基于Ag-MOF的高性能SERS（表面增强拉曼散射）基底制备，用于等离子体中百草枯的快速检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Preparation of Ag-MOF based high-performance SERS substrate for the rapid detection of paraquat in plasma

表面增强拉曼光谱（SERS）结合Ag-MOF材料用于快速检测血浆中草甘膦（PQ），检测限低至1.28 μg/L，具有高选择性和稳定性，为临床中毒诊断提供新方法。

　　

钱龙|Juan Wu|邵俊玲|罗源|李旭林|马月|匡奕轩|贾凌普|李慧明|戴新华|廖文龙|刘坤平

四川省抗生素研究与再评价重点实验室，成都大学，中国成都610106

摘要

百草枯（PQ）是一种已被证实对人体有害的除草剂，存在重大风险。在临床实践中快速准确地检测PQ有助于正确诊断并及时治疗PQ中毒患者。本研究旨在利用表面增强拉曼光谱（SERS）技术快速准确地检测人体血浆中的PQ。通过柠檬酸钠还原法制备了改性的金属有机框架（Ag-MOF）纳米颗粒作为SERS基底。选择八面体结构的NH₂-MIL-88B(Fe)作为MOF基质，因其多孔结构和优异的吸附能力，使吸附的PQ更接近Ag局部表面等离子体共振（LSPR）产生的“热点”。结果表明，Ag-MOF具有优异的PQ检测性能，水溶液和人体血浆样本的检测限（LOD）分别为3.36×10^?9 M（0.86 μg/L）和4.98×10^?9 M（1.28 μg/L）。此外，制备的Ag-MOF SERS基底具有良好的选择性、重现性和稳定性，为检测人体血浆中的PQ提供了一种简单、快速且灵敏的方法。该方法有望应用于临床PQ检测。

引言

百草枯（1,1′-二甲基-4-4′-联吡啶二氯化物，PQ）是一种季铵类除草剂，用于控制杂草和提高作物产量，曾在全球广泛使用[1]。如今，由于其对人类的高毒性，主要导致急性肾功能不全、严重肺纤维化等致命后果，包括中国在内的30多个国家已禁止使用PQ[2]、[3]、[4]、[5]。然而，在未限制/禁止使用PQ的许多国家和地区，PQ中毒问题日益严重，死亡率非常高，主要是由于自杀、意外或职业暴露[6]、[7]。为解决PQ禁用前的遗留问题并改善PQ中毒的治疗，快速检测中毒患者血浆中的PQ浓度是及时诊断和抢救的关键。

目前用于检测血浆样本中PQ的经典方法主要包括高效液相色谱（HPLC）[8]、气相色谱-质谱（GC–MS）[9]、高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）[10]和超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）[11]等。尽管这些方法非常可靠，但通常需要较长的样品预处理和分析时间，且需要专业人员才能实现快速检测[12]、[13]、[14]。因此，迫切需要开发一种简单快速的检测人体血浆中PQ的方法。

SERS因其高灵敏度、便携性和快速响应时间而成为一种优秀的解决方案[15]、[16]、[17]。SERS是一种基于拉曼光谱的新颖光谱技术，结合了分子指纹特异性和潜在的单分子灵敏度，常用于化学和生化分析领域中许多痕量分子的检测[18]。值得注意的是，SERS信号的增强在很大程度上依赖于高性能的SERS基底。近年来，高性能SERS基底的制备成为研究热点。高性能SERS基底主要具有三个关键特性：高灵敏度、优异的均匀性（重复性）和增强SERS信号的长期稳定性[19]。其中，贵金属纳米颗粒（Au NPs）和银纳米颗粒（Ag NPs）是最常用的SERS基底[20]，每种基底都有其优势和局限性。为了获得高性能SERS基底，通常将金属有机框架（MOFs）引入Au NPs和Ag NPs中[21]、[22]、[23]。这种策略不仅提高了基底的稳定性，还增强了SERS基底与目标分析物之间的亲和力，从而增强了SERS信号强度。

MOFs（也称为多孔配位聚合物PCPs）是一类由金属离子/簇和有机连接剂通过强配位键组装而成的多孔晶体材料[24]。由于其相对简单的制备过程、可调的结构、可控的功能性和易于功能化，它们被广泛应用于催化、传感和生物医学等领域[25]、[26]、[27]。根据研究团队或开发机构的不同，MOFs可以分为拉瓦锡研究所系列材料（MIL）[28]、奥斯陆大学系列材料（UiO）[29]等。根据不同的拓扑结构和金属节点，MIL可以进一步细分为NH₂-MIL-88B(Fe)、NH₂-MIL-101(Fe)、NH₂-MIL-101(Al)等，每种基底具有不同的特性和应用领域[30]、[31]、[32]。MOFs因其高比表面积、可调的孔结构和优异的光电性能，在PQ的电化学和荧光传感中得到了广泛应用[33]、[34]、[35]。然而，它们在SERS检测PQ中的应用仍面临挑战。尽管MOFs的大表面积有利于分子吸附和富集，但其孔结构并不总是针对特定分子（如PQ）进行优化设计。MOFs的孔径或表面化学性质与PQ分子之间的不匹配可能导致富集效率低和选择性差。此外，MOFs中的有机配体可能产生强烈的背景拉曼信号，干扰目标分析物的检测。

基于PQ与Fe基MOFs之间的金属-氮配位关系[36]，本研究通过用Ag NPs修饰NH₂-MIL-88B(Fe)（称为Ag-MOF）制备了一种高性能SERS基底。优化的Ag-MOF复合材料对PQ表现出优异的亲和力和SERS增强效果，同时产生的背景信号极低，不会干扰PQ的检测。具体来说，NH₂-MIL-88B(Fe)通过微波辅助法合成，随后通过柠檬酸钠还原法制备了Ag-MOF。该复合材料在水溶液中检测PQ时表现出出色的性能。此外，加入碘化钾（KI）后，该系统能够快速、高灵敏度地检测复杂人体血浆样本中的PQ，为复杂生物介质中的有毒物质监测提供了一种有前景的方法。

仪器

超纯水由Milli-Q净水系统（Direct-Q 5UV，Bioscience技术，中国成都）提供。NH₂-MIL-88B(Fe)的制备使用多流式微波消化/提取系统（MDS-6G，上海新仪，中国上海）完成。Ag-MOF的制备则使用了集热恒温磁力搅拌器（DF-101S，上海益新，中国上海）和循环冷却器（DL-400，郑州长城科学工业）。

NH₂-MIL-88B(Fe)和Ag-MOF的表征

NH₂-MIL-88B(Fe)通过微波辅助法制备。如图1A-B所示，NH₂-MIL-88B(Fe)呈现出规则的八面体形态，平均长度为200–300 nm。为了进一步确认NH₂-MIL-88B(Fe)的成功制备，通过X射线衍射研究了其晶体结构。来自剑桥晶体数据中心（CCDC）的NH₂-MIL-88B(Fe)的模拟X射线衍射峰分别位于7.3°、8.8°、10.0°、12.4°、14.7°。

结论

总之，基于NH₂-MIL-88B(Fe)的成功制备，本研究采用柠檬酸钠还原法制备了用于检测复杂人体血浆样本中PQ的Ag-MOF SERS基底。在检测过程中，加入KI实现了无需预处理即可快速直接检测PQ，检测限低至4.98×10^?9 M（1.28 μg/L），表现出优异的灵敏度。该方法用于检测实际中毒样本，获得了

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了第二次青藏高原科学考察与研究计划（STEP）（编号：2019QZKK0201）和四川省科技计划（编号：2022YFQ0050）的财政支持。