新型石墨烯_银纳米复合材料应用于表面增强拉曼检测食品.doc

新型石墨烯/银纳米复合材料应用于表面增强拉曼检测食品违禁添加色素#郇楠，谢云飞，姚卫蓉*510152025303540（江南大学食品学院，江苏 无锡 214122）摘要：由石墨烯/银纳米复合材料构建的表面增强拉曼（SERS）基底，可作为一种新型的传感器检测食品中违禁添加的色素。这个 SERS 检测平台展示出优良的效果，主要建立在色素分子和石墨烯之间的很好的富集作用以及银纳米粒子在拉曼光谱的增强作用方面。本实验利用这种新型的 SERS 基底检测了不同种类的食品违禁添加色素。此外，将四种不同违禁添加色素混合，从它们的拉曼光谱上可以看出，每种色素都有其特征峰，通过各种色素的特征峰可以很容易的区分每种色素。同时，本实验也将用石墨烯-银纳米复合物作基底得到的 SERS光谱和只用银作基底得到的光谱作了比较。结果表明，用纳米复合材料作基底的 SERS 来检测违禁添加色素效果更好。该方法为食品违禁添加色素的检测提供了一种简单、快速、高灵敏的方法。关键词：违禁添加色素；表面增强拉曼散射（SERS）；石墨烯/银纳米复合物；快速检测中图分类号：O657.37A Novel Surface-Enhanced Raman Scattering Sensor toDetect Prohibited Colorants in Food by Graphene/SilverNanocompositeHUAN Nan, XIE Yunfei, YAO Weirong(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, JiangSu WuXi 214122)Abstract: A novel surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensor made up of a graphene andsilver nanocomposite was developed for detecting prohibited colorants in food. This SERSplatform exhibited an excellent enrichment effect between the colorant molecules and thegraphene and an ability to enhance the Raman spectra of the silver nanoparticles. Detection ofdifferent concentrations of each prohibited colorant was carried out by SERS measurements onthis novel substrate. In addition, from the SERS spectra of a mixture of four kinds of prohibitedcolorants, it was possible to easily distinguish each colorant by its characteristic peaks. A controlexperiment was also performed to compare the SERS spectra obtained using the graphene/silvernanocomposite substrate with spectra obtained using Ag alone as a substrate. The results showedthat the SERS nanocomposite was better for detecting prohibited colorants. The proposed methodhas advantages in terms of providing a simple and rapid method for the sensitive analysis ofprohibited additive colorants in food.Keywords: prohibited colorants; surface-enhanced Raman scattering (SERS); graphene/silvernanocomposite; rapid detection0 引言食品的色彩是食品感观品质的一个重要因素，这也使得颜色成为食品中一项最重要的物理性质，因此在食品制造业中很受关注。利用添加色素的方法来提升、同化、甚至改变食品的颜色，使其更加吸引消费者，已经成为食品制造商采用的普遍做法1。食品色素包括天然色素和合成色素，合成色素作为一类重要的食品添加剂，广泛的应用基金项目：国家自然科学基金（21203076）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号 JUSRP21124,JUSRP111A37，30908, 31005 和 31106）作者简介：郇楠，（1990-），女，研究生。通信联系人：姚卫蓉，1970-），女，教授，主要研究方向：食品安全检测。E-mail: -1-（于我们每日消费的食品中。然而，这些色素对人体健康构成了潜在的风险，特别是过量摄入的时候。出于这个原因，合成色素在食品中的应用在许多国家都用法律做了严格的控制。因4550556065707580此，需要一种准确而可靠的技术测定食品中的合成色素，以保证食品的安全。大量的分析方法已经提出用于鉴别和测定各种食品色素，如薄层色谱法（TLC）2，吸附伏安法3，分光光度测定方法4，毛细管电泳（CE）5，高效液相色谱（HPLC）6-8和酶联免疫吸附试验（ELISA）9用于检测食品中的违禁添加色素。自从分子吸附在粗糙金属表面后可以是拉曼信号极大增强现象被发现以后1-3，表面增强拉曼散射（SERS）已被证明是一种强大的分析技术。吸附在粗糙表面的分子，因其纳米结构的形态和大小的不同而具有的不同的空间电磁场强度。SERS 技术具有高灵敏度、独特的光谱指纹特征以及无损数据采集等优势，使得 SERS 技术成为应用广泛的光谱工具，用于鉴别和测定化学物质以及作为生物传感10-18。在这里，我们展示了一种简单快速的检测方法，利用 SERS 技术检测食品中的违禁添加色素。为了提高检测色素的能力，制备了一种新型的石墨烯材料和银纳米粒子的复合物，作为 SERS 增强基底。石墨烯是由 sp2 连接的碳原子组成的二维（2D）板状结构，是一种零带隙半导体，近几年来因其独特的性质和潜在的应用前景引起了极大的关注19-21。石墨烯具有独特的结构，由于其很强的离域电磁场与苯环形成强烈的相互堆积作用，使得石墨烯可作为一些类似苯环结构化合物的吸附剂22,23。本研究开发了一种新型的 SERS 基底，即制备了石墨烯/银（G/Ag）纳米复合材料，这种增强基底不仅借助石墨烯对色素的富集作用而且利用了银纳米粒子优异的 SERS 增强能力使它可作为一种检测违禁添加色素的方法。研究了应用这种新型基底对各种不同浓度的违禁添加色素的 SERS 半定量检测。此外，依据四种不同违禁添加色素混合的 SERS 光谱，通过他们各自的特征峰很容易区分含有各种色素，从而达到对混合色素进行定性鉴别的目的。为了比较 G/Ag 纳米复合物的性能，本实验将这种复合物基底和银基底做了对照试验，结果证实用复合物基底的 SERS 方法检测违禁添加色素具有更好的效果。这种 SERS 平台在食品中违禁添加色素的检测分析中分析中显示出简单、快速、高灵敏度等显著优势。1 实验部分1.1 材料硝酸银（99%，美国 Aldrich 公司），柠檬酸三钠（99%，中国，北京化工），诱惑红（98%，美国，Fluka 公司），丽春红（99%，美国，Fluka 公司），苋菜红（98%，美国，Fluka 公司），赤藓红（98%，美国，Fluka 公司），柠檬黄（99%，美国，Fluka 公司），日落黄（95%，美国，Fluka 公司），橙 II（98%，美国，Fluka 公司），橘黄（显微镜用，美国，Sigma 公司），石墨粉（光谱要求，中国，上海化工）。所有的化学品按要求使用除非另有说明。所有溶液的配制都使用 Milli-Q 超纯水系统 (Millipore)制备的超纯水(18 M cm)。1.2 氧化石墨的制备（GO）GO 采用由 Kovtyukhova 等改进的 Hummer 方法，用天然石墨粉合成24。将浓硫酸（30ml）、K2S2O8 (10 g)和 P2O5 (10 g)混合溶液的温度控制在 80，将石墨粉（20 g）加入到溶液中。将所得的混合物进行热分离，然后冷却至室温。用蒸馏水小心的稀释混合物，过滤，-2-。然而，这些方法大多数需要复杂且耗时的处理过程，急需发展一种快速简便的分析方法并在过滤器上洗涤，直至漂洗水的 pH 变为中性。预氧化石墨在室温下干燥。将氧化石墨粉（20 g）加入到 0 的浓硫酸（460 ml）中，在搅拌和冷却的条件下缓慢加入高锰酸钾（60g），该混合物的温度应保持低于 20 。混合物在 35 下搅拌 2 h，加入蒸馏水 920 ml。859095100105110将混合物加热到 98 ，保持 15 min。加入大量的蒸馏水（2.8 L）和 30%的 H2O2 溶液 50 ml以终止反应。将该混合物过滤，并用 1:10 的 HCl 溶液（5 L）洗涤，以除去金属离子。最后将 GO 分散液透析 3 天，完全除去金属离子和酸。1.3 G/Ag 纳米复合物的合成将 GO 溶于 40 ml 水中，制成 GO 分散液，加入 0.036 g AgNO3，将混合物加热到微沸。加入 2%的柠檬酸三钠溶液（4 ml）。溶液沸腾 1 h。合成的 G/Ag 纳米复合物为黄绿色。1.4 紫外-可见光测量用紫外-可见扫描分光光度计(UV-3600, Shimadzu Corporation, 日本)配备 1 cm 的石英比色皿测量 300-800 nm 范围内样品的光谱。基准为水的光谱。1.5 原子力显微镜（AFM 测量）在室温（20 ）下的敲击模式获得原子力显微镜图像。1.6 SERS 测定每种样品取 20 L，在室温下滴加在洁净玻璃片上，室温下自然干燥，然后进行 SERS测量。SERS 测量用 Renishaw 1000 型激光共聚焦拉曼，配备 CCD 检测器和陷波滤波器。SERS激发光为空冷式氩离子激光 514.5 nm 激光辐射，样品位置的功率为 5 mW。基于 Leica DMLM系统的显微镜附件用 50 倍的物镜将激光束聚集到大约直径 1 m 的点上。本实验所用的累计积分时间为 30s，累计积分次数为 3 次。2 结果与讨论2.1 G/Ag 纳米复合物的表征图 1 是合成 G/Ag 纳米复合物以及检测违禁添加色素的示意图。如图 2 所示，各自代表了 GO 和 G/Ag 复合物分散体的紫外-可见光谱。GO 分散液（红色线）获得的光谱在 232 nm处出现最大值（归属于芳香族 C=C 键的*跃迁），在 300 nm 处出现肩峰（归属于 C=O键的 n*跃迁）。与 GO 分散液发生还原反应后（蓝色线）作比较后发现，芳香族 C=C 键发生红移至 253 nm，这表明共轭网络和 GS 的恢复25。此外，在 406 nm 处出现一个新的吸收峰，可以作为银纳米粒子形成的依据。上述现象说明了由柠檬酸盐的还原生成了 G/Ag复合物。-3-OHOOCOOHOOCCOOONaCtAg+AgAg+AgOColorantO图 1. 石墨烯/银纳米复合材料的合成以及用这种基底对禁用色素的 SERS 检测的示意图115Fig.1 Schematic illustration of the synthesis of G/Ag composites and SERS detection of prohibited colorants usingthis substrate.232GO0.20.0253406GO-Ag200300400 500 600700800Wavelengh, nm图 2. 氧化石墨和石墨烯/银纳米复合物分散液的紫外-可见光谱Fig. 2 UV-vis spectra of GO and G/Ag composite dispersions.120125图 3A 和 3B 是柠檬酸钠还原合成的 G/Ag 纳米复合物的 AFM 图像。图 3A 中的 AFM图像清楚的显示了利用该方法可以合成出球形的纳米粒子。从图 3B 中可以看出，许多小的银纳米粒子聚集在一起形成大的纳米粒子，就像在图 3A 中看到的一样。图 3A 中聚集的粒子的尺寸大约在 250 nm 左右，图 3B 中看到的纳米粒子的粒径约为 20 nm，这个结果和图 2中紫外-可见光谱 406 nm 的吸收峰正好对应26。颗粒表面纳米级的粗糙度可以提供一些SERS“热点”，这对于显著增强 SERS 增强能力是很有利的27,28。AB图 3. 石墨烯/银纳米复合物的 AFM 图像（A） 柠檬酸三钠还原制备的 G/Ag 纳米复合粒子的 AFM 照片；（B）AFM 照片（A）的放大照片130Fig. 3 (A) AFM photograph of G/Ag composite nanoparticles reduced by citrate. (B) Enlarged AFM photograph of(A).-4-Intensity2.2 违禁添加色素的测定在图 4A，4B，4C 和 4D 中 SERS 光谱的高信噪比可以看出，合成的 G/Ag 纳米复合物基底具有优良的 SERS 增强效果。然后我们探讨了利用该基底检测违禁添加色素的能力。为了使 SERS 响应保持一致性，减少测定时产生的误差，检测时在 SERS 基底上随机选取三个135140不同的位置，记录各自位置的 SERS 光谱，取平均光谱作为 SERS 检测的依据。图 4A，4B，4C 和 4D 分别代表了利用 G/Ag 纳米复合物基底测定四种不同浓度的违禁添加色素的 SERS 光谱，四种色素分别为苋菜红，赤藓红，柠檬黄，日落黄。在每个光谱中，每种色素的特征拉曼峰根据色素的浓度用虚线标记，每种色素的特征峰列于表 1 中。除此之外，根据波数来标记，表 1 中列出的特征峰的对应关系。由图 4A，4B，4C 和 4D 的可以检测最低浓度，得出这四种色素的检测限分别为 10-5, 10-7, 10-5 和 10-5 M。10-4 M-5-6solid8000-4-510 M-6-720000solid400600800 1000 1200 1400 1600 1800Wavenumber, cm -1A400600800 1000 1200 1400Wavenumber, cm-1B16001800-4-5-6solid10000-4-5-6solid10000400600800 1000 1200 1400 1600 1800400600800 1000 1200 1400 1600 1800Wavenumber, cm-1C图 4. 四种色素的 SERS 光谱Wavenumber, cm -1D（A）：苋菜红；（B）：赤藓红；（C）：柠檬黄；（D）：日落黄。每个图从上到下分别对应的浓度为 110-4,145110-5, 110-6，110-7 M 和色素的固体拉曼光谱Fig. 4 SERS spectra of amaranth (A); erythrosine (B); lemon yellow (C); sunset yellow (D) at concentrations(a) (d) 110-4, 110-5, 110-6, and 110-7 M, respectively. The entire characteristic Raman peak in theprohibited colorant solid is been marked by dashed line, according to the different concentrations of colorant. Thepeaks are also labeled by wavenumbers, which show an evident corresponding relationship.150155160-5-134614361482151411761230Raman IntensityRaman Intensity93850073614721555161 04667649491166150114751497Raman IntensityRaman Intensity1178122646574 6104210 89116898 4109210 M10 M10 M10 M10 M10 M10 M10 M10 M10 M10 M表 1. 不同色素的 SERS 特征光谱峰Tab. 1 Characteristic SERS peaks of components in color system mixturesCharacteristic SERS peaks / cm-1red color systemyellow color systemallura red4906367501128118212261496ponceau amaranth493 8941436 9381570 10581134134613641436erythrosine6901088134414701546lemon yellow4006141002141214981594sunset yellow orange II734 10941094 11221178 12261228 13341256 14781300 14981334 1546chrysoidin734966992112011501258133215721452 159414801498138015941620155215942.3 比较 G/Ag 纳米复合物和 Ag 基底的 SERS 效果的对比实验165170为了确认 G/Ag 复合物基底相对于 Ag 基底的 SERS 增强效果，做了一个使用不同基底测定 10-5 M 的赤藓红色素的 SERS 检测对比实验。图 5 是赤藓红色素用 G/Ag 和 Ag 基底的SERS 光谱的比较。根据赤藓红固体的拉曼光谱，用星号标记出不同基底的特征增强拉曼峰。从图 5 可以容易地发现利用 G/Ag 基底比单独用 Ag 基底得到更好的增强效果。这是由于复合基底兼顾了石墨烯与含苯环化合物优良的富集作用以及银纳米粒子的优异 SERS 增强效果，这种新型 SERS 基底在检测食品中的违禁添加色素存在强大的潜在应用价值。GS/Ag+erythrosineAg+erythrosinesolid*1000* *abc200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Wavenumber, cm-1图 5. 110-5 M 赤藓红色素在不同基底上的 SERS 光谱（a）：G/Ag 纳米复合基底；（b）：Ag 纳米基底；（c）：赤藓红固体的拉曼光谱175180Fig.5 SERS spectra of 110-5 M erythrosine colorant determined with SERS substrate by (a) G/Ag and (b) Agnanoparticles, and (c) Raman spectrum of erythrosine solid.2.4 SERS 定性鉴别混合色素由图 4A-D 可以看出，利用新型基底可成功地进行 SERS 检测各种色素。更进一步，探讨对更加复杂的红色系和黄色系进行 SERS 测量，并进行了定性鉴别。图 6A 和 6B 表示利用 G/Ag 纳米复合基底实现对红色和黄色系的 SERS 检测。分别将 G/Ag 复合物与 10-4 M 的红色和黄色系色素溶液混合，进行 SERS 光谱的测定。红色系由诱惑红，胭脂红，苋菜红，赤藓红组成。黄色系由柠檬黄，日落黄，橙和橘红组成。图 6A 和 6B 表示混合物中各种色素的不同的特征光谱，这些特征峰在 SERS 光谱中用不同的符号标记。表 1 中列出了与混合颜色系统的 SERS 特征峰。值得注意的是，利用该新型 SERS 基底可以使不同色素在色素-6-Raman Intensity185混合体系的光谱中表现出来进而进行鉴别，每种色素的特征峰都用不同颜色和形状的符号标记。在含有两个色系的四种色素分子的复杂系统的情况下，这种新型的 SERS 模型对红色和黄色色系表现出良好的预浓缩检测能力。5000allura redamaranthponceauerythrosine2000lemon yelloworange IIsunset yellowchrysoidinallura redlemonyellowponceausunsetyellowamaranthorange IIerythrosinechrysoidinmixturemixture400600800 1000 1200 1400 1600 1800200Wavenumber/cm-1400600800 1000 1200 1400 1600 1800Wavenumber/ cm-1A图 6. 不同混合色素的 SERS 图谱B190195200205(A) 用 G/Ag 基底测定 10-4 M 红色色素体系（包括诱惑红，胭脂红，苋菜红和赤藓红，这些色素浓度为 10-4 M）的 SERS 光谱；（B）用 G/Ag 基底测定 10-4 M 黄色色素体系（包括柠檬黄，日落黄，橙黄和橘黄，这些色素浓度为 10-4 M）的 SERS 光谱-4erythrosine; each of these colorants was 10-4 M) by utilizing the substrate of G/Ag composite; (B) SERS spectra of10-4 M yellow prohibited colorant systems (including lemon yellow, sunset yellow, orange II and chrysoidin, andeach of these colorants was 10-4 M) by utilizing the G/Ag composite substrate. Different symbols representcharacteristic SERS wavenumbers for each colorant in the mixture.3 结论在本研究中，设计了一种新型的纳米复合 SERS 基底来检测违禁添加的色素。这种 G/Ag作为 SERS 增强基底表现出在检测违禁添加色素方面的潜在应用，主要是结合了石墨烯与色素分子之间的良好的富集浓缩作用，以及银纳米粒子良好的 SERS 增强效果。该 SERS 平台成功用于检测四种色素以及四种色素分别组成的两个色素系，利用色素的 SERS 特征峰可以定性鉴别混合体系含有各种违禁添加色素。本实验提出的方法在违禁添加色素检测方面具有高灵敏度、简便、快速等优势。结果表明，该新型检测方法可作为一种定性、定量检测食品中的违禁添加色素的有效方法。致谢本研究得到国家自然科学基金（21203076），中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号 JUSRP21124, JUSRP111A37，30908, 31005 和 31106）。210参考文献 (References)1 T.E. Furia, CRC handbook of food additives, CRC, 1980.2 Y. Ikaia, T. Ohno, N. Kawamura, J. Hayakawa, K. Harada, M. Suzuki, J. Chromatogr. A, 674 (1994) 301.2152203 Y. Ni, J. Bai, L. Jin, Anal. Lett., 30 (1997) 1761.4 M. Gonzalez, M. Gloria Lobo, J. Mendez, A. Carnero, Food control, 16 (2005) 105.5 M. Ryvolova, P. Taborsky, P. Vrabel, P. Krasensky, J. Preisler, J. Chromatogr. A, 1141 (2007) 206.6 J.A. Fernandez-Lopez, L. Almela, J. Chromatogr. A, 913 (2001) 415.7 Y. Wang, D. Wei, H. Yang, Y. Yang, W. Xing, Y. 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