CN102841085A - 一种在多孔材料表面进行表面增强拉曼光谱检测的方法 - Google Patents

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李青青
唐慧容
汪宣
陈贵平
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张维冰
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Abstract

本发明公开了一种在多孔材料表面进行表面增强拉曼光谱检测的方法，包括：a)将被测物与金属纳米颗粒结合后附着于多孔材料表面，或b)将金属纳米颗粒先附着于多孔材料表面，再将被测物与附着于多孔材料表面的金属纳米颗粒结合；c)然后检测步骤a)或步骤b)所得材料表面的表面增强拉曼信号。本发明采用多孔材料和金属纳米颗粒结合作为增强基底，可以使被测物质的拉曼信号得到极大增强，实现表面增强拉曼的超灵敏检测甚至单分子被测物质的检测。检测浓度低至10-18mol/L，对被测物样品的需求量少，可以低至微升级，能满足微量物质的检测。

Description

一种在多孔材料表面进行表面增强拉曼光谱检测的方法
技术领域
本发明属于化学分析技术领域，特别涉及一种在多孔材料表面进行表面增强拉曼光谱检测的方法。
背景技术
自1974年Fleischmann，Van Duyne和Creighton等发现并确定表面增强拉曼散射(SERS)现象后，SERS技术经过几十年的发展，因其快速、灵敏、对样品需求量少的优势，已逐渐成为一个非常活跃的研究领域，在化学、催化、高分子、表面科学、生命科学等领域得到广泛应用。
许多化合物都能产生SERS效应，既有无机分子，又有有机分子，甚至大分子。研究的最多的是吡啶等杂环化合物，如甲基吡啶、甲基紫、联吡啶、哌啶、吡嗪、氰基吡啶，它们一般都有较强的SERS效应。一些染料、金属络合物、生物分子和无机分子的SERS光谱也被广泛研究。有些化合物，如水、氨和苯等在某种条件下也能观察到它们的SERS光谱。
SERS检测中用到的增强基底对其增强因子的大小起到关键作用。现今已有关于利用SERS技术进行单分子检测的报道。传统的SERS技术采用金属溶胶作为增强基底，SERS信号的强度和稳定性往往得不到保证。新的稳定的基底的研究是近年来SERS领域的重点，目前已经发展出很多具有良好增强作用的金属纳米颗粒和增强芯片，为低含量物质的快速分析检测提供了保证。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是针对表面增强拉曼光谱检测的方法增强基底稳定性不高，检测灵敏度较低的缺陷，提供一种改良的表面增强拉曼光谱检测的方法，其增强基底稳定性好，检测灵敏度大大提高，可检测浓度低至10-18mol/L的被测物。
本发明人经过广泛的研究和反复的试验，发现采用多孔材料和金属纳米颗粒结合作为增强基底，可以使被测物质的拉曼信号得到极大增强，从而提高拉曼分析的灵敏度，实现表面增强拉曼的超灵敏检测，拓展了现有表面增强拉曼分析技术的检测方法。
本发明的技术方案如下：一种在多孔材料表面进行表面增强拉曼光谱检测的方法，其特征在于，包括：
a)将被测物与金属纳米颗粒结合后附着于多孔材料表面，或
b)将金属纳米颗粒先附着于多孔材料表面，再将被测物与附着于多孔材料表面的金属纳米颗粒结合；
c)然后检测步骤a)或步骤b)所得材料表面的表面增强拉曼信号。
本发明中，所述的多孔材料包括无机多孔材料、有机多孔材料和有机无机杂化材料。所述的多孔材料是微孔(孔径≤2nm)、介孔(2nm＜孔径＜50nm)或大孔(孔径≥50nm)的结构，都可以适用于本发明。这些多孔材料可以包括硅胶类多孔材料、丙烯酰胺类多孔材料、甲基丙烯酸酯类多孔材料、聚苯乙烯类多孔材料、金属多孔材料、陶瓷多孔材料、硅胶多孔材料、包裹式多孔材料、开孔型橡胶、塑料多孔材料。所述的多孔材料优选甲基丙烯酸酯类、硅胶类。
本发明中，选择的金属纳米颗粒应该具有良好的表面增强拉曼效果，可以选自金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒和过渡金属纳米颗粒。纳米颗粒的粒径为1-500nm。
步骤a)中，被测物与金属纳米颗粒结合的方法可以是本领域常规，将被测物水溶液和金属纳米颗粒溶胶在一定条件下混合即可。被测物和金属纳米颗粒结合时可以采用化学或物理方法促进结合。
步骤a)中，将被测物与金属纳米颗粒结合的产物附着于多孔材料表面的方法，较佳的包括将该产物溶液滴加加于多孔材料表面，滴加的速度较佳的为1滴/小时-30000滴/小时，以保证金属纳米颗粒能附着在多孔材料表面。
步骤b)中，将金属纳米颗粒附着于多孔材料表面的方法较佳的包括将金属纳米颗粒溶胶滴加于多孔材料表面，滴加的速度较佳的为1滴/小时-30000滴/小时，以保证金属纳米颗粒能附着在多孔材料表面。
步骤b)中，将被测物与附着于多孔材料表面的金属纳米颗粒结合的方法，也是包括将被测物水溶液胶滴加于步骤a)所得的多孔材料表面，滴加的速度较佳的为1滴/小时-30000滴/小时。
步骤c)中所述的检测步骤a)或步骤b)所得材料表面的表面增强拉曼信号的方法是常规方法，将激光聚焦到被测物表面，读取光谱数据即可。
本发明的被测物可以是水溶性的化学、生物样品。
本方法可以用于化学、生物样品的检测。
本发明所用的原料或试剂除特别说明之外，均市售可得。
相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用多孔材料，利用多孔材料的表面形态及其特有的孔结构，使金属纳米颗粒和被测分子得以附着并产生SERS信号，实现对低浓度甚至单分子被测物质的检测。
(2)本发明能实现极低含量物质的快速检测，在实施例1中所述的方法能够检测浓度低至10-18mol/L的罗丹明6G(R6G)。本发明在保持了表面增强拉曼光谱分析方法简单快速和适合现场分析等优点的前提下，有效地提高了检测灵敏度，达到对低含量物质进行表面增强拉曼光谱检测的目的。
(3)本发明采用的多孔材料来源广泛、使用方便，能广泛适用于化学及生物样品的检测。
(4)本发明对被测物样品的需求量少，可以低至微升级，能满足微量物质的检测。
附图说明
以下结合附图说明本发明的特征和有益效果。
图1是在多孔材料表面进行表面增强拉曼光谱检测的技术路线示意图。
图2是R6G的SERS谱图及聚甲基丙烯酸酯整体柱的拉曼光谱。其中：a为10-9mol/L的R6G溶液的SERS信号；b为10-18mol/L的R6G结合银溶胶后附着在整体柱上的SERS信号；c为整体柱的拉曼信号。
图3是R6G的SERS谱图及硅胶整体柱的拉曼光谱。其中：a为10-9mol/L的R6G溶液的SERS信号；b为10-14mol/L的R6G结合金溶胶后附着在硅胶整体柱上的SERS信号；c为硅胶整体柱的拉曼信号。
图4是胸腺嘧啶的SERS谱图及聚甲基丙烯酸酯整体柱的拉曼光谱。其中：a为胸腺嘧啶固体的拉曼信号；b为10-8mol/L的胸腺嘧啶结合银溶胶后附着在聚甲基丙烯酸酯整体柱上的SERS信号；c为聚甲基丙烯酸酯整体柱的拉曼信号。
图5是罗丹明6G的SERS谱图及聚甲基丙烯酸酯整体柱的拉曼光谱。其中：a为-9mol/L的R6G溶液的SERS信号；b为10-15mol/L的R6G直接滴加在附着了银溶胶的整体柱上的SERS信号；c为整体柱的拉曼信号。
具体实施方式
以下提供本发明一种在多孔材料表面低浓度罗丹明6G(R6G)的表面增强拉曼光谱检测的具体实施方式，用以进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。其中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。本发明中所述的“室温”是指实验操作间的温度，一般为25℃。
实施例1
在色谱分析中常用的整体柱是有机多孔材料的一种，具有一定表面形貌和孔径，下面以聚甲基丙烯酸酯整体柱，结合纳米银溶胶，用于低浓度罗丹明6G(R6G)的表面增强拉曼检测为例，并结合附图对本发明作进一步说明。操作过程参见图1，实验结果参见图2。
(1)聚甲基丙烯酸酯整体柱
聚甲基丙烯酸酯整体柱的合成：称取(单体)甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA1.2960g，(交联剂)二甲基丙烯酸乙二酯EDMA 0.8640g，(引发剂)过氧化苯甲酰BPO 0.0216g，(致孔剂)十二醇0.5184g和环己醇2.7216g，倒入长8cm直径1.5cm的直型塑料模具中，通氮气至BPO完全溶解。隔绝空气放入60℃烘箱中，恒温反应24h。从烘箱中取出直型模具，用10倍柱体积的乙醇和10倍柱体积的超纯水完全洗去致孔剂，即可得到整体柱材料。
(2)纳米银溶胶
取18mg的硝酸银溶于100mL的超纯水中，将其加热至沸腾后不断搅拌硝酸银溶液，同时逐滴缓慢加入3mL柠檬酸钠溶液(1％)，滴加完成后，继续不断搅拌并保持溶液沸腾10分钟，之后停止加热，自然冷却至室温，得到呈灰色的银溶胶。保存于棕色广口瓶中。该纳米银颗粒粒径是50nm左右。
(3)罗丹明6G(R6G)吸附于纳米银溶胶上
取2mL浓度为10-18mol/L的R6G水溶液，加入1mL上述步骤(2)所得的纳米银溶胶和500μL浓度为100mmol/L的NaCl溶液，混合均匀。
(4)纳米银颗粒附着于整体柱材料上
取2mL上述步骤(3)所得的吸附了R6G的纳米银溶胶，滴加(滴加速度为60滴/小时)到上述步骤(1)所得的整体柱材料表面，纳米银颗粒会滞留在材料表面而其余液体则顺着整体柱材料中的孔洞流出。
(5)SERS检测
选用的拉曼激发波长为785nm，将激光聚焦于上述步骤(4)所得的整体柱材料表面，采集时间15s，激光强度100mW。最终可以得到清晰的R6GSERS谱峰。整体柱材料上R6G的SERS信号与R6G溶液的SERS信号能完全对应。虽然能观察到整体柱材料的拉曼信号，但完全不干扰R6G的谱峰识别，实验结果参见图2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
实施例2
在色谱分析中常用的整体柱是有机多孔材料的一种，具有一定表面形貌和孔径，下面以硅胶整体柱，结合纳米金溶胶，用于低浓度罗丹明6G(R6G)的表面增强拉曼检测为例，并结合附图对本发明作进一步说明。操作过程参见图1，实验结果参见图3。
(1)硅胶整体柱
将聚乙二醇(PEG)与四甲氧基硅烷(TMOS)以一定比例混合，溶于乙酸溶液中。在冰浴下搅拌40min，使其均匀混合。混合物经超声脱气后，注入长10cm直径1.0cm的直型塑料模具中。于40℃下，静置2hr凝胶化。同样温度下陈化24hr。然后用氨水热处理。湿硅胶柱分别用6300.00mg·L-1HNO3、水和60％(体积比)的N，N-二甲基甲酰胺水溶液浸泡。湿硅胶柱经60℃恒温干燥10hr，700℃灼烧2hr后，即得硅胶整体柱。
(2)纳米金溶胶
在冰浴条件下，边搅拌边将100mL浓度为5×10-3mol/L的HAuCl4溶液缓慢加入300mL浓度为2×10-3mol/L的NaBH4溶液中。之后逐滴加入50mLPVA溶液(1％)，滴加完成后，继续不断搅拌并保持溶液沸腾1小时，之后停止加热，自然冷却至室温，得到呈红色的金溶胶，粒径在30nm左右。
(3)罗丹明6G(R6G)吸附于纳米金溶胶上
取2mL浓度为10-14mol/L的R6G水溶液，加入1mL上述步骤(2)所得的纳米金溶胶和500μL浓度为100mmol/L的NaCl溶液，混合均匀。
(4)纳米金颗粒附着于整体柱材料上
取2mL上述步骤(3)所得的吸附了R6G的纳米金溶胶，滴加(滴加速度为60滴/小时)到上述步骤(1)所得的硅胶整体柱材料表面，纳米金颗粒会滞留在材料表面而其余液体则顺着整体柱材料中的孔洞流出。
(5)SERS检测
选用的拉曼激发波长为785nm，将激光聚焦于上述步骤(4)所得的整体柱材料表面，采集时间10s，激光强度200mW。最终可以得到清晰的R6GSERS谱峰。整体柱材料上R6G的SERS信号与R6G溶液的SERS信号能完全对应。硅胶整体柱材料几乎没有拉曼信号，不会干扰R6G的谱峰识别，实验结果参见图3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
实施例3
在色谱分析中常用的整体柱是有机多孔材料的一种，具有一定表面形貌和孔径，下面以聚甲基丙烯酸酯整体柱，结合纳米银溶胶，用于低浓度胸腺嘧啶的表面增强拉曼检测为例，并结合附图对本发明作进一步说明。操作过程参见图1，实验结果参见图4。
(1)聚甲基丙烯酸酯整体柱
聚甲基丙烯酸酯整体柱的合成：称取(单体)甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA1.2960g，(交联剂)二甲基丙烯酸乙二酯EDMA 0.8640g，(引发剂)过氧化苯甲酰BPO 0.0216g，(致孔剂)十二醇0.5184g和环己醇2.7216g，倒入长8cm直径1.5cm的直型塑料模具中，通氮气至BPO完全溶解。隔绝空气放入60℃烘箱中，恒温反应24h。从烘箱中取出直型模具，用10倍柱体积的乙醇和10倍柱体积的超纯水完全洗去致孔剂，即可得到整体柱材料。
(2)纳米银溶胶
取18mg的硝酸银溶于100mL的超纯水中，将其加热至沸腾后不断搅拌硝酸银溶液，同时逐滴缓慢加入3mL柠檬酸钠溶液(1％)，滴加完成后，继续不断搅拌并保持溶液沸腾10分钟，之后停止加热，自然冷却至室温，得到粒径为50nm左右呈灰色的银溶胶。
(3)胸腺嘧啶吸附于纳米银溶胶上
取2mL浓度为10-8mol/L的胸腺嘧啶水溶液，加入1mL上述步骤(2)所得的纳米银溶胶和500μL浓度为100mmol/L的NaCl溶液，混合均匀。
(4)纳米银颗粒附着于整体柱材料上
取2mL上述步骤(3)所得的吸附了胸腺嘧啶的纳米银溶胶，滴加(滴加速度为150滴/小时)到上述步骤(1)所得的整体柱材料表面，纳米银颗粒会滞留在材料表面而其余液体则顺着整体柱材料中的孔洞流出。
(5)SERS检测
选用的拉曼激发波长为785nm，将激光聚焦于上述步骤(4)所得的整体柱材料表面，采集时间10s，激光强度300mW。最终可以得到清晰的胸腺嘧啶SERS谱峰。整体柱材料上胸腺嘧啶的SERS信号与胸腺嘧啶固体的拉曼信号能基本对应。聚甲基丙烯酸酯整体柱材料的拉曼信号不会干扰胸腺嘧啶的谱峰识别，实验结果参见图4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
实施例4
在色谱分析中常用的整体柱是有机多孔材料的一种，具有一定表面形貌和孔径，下面以聚甲基丙烯酸酯整体柱，结合纳米银溶胶，用于低浓度罗丹明6G(R6G)的表面增强拉曼检测为例，并结合附图对本发明作进一步说明。操作过程参见图1，实验结果参见图5。
(1)聚甲基丙烯酸酯整体柱
聚甲基丙烯酸酯整体柱的合成：称取(单体)甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA1.2960g，(交联剂)二甲基丙烯酸乙二酯EDMA 0.8640g，(引发剂)过氧化苯甲酰BPO 0.0216g，(致孔剂)十二醇0.5184g和环己醇2.7216g，倒入长8cm直径1.5cm的直型塑料模具中，通氮气至BPO完全溶解。隔绝空气放入60℃烘箱中，恒温反应24h。从烘箱中取出直型模具，用10倍柱体积的乙醇和10倍柱体积的超纯水完全洗去致孔剂，即可得到整体柱材料。
(2)纳米银溶胶
取18mg的硝酸银溶于100mL的超纯水中，将其加热至沸腾后不断搅拌硝酸银溶液，同时逐滴缓慢加入3mL柠檬酸钠溶液(1％)，滴加完成后，继续不断搅拌并保持溶液沸腾10分钟，之后停止加热，自然冷却至室温，得到呈灰色的银溶胶，粒径为50nm左右。
(3)纳米银溶胶附着在整体柱上
将2mL上述步骤(2)所得的纳米银溶胶滴加(滴加速度为60滴/小时)到上述步骤(1)所得的整体柱上，纳米银颗粒会滞留在材料表面而其余液体则顺着整体柱材料中的孔洞流出。
(4)R6G吸附在附着于整体柱材料表面的纳米银颗粒上
取500μL浓度为10-15mol/L的R6G溶液，滴加(滴加速度为100滴/小时)到上述步骤(3)所得的附着了纳米银溶胶的整体柱材料表面，R6G分子会吸附在纳米银颗粒上。
(5)SERS检测
选用的拉曼激发波长为785nm，将激光聚焦于上述步骤(4)所得的整体柱材料表面，采集时间15s，激光强度150mW。最终可以得到清晰的R6GSERS谱峰。整体柱材料上R6G的SERS信号与R6G溶液的SERS信号能完全对应。整体柱材料的拉曼信号完全不干扰R6G的谱峰识别，实验结果参见图5。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在多孔材料表面进行表面增强拉曼光谱检测的方法，其特征在于，包括：
a)将被测物与金属纳米颗粒结合后附着于多孔材料表面，或
b)将金属纳米颗粒先附着于多孔材料表面，再将被测物与附着于多孔材料表面的金属纳米颗粒结合；
c)然后检测步骤a)或步骤b)所得材料表面的表面增强拉曼信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多孔材料是微孔、介孔或大孔结构的材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的多孔材料选自硅胶多孔材料、丙烯酰胺多孔材料、甲基丙烯酸酯多孔材料、聚苯乙烯多孔材料、金属多孔材料、陶瓷多孔材料、包裹式多孔材料、开孔型橡胶和塑料多孔材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属纳米颗粒选自金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒和过渡金属纳米颗粒。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属纳米颗粒的粒径为1-500nm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)中，被测物与金属纳米颗粒结合的方法包括将被测物水溶液和金属纳米颗粒溶胶在一定条件下混合即可。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)中，将被测物与金属纳米颗粒结合的产物附着于多孔材料表面的方法包括将该产物溶液滴加加于多孔材料表面。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)中，将金属纳米颗粒附着于多孔材料表面的方法包括将金属纳米颗粒溶胶滴加于多孔材料表面。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)中，将被测物与附着于多孔材料表面的金属纳米颗粒结合的方法包括将被测物水溶液滴加于步骤a)所得的多孔材料表面。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的被测物是水溶性的化学、生物样品。
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