CN102423670B - 一种拉曼编码微球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拉曼编码微球及其制备方法，其中，拉曼编码微球是通过层层自组装的方法在内核纳米粒子的表面包覆多层金属纳米粒子并以拉曼活性物质标记得到的。本发明拉曼编码微球的制备方法及原材料简单，且标记物拉曼信号的强度可以通过金属纳米粒子的组装层数进行调控，与现有的拉曼标记技术相比，本发明拉曼编码微球的拉曼信号强、粒子聚集状态均一、拉曼信号重复性好。

Description

一种拉曼编码微球及其制备方法
一、技术领域
本发明涉及纳米材料科学和激光拉曼检测技术领域，尤其是涉及一种拉曼编码微球及其制备方法。
二、背景技术
表面增强拉曼散射(SERS)是一种具有高灵敏度的指纹光谱技术，可以从分子水平上识别和检测吸附在纳米结构表面的物种，其增强能力可以达到1014-1015。SERS技术不受水环境的干扰，也不会发生光漂白及自猝灭等现象，不同形貌和尺寸的的SERS活性衬底已被广泛应用于生物种的检测与成像研究。最简单的方式就是利用待测分子本身振动信号的增强来进行免标记的检测，但在某些情况下，也需要在检测系统中引入一个SERS活性标记或报告基团，从而产生出更强的、易于检测的拉曼信号。
目前，这种SERS纳米标签的制备主要有三种方式：(1)将拉曼活性物质直接吸附在贵金属纳米结构表面(Science，2002，297：1536～1540.)；(2)用氧化硅或聚合物进一步包被金属纳米标记物(Anal.Chem.2003，75：6171～6176.)；(3)利用“热点”效应，制备纳米聚集体的SERS标签(Nano Lett.2007，7：351～356.)。由于纳米聚集体高的电磁场增强效应，更易实现对痕量物种的超灵敏检测。然而，这种纳米聚集体的SERS标签并没有发展成为生物或化学定量分析的一个重要工具，其中的一个主要原因是聚集体的形状、尺寸和聚集状态不均一，这将导致检测结果出现不确定性。所以纳米聚集体结构的可控合成以及稳定性一直是制约其在SERS标记中应用的关键问题。
层层自组装技术是基于聚电解质阴阳离子所带正负电荷间相互作用的一种自组装超分子技术。该技术的主要特点是通过简单的交替沉积过程可在纳米尺度上精确控制组装分子的结构与功能。这一特性可以用于设计含金属纳米结构的SERS活性衬底。目前，这种层层自组装纳米结构在SERS标签设计方面还未见报道。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、拉曼信号强、重现性好、尺寸均一的拉曼编码微球及其制备方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明拉曼编码微球的特点在于：所述拉曼编码微球是通过层层自组装的方法在内核纳米粒子的表面包覆多层金属纳米粒子并以拉曼活性物质标记得到的。
本发明拉曼编码微球的特点也在于：所述内核纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、聚合物纳米粒子或磁性纳米粒子，粒径为100-800nm。
本发明拉曼编码微球的特点也在于：所述金属纳米粒子为金纳米粒子、银纳米粒子或铜纳米粒子等具有显著等离子体共振性质的金属纳米粒子，粒径为5-15nm。
本发明拉曼编码微球的特点也在于：所述拉曼活性物质为含有芳环、杂环、氨基、羧酸基、磷原子或硫原子等具有拉曼活性的物质。
本发明拉曼编码微球的制备方法的特点在于包括以下步骤：
a、将0.2g内核纳米粒子加入到50mL 2mg/mL的聚电解质溶液中，室温下搅拌30分钟，离心、洗涤后得到聚电解质修饰的纳米粒子，将所述聚电解质修饰的纳米粒子分散到50mL金属纳米粒子溶胶中，室温下搅拌30分钟得到单层金属纳米粒子包覆的核壳纳米粒子，将所述单层金属纳米粒子包覆的核壳纳米粒子重复依次加入聚电解质溶液和金属纳米粒子溶胶中，得到多层金属纳米粒子包覆的核壳纳米微球；
所述聚电解质溶液中添加NaCl，NaCl的浓度为0.5M。
b、将1mL 5mM的拉曼活性物质加入到步骤a得到的多层金属纳米粒子包覆的核壳纳米微球中，室温下搅拌6-12小时，离心、洗涤后得到拉曼活性物质标记的核壳纳米微球；
c、将步骤b得到的拉曼活性物质标记的核壳纳米微球加入到质量分数为2.5％的戊二醛溶液中，反应1小时后用超纯水洗涤，得到封装的拉曼活性物质标记的核壳纳米微球，分散于超纯水中，备用。
本发明拉曼编码微球的制备方法的特点也在于：所述聚电解质为聚乙烯亚胺、聚烯丙基氯化铵、聚二甲基二烯丙基氯化铵、明胶或壳聚糖等含有大量氨基官能团的水溶性聚合物。
本发明通过层层自组装技术来控制合成聚集状态均一、具有高密度SERS“热点”结构的纳米标签。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明的拉曼编码微球的制备方法及原材料简单，且标记物拉曼信号的强度可以通过金属纳米粒子的组装层数进行调控。
2、本发明的SERS标签与现有的拉曼标记技术相比，拉曼信号强、粒子聚集状态均一、拉曼信号重复性好。
3、本发明使得SERS技术应用范围拓宽，可选择大量不同的拉曼特征振动分子作为标记物，为真正使SERS这种高灵敏度的检测技术普遍应用于生物或化学定量分析奠定基础。
四、附图说明
图1为本发明制备拉曼编码微球的流程示意图。
图2为本发明实施例1制备的二氧化硅纳米粒子(a)和拉曼编码微球(b)的透射电子显微镜图(TEM)。从图2b中可以清楚的看到二氧化硅粒子表面包覆上了一层银纳米聚集体的壳层结构。
图3为本发明实施例1对巯基苯胺标记纳米粒子的SERS光谱。SERS光谱检测的激发光源波长是532nm。图中曲线a代表组装层数为1层时的拉曼光谱，曲线b代表组装层数为3层时的拉曼光谱，曲线c代表组装层数为5层时的拉曼光谱。这一结果表明拉曼编码粒子信号的强度可以通过金属纳米粒子的组装层数进行调控。
图4为本发明实施例2制备的不同拉曼活性物质标记纳米粒子的SERS光谱。SERS光谱检测的激发光源波长是532nm。图中曲线a、b、c、d、e和f分别代表组装层数为5层时4-硝基苯硫酚、2-萘硫酚、2-甲氧基苯硫酚、3-甲氧基苯硫酚、对羧基苯硫酚和对甲苯硫酚标记纳米粒子的拉曼光谱。
五、具体实施方式
为了进一步理解本发明，非限定实施例如下。
实施例1：
a、内核纳米粒子的制备-二氧化硅纳米粒子
将3.6mL正硅酸四乙酯和88.1mL乙醇溶液混合，加入到250mL圆底烧瓶中，用磁力搅拌器以500rpm的转速搅拌3分钟，充分混合均匀，再将11.9mL氨水迅速的加入到上述反应液中，在室温下反应15-18小时，即得二氧化硅纳米粒子。
b、金属纳米粒子溶胶的制备-银纳米粒子溶胶
取95mL超纯水，依次加入1mL 30mM柠檬酸钠溶液和2mL 5mM硝酸银溶液，然后迅速注入1mL 50mM硼氢化钠溶液，室温下搅拌30秒后，加入1mL 5mg/mL聚乙烯吡咯烷酮，溶液逐渐变为深黄色，即得粒径为5-15nm的银纳米粒子溶胶。
c、核壳纳米微球的制备
取25mL(0.2g)步骤a制备的二氧化硅纳米粒子，离心并分散于50mL 2mg/mL的聚乙烯亚胺溶液中，聚乙烯亚胺溶液中添加有NaCl，NaCl的浓度为0.5M，室温下搅拌30分钟，然后离心、洗涤，分散到步骤b制备的银溶胶中，室温下搅拌30分钟得到单层银纳米粒子包覆的二氧化硅纳米微球，将得到的单层银纳米粒子包覆的二氧化硅纳米微球重复依次加入聚乙烯亚胺溶液和银纳米粒子溶胶中，交替沉积聚乙烯亚胺和银溶胶，即得到不同组装层数的核壳二氧化硅纳米微球。
d、拉曼活性物质标记的核壳纳米微球的制备
将1mL 5mM的对巯基苯胺溶液加入到5mg上述核壳纳米微球中，室温下搅拌6小时，然后离心、洗涤，即制得对巯基苯胺标记的核壳纳米微球。
e、拉曼活性物质的封装
将对巯基苯胺标记的核壳纳米微球分散到质量浓度2.5％的戊二醛溶液中，室温下反应1小时后用超纯水洗涤，去除未反应的戊二醛，即制得封装的对巯基苯胺标记的核壳纳米微球。
本实施例分别制备组装层数为1层、3层和5层的对巯基苯胺标记的核壳二氧化硅纳米微球。
实施例2：
a、内核纳米粒子的制备-二氧化硅纳米粒子
本实施例中二氧化硅纳米粒子的制备方法同实施例1。
b、金属纳米粒子溶胶的制备—银纳米粒子溶胶
本实施例中银纳米粒子溶胶的制备方法同实施例1。
c、核壳纳米微球的制备
取25mL(0.2g)步骤a制备的二氧化硅纳米粒子，离心并分散于50mL 2mg/mL的聚乙烯亚胺溶液中，聚乙烯亚胺溶液中添加有NaCl，NaCl的浓度为0.5M，室温下搅拌30分钟，然后离心、洗涤，分散到步骤b制备的银纳米粒子溶胶中，室温下搅拌30分钟得到单层银纳米粒子包覆的二氧化硅纳米微球，将得到的单层银纳米粒子包覆的二氧化硅纳米微球重复依次加入聚乙烯亚胺溶液和银纳米粒子溶胶中，交替沉积聚乙烯亚胺和银溶胶，重复4次后即得到组装层数为5层的核壳二氧化硅纳米微球。
d、拉曼活性物质标记的核壳纳米微球的制备
将1mL 5mM的4-硝基苯硫酚、2-萘硫酚、2-甲氧基苯硫酚、3-甲氧基苯硫酚、对羧基苯硫酚和对甲苯硫酚分别加入到5mg上述核壳二氧化硅纳米微球中，室温下搅拌6小时，然后离心、洗涤，即制得不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球。
e、拉曼活性物质的封装
将步骤d制备的不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球分别分散到质量浓度2.5％的戊二醛溶液中，室温下反应1小时后用超纯水洗涤，去除未反应的戊二醛，即制得封装的不同拉曼活性物质标记的组装层数为5层的核壳纳米微球。
实施例3：
a、内核纳米粒子的制备—聚苯乙烯纳米粒子
取10mL纯化的苯乙烯，1mL丙烯酸和50mg过硫酸铵加入到90mL去离子水中，在搅拌条件下通氮气0.5小时，以便于除去体系中的O2，然后升温至70℃，反应15小时。待体系温度降到室温后，所得产物分别用乙醇、水洗涤三次，得到羧基功能化的聚苯乙烯小球，分散于水中待用。
b、金属纳米粒子溶胶的制备—金纳米粒子溶胶
将0.425g氯金酸和250mL超纯水加入到500mL圆底烧瓶中，用磁力搅拌器剧烈的搅拌，然后逐滴加入25mL 12.5mM的硼氢化钠溶液，室温下搅拌30秒后，加入2mL 5mg/mL聚乙烯吡咯烷酮，溶液逐渐变为酒红色，即得直径约为10nm的金纳米粒子溶胶。
c、核壳纳米微球的制备
取30mL(0.2g)步骤a制备的聚苯乙烯小球，离心并分散于50mL 2mg/mL的聚乙烯亚胺溶液中，聚乙烯亚胺溶液中含0.5M的NaCl，室温下搅拌30分钟，然后离心、洗涤，分散到步骤b制备的金纳米粒子溶胶中，室温下搅拌30分钟，得到单层金纳米粒子包覆的聚苯乙烯纳米微球，然后将单层金纳米粒子包覆的聚苯乙烯纳米微球分散到50mL 2mg/mL的聚烯丙基氯化铵溶液中，聚烯丙基氯化铵溶液中含0.5M的NaCl，室温下搅拌30分钟，然后离心、洗涤，再分散到步骤b制备的金纳米粒子溶胶中，室温下搅拌30分钟，得到组装层数为2层的和科纳米微球；重复加入聚烯丙基氯化铵溶液和金纳米粒子溶胶中，交替沉积聚烯丙基氯化铵和金溶胶，即得到不同组装层数的核壳纳米微球。
d、拉曼活性物质标记的核壳纳米微球的制备
将1mL 5mM的4-硝基苯硫酚、2-萘硫酚、2-甲氧基苯硫酚、3-甲氧基苯硫酚、对羧基苯硫酚和对甲苯硫酚分别加入到5mg上述核壳纳米微球中，室温下搅拌6小时，然后离心、洗涤，即制得不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球。
e、拉曼活性物质的封装
将步骤d制备的不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球分别分散到质量浓度2.5％的戊二醛溶液中，室温下反应1小时后用超纯水洗涤，去除未反应的戊二醛，即制得封装的不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球。
实施例4：
a、内核纳米粒子的制备-Fe3O4纳米粒子
称取1.35g FeCl3·6H2O，依次加入40mL乙二醇、0.5g聚乙二醇和3.6g无水醋酸钠，室温下搅拌12小时得到均匀的溶液，然后将其转移到50mL反应釜中，在200℃条件下反应24小时即得直径约为300nm的Fe3O4纳米粒子。
b、金属纳米粒子溶胶的制备—银纳米粒子溶胶
本实施例中银纳米粒子溶胶的制备方法同实施例1。
c、核壳纳米微球的制备
取20mL(0.2g)步骤a制备的Fe3O4纳米粒子，离心并分散于50mL 2mg/mL的聚乙烯亚胺溶液中，聚乙烯亚胺溶液中添加有NaCl，NaCl的浓度为0.5M，室温下搅拌30分钟，然后离心、洗涤，分散到步骤b制备的银纳米粒子溶胶中，室温下搅拌30分钟得到单层银纳米粒子包覆的Fe3O4纳米微球，将得到的单层银纳米粒子包覆的Fe3O4纳米微球重复依次加入聚乙烯亚胺溶液和银纳米粒子溶胶中，交替沉积聚乙烯亚胺和银溶胶，即得到不同组装层数的核壳Fe3O4纳米微球。
d、拉曼活性物质标记的核壳纳米微球的制备
将1mL 5mM的4-硝基苯硫酚、2-萘硫酚、2-甲氧基苯硫酚、3-甲氧基苯硫酚、对羧基苯硫酚和对甲苯硫酚分别加入到5mg上述核壳Fe3O4纳米微球中，室温下搅拌6小时，然后离心、洗涤，即制得不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球。
e、拉曼活性物质的封装
将步骤d制备的不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球分别分散到质量浓度2.5％的戊二醛溶液中，室温下反应1小时后用超纯水洗涤，去除未反应的戊二醛，即制得封装的不同拉曼活性物质标记的核壳纳米微球。

Claims (2)

1.一种拉曼编码微球的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、将0.2g内核纳米粒子加入到50mL 2mg/mL的聚电解质溶液中，室温下搅拌30分钟，离心、洗涤后得到聚电解质修饰的纳米粒子，将所述聚电解质修饰的纳米粒子分散到50mL金属纳米粒子溶胶中，室温下搅拌30分钟得到单层金属纳米粒子包覆的核壳纳米粒子，将所述单层金属纳米粒子包覆的核壳纳米粒子重复依次加入聚电解质溶液和金属纳米粒子溶胶中，得到多层金属纳米粒子包覆的核壳纳米微球；
所述聚电解质溶液中添加NaCl，NaCl的浓度为0.5M；
b、将1mL 5mM的拉曼活性物质加入到步骤a得到的多层金属纳米粒子包覆的核壳纳米微球中，室温下搅拌6小时，离心、洗涤后得到拉曼活性物质标记的核壳纳米微球；
c、将步骤b得到的拉曼活性物质标记的核壳纳米微球加入到质量分数为2.5%的戊二醛溶液中，反应1小时后用超纯水洗涤，得到封装的拉曼活性物质标记的核壳纳米微球；
所述内核纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、聚合物纳米粒子或磁性纳米粒子，粒径为100-800nm；
所述金属纳米粒子为金纳米粒子、银纳米粒子或铜纳米粒子，粒径为5-15nm；
所述拉曼活性物质为含有芳环、杂环、氨基、羧酸基、磷原子或硫原子的物质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚电解质为聚乙烯亚胺、聚烯丙基氯化铵、聚二甲基二烯丙基氯化铵、明胶或壳聚糖。
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