CN102253027A - 基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种增强效果好、成本低廉、制备方法简便且重复性好的基于金纳米星的表面增强拉曼散射(SERS)活性基底及其制备方法，将氨基化的玻璃片浸入金纳米星溶液中，在低速磁力搅拌作用下经静电吸附作用获得的高度均匀的SERS活性基底。本发明将金纳米星与静电自组装法结合起来，利用金纳米星优异的SERS效应来弥补静电自组装法制备SERS基底的主要不足，形成一种制备方法简单、重复性和增强效应都很好的高效的SERS活性基底。

Description

基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米生物分析技术领域，特别涉及一种增强效果好、成本低廉、制备方法简便且重复性好的基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scatteri ng，SERS)作为一种有发展潜力的光谱分析技术，在化学、物理、生物、医学、环境监测、公共安全等各个方面都得到了一定的应用。SERS主要是纳米尺度的粗糙表面或颗粒体系所具有的异常光学增强现象，它可以将吸附在材料表面的分子的拉曼信号放大约10⁶倍，对于特殊的纳米量级粒子形态分布的基底表面，信号的增强甚至可以高达10¹⁴倍。活性基底的制备是获得SERS信号的前提，为了将SERS作为一种常规、在线的分析工具，所制备的SERS基底应具有增强能力强且均一性好、易于制备和存储、使用方便等特点。目前，现有的SERS基底的制备方法主要包括以下几种：(1)化学合成法，是指将合成的纳米粒子溶胶直接作为SERS活性基底。该方法制备的基底具有非常好的一致性和可重复性，但是拉曼增强效果相对比较弱，因此该种体系的基底只对某些具有强烈拉曼信号的特定的分子有效。(2)化学自组装法，是指在固体基片(硅片、玻璃、导电玻璃或者金属)的表面修饰一层两亲的分子，两亲分子的一头与固体基片相连，另一头通过静电或者化学作用与纳米粒子相连，从而使得纳米粒子在固体基片表面排列，形成SERS活性基底。这类基底上纳米粒子之间的间距比较大，因此基底的SERS效果比较有限。(3)LB膜组装技术，是指对纳米粒子进行疏水修饰后利用LB膜的方法获得纳米粒子紧密堆积的活性基底。值得一提的是，用LB膜技术组装SERS活性基底需要事先对纳米粒子进行一定的修饰，这个修饰可能会对后续的拉曼检测产生一定的干扰。(4)有序模板沉积法，是指利用物理、化学或者电化学沉积的方法在有序模板上沉积金属纳米粒子形成特定的有序金属阵列结构，最终形成活性基底。这类基底的制备受到有序模板种类的限制，不同的有序模板在制备中都存在一定的缺陷。目前为止，被用来进行SERS活性基底制备的主要有纳米壳、纳米球、纳米棒、纳米三角、纳米立方以及纳米八面体等，有关于纳米星的组装比较少。非常不幸的是，目前报道的基底都具有一定的缺点，无法同时满足低成本、一致性、可重复性、稳定性以及增强效果等各方面的要求，尤其在规模化制备方面，要求基底的制备方法需要同时满足可重复性好、制备方法简单及增强效果三个方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强效果好、成本低廉、制备方法简便且重复性好的基于金纳米星的SERS活性基底及其制备方法。

本发明具体采用如下技术方案来解决所提出的技术问题：

本发明所述的一种基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底，包括：玻璃基片，在玻璃基片(1)上覆盖有带正电荷的氨基层(2)，在带正电荷的氨基层(2)上吸附有星状金纳米颗粒层(3)。

本发明所述的一种基于金纳米星的SERS活性基底的制备方法，步骤为：

1.在100mL浓度为0.04M的N-(2-羟乙基)哌嗪-N’-2磺酸水溶液中加入1M的氢氧化钠水溶液，用于将体系的pH调节至7.4，随后加入700μL质量体积比浓度为1％的氯金酸水溶液，混匀后置于28℃水浴中静置反应1h，此过程中溶液的颜色变化为：浅黄色-无色-淡粉色-紫色-蓝色--蓝绿色，溶液颜色稳定不再发生变化表示反应终止，生成了组装基底所需要的星状金纳米颗粒溶液，将此溶液在紫外-可见-近红外分光光度计下进行表征，星状金纳米颗粒溶液应具有两个消光峰，其中一个在532±10nm，另外一个应在700±5nm；

2.将玻璃片切割成1cm×4cm大小的长条，清洗干净后竖直浸入到体积比为1％的3-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，密封后静置12h以获得氨基化的带有正电荷表面的玻璃片，氨基化完成后用无水乙醇清洗玻璃片3遍，70℃烘干，超纯水清洗3遍后烘干备用；

3.将步骤2中氨基化好的玻璃片竖直浸入步骤1制备的金纳米星溶液中，磁力搅拌6h，磁力搅拌的速度在300rpm到600rpm之间，随后用超纯水淋洗五遍以上，即可获得本发明所述的SERS活性基底。

本发明所述的低成本、可规模化制备的SERS活性基底及其制备方法，即利用金纳米星优异的SERS活性来弥补静电吸附方法的不足，形成一种制备方法简单、重复性很好的高效的SERS活性基底。

本发明所述的低成本、可规模化制备的SERS活性基底及其制备方法，即：

1.利用N-(2-羟乙基)哌嗪-N’-2磺酸作为还原剂还原氯金酸原液，制备出金纳米星溶胶；

2.氨基化玻璃片，形成带有正电荷的玻片表面；

3.将带有正电荷的玻片竖直浸入金纳米星溶胶中，边搅拌边吸附带负电荷的金纳米星，从而形成SERS活性基底；

4.考察基底的一致性、可重复性、稳定性以及增强效果。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明涉及的基底制备方法非常简单，不需要特殊的仪器设备，在一般的实验室条件下即可完成。

2.实验成本低，所需试剂均为实验室常见试剂，纳米材料的制备方便、重复性好。

3.本发明中获得的基底具有非常好的重复性且制备方法简单，可以实现规模化制备。

4.本发明中对金纳米星进行静电自组装，利用金纳米星优异的SERS效果弥补静电自组装方法本身的不足，创新性地结合了两者的优点，获得了一种增强效果好、成本低廉、制备方法简便且重复性好的优秀的基底。

5.本基底稳定性好，基底制备过程中所用试剂无生物毒性，不仅可以用于化学分子的分析也可用于生物分子的分析，应用范围广泛。

6.实验操作过程中不涉及有毒有害致癌物质等，对于环境和人体不会产生任何危害作用。

附图说明

图1是组装过程原理示意图。

图2是组装前金纳米星溶液的紫外-可见-近红外光谱图及组装后金纳米星基底的紫外-可见-近红外光谱图。

图3是金纳米星基底的SEM图。

图4是基底的均匀性检验光谱图。

图5是基底的重复性检验光谱图。

图6是基底的稳定性检验数据。

图7是基底对不同浓度尼罗兰A溶液的增强光谱图及其与未引入增强基底时尼罗兰A的拉曼光谱的比较。

图8是基底对不同浓度罗丹明6G溶液的增强光谱图及其与未引入增强基底时罗丹明6G的拉曼光谱的比较。

具体实施方式

实施例1

一种基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底，包括：玻璃基片1，在玻璃基片1上覆盖有带正电荷的氨基层2，在带正电荷的氨基层2上吸附有星状金纳米颗粒层3。该基底的制备方法步骤为：

1.在100mL浓度为0.04M的N-(2-羟乙基)哌嗪-N’-2磺酸水溶液中加入1M的氢氧化钠水溶液，用于将体系的pH调节至7.4，随后加入700μL质量体积比浓度为1％的氯金酸水溶液，混匀后置于28℃水浴中静置反应1h，此过程中溶液的颜色变化为：浅黄色-无色-淡粉色-紫色-蓝色--蓝绿色，溶液颜色稳定不再发生变化表示反应终止，生成了组装基底所需要的星状金纳米颗粒溶液，将此溶液在紫外-可见-近红外分光光度计下进行表征，星状金纳米颗粒溶液应具有两个消光峰，其中一个在532±10nm，另外一个应在700±5nm，例如本实施例中制备的金纳米星溶液的两个消光峰的位置分别为533nm和702nm；

2.将玻璃片切割成1cm×4cm大小的长条，清洗干净后竖直浸入到体积比为1％的3-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，密封后静置12h以获得氨基化的带有正电荷表面的玻璃片，氨基化完成后用无水乙醇清洗玻璃片3遍，70℃烘干，超纯水清洗3遍后烘干备用；

3.将步骤2中氨基化好的玻璃片竖直浸入步骤1制备的金纳米星溶液中，磁力搅拌6h，磁力搅拌的速度在300rpm到600rpm之间，随后用超纯水淋洗五遍以上，即可获得本发明所述的SERS活性基底，将此基底在紫外-可见-近红外分光光度计下进行表征，基底应具有两个消光峰，其中一个在540±10nm，另外一个应在755±10nm，例如本实施例中制备的金纳米星溶液的两个消光峰的位置分别为541nm和761nm；

4.用扫描电镜对步骤3所得基底进行表征，观察基底的形貌，基底上应有覆盖比较均匀的星状金纳米颗粒，且星状金纳米颗粒的平均分枝长度不小于20nm，星状金纳米颗粒的平均大小应在30至50nm之间，例如本实施例中，在SEM下可观察到基底表面覆盖有星状金纳米颗粒，纳米颗粒的覆盖总体比较均匀完全，没有明显的缺陷存在，覆盖的星状金纳米颗粒的平均分枝长度约为21nm，平均直径约为40nm。

实施例2

一种增强效果好、成本低廉、制备方法简便且重复性好的基于金纳米星的SERS活性基底及其制备方法，步骤为：

5.在100mL浓度为0.04M的N-(2-羟乙基)哌嗪-N’-2磺酸水溶液中加入1M的氢氧化钠水溶液，用于将体系的pH调节至7.4，随后加入700μL质量体积比浓度为1％的氯金酸水溶液，混匀后置于28℃水浴中静置反应1h，此过程中溶液的颜色变化为：浅黄色-无色-淡粉色-紫色-蓝色--蓝绿色，溶液颜色稳定不再发生变化表示反应终止，生成了组装基底所需要的星状金纳米颗粒溶液，将此溶液在紫外-可见-近红外分光光度计下进行表征，星状金纳米颗粒溶液应具有两个消光峰，其中一个在532±10nm，另外一个应在700±5nm，例如本实施例中制备的金纳米星溶液的两个消光峰的位置分别为533nm和702nm；

6.将玻璃片切割成1cm×4cm大小的长条，清洗干净后竖直浸入到体积比为1％的3-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，密封后静置12h以获得氨基化的带有正电荷表面的玻璃片，氨基化完成后用无水乙醇清洗玻璃片3遍，70℃烘干，超纯水清洗3遍后烘干备用；

7.将步骤2中氨基化好的玻璃片竖直浸入步骤1制备的金纳米星溶液中，磁力搅拌6h，磁力搅拌的速度在300rpm到600rpm之间，随后用超纯水淋洗五遍以上，即可获得本发明所述的SERS活性基底；

8.将步骤3所得基底浸入浓度为5×10^-8M尼罗兰A水溶液中，2h后测量SERS信号，在基底上随机选取间距大于1mm的n个点(n＞7)，例如本实施例中n为9，分别测量其SERS光谱并记录，比较光谱之间的差异，考察基底的均匀性，在本实施例中，选择595cm^-1处的拉曼峰的强度作为比较对象，计算标准偏差，获得该处峰强的标准偏差仅为1.8％，证明基底具有非常好的均匀性；

9.将不同时间内制备的m(m＞5)片基底都浸入5×10^-8M尼罗兰A水溶液中，例如本实施例中m为6，2h后测量它们的SERS光谱(其中每个基底的光谱均为9个随机点光谱平均所得)比较，6片基底的SERS光谱的差异，考察基底制备方法的重复性，在本实施例中，选择595cm^-1处的拉曼峰的强度作为比较对象，计算标准偏差，获得该处峰强的标准偏差为7.2％，证明本发明中的基底的制备具有非常好的可重复性；

10.将步骤3所得基底放置一定时间后(0至90天)再浸入5×10^-8M尼罗兰A水溶液中，2h后测量它们的SERS光谱(其中每个基底的光谱均为9个随机点光谱平均所得)比较放置不同时间的基底的SERS光谱的差异，考察基底的稳定性，在本实施例中，随着时间的推移，基底的SERS光谱的信号强度有所衰减，基底在30天内具有良好的稳定性，信号衰减不到10％，但是90天后信号衰减将超过50％。

实施例3

1.金纳米星的制备

在100mL浓度为0.04M的N-(2-羟乙基)哌嗪-N’-2磺酸水溶液中加入1M的氢氧化钠水溶液，用于将体系的pH调节至7.4，随后加入700μL质量体积比浓度为1％的氯金酸水溶液，混匀后置于28℃水浴中静置反应1h，此过程中溶液的颜色变化为：浅黄色-无色-淡粉色-紫色-蓝色--蓝绿色，溶液颜色稳定不再发生变化表示反应终止，生成了组装基底所需要的星状金纳米颗粒溶液，将此溶液在紫外-可见-近红外分光光度计下进行表征，星状金纳米颗粒溶液应具有两个消光峰，其中一个在532±10nm，另外一个应在700±5nm，例如本实施例中制备的金纳米星溶液的两个消光峰的位置分别为533nm和702nm；

2.玻璃片的氨基化

将玻璃片切割成1cm×4cm大小的长条，清洗干净后竖直浸入到体积比为1％的3-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，密封后静置12h以获得氨基化的带有正电荷表面的玻璃片，氨基化完成后用无水乙醇清洗玻璃片3遍，70℃烘干，超纯水清洗3遍后烘干备用；

3.活性基底的制备

将步骤2中氨基化好的玻璃片竖直浸入步骤1制备的金纳米星溶液中，磁力搅拌6h，磁力搅拌的速度在300rpm到600rpm之间，随后用超纯水淋洗五遍以上，即可获得本发明所述的SERS活性基底；

4.基底对尼罗兰A检测下限的测定

取4片步骤3所得基底分别浸入不同浓度的尼罗兰A溶液中，例如本实施例中选择的三个浓度分别为5×10^-9M，5×10^-10M，5×10^-11M，5×10^-12M，静置2h后从尼罗兰A溶液中取出，晾干后将基底置于拉曼仪器下测量SERS光谱，当尼罗兰A的浓度为5×10^-12M时无法获得SERS光谱，而浓度为5×10^-11M时可以得到较好的增强光谱，因此本发明中所述的基底对尼罗兰A的检测下限可达5×10^-11M；

5.基底对尼罗兰A的分析增强因子(AEF)计算

在不使用任何增强基底的情况下测量浓度为C_RS的尼罗兰A溶液的拉曼光谱，例如本实施例中C_RS为2×10^-3M，将此光谱595cm^-1处的峰强度记为I_RS，选择步骤4中浓度为C_SERS的一条光谱，例如本实施例中C_SERS为5×10^-9M，将选择的光谱595cm^-1处的峰强度记为I_SERS，根据公式AEF＝(I_SERS/C_SERS)/(I_RS/C_RS)，计算基底对尼罗兰A的分析增强因子，计算得AEF＝3×10⁶。

实施例4

1.同实施例2步骤1。

2.同实施例2步骤2。

3.同实施例2步骤3。

4.基底对罗丹明6G检测下限的测定

取4片步骤3所得基底分别浸入不同浓度的罗丹明6G溶液中，例如本实施例中选择的三个浓度分别为1×10^-7M，1×10^-8M，1×10^-9M，1×10^-10M，静置2h后从罗丹明6G溶液中取出，晾干后将基底置于拉曼仪器下测量SERS光谱，当罗丹明6G的浓度为1×10^-10M时无法获得SERS光谱，而浓度为1×10^-9M时可以得到较好的增强光谱，因此本发明中所述的基底对罗丹明6G的检测下限可达1×10^-9M；

5.基底对罗丹明6G的分析增强因子计算

在不使用任何增强基底的情况下测量浓度为C_RS的罗丹明6G溶液的拉曼光谱，例如本实施例中C_RS为1×10^-3M，将此光谱1362cm^-1处的峰强度记为I_RS，选择步骤4中浓度为C_SERS的一条光谱，例如本实施例中C_SERS为1×10^-7M，将选择的光谱1362cm^-1处的峰强度记为I_SERS，根据公式AEF＝(I_SERS/C_SERS)/(I_RS/C_RS)，计算基底对罗丹明6G的分析增强因子，计算得AEF＝1×10⁵。

Claims (2)

1.一种基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底，包括：玻璃基片(1)、带正电荷的氨基层(2)以及其星状金纳米颗粒层(3)。特征在于，在玻璃基片(1)上覆盖有带正电荷的氨基层(2)，在带正电荷的氨基层(2)上吸附有星状金纳米颗粒层(3)。

2.一种权利要求1所述基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底的其制备方法，其特征在于，步骤为：

步骤1在100mL浓度为0.04M的N-(2-羟乙基)哌嗪-N’-2磺酸水溶液中加入1M的氢氧化钠水溶液，用于将体系的pH调节至7.4，随后加入700μL质量体积比浓度为1％的氯金酸水溶液，混匀后置于28℃水浴中静置反应1h，此过程中溶液的颜色变化为：浅黄色-无色-淡粉色-紫色-蓝色--蓝绿色，溶液颜色稳定不再发生变化表示反应终止，生成了组装基底所需要的星状金纳米颗粒溶液，将此溶液在紫外-可见-近红外分光光度计下进行表征，星状金纳米颗粒溶液应具有两个消光峰，其中一个在532±10nm，另外一个应在700±5nm；

步骤2将玻璃片切割成1cm×4cm大小的长条，清洗干净后竖直浸入到体积比为1％的3-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，密封后静置12h以获得氨基化的带有正电荷表面的玻璃片，氨基化完成后用无水乙醇清洗玻璃片3遍，70℃烘干，超纯水清洗3遍后烘干备用；

步骤3将步骤2中氨基化好的玻璃片竖直浸入步骤1制备的金纳米星溶液中，磁力搅拌6h，磁力搅拌的速度在300rpm到600rpm之间，随后用超纯水淋洗五遍以上，即可获得本发明所述的SERS活性基底。

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