一种基于壳聚糖/碳量子点纳米复合薄膜的无金属基底用于增强四硫双乙烯砜检测中的拉曼散射

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A metal-free substrate for enhancing Raman scattering in thiram detection using a chitosan/carbon quantum dots nanocomposite film

　　

摘要
农业中已知的一种二硫代氨基甲酸盐杀菌剂是多菌灵（TH），其使用范围广泛，但其毒性引起了关于残留物刺激呼吸道、皮肤和消化系统的担忧，并会导致肾脏和肝脏的长期损伤。TH 常在加工和运输过程中残留在食品和包装材料中，受温度和不当储存条件的影响。在食品和农业环境中实施准确的痕量级 TH 检测对于保障公共健康和保护环境安全至关重要。表面增强拉曼散射（SERS）技术用于定量残留 TH，这是一种无损且高灵敏度的分析方法。然而，这种 SERS 需要具有均匀、稳定结构且带有金属纳米颗粒纳米图案的特定基底，导致工艺复杂且成本高昂。本研究使用壳聚糖（CS）膜作为 SERS 基底，因为壳聚糖是一种生物相容性多糖，具有生物降解性，并广泛应用于生物医学、食品包装和传感器领域。用碳量子点（CQDs）修饰 CS 形成纳米复合结构，提供了可调的光致发光、良好的生物相容性和简便的表面官能化。通过将 CQDs（10–40 vol%）分散在 CS/CQDs 纳米复合膜中来制备 CS 基质膜，作为 SERS 基底使用。这些膜在不添加金属纳米颗粒的情况下，在化学拉曼增强模式（CERS）下进行了检查，实现了在不同浓度（20–1000 μM）下的 TH 检测，检测限为 0.884 μM。对这些 CS/CQDs 膜进行了表征和分析，通过 CERS 机制实现 TH 追踪，适用于可持续包装、智能涂层和生物医学设备。

引言
多菌灵（TH）化合物 [1] 是一种广泛用于农业中保护作物免受真菌侵害的广谱二硫代氨基甲酸盐杀菌剂。TH 的大量使用因其毒性和过量摄入或接触引发了对其环境影响和积累的担忧。TH 残留物会对呼吸道、皮肤和消化系统造成严重刺激，以及导致肾脏和肝脏的长期损伤 [1], [2]。在食品和农业环境中实施 TH 的痕量级检测方法对于保护公共健康和环境至关重要。TH 残留的定量通常依赖于复杂的分析技术，如高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱 - 质谱联用法（GC–MS）和酶联免疫吸附测定（ELISA）。这些技术是昂贵的仪器方法，需要耗时的分析，并且在重现性检查方面存在重大局限性。现代农业加工设施需要快速的现场筛查测量 [2]。

为了克服上述局限，表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的、无损且高灵敏度的分析替代方案应运而生 [3], [4]。SERS 可用于定量 TH 残留，展示了一种无损且高灵敏度的分析方法 [3]。SERS 效应可以从相对于基底的靶标分子拉曼信号的角度来理解，该信号通过在基底表面产生等离子体共振而被放大，这是由激光激发的电磁场引起的。这归因于电磁（EM）机制中的 SERS 现象，该机制需要金属纳米颗粒（Au, Ag）来诱导等离子体共振信号以实现拉曼增强散射，或局域表面等离子体共振（LSPR）[5]。在另一种机制中，通过基底到靶标分子的短程（1–10 nm）电荷转移，在非金属材料基底上增强了拉曼信号。这种电荷转移机制涉及化学吸附的分析物分子贡献给化学增强模式（CM）。这种机制在激光激发下观察到，并归因于化学增强拉曼散射（CERS）[6], [7]。基于这两种 SERS 机制，使用金属纳米颗粒表现出更高的灵敏度、稳定性和重现性，但它们的安全性对于在食品和包装行业的使用仍然是一个担忧 [8]。

为了追踪食物或包装材料中的 TH 污染，SERS 技术是一种有前景的方法，解决了 TH 检测的局限。尽管 SERS 技术是追踪 TH 的合理且强大的方法，但 SERS 基底需要均匀、稳定的结构以及制备纳米图案化的金属纳米颗粒（Au, Ag）以增强测量灵敏度。这些 SERS 过程涉及复杂、高毒性且昂贵的基底制备，使其不适合用于食品和包装应用。因此，当前农药监测研究领域非常注重设计新型、灵活且高度可重现的 SERS 基底，用于上述应用，例如纳米纤维素或等离激元纸质平台，以实现实时监控 [9]。为了解决这些局限，已经研究并设计了多种材料以集成为 SERS 基底。壳聚糖（CS）是 SERS 基底材料的候选者，因为其生物降解性和生物相容性，支持生物医学、食品包装和传感应用。CS 是一种源自壳质的可再生多糖，具有生物降解性、成膜能力和固有的抗菌活性，使其成为功能复合材料的通用基质。然而，其有限的机械强度、相对较差的溶解性和中等的热稳定性通常限制了其在要求更高的 SERS 应用中的适用性。由于 CS 的局限性，纳入壳聚糖纳米结构添加剂中的碳量子点（CQDs）已成为一种有效的方法，CQDs 是一个有吸引力的选择。CQDs 是尺寸小于 10 nm 的碳纳米颗粒，具有尺寸依赖的光学特性、优异的水分散性和丰富的表面化学，表现出优异的生物相容性和简便的表面官能化 [10], [11], [12]。CQDs 的表面官能团包括羟基、氨基和羧基，它们与 CS 链形成氢键，改变分子间相互作用并增加富碳特性。这些 CQDs 特性被应用于光电、生物成像、光催化和 SERS 传感。这两种材料都整合到聚合物基质中，如壳聚糖，以协同增强 SERS 应用中的结构和功能性能，而不纳入任何金属纳米颗粒。[13]。

在近期的研究中，使用纸质传感器制备 SERS 基底，用于 EM 模式下水污染物的 SERS 检测。通过将胶体 AgNPs 喷墨打印到经过 CS 预处理的纸上，制备了疏水纸质 SERS 基底。使用 100 μM 结晶紫（CV）评估了纸质基底的 SERS 性能，揭示了 CS 涂覆后 SERS 强度增加了 9 倍。涂覆基底性能的提升归因于 AgNPs 在纸表面的沉积更加均匀，这归功于涂覆纸的疏水特性、低孔隙率和粗糙度 [1]。然而，这些纸质 SERS 基底表现出有限的重现性和均匀性。对于纳米复合格式的 SERS 基底，将 AgNPs 与 CS 集成形成 AgNPs@CS 纳米复合材料，将其涂覆到纤维素纸上以形成壳聚糖组装，表现出多孔性、大表面积和生物降解性。AgNPs@CS 表现出纳米多孔结构，纳米复合层内附着有 AgNPs，在 EM 模式测量中显示出对 4-氨基硫酚（4-ATP）5.13 ppb 的检测限，并提供了进一步生物传感方法的策略。尽管 AgNPs@CS 纳米复合材料已被报道为新型 SERS 基底，但低热点密度和润湿性丧失仍然是其使用中的限制因素 [2]。另一种 SERS 基底是使用 CS 材料制备的，报道了一种可持续的生物复合材料，具有定制的吸附和传感功能，用于水处理和环境监测。CS 被设计为基质并与 AgNPs 分散，纳入 SERS 基底。CS 被巯基和羧酸官能团修饰，产生了 Ag@CS-SAMSA 基底用于检测 EM 模式下的亚甲基蓝（MB）。该基底表现出高 SERS 灵敏度、可重用性、重现性和储存稳定性，阐明了生物复合传感器在 1–100 μM 范围内的 MB 检测限 [3]。正如以前研究中指出的那样，目前没有专门的研究使用基于 CERS 的非金属材料制备 SERS 基底以支持未来食品和包装应用的 TH 追踪。不幸的是，金属纳米颗粒的残留对于健康和环境监测是一个担忧。

在本工作中，使用 CS/CQDs 纳米复合膜制备了拉曼增强基底，CQDs 的添加量为优化的 10–40 vol%。设计 CS/CQDs 膜旨在展示不使用金属纳米颗粒添加剂的化学拉曼增强，以解决上述局限，支持其用于生物基食品安全传感器。这些基底通过溶液浇铸和超声处理制备，然后检查其形态、化学键合、润湿性、溶解性、机械性能和热降解。设计了 CS/CQDs 膜的性能，作为 CERS 中材料基底的指南，用于可持续包装和生物传感器应用。

章节片段
材料和化学品
柠檬酸一水合物（99.5%）、丙酮（99.5%）和乙醇（99%）由 ACI Labscan Ltd.（泰国曼谷）提供。去离子水（DI）和氩气（99.99%）分别由 Union Science Co., Ltd. 和 Lanna Industrial Gases Co., Ltd.（泰国清迈）提供。罗丹明 6G（R6G）和 TH 化合物购自 Sigma-Aldrich（德国达姆施塔特）。

CQDs 制备
胶体形式的 CQDs 是通过等离子体射流辅助反应技术制备的，利用 9.6 kV (10.8 W) 的 Ar 等离子体

CQDs 性质
使用等离子体射流技术在溶液中合成了 CQDs [10]。获得的 CQDs 通过 TEM 在×600,000 倍放大下进行了表征（图 1 (a)）。通过 TEM 成像确认了 CQDs 的球形形态，尺寸分布分析显示 26 个颗粒的范围约为 2 到 8 nm，平均粒径为 4.50 ± 1.04 nm，如图 1 (b) 所示。通过在不同激发波长下的发射光谱检查了 CQDs 的光致发光（PL）性质。The

结论
本工作成功研究了 TH 的拉曼增强指纹，并开发了一种方法，通过来自化学拉曼增强的声子振动模式，使用 CS/CQDs 膜基底优化拉曼增强信号。CS/CQDs 膜中纳入的振动模式对应于 CS/CQDs 表面的 C-OH 和 TH 分子，在不添加任何金属纳米颗粒的情况下。TH 分子被捕获在 CS/CQDs 膜格式的表面缺陷位点，从而

CRediT 作者贡献声明
Rangsan Panyathip; 撰写—原稿、方法论、数据管理、调查、可视化、形式分析、软件、概念化。
Thidarat Kanthiya; 方法论、数据管理、调查。
Jirasak Sukunta; 撰写—审阅与编辑、形式分析、验证。
Juthamas Tantala; 撰写—审阅与编辑、形式分析。
Sarinthip Thanakkasaranee; 撰写—审阅与编辑、形式分析。
Kittisak Jantanasakulwong; 撰写—审阅与编辑、形式分析。
Pornchai

资助
本研究工作部分由清迈大学“清迈大学主动研究者 [资助号 (907)/2566]"支持。本研究部分由泰国研究基金 (TRF) 研究团队促进奖 (RTA)、高级研究学者 (N42A671052) 支持。

未引用参考文献
[30]

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本报告中工作。

致谢
本研究工作部分由清迈大学支持。

Rangsan Panyathip|Thidarat Kanthiya|Jirasak Sukunta|Juthamas Tantala|Sarinthip Thanakkasaranee|Kittisak Jantanasakulwong|Pornchai Rachtanapun
泰国 Pathum Thani 12110，兰实大学科技学院物理学部