通过界面限制生长方法制备的PDA@ag纳米碗SERS基底，具有三维连续热点网络结构，用于检测农药残留

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：PDA@ag Nanobowl SERS substrates with 3D continuous hot spots networks via an Interface-confined growth method for detection of pesticide residues

基于聚多巴胺（PDA）纳米碗的配体调控与界面限制策略，实现了银纳米粒子（Ag NPs）的可控制备与三维连续热点网络构建，优化前驱体浓度为50 mM时，Ag NPs阵列具有均匀分布、可控尺寸和间隔，显著提升SERS检测甲基对硫磷（55 ng/mL）和硫代氨基甲酸酯（0.209 ng/mL）的灵敏度和线性。

　　

贺玉轩|魏家毅|蔡明|夏俊鹏|宋伯恒|程金鑫|沙宣宇

中国人民警察大学，廊坊 065000，中国

摘要

表面增强拉曼散射（SERS）的性能取决于既丰富又空间均匀的等离子体热点。在这里，我们提出了一种配体调控的、界面限定的生长策略：在碗状介孔多巴胺（PDA）支架上，氨银前体 [Ag(NH₃)₂]⁺ 首先与 PDA 上的儿茶酚和胺基位点形成表面配位层，降低了游离 Ag⁺ 的活性，并在界面富集了 Ag(I)，从而将成核从体相均匀转变为界面限定。随后的受限生长抑制了聚集/桥接和过度粗化，产生了尺寸可控、颗粒间间隙可调且空间均匀性高的 Ag 纳米粒子阵列，并在碗的内外界面都实现了密集但离散的覆盖。碗的凹曲率和双界面连通性提供了连续的耦合路径和丰富的吸附位点，建立了三维连续的热点网络。多技术表征和光谱分析（SEM、EDS 映射、UV–Vis、XPS）阐明了结构-光学-性能之间的关系，揭示了从稀疏到密集的最佳状态以及由聚集引起的退化状态，并确定前体浓度为 50 mM 是最佳窗口。所得基底对 R6G 的检测具有良好的重现性（RSD ≈ 10.99%），并且能够为农药分析提供清晰的分子指纹和线性定量，甲基对硫磷的检测限为 55 ng/mL^?1，噻虫啉的检测限为 0.209 ng/mL^?1

引言

农药残留监测需要灵敏、快速且实用的分析方法[1]。表面增强拉曼散射（SERS）是一个有前景的选择，因为它提供了无标记的分子指纹识别、快速的信号获取以及与便携式仪器的良好兼容性[2]。然而，可靠的 SERS 检测强烈依赖于 SERS 基底的质量[3,4]。理想的基底应能产生丰富且可重复的热点，同时制造过程简单且可扩展[5,6]。

在这项工作中，我们选择了甲基对硫磷（MP）和噻虫啉作为代表性农药，因为它们被广泛使用且具有潜在的危害性。MP 是一种高毒性的有机磷化合物，与胆碱能神经毒性相关，而噻虫啉是一种广泛使用的二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂，其持久性和暴露性引起了关注[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]。传统的色谱方法（HPLC、GC–MS 和 LC-MS）可以提供可靠的定量结果，但它们通常需要昂贵的仪器和耗时的程序。这些限制了通量和现场应用能力。作为初步且可控的评估，我们首先研究了水溶液中 MP 和噻虫啉的检测，这也为后续在更复杂基质中的研究奠定了基础。

表面增强拉曼散射（SERS）已被证明可用于便携式和超灵敏的检测以及一系列农药的可靠指纹识别[15,16]。SERS 的灵敏度通常归因于电磁（EM）和化学（CM）机制的结合。EM 增强由局部表面等离子体共振（LSPR）驱动，在激发和拉曼频率下放大局部电磁场，理论增强因子为 10⁶–10⁸[2,17]。CM 增强来自分析物与金属表面之间的电荷转移，从而增加了拉曼散射截面[18]。这两种效应共同作用，在理想的热点条件下可以实现接近单分子的检测[19]。

为了充分利用这些增强机制并可靠地量化 SERS 的性能（例如，增强因子、灵敏度和重现性），合理设计 SERS 基底和标准化的 SERS 测量协议至关重要。例如，Shimada 等人建议先制备基底，然后吸附分析物（染料），并彻底冲洗/清洗以去除多余的分子，这有助于最小化干燥引起的伪影并提高测量的可靠性[20]。在这种背景下，纳米结构基底（NSs）——旨在创建丰富的等离子体纳米间隙和大的可访问表面积——被广泛认为是实现高灵敏度和可重复 SERS 性能的基石。与二维金属纳米薄膜相比，三维（3D）结构，如碗状、介孔和空心/纳米腔结构，在孔内和曲面界面上产生高密度的耦合热点，从而聚焦局部电磁场并实现级联放大。它们的高比表面积也有助于分析物的富集，提高了灵敏度和重现性[21], [22], [23]。然而，许多报道的 3D 基底依赖于模板化和多步骤沉积，这使得在不牺牲热点密度和均匀性的情况下难以实现低成本、温和且可扩展的制造[24], [25], [26]。多巴胺（PDA）提供了一种实用的途径来制备三维等离子体结构：其儿茶酚和胺基团可以螯合和固定金属离子，实现可控的成核、可调的粒子大小和颗粒间间隙以及均匀的沉积[27,28]。简单的合成方法可以生成紧凑的纳米球、纳米碗和空心球/胶囊[29], [30], [31], [32], [33]。这些 PDA 纳米结构（PDA NSs）特别适用于 SERS，因为它们富含儿茶酚/胺基的表面能够实现强金属离子配位/吸附，并促进等离子体纳米粒子的原位成核和生长，而其可调的空心/多孔几何形状可以增加分析物的可访问性并促进热点的形成[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]。迄今为止报道的代表性基于 PDA 的 SERS 平台主要包括：(i) 作为粘合涂层或中间层来固定等离子体金属；(ii) 作为纳米结构支架来控制 Ag/Au 纳米粒子的生长；(iii) 作为多孔/空心框架来富集分析物并增加热点密度[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]。尽管取得了这些进展，但在温和且可扩展的条件下，在碗状 PDA 上构建连续的 3D 热点网络（尤其是在内外双界面之间）的结构-光学相关性及可控性仍缺乏足够的基准研究，需要进一步澄清。

此外，许多基于 PDA 的 SERS 基底仍然通过常用的方法进行金属化，即利用多巴胺（PDA）的固有氧化还原活性直接原位还原 Au/Ag 前体并在表面生成等离子体纳米粒子。尽管先前的研究表明，装饰有等离子体纳米粒子的 PDA 可以很好地用于 SERS 检测，但在这种 PDA 驱动的系统中，金属的生长通常受 PDA 的固有氧化还原动力学的控制，因此通常需要相对较长的反应或孵育时间。例如，在某些系统中，通过儿茶酚基团原位还原金属离子可能需要大约 4–24 小时才能达到足够的金属沉积。此外，在柔性基底上涂覆 PDA 后，Ag 纳米粒子的原位生长通常也需要大约 12 小时。在这些“直接还原”方法中，前体吸附/富集和随后的成核-生长通常是一个连续的过程。在这些条件下，如果需要逐步调节“前体富集”和“金属还原/生长”，通常需要额外的策略和参数窗口。这对于复杂的三维支架尤其如此，因为需要精确控制纳米粒子的大小、表面覆盖率和纳米间隙（热点）的分布，以实现可设计和可重复的热点网络。因此，需要进一步系统地研究一种更直接和实用的方法来分离“前体富集”和“金属还原”，以便快速调节复杂 3D PDA 结构上的表面覆盖率和热点连通性。

最近，Li 等人报道了一种具有优异均匀性和强 SERS 增强的介孔碗状 PDA@Au 基底[34]。相比之下，关于用银纳米粒子（Ag NPs）装饰介孔碗状 PDA 并实现可控构建的研究仍然相对较少。我们认为，具有三维曲面、可访问的介孔和内外双界面的介孔碗状 PDA 可以作为探索更直接和实用策略的理想支架。在这种策略中，“前体富集”与“金属还原”是分开的。这种分离使得可以快速调节复杂 3D PDA 结构上的金属表面覆盖率和热点连通性。它还有助于构建连续的热点网络并澄清结构-光学-性能之间的关系。

在这项工作中，我们提出了一种两步 Ag 装载策略，为用等离子体金属纳米粒子装饰介孔碗状 PDA 提供了一条补充途径。我们使用 3D 碗状多巴胺（PDA）支架来实现可扩展的、温和的处理和对银纳米粒子（Ag NPs）的大小和分布的精确控制。介孔碗状 PDA 是通过乳液诱导的界面各向异性组装制备的[29]。首先将二胺银(I) 复合物 [Ag(NH₃)⁺ 吸附在 PDA 上的儿茶酚/胺基位点上，然后用抗坏血酸（AA）在原位温和还原以形成 Ag NPs。值得注意的是，Ag 沉积步骤可以在大约 50 分钟内完成（20 分钟吸附后进行 30 分钟还原）。通过调整氨银前体的浓度，可以精细调节 Ag-NP 的大小和表面覆盖率，共同优化热点密度和基底均匀性。碗状 PDA 的内外双界面在单个基底上创建了高密度的热点网络，而不对称的凹形形态提供了高比表面积和丰富的吸附位点，协同增强了电磁场的局部化和分子富集。采用这种策略，PDA@Ag 在 SERS 检测甲基对硫磷和噻虫啉时表现出高灵敏度和良好的线性。该方法突出了可扩展、可控的 3D SERS 基底设计的潜力。它还为在温和条件下控制 Ag NPs 在碗状多巴胺上的生长提供了一条新途径。

材料与试剂

盐酸多巴胺从 Sigma-Aldrich（美国）购买。1,3,5-三甲基苯（TMB）、Pluronic F127（F127；M_w 10,000–12,000 g mol^{?1₃·H₂O，25% wt%）、乙醇（分析级，AR）和甲醇（HPLC 级）从 Aladdin（中国）获得。硝酸银（AgNO₃，99.8%）和抗坏血酸（AA；分析试剂，AR）从上海化学试剂公司（SCRC，中国）购买。罗丹明 6G（R6G，AR）从 Macklin（中国）获得。噻虫啉标准品}

碗状 PDA@Ag SERS 活性基底的制备与表征

如图 1 所示，通过乳液诱导的界面各向异性组装制备了介孔碗状 PDA 支架。在 TMB/水系统中，F127 稳定的油水界面引导 PDA 的岛屿状成核，随后沿界面进行各向异性生长。温和的后处理得到了稳定的介孔纳米碗。碗状粒子具有内外双界面和丰富的胺基位点。这些特性增强了金属前体的螯合

结论

在这项工作中，我们开发了一种三维的碗状 PDA@Ag SERS 基底，并明确了结构、光学响应和性能之间的明确联系。乳液诱导的界面各向异性组装产生了具有内外双界面和丰富胺基位点的 PDA 纳米碗。这些特性使得在 50 mM Ag(I) 的浓度下实现了均匀的 Ag NP 沉积和更强的近场耦合。SEM、UV–Vis、EDS 和 XPS 共同证实了稳定的形态和均匀的元素分布

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了中央高校基本研究基金（警察大学博士科学研究创新计划，BSKYZX202430）的支持。我们衷心感谢北京工业大学的 Zhu Xiaohong 博士对本手稿的宝贵讨论和彻底校对。