一种利用尼罗红辅助的比色法和表面增强拉曼散射（SERS）双模式技术，用于快速且高灵敏度地检测纳米塑料

《Analytica Chimica Acta》：A Nile Red-Assisted Colorimetric and SERS Dual-Mode Strategy for the Rapid and Highly Sensitive Detection of Nanoplastics

　　

杨照彦|裴贵杰|张金林|陈冰|青叶明|杨阔|朱丹|李炳翔|王珠媛

南京邮电大学电子光学工程学院与柔性电子学院（未来技术），中国南京210023

摘要

背景

纳米塑料逐渐被公认为一种重要的全球污染物，对人类健康构成严重威胁。由于其微小的颗粒尺寸和低环境浓度，目前检测纳米塑料依赖于复杂的实验室仪器。比色法是一种快速、用户友好的策略，因为测试结果可以直接用肉眼识别。然而，这种技术的检测灵敏度通常不够理想。表面增强拉曼散射（SERS）技术可以在不直接接触的情况下对水溶液中的样品进行高灵敏度分析。尽管如此，高性能SERS基底的制备过程复杂，极大地限制了其在纳米塑料检测中的实际应用。

结果

本文提出了一种新型的比色/SERS双模式传感策略，通过尼罗红（Nile Red）标记实现纳米塑料（≥ 100 nm）的快速和灵敏检测。用尼罗红标记的纳米塑料（称为NPs@NR）在肉眼可见的情况下显示出明显的颜色变化，并且在便携式拉曼光谱仪下也有明显的SERS信号。此外，NPs@NR的SERS信号是通过将银纳米颗粒薄膜（ANF）一步转移到亲水性聚偏二氟乙烯（PVDF）条带上制备的简单SERS基底上获得的，其RSD为9.93%。比色法能够对浓度为10 μg/mL及以上的NPs@NR进行定性识别和定量检测。更重要的是，所提出的比色/SERS双模式策略在检测实际环境样品中的纳米塑料方面表现出优异的可行性。

意义

结合了比色分析的简便检测优势和SERS的高灵敏度痕量检测优势，所提出的双模式方法展示了在水环境中现场监测纳米塑料的潜力。

引言

塑料材料的广泛使用导致各种生态系统受到塑料污染物的普遍污染，尤其是水生环境受到了严重影响1, 2。在塑料污染的各种分类中，纳米塑料——定义为尺寸在1到1000纳米之间的颗粒——由于其极小的尺寸而备受关注3, 4。这一特性显著增强了纳米塑料吸附有毒物质和穿透生物屏障的能力，从而增加了其毒理学潜力5, 6。因此，纳米塑料直接影响水生生物的健康，并通过食物链对人类健康构成重大风险7, 8, 9。因此，迫切需要开发先进的方法来检测水环境中的纳米塑料浓度，以减轻对人类健康的潜在风险。

目前，已经使用多种技术检测纳米塑料^[10]，包括质谱法（MS）^[11]、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱^{10, 12}和拉曼光谱^[13]。质谱法被认为是一种破坏性技术，会从根本上改变原始样品^[14]。FT-IR光谱受到水分子的影响，这限制了其在水环境中检测纳米塑料的适用性^[15]。相比之下，拉曼光谱提供了一种非破坏性的方法，可以在不直接接触的情况下分析水溶液中的样品^{16, 17}。尽管有这一优势，拉曼光谱的相对较低灵敏度限制了其在纳米塑料痕量检测中的应用。此外，这些技术通常需要大量的劳动力、先进的实验室仪器以及受过高度培训的人员操作，并且运营成本较高^[18]。因此，开发一种高灵敏度且简单的检测水环境中纳米塑料的方法仍然是一个重大挑战。

比色检测技术提供了一种快速且简单的方法，因为结果可以直接用肉眼识别，无需专门的仪器^{19, 20}。然而，这种方法的检测灵敏度往往不足。相反，表面增强拉曼散射（SERS）被认为是一种超灵敏的分析技术，可以通过使用金属纳米结构界面来放大拉曼信号^{21, 22, 23}。迄今为止，已经使用贵金属纳米结构（包括Klarite^[24]、AAO/MoS₂/Ag^[25]、AgNPs@TiO₂^[26]和GO/MWCNT-AgNS^[27]通过SERS检测纳米塑料。然而，由于各种纳米塑料的信号本身较弱，制备实现超低检测限的SERS基底通常涉及复杂且劳动密集的程序。Chaisrikhwun等人介绍了一种通过将金颗粒溅射到玻璃盖片上来制备的简单SERS基底，该方法在将纳米塑料溶解于甲苯后，能够以大约0.10至0.26 μg/mL的检测限（LOD）成功定量纳米塑料^[28]。然而，鉴于纳米塑料的尺寸依赖性生物毒性，保持分析过程中纳米塑料颗粒大小的完整性至关重要。因此，迫切需要整合比色和SERS技术的互补优势。

尼罗红是一种广泛用于塑料颗粒染色和荧光识别的疏水性染料。Bianco等人开发了一种快速检测技术，结合尼罗红染色和流式细胞术来定量尺寸在0.6到15 μm之间的塑料颗粒^[29]。然而，使用尼罗红染色识别小于0.6 μm的纳米塑料仍然存在相当大的挑战。此外，尼罗红具有强烈的拉曼散射特性^[30]。然而，尼罗红作为拉曼报告剂用于检测纳米塑料的潜在应用尚未得到探索。在这项研究中，通过用尼罗红染料标记纳米塑料，开发了一种结合比色和SERS技术的双模式方法，以实现纳米塑料的快速和高灵敏度检测。这种基于尼罗红标记纳米塑料（称为NPs@NR）的双模式策略具有两个主要优势：（1）引入尼罗红后，可以通过视觉识别溶液中纳米塑料的存在；（2）通过检测纳米塑料表面的拉曼活性尼罗红标签来实现纳米塑料的高灵敏度定量。使用这种方法，浓度大于10 μg/mL的纳米塑料可以通过视觉检查有效检测，并通过测量样品图像的平均灰度值进行定量。此外，通过将银纳米颗粒薄膜（ANF）转移到亲水性聚偏二氟乙烯（PVDF）条带上，仅用三分钟就制备出了简单的SERS基底，能够检测到微量纳米塑料。值得注意的是，这种双模式策略在含有已知浓度的自来水和河水样品中有效检测到了纳米塑料，显示出很高的回收率，从而突显了其在现场环境监测中的潜在应用性。

章节片段

材料与方法

硝酸银（AgNO₃）从Alfa-Aesar购买。三钠柠檬酸二水合物、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、氯化钙（CaCl₂）、二氯甲烷和正己烷从Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.获得。腐殖酸和葡萄糖从上海Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.购买。硅藻从淘宝上的Juyuqing企业商店获得。氢氧化铵（NH₃•H₂O，25～28 wt%）、抗坏血酸（AA）和四丁基铵硝酸盐也从中获得

比色/SERS双模式策略的工作原理

比色/SERS策略依赖于尼罗红引入纳米塑料表面后颜色和SERS特性的可观察变化，如图1所示。在水介质中，尼罗红通过疏水相互作用选择性地富集并集中在纳米塑料的疏水表面上，形成纳米塑料@尼罗红复合物（称为NPs@NR）。随后通过离心去除未结合的尼罗红，从而实现

结论

我们提出了一种结合比色和SERS技术的双模式检测策略，通过一步用尼罗红标记纳米塑料表面，实现纳米塑料（≥ 100 nm）的快速和高灵敏度识别。尼罗红在纳米塑料表面发挥双重作用。首先，它作为一种着色剂，通过明显的比色变化指示溶液中纳米塑料的存在。此外，尼罗红还作为拉曼报告剂，有助于

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

CRediT作者贡献声明

朱丹：资源获取、资金筹集。杨阔：资源获取、资金筹集。青叶明：资源。陈冰：资源。王珠媛：写作——审稿与编辑、监督、资金筹集。李炳翔：项目管理。张金林：资源。裴贵杰：资源、调查。杨照彦：写作——初稿、资金筹集、正式分析、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：62175030、62205149和62305054）、江苏省高等学校自然科学基金（25KJD140005）、南京邮电大学人才引进自然科学研究启动基金（资助编号：NY222122）以及南京邮电大学自然科学基金（资助编号：NY224134）的支持。