CN102183503A - 超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法及用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法及用途，本发明首先将银纳米颗粒沉积到DNA的表面，然后再利用银作为成核位点将金组装到银上。随后，再次利用太阳光将小的金颗粒沉积到银－DNA的纳米结构上。这种银核金壳或银－金合金纳米DNA网络结构是良好的表面增强拉曼散射(SERS)活性基底，对TNT检测效果突出。最低检测限可达到目前最低检水平，增强因子可达10¹¹-10¹²数量级。该发明为TNT等爆炸物的检测提供一个快速、准确的检测方法。

Description

超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法及用途

 

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，设计到纳米材料的合成以及检测应用，特别涉及一种用于检测TNT的超灵敏核壳或合金纳米材料SERS基底的制备方法。

背景技术

爆炸品危害社会稳定、国家安全，据联合国估计，现在全球60个国家的土地上埋设了1亿多颗地雷，对平民形成了较大的威胁并严重污染了当地环境。在机场、码头、车站等地检查爆炸性物品是一件任务繁重、代价高昂的工作，由于地点的特殊性，这些地方通常具有人员较多、人群流动较快、背景复杂、随身物品较多等特点，因此对违禁品的探测成为这些地点的工作重点之一。而恐怖活动的不断加剧又迫使个人、组织和政府必须更好地增强安全性。2001年美国的911事件、早期和80年代中期发生的空难(美国泛美航空、环球航空公司、印度航空、法国联合航空运输公司等)使人们迫切要求更高标准的航空安全，国际民航组织为此也发出要改善世界空中交通的综合条约的声明，呼吁要全面地检查所有携带的行李是否有爆炸物存在，这是改善全世界航空安全的基础，同时对爆炸物探测器的研究工作也提出了更高的要求。国际上常见爆炸物按品种可以分为以下几种：

1、二硝苯(NDB)，二战前使用较多，产量仅次于三硝基甲苯，二战后各国基本停止使用。

2、三硝基甲苯(TNT)炸药，用途最广的军用炸药，在民用、矿山爆破行业也广为采用，已有百年生产制造使用历史；

3、三硝基苯酚，俗称苦味酸(Picric acid)也是一种烈性黄色炸药，早年使用量位列第三，后来因其感度太高，渐渐被淘汰。

4、黑索今(RDX)，环状硝基胺炸药，又名旋风炸药,化学名为三次甲基三硝基胺。爆炸烈性极强, 大约是TN T 的1.5倍，属于高能炸药，生产成本高，产率低。目前也是军用主装炸药，在二战时期曾被称为炸药之王。

5、C4塑胶炸药，简称C4。其主要成分是聚异丁烯,用火药混合塑料制成,威力极大。C4的名称由来是每个单分子结构里有4个碳。是一种高效的易爆炸药，由梯恩梯(TNT)、Semtex和白磷等高性能爆炸物质混合而成，可以被碾成粉末状，能随意装在橡皮材料中，然后挤压成任何形状。如果外边附上黏着性材料，就可以安置在非常隐蔽的部位，像口香糖那样牢牢地黏附在上面，因此被称为残酷"口香糖"。C4塑胶炸药原产捷克，现在美国也是主要生产国。这种炸药能轻易躲过X光安全检查，这一点是恐怖分子喜欢使用的原因。未经特定嗅识训练的警犬也难以识别它。正是由于C4的这些性质，所以它一般都是各国军队使用的，普通民间难以得到。

6、太安炸药，化学名季戊四醇四磷酸酯炸药，广泛应用于塑料炸药。这种炸药容易合成，恐怖分子多自己合成使用。

7、奥克托金(HMX)，上个世纪最为烈性的炸药之一，爆速高，暴热大，也常被用作固体火箭、导弹等的推进剂、以及高能高爆单头。由于合成工艺复杂，造价成本高，仅限于军方使用。

8、硝酸铵炸药(NH4NO3),也是一种化肥原料，现已经被各个国家禁止使用。硝铵炸药也被广泛用于次级核燃料。

9、硝化甘油 炸药(NG)：硝化甘油是极其不稳定，在强烈晃动下即会爆炸。18世纪六十年代诺贝尔以一份硅藻土及三份硝化甘油再加上少许碳酸钠使炸药稳定而可运输与储存。而且暴露于小火时，该炸药也只燃烧不爆炸。为此，要引爆硝化甘油，需要使用雷管引爆——雷管也就是因硝化甘油而发展出来的。但是硝化甘油依然是高感度炸药，即使少量硝化甘油被加热或者强烈震荡就会发生强烈爆炸，所以近年来已近基本淘汰使用。

10、乙二醇二硝酸酯(Ethylene Glycol Dinitrate)，简记为EGDN，是一种无色透明的液体炸药，他和NG进行混合构成低温炸药，也就是我们在电影中经常看到的被恐怖分子使用的液体炸药。但由于感度太高，容易自爆，对使用者生命构成威胁，近年来已经逐步被它已逐渐被硝胺燃料油炸药(AN-FO)和泥浆炸药所取代。

11、低级黑火药，也就是我国古代四大发明之一。黑色、无烟、粉末型，

由硝酸钾(KNO₃) 或硝酸钠(NaNO₃) , 碳和硫(不包含氢) 组成,尽管经过几千年的风雨洗涤，黑火药依旧在使用，当前主要用在军事燃烧弹、低级爆炸物中。

12、自制炸药(Homemade explosive：made of fertilizer, fuel and oil),多有非组织性、低端恐怖分子采用汽油、燃烧剂、化肥等混合而成。

13、特殊用途炸药，多为军用，主要是变燃速发射药、低感高爆炸药等。

以上十三种炸药是炸药发明史上各个不同时期的代表性炸药，其中目前我们国家的主装炸药依然是TNT，所以对TNT的相关检测是本文关注的焦点。据统计，在21种与爆炸物相关的化合物都含有TNT。这些爆炸物除具有烈性爆炸危险外，也对环境安全造成重要威胁。生产、制造、运输中经常会出现泄漏在自然环境中的现象。遗留在土壤和水中的TNT对水环境造成重要污染。当人们直接或者间接引用这种受TNT污染的水质后，将对生命健康造成重要危害。当前已经证实TNT能够引起贫血症，肝功能失常，引发致癌。那些TNT的生产者由于在高浓度的TNT环境中工作对其身体会产生有害影响。同时长期接触TNT还会引起皮肤过敏、白内障以及易怒等现象。有关实验也表明，TNT会对雄性动物的生殖系统产生很大的影响。EnvironmentalProtection Agency(EPA)美国环境保护局通过给兔子长期食用TNT而使其患有膀胱肿瘤的实验，认为TNT很有可能是一种致癌物质。因此，面对日益严峻的公共安全和环境、健康安全等重大问题，如何快速、简便、实时的检测痕量爆炸物对分析手段的提升、敏感材料的制备，提出了越来越高的要求。而爆炸物的在线检测，其特殊的应用场合决定此项技术必须具有：灵敏度高、探测时间短、工作状态稳定等特点。

当前对爆炸物的常规检测方法有如下几种技术：

1、透射X射线检测法

目前在机场、火车站、汽车站使用的安全检测设备, 大多采用这种方法,这是一种比较简单的探测办法。作为五大常规检测方法之一的射线检测(Radiology)，在工业上有着非常广泛的应用。目前射线检测按照美国材料试验学会(ASTM)的定义可以分为：照相检测、实时成像检测、层析检测和其它射线检测技术四类。X射线与自然光并没有本质的区别，都是电磁波，只是X射线的光量子的能量远大于可见光。它能够穿透可见光不能穿透的物体，而且在穿透物体的同时将和物质发生复杂的物理和化学作用，可以使原子发生电离，使某些物质发出荧光，还可以使某些物质产生光化学反应。X射线检测对管制刀具等的检测较为准确，而对爆炸物的检测必须辅助人工开箱二次检查。所以X射线检测对毒品爆炸物并不能有效地检测。

2、双能X射线检测法

采用双光源双能X射线，根据下述原理也可以检测危险品:光电散射吸收截面和康普顿散射吸收截面都是随着发生作用的材料和入射光子的能量不同而不同。如果入射光子能量在50～500kV范围内，当入射光子能量增加时，原子序数(Z)越高的物质(核)光电散射吸收截面随着能量增加下降得越快；原子序数(Z)低的下降慢些。而康普顿散射吸收截面随着能量增加下降得都很缓慢，并且与Z的大小关系不明显。在入射光子能量变化时，不同物质(核)的全吸收截面变化系数及其它差异就可以用来鉴别不同的物质核素，这也是检测和鉴别各种爆炸物和毒品的物理基础之一。

3、中子探测法(neutron detection)

中子本身不带电，不会引起电离等作用，不产生直接的可观察效果，因此中子的探测是通过中子同原子核的相互作用，对反应的产物进行探测。利用中子与质子的弹性散射产生反冲质子。在计数器中充以含氢的气体，或以含氢的固体做成计数器的入射窗口，通过测量反冲质子的数目和能量分布可定出中子的数目和能量。或者是利用中子的重核裂变反应，由裂变碎片产生的强电离作用探测中子。当前用来检测TNT比较成熟商用的中子分析技术有：热中子分析、脉冲快中子分析、脉冲快热中子分析法、及结合A粒子飞行时间检测法、中子反散射等原理来进行检测。

4、分子印迹技术法检测TNT

在制备检测TNT印迹聚合物时，首先以TNT为模板分子,选择合适的功能单体和交联剂,在引发剂作用下进行聚合。然后洗脱去除TNTN模板，在聚合物中就留下了特异的TNT空穴结构，这种空穴能与被分析物中的TNT目标分子特异性的结合，并可以实现定量检测。

5、荧光检测法

许多物质都是光致发光的，即它们可以吸收电磁辐射，然后又重新发射出相同或较长波长的辐射。光致发光最常见的类型是荧光(fluorescence)和磷光(phosphorescence)。利用荧光强度进行分析的方法，称为荧光法(fluorimetry)。在荧光分析中，待测物质分子成为激发态时所吸收的光称为激发光，处于激发态的分子回到基态时所产生的荧光称发射光。荧光法测定的是受光激发后所发射的荧光的强弱，而不是测定激发光的强弱。凡能产生荧光的化合的，均可采用荧光分析法进行定性或定量。

6、SERS法检测TNT

SERS作为分子光谱的检测有着独特优势。SERS信号的强弱严重依赖SERS基底，因此如何制备优质的SERS基地并且能够实现对TNT的痕量检测成为当前分析工作者的一个难题。

其它检测方法，除了上述常用的X射线探测法，中子检测法，电化学检测法，荧光分析检测法，分子印迹检测法以及SERS检测法外，还有色谱法，质谱法中的LC2MS，离子热解析2MS，离子迁移谱法，电磁测量法，中红外吸收光谱法，微机电系统(MEMS)传感器技术，以及动物嗅觉法等。

经调研，已经有一些关于TNT检测的专利：青岛大学（专利号：200910180447）发明了一种基于寡聚芘衍生物的荧光淬灭来检测水相中痕量ＴＮＴ的新方法，其内容包括：（１）通过化学方法和电化学技术合成出水溶性的寡聚芘衍生物，合成路线较为简便，产物纯化较易；（２）在表面活性剂的作用下，通过测量寡聚芘衍生物荧光响应信号的变化，实现对水介质中痕量ＴＮＴ的灵敏检测。从原理上讲，本发明所涉及体系的传感性能是通过表面活性剂，使寡聚芘衍生物的聚集体结构得到破坏来控制的，所以为在水相中，基于共轭聚合物的目标分子的荧光检测提供了一种新方法。中科院合肥智能机械研究所（专利号：CN03131713.8）发明了一种检测固态爆炸物微粒的方法，属于痕量爆炸物检测技术。该方法利用不同的固态爆炸物具有不同的熔点和蒸发点这个物理特性，采用电加热的方法，在其熔点或蒸发点附近进行临界恒温、阶跃升温、循环控温、再次阶跃升温等一系列温度控制，使落在样品台上的爆炸物微粒熔解或蒸发，并产生相变吸热。采用温度敏感元件测量样品台在某个特征点附近的温度变化即可判断样品台上是否有爆炸物微粒并识别出其种类。本发明能在一次较大范围的升温过程中完成对多种爆炸物微粒的检测，其原理简单、易于实现。技术成熟后可形成一种新的轻小型爆炸物探测器产品，具有体积小、重量轻、成本低、可便携使用等特点，可灵活地用于各种公共场所的爆炸物探测。

综上所述，这些分析方案能够满足分析中的基本要求，具有一定的选择性、可靠性、准确性和可重复性，但是这些测试方案都极其复杂，需要多台仪器联用，测试成本高，测试效率低，耗时耗力，也无法做到实时实地检测。因此，寻找一种能够快速、准确检测TNT等爆炸物的检测手段显得尤其紧迫。

发明内容

针对背景技术中对常见爆炸物检测方法的不足，超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法及用途，本发明利用DNA软模板，借助太阳光提供反应动力，通过两步光化学反应制备出Au-Ag-DNA复合材料，通过调控原始反应比例，分别制备出金银合金，以及Au-Ag Core-Shell结构核壳材料。制备出的基于DNA纳米网络的Au-Ag合金或者Au-Ag Core-Shell结构核壳材料对TNT具有优异的SERS敏感效应，该发明最低检测限可达10^-12M，SERS增强因子在10¹¹至10¹²数量级。

本发明的技术方案是：

一种超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法，其特征在于：以DNA为模板，太阳光提供反应动力，通过两步光化学反应，可以在DNA纳米网上构建出Au-Ag合金或者Au-Ag Core-Shell结构，这种Au-Ag合金以及Au-Ag Core-Shell结构是良好的表面增强拉曼散射活性基底。

所述的超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、银离子在DNA模板上的吸附

首先取20 μL浓度为300ng/μL的λ-DNA溶液和80μL浓度为1mM的AgNO₃溶液混合，常温下置于黑暗条件相互作用3小时，使Ag⁺充分吸附到DNA模板上；

（2）、第一次光化学反应

将上述混合溶液暴露在太阳光下进行第一次光化学反应，随着时间的变化，溶液由原来的无色逐渐变成黄色，最后变灰色；

（3）、第二次光化学反应

接着将浓度为1mM的NaAuCl₄溶液加入到上述Ag-DNA溶液中，并控制金离子和银离子的比例Au³⁺/Ag⁺=R取值为1-8，再次将混合溶液放置在太阳光下进行二次照射，从而制备出超灵敏表面增强拉曼散射活性基底。

所述的超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的用途，其特征在于用于三硝基甲苯TNT的检测。

太阳光中的紫外线可以提供光化学反应动力，从而使Ag⁺和DNA双螺旋形成稳定的复合物。这有可能是光致还原导致Ag⁺在DNA的链上进行成核生长，DNA双螺旋中的碱基在短波段(254nm)的紫外光照射下，发生氧化还原反应，DNA在此充当了光敏剂的作用。在本发明中，利用借助DNA软模板，同时作为还原剂，借助太阳光中的紫外光将吸附在DNA表面的银离子原位还原，在DNA纳米网上构建出Ag纳米颗粒。然后再向上述第一步光化学反应产物Ag-DNA中加入氯金酸钠，再次曝晒在太阳光下进行第二次光化学反应，通过调控Ag⁺和Au⁺的摩尔比例，分别制备出Au-Ag合金结构和Au-Ag Core-Shell结构核壳材料。并借此作为SERS反应基底来完成对TNT的超灵敏检测。

本发明的有益效果是：

其一，这种太阳光辐照合成核壳或合金的SERS基底的方法是首创的，而且十分便捷；

其二，这种合成的胶体形貌和浓度的可调节性；

其三，检测结果表明有高的增强因子，可重复性较好。

其四，这种作为表面拉曼增强基底的胶体，还可以应用于其他化学和生物分析，以及医学检查。

附图说明

图1是本发明中银离子在DNA链上的吸附示意图。

图2是本发明中第一次光化学反应示意图。

图3是本发明中第二次光化学反应（R=1）示意图。

图4是本发明中第二次光化学反应（R=4）示意图。

图5是本发明中不同基底条件下TNT的SERS光谱示意图。

图6是本发明的方法工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

在图1中，首先将λ-DNA溶液和AgNO₃溶液混合，常温下置于黑暗条件相互作用，使Ag⁺充分吸附到DNA模板上。

图2是本发明中第一次光化学反应示意图。将上述混合溶液暴露在太阳光下进行第一次光化学反应。太阳光照射时间从几分钟到几十分钟不等。溶液颜色的改变预示着纳米银的生成。

图3是本发明中第二次光化学反应（R=1）示意图。

将NaAuCl₄溶液加入到上述Ag-DNA溶液中，并控制金离子和银离子的比例(Au³⁺/Ag⁺=R=1)。再次将混合溶液放置在太阳光下进行二次照射，从而制备出目标产物（合金）。

图4是本发明中第二次光化学反应（R=4）示意图。

将NaAuCl₄溶液加入到上述Ag-DNA溶液中，并控制金离子和银离子的比例(Au³⁺/Ag⁺=R=4)。再次将混合溶液放置在太阳光下进行二次照射，从而制备出目标产物（核壳）。

图5是本发明中不同基底条件下TNT的SERS光谱示意图。

从曲线a到e依次是DNA, Au-DNA, Ag-DNA, Au-Ag合金(R=1)和Au@Ag核壳结构(R=4)。

图6是本发明的方法工艺流程图。

开始（步骤100）：将Ag⁺充分吸附到DNA模板上；（步骤110）：第一次光化学反应，生成Ag-DNA；（步骤120）：第二次光化学反应，控制金离子和银离子的比例，生成Au-Ag合金(R=1)和Au-Ag核壳结构(R=4)；（步骤130）：将合成的产物作为SERS基底来检测TNT，获得很好的增强效果。

实施例

超灵敏核壳或合金SERS基底的光辐照制备方法，该方法的操作步骤为：

（1）银离子在DNA模板上的吸附

首先取20 μL浓度为300ng/μL的λ-DNA溶液和80μL浓度为1mM的AgNO₃溶液混合，常温下置于黑暗条件相互作用3小时，目的是使Ag⁺充分吸附到DNA模板上。

（2）第一次光化学反应

将上述混合溶液暴露在太阳光下进行第一次光化学反应。随着时间的变化，溶液由原来的无色逐渐变成黄色，最后变灰色(表明此时已经有银生成)。太阳光照射时间从几分钟到几十分钟不等。

（3）第二次光化学反应

接着将浓度为1mM的NaAuCl₄溶液加入到上述Ag-DNA溶液中，并控制金离子和银离子的比例(Au³⁺/Ag⁺=R)。再次将混合溶液放置在太阳光下进行二次照射，从而制备出目标产物。通过调控R比值和光照时间长短分别制备出Au-Ag双金属合金和Au-Ag Core-Shell结构。

（4）TNT的SERS检测

首先采用稀释法在容量瓶中配制不同浓度梯度的TNT甲醇溶液，密封冰箱中保存。利用微量移液器分别取上述Au-Ag-DNA混合溶液(R=1, 2, 4, 8的样品)800微升，然后加入到100微升待分析的TNT溶液，用稀氢氧化钠溶液将混合液pH值调节到12。取适量的样品加入到毛细管中用于表面增强拉曼散射光谱(SERS)检测。结果显示Au-Ag-DNA溶胶对三硝基甲苯TNT具有非常好的增强效果，SERS增强因子分别在10¹¹(合金产物)至10¹²(核壳产物)数量级。

Claims (3)

1.一种超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法，其特征在于：以DNA为模板，太阳光提供反应动力，通过两步光化学反应，可以在DNA纳米网上构建出Au-Ag合金或者Au-Ag Core-Shell结构，这种Au-Ag合金以及Au-Ag Core-Shell结构是良好的表面增强拉曼散射活性基底。

2.根据权利要求1所述的超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、银离子在DNA模板上的吸附

首先取20 μL浓度为300ng/μL的λ-DNA溶液和80μL浓度为1mM的AgNO₃溶液混合，常温下置于黑暗条件相互作用3小时，使Ag⁺充分吸附到DNA模板上；

（2）、第一次光化学反应

将上述混合溶液暴露在太阳光下进行第一次光化学反应，随着时间的变化，溶液由原来的无色逐渐变成黄色，最后变灰色；

（3）、第二次光化学反应

接着将浓度为1mM的NaAuCl₄溶液加入到上述Ag-DNA溶液中，并控制金离子和银离子的比例Au³⁺/Ag⁺=R取值为1-8，再次将混合溶液放置在太阳光下进行二次照射，从而制备出超灵敏表面增强拉曼散射活性基底。

3.根据权利要求1或2所述的超灵敏表面增强拉曼散射活性基底的用途，其特征在于用于三硝基甲苯TNT的检测。

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