材料体系建立一种低成本的、快速的、高效的实现二氰蒽醌的检测方法。

具体的，为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明首先提供一种基于静电纺丝技术的柔性SERS基底的方法，所述柔性SERS基底负载AuNR@AgNCs，所述方法包括如下步骤：

(1)合成立体结构的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)：

将十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液加入金纳米棒(AuNRs)溶液中，搅拌得到溶液一；再将硝酸银(AgNO

其中，溶液一制备过程中，所述十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液的浓度为20mM，十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液与金纳米棒(AuNRs)溶液的体积比为2:1；所述搅拌时间为20-40min，搅拌温度为40-60℃。

所述溶液二制备过程中，所述硝酸银(AgNO

所述溶液二注入溶液一中的搅拌为磁力搅拌，搅拌持续时间4-6小时，搅拌温度为40-60℃。

进一步地，所述金纳米棒溶液通过种子生长法得到：

将氯金酸(HAuCl

其中，种子液制备过程中，所述的氯金酸(HAuCl

生长液制备过程中，所述十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液的浓度为100mM，所述硝酸银(AgNO

优选的，所述搅拌为磁力搅拌，搅拌速度为1200rpm，搅拌时间2min，搅拌温度为25-30℃。

所述的种子液与生长液的体积比为1:300，所述的静置时间为12-18小时。

(2)合成静电纺丝液：将聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和二氧化钛(TiO

所述丙酮与N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)的体积比为5-10mL:5-10mL；

所述聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和二氧化钛(TiO

所述的搅拌为磁力搅拌，搅拌时间1-2小时，搅拌温度为30-50℃。

(3)合成PVDF/TiO

所述静电纺丝施加电压为16-22kV，接收距离15cm，推进速度0.001mm/s，温度为25-40℃，湿度为40-70％。

(4)合成表面带正电荷的PVDF/TiO

其中，所述聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液和聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)溶液分别用超纯水配制浓度为0.05-0.3％，再用氯化钠(NaCl)调制浓度为5-10％。

所述的浸没次数为3-7次，每次浸没时间20-60分钟。

所述的干燥温度为30-60℃，干燥时间为1-6小时。

(5)合成带负电荷的AuNR@AgNCs/PSS混合溶液：配制聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液；将步骤(1)得到的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)沉淀静置在聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液中一段时间，之后离心洗涤，将沉淀分散到超纯水中得到带负电荷的AuNR@AgNCs/PSS混合溶液，备用。

其中，所述聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液用超纯水配制后再用氯化钠(NaCl)调制浓度。

所述静置时间为1-3小时，在室温条件下静置。

所述的离心的转速为8000r/min，持续时间为10 -20min。

所述银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)沉淀与超纯水的用量比为20-50mg:5-10mL。

(6)合成柔性SERS基底：将步骤(4)得到的PVDF/TiO

该步骤中，将步骤(4)得到的PVDF/TiO

其中，所述浸泡时间为12-24小时。

所述干燥温度为30-60℃，干燥时间为1-6小时。

本发明还提供上述方法制备得到的柔性SERS基底。

本发明还提供上述方法制备得到的柔性SERS基底在检测二氰蒽醌中的应用。

本发明还提供一种检测二氰蒽醌的方法，所述方法利用所述柔性SERS基底实现，所述方法包括：

检测标准品二氰蒽醌：

将二氰蒽醌标品(10

所述的拉曼检测波长为785nm，功率为210mW，时间为4s。

检测水果中的二氰蒽醌：

将不同浓度的二氰蒽醌标准品滴到不含二氰蒽醌的水果表皮上，干燥后滴加乙醇溶解二氰蒽醌，用柔性SERS基底擦拭水果表面后，进行拉曼检测，根据特征峰处的SERS强度值与二氰蒽醌浓度之间存在的线性关系，建立标准曲线；用柔性SERS基底检测实际水果样品的拉曼光谱，代入建立的标准曲线可得水果样品中残留的二氰蒽醌含量。

具体的：

分别将二氰蒽醌标品(10

所述水果包括苹果、橘子和梨等；所述的拉曼检测波长为785nm，功率为210mW，时间为4s。

本发明中还进一步验证了本发明得到的柔性SERS基底的检测选择性：

检测标准品二氰蒽醌和水果产业常用农药的混合溶液：

分别制备10

所述的拉曼检测波长为785nm，功率为210mW，时间为4s。

本发明中还进一步验证了本发明得到的柔性SERS基底的可重复利用性：

将10

所述的照射时间为30-60min。

所述的拉曼检测波长为785nm，功率为210mW，时间为4s。

所述的循环使用次数为4次及以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现如下：

(1)本发明采用静电纺丝技术制备柔性SERS基底，静电纺丝技术具有自动化程度高、原料成本低且来源广泛，能够连续制备等特点。同时制备出的纤维膜具有韧性好、性能稳定和应用范围广等优点。本发明为了进一步提高SERS信号，将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与聚偏氟乙烯(PVDF)共纺可制备粗糙的纤维膜，增大纳米材料在纤维膜上的附着位点。

(2)本发明制备柔性SERS基底过程中，采用静电吸附逐层自组装的方式可以实现纳米颗粒的均匀负载，将两种相反电荷的聚合物通过静电吸附作用相互吸引而被固定在某一平面上，再通过将纤维膜在这两种聚合物溶液中交替浸泡即可得到逐层生长的自组装多层纤维膜，具有操作简单、成膜效率高、纳米颗粒分布规整等特点。

(3)本发明制备的柔性SERS基底的纳米材料具有核壳结构，是在单金属颗粒上包裹其他金属作为壳层，它可以将两种金属的优势结合起来，提高SERS检测的灵敏度、扩大适用范围、提高检测稳定性。应用本发明所述的柔性SERS基底检测二氰蒽醌的方法操作简单，无需复杂的样品前处理。

(4)本发明与现有的二氰蒽醌检测方法相比，检测范围更宽，检测限更低，灵敏度更高。另外分析时间短，1min即可获得所需的拉曼光谱数据，对检测人员无特殊要求，且用于实现该方法的检测装置相对于高效液相色谱等装置来说成本低，装置轻巧，便于携带，适合用于现场检测。

(5)本发明以PVDF、PVP、TiO

附图说明

图1为纳米复合银包金长方体的紫外可见吸收光谱图。

图2为具有纳米复合结构的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)的透射扫描电镜图。

图3为具有纳米复合结构的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)的能谱分析图；图3A为AuNR@AgNC的高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图、图3B为Au与Ag元素叠加能谱分析图、图3C为Ag元素能谱分析图、图3D为Au元素能谱分析图。

图4为PVDF/TiO

图5为PVDF/TiO

图6为PVDF/TiO

图7为二氰蒽醌粉末的拉曼光谱图。

图8基于PVDF/TiO

图9为不同农药对二氰蒽醌的SERS结果干扰图。

图10为柔性SERS基底连续14天检测二氰蒽醌的稳定性验证结果。

图11为柔性SERS基底对二氰蒽醌的紫外循环降解检测的SERS光谱图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面对本发明的较佳实施例进行详细的阐述，但是如下实施例并不限制本发明的保护范围。

本发明的实施例中，没有多作说明的都是采用常规实验方法完成，实施例中涉及过程没有多作说明的都是本领域技术人员根据产品说明书或本领域基础知识可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

实施例1：

(1)合成金纳米棒纳米颗粒(AuNRs)：

将50μL浓度为25mM的氯金酸(HAuCl

伴随着磁力搅拌，速度为1200rpm，温度为25℃，时间2分钟。将40mL浓度为100mM的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液加入到0.4mL浓度为10mM的硝酸银(AgNO

将种子液注入到生长液中，得到混合溶液，将混合溶液在25℃下静置14小时，生成金纳米棒(AuNRs)粗溶液，经8000r/min离心三次，每次10分钟，纯水洗涤，之后得到金纳米棒(AuNRs)沉淀，将20mg沉淀分散到5mL超纯水中得到金纳米棒(AuNRs)溶液，备用。

(2)合成银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)：

将4mL浓度为20mM的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液加入步骤(1)制备的2mL金纳米棒(AuNRs)溶液中，磁力搅拌速度为1000rpm，温度为40℃，时间20分钟，搅拌混匀得到溶液一。

再将5mL浓度为2mM的硝酸银(AgNO

在磁力搅拌下，将溶液二加入溶液一中，磁力搅拌速度为1000rpm，温度为40℃，搅拌时间为4小时，生成银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)粗溶液。搅拌完成后，烧杯置于冰水中降温，经8000r/min离心三次，每次10分钟，纯水洗涤，将20mg沉淀分散到5mL超纯水中得到银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)溶液，最后放在4℃冰箱冷藏保存备用。

合成后的银包金纳米长方体用紫外可见吸收光谱(UV-vis)以及透射电镜进行表征。

结果如图1-图3所示，图1为纳米复合银包金长方体的紫外可见吸收光谱，结果显示合成的银包金纳米长方体具有四个特征消光峰，其中位于589nm的峰属于纵向偶极等离子体激元模式，位于493nm的峰属于横向偶极等离子体激元模式，而位于341和390nm的峰的属于八极等离子体激元模式。

图2为具有纳米复合结构的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)的透射扫描电镜图，图中可见依据上述方法得到的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)分布均匀，图2b为图2a的局部图，图b中显示银包金纳米长方体形貌较为均匀，平均长度为42nm。银包金纳米长方体的能谱分析图如图3所示，图中Ag元素的分析图呈绿色，Au元素的分析图呈红色，从图3中可以看出AuNR呈明显的棒状结构并位于AuNR@AgNCs的中心；图3A为AuNR@AgNC的高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图、图3B为Au与Ag元素叠加能谱分析图、图3C为Ag元素能谱分析图、图3D为Au元素能谱分析图。

(3)合成静电纺丝液：

将1g聚偏氟乙烯(PVDF)、0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和0.6g二氧化钛(TiO

(4)合成PVDF/TiO

将步骤(3)得到静电纺丝液进行静电纺丝，设置施加电压16kV、接收距离15cm、推进速度0.001mm/s、温度30℃和湿度50％。之后得到的PVDF/TiO

(5)合成带正电的PVDF/TiO

用超纯水分别配制浓度为0.05％的聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)溶液和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液，分别在聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)溶液和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液加入氯化钠调整浓度至5％。利用步骤(4)中得到的PVDF/TiO

(6)合成带负电的银包金米长方体(AuNR@AgNCs)溶液

用超纯水配制浓度为0.05％的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液，再加入氯化钠(NaCl)调整浓度至5％。将步骤(2)得到的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)沉淀静置在聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液中1小时，之后离心三次洗涤，转速为8000r/min，持续时间为10min。将20mg沉淀分散到5mL超纯水中得到带负电荷的AuNR@AgNCs/PSS混合溶液，备用。

(7)合成PVDF/TiO

将步骤(5)得到的PVDF/TiO

(8)检测二氰蒽醌粉末的拉曼光谱，确定二氰蒽醌的特征峰：

本实施例中采用的是海洋光学ACCUMAN(SR-510Pro)便携式科研级拉曼光谱仪，光谱范围最大可覆盖170-3900cm

(9)检测标准品二氰蒽醌：

配制10

实施例2：

(1)合成金纳米棒纳米颗粒(AuNRs)：

将50μL浓度为25mM的氯金酸(HAuCl

伴随着磁力搅拌，速度为1200rpm，温度为28℃，时间2分钟。将40mL浓度为100mM的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液加入到0.4mL浓度为10mM的硝酸银(AgNO

(2)合成银包金米长方体(AuNR@AgNCs)：

将4mL浓度为20mM的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液加入步骤(1)制备的2mL金纳米棒(AuNRs)溶液中，磁力搅拌速度为1000rpm，温度为50℃，时间30分钟，得到溶液一。

再将5mL浓度为2mM的硝酸银(AgNO

在磁力搅拌下，将溶液二加入溶液一中，磁力搅拌速度为1000rpm，温度为50℃，搅拌时间为5小时，生成银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)粗溶液。搅拌完成后，烧杯置于冰水中降温，经8000r/min离心三次，每次10分钟，纯水洗涤，将35mg沉淀分散到7.5mL超纯水中得到银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)溶液，最后放在4℃冰箱冷藏保存备用。

(3)合成静电纺丝液：

将1.5g聚偏氟乙烯(PVDF)、0.75g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和0.9g二氧化钛(TiO

(4)合成PVDF/TiO

将步骤(3)得到静电纺丝液进行静电纺丝，设置施加电压19kV、接收距离15cm、推进速度0.001mm/s、温度28℃和湿度45％。之后得到的PVDF/TiO

(5)合成带正电的PVDF/TiO

用超纯水分别配制浓度为0.5％的聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)溶液和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液，分别在聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)溶液和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液加入氯化钠调整浓度至7.5％。利用步骤(4)中得到的PVDF/TiO

(6)合成带负电的银包金米长方体(AuNR@AgNCs)溶液

用超纯水配制浓度为0.5％的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液，再加入氯化钠(NaCl)调整浓度至7.5％。将步骤(2)得到的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)沉淀静置在聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液中1.5小时，之后离心三次洗涤，转速为8000r/min，持续时间为10min。将35mg沉淀分散到7.5mL超纯水中得到带负电荷的AuNR@AgNCs/PSS混合溶液，备用。

(7)合成PVDF/TiO

将步骤(5)得到的PVDF/TiO

实施例3：

(1)合成金纳米棒纳米颗粒(AuNRs)：

将50μL浓度为25mM的氯金酸(HAuCl

伴随着磁力搅拌，速度为1200rpm，温度为30℃，时间2分钟。将40mL浓度为100mM的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液加入到10mM的硝酸银(AgNO

将种子液注入到生长液中，得到混合溶液，将混合溶液在30℃下静置12小时，生成金纳米棒(AuNRs)粗溶液，经8000r/min离心三次，每次10分钟，纯水洗涤，之后得到金纳米棒(AuNRs)沉淀，将50mg沉淀分散到10mL超纯水中得到金纳米棒(AuNRs)溶液，备用。

(2)合成银包金米长方体(AuNR@AgNCs)：

将4mL浓度为20mM的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液加入步骤(1)制备的2mL金纳米棒(AuNRs)溶液中，磁力搅拌速度为1000rpm，温度为60℃，时间40分钟，得到溶液一。

再将5mL浓度为2mM的硝酸银(AgNO

在磁力搅拌下，将溶液二加入溶液一中，磁力搅拌速度为1000rpm，温度为60℃，搅拌时间为6小时，生成银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)粗溶液。搅拌完成后，烧杯置于冰水中降温，经8000r/min离心三次，每次10分钟，纯水洗涤，将50mg沉淀分散到10mL超纯水中得到银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)溶液，最后放在4℃冰箱冷藏保存备用。

(3)合成静电纺丝液：

将2g聚偏氟乙烯(PVDF)、1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和1.2g二氧化钛(TiO

(4)合成PVDF/TiO

将步骤(3)得到静电纺丝液进行静电纺丝，设置施加电压22kV、接收距离15cm、推进速度0.001mm/s、温度25℃和湿度50％。之后得到的PVDF/TiO

(5)合成带正电的PVDF/TiO

用超纯水分别配制浓度为1％的聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)溶液和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液，分别在聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)溶液和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液加入氯化钠调整浓度至10％。利用步骤(4)中得到的PVDF/TiO

(6)合成带负电的银包金米长方体(AuNR@AgNCs)溶液

用超纯水配制浓度为1％的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液，再加入氯化钠(NaCl)调整浓度至10％。将步骤(2)得到的银包金纳米长方体(AuNR@AgNCs)沉淀静置在聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液中2小时，之后离心三次洗涤，转速为8000r/min，持续时间为10min。将50mg沉淀分散到10mL超纯水中得到带负电荷的AuNR@AgNCs/PSS混合溶液，备用。

(7)合成PVDF/TiO

将步骤(5)得到的PVDF/TiO

实施例4：本发明制备的PVDF/TiO

(1)检测标准品二氰蒽醌和水果产业常用农药的混合溶液：

分别制备10

(2)检测水果表皮的二氰蒽醌：

分别将二氰蒽醌标品(10

代入标准曲线可得知水果样品中残留的二氰蒽醌含量，结果如表1所示。6个样品检测结果的回收率分别为102.70，97.30，106.80，98.50，101.60和99.30，表明该SERS检测方法具有较高的准确性；同时相对标准偏差值分别为5.52，7.83，11.38，11.65，8.47和9.21，表明该柔性SERS基底具有极好的重现性。

表1.水果样品检测二氰蒽醌回收率表

(3)检测PVDF/TiO

图10为PVDF/TiO

另外将10

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。