CN103115912B

CN103115912B - 一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸及其制备方法

Info

Publication number: CN103115912B
Application number: CN201310024149.9A
Authority: CN
Inventors: 杨良保; 刘洪林; 刘锦淮; 田中群
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103115912A

Abstract

本发明提供一种高重现性、超稳定性的表面增强拉曼光谱打印试纸及其制备方法，以及其对农药残留、爆炸物、兴奋剂、环境污染物和非法添加剂等进行现场检测的应用。本发明利用纸张表面多羟基与非拉曼活性物质无机纳米氧化物颗粒发生弱的相互作用，并在无机纳米氧化物上通过化学方法修饰上功能基团，使这些基团主动抓捕和固定贵金属纳米颗粒，同时纳米氧化物起到平整化和覆盖纸张本身信号的作用，从而保证SERS检测的重复性和稳定性。并提高了对拉曼信号的快速检测，扩大了其检测的范围，可适用于固、液、气三态物质的检测。

Description

一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸及其制备方法

技术领域

本发明属于灵敏检测分析技术领域，具体的说是涉及一种高重现性、超稳定性的表面增强拉曼光谱打印试纸及其制备方法，以及其对农药残留、爆炸物、兴奋剂、环境污染物和非法添加剂等进行现场检测的应用。

背景技术：

表面增强拉曼光谱（SERS）技术是一种重要的痕量分析检测手段，可在极其复杂的体系中仅仅增强目标分子或基团而得到简单明了的光谱信息，并可使增强因子达到10¹⁴－10¹⁵，使单分子检测成为可能。经过几十年的迅猛发展，围绕化学方法和物理方法进行SERS基底的制备方面进行了各种探索，取得了许多可喜可贺的成绩。但SERS技术还存在如SERS基底重现性差、稳定性差的重要技术问题。目前的化学合成方法中，SERS基底的重现性和稳定性一般都比较差；物理方法方法中，可以实现SERS基底重现性和稳定性的要求，但需要大型设备，且费时、费事。

众所周知，现场检测是SERS技术最重要的应用方向之一。而要实现对样品的现场检测，必须有与之相匹配的SERS基底。这样的SERS基底必须满足以下条件：一是简单、易操作；二是重现性与稳定性好；三是检测灵敏度高；四是性价比高，经受住市场的考验。鉴于此，由于纸质的SERS基底具备薄、轻、储存能力大、制作工艺简单、样品采集容易、便于携带、低成本、可批量生产，容易吸附与富集待测分子等特点和优势，有望成为最佳选择。

目前，把贵金属纳米粒子沉积到纸质材料上已见报道，这些研究都是在纸质基底上进行基础研究。如中国专利申请CN102628809A公开了一种表面增强拉曼检测试纸及其应用，其通过物理气相沉积或化学镀技术在具有天然微纳多级结构的纸表面覆盖贵金属膜后得到。但该申请中在20-100微米尺度、400-1000nm的表面褶皱结构的纸上覆盖上5-90nm的贵金属纳米颗粒，在此基础上采集得到的SERS信号差异性大、重现性差；即使对于信号强的罗丹明6G分子或氨基苯硫酚指示分子的信号也是时有时无。另外，在微米粗糙度的纸表面根本不可能完全覆盖上100nm以下的贵金属颗粒，势必造成硫酸纸、报纸等纸质材料本身的拉曼信号暴露出来，严重干扰甚至淹没了待测分子的拉曼信号。最近，也有文献报道在纤维素纸上打印贵金属纳米颗粒形成纸质SERS基底(Anal. Chem. 2010, 82, 9626–9630)，该文献指出在纸上打印纳米粒子之前，先用ASA对纸进行疏水处理，从而来提高检查灵敏度，但在微米粗糙度的纸张上打印纳米颗粒，同样不能解决其基底表面平整度的问题，从而使SERS信号的稳定性和重现性就得不到保证。

应用于现场检测的纸质SERS基底，必须要从纸质的表面平整化处理、单分散性最佳贵金属纳米颗粒的粒径优化、促使SERS信号的高重现性和稳定性，从而保证结果的可靠性。从而使纸质SERS基底从实验室走向田间地头、超市、事发现场。

发明内容

针对目前由于纸质SERS基底的表面呈微米结构，其粗糙度大，贵金属纳米粒子只是通过简单的物理方法沉积或打印上去，导致检测信号不稳定、信号重复性差；还会将纸质本身的拉曼信号极大的增强，干扰待测分子的拉曼信号而不适合现场检测等问题，本发明提供一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸，保证SERS检测信号的重复性和稳定性，提高了SERS检测效果。

本发明的第二个目的是提供表面增强拉曼光谱打印试纸的制备方法。

本发明的第三个目的是提供表面增强拉曼光谱打印试纸的用途。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸，在经过无机氧化物纳米粒子表面功能化处理后的纸张表面通过喷墨打印技术覆盖上单分散性贵金属纳米颗粒层而形成表面增强拉曼光谱打印试纸。

上述方案的优选方案是，所述无机氧化物纳米粒子上指粒径为100-150nm的二氧化硅（SiO₂）或二氧化钛（TiO₂）。

所述纸张为普通打印纸、滤纸或滤膜；所述表面增强拉曼光谱打印试纸的表面平整度为低于500nm的微纳结构。

所述贵金属纳米颗粒是指粒径为50-100nm的金、银或金银合金纳米颗粒。

所述贵金属纳米颗粒层厚为100-200nm，其在光斑范围内为低于100nm平整度的纳米结构。

制备上述的一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸的方法：包括如下步骤：

（1）将纸张放入无机氧化物纳米粒子的溶胶中浸泡2-10分钟后，按照倾斜角为15-25度缓慢取出烘干；或将无机氧化物纳米粒子的溶胶作为墨水打印到纸张上、烘干；

（2）将经（1）处理后表面覆盖有无机氧化物的纸张置于体积比为1：1000-200的3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）与乙醇的混合液或3-（三苯甲基巯基）丙酸与乙醇的混合液中，10-30分钟后取出烘干得纸张基底；

（3）将贵金属的前驱物水溶液加热至沸腾，然后加入质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液反应制得单分散性贵金属纳米颗粒；

（4）将（3）中贵金属纳米颗粒经过5000转/分钟的离心，倒掉95%的上清液后，再按照每10mL加入1－3mL的丙三醇来调节其粘度和表面张力，制得纳米贵金属墨水；

（5）将（4）中纳米贵金属墨水放在喷墨打印机墨盒里，应用压电原理，驱使墨水打印到（2）中的纸张基底上，得表面增强拉曼光谱打印试纸。

所述步骤（1）中无机氧化物纳米粒子为粒径为100-150nm的二氧化硅、二氧化钛。

所述步骤（3）中所述贵金属为金、银或金银合金。

所述步骤（4）中制得纳米贵金属墨水用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜来除去墨水中的大颗粒。

本发明的表面增强拉曼光谱打印试纸的用途主要有：

所述表面增强拉曼光谱打印试纸应用于生物或化学探针分子的现场检测，所述探针分子为农药残留、爆炸物、兴奋剂类、环境污染物或添加剂分子。

本发明的SERS打印试纸不仅适用于像罗丹明6G、对巯基苯胺等拉曼信号特别强的染料分子的检测，还能适用于对农药残留、兴奋剂、爆炸物、有机污染物和添加剂等拉曼信号不太强的分子进行检测。拓展了SERS打印试纸应用对象和范围，提高检测的快速性与稳定性。

本发明先选用普通的打印纸、滤纸、相纸和滤膜等纸张进行表面平整化处理，由于纸张的表面粗糙度很高，是微米尺度的纤维结构，纤维表面还有几百个纳米的褶皱结构，而这些微纳结构的表面含有极其丰富的羟基。而无机氧化物纳米粒子如氧化硅或氧化钛在水中可与水分子发生水合作用，并在纸张表面形成大量的氢键和物理吸附，即利用纸张表面的微纳结构和表面羟基与无机氧化物纳米粒子产生氢键和物理吸附原理，使无机氧化物纳米粒子固定在纸张的表面。再将表面覆盖有无机氧化物的纸张置于体积比为1：1000-200的3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）与乙醇的混合液或3-（三苯甲基巯基）丙酸与乙醇的混合液中，10-30分钟后取出烘干得纸张基底。

同时，采用柠檬酸钠还原的方法合成金、银或金银合金纳米颗粒，即将含有金、银或金银合金这些贵金属的水溶液加热至沸腾，然后加入质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液反应制得单分散性贵金属纳米颗粒。具体如下：

银纳米颗粒的合成就是将200 mL摩尔浓度为1 mol / L 的AgNO₃ 水溶液加热至沸腾，加入6 mL质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液，溶液颜色从先前的无色透明逐渐变成乳白色，并略带绿色，继续保持微沸3 h, 停止反应, 水浴冷却，即得到粒径约为80 nm 银纳米粒子，避光保存；

金纳米颗粒的合成就是将200 mL质量百分比为0.01%的HAuCl₄ 水溶液加热至沸腾，迅速加入1.4 mL质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液，约1 min 后溶液颜色从先前的淡黄色变成黑色，2～3min 后又变成棕红色, 继续保持微沸40min, 停止反应, 水浴冷却，即得到综红色粒径约为55 nm 的金纳米粒子。

金银合金纳米颗粒的合成就是利用在合成银纳米颗粒基础上，添加适量的HAuCl₄就可得到。

本发明中贵金属纳米颗粒的制备还可根据需要，增加或减少柠檬酸钠的量来得到控制合成纳米颗粒大小的目的。

再将制备的贵金属纳米颗粒经过5000转/分钟的离心后，倒掉95%的上清液后，再按照每10mL加入1－3mL的丙三醇来调节其粘度和表面张力，制得纳米贵金属墨水。再将纳米贵金属墨水放在喷墨打印机中不同标记的墨盒里，应用压电原理，驱使着墨水打印到处理后的纸张基底上，即得到表面增强拉曼光谱打印试纸。由于纸张表面含有大量的功能化基团如氨基或巯基，当纳米贵金属墨水打印到纸张基底的表面时，就会发生配位作用。从而使纳米贵金属颗粒牢固的抓捕在固定的位置，避免了贵金属纳米颗粒在检测是产生移动。在拉曼光谱仪下对上述表面增强拉曼光谱打印试纸上进行待测物质检测分析。

本发明的科学原理分析：

一、纸张表面的平整化必要性的的SERS理论依据：

SERS探究的是材料的表面性能，对于共聚焦拉曼光谱仪来说，由于光斑大小只有2个微米左右，材料表面的粗糙度最好在十几个纳米以下；对于便携式拉曼光谱仪来说，虽说光斑大小在10个微米左右，表面粗糙度要求也要在几十个纳米以下。而一般情况下纸张表面粗糙度都很高，是微米尺度的纤维结构。要想实现高重复性和高稳定性检测，必须对纸张表面进行平整化处理。

本发明采用SiO₂、TiO₂等无机纳米氧化物表面的羟基通过共价耦合与APTMS产生作用，从而在纸张表面修饰上大量的氨基。

二、纸张表面洁净化处理必要性的SERS检测依据：

SERS检测的一个基本要求是对SERS基底本身不能带来干扰。而原始纸张在加工的过程中添加了多种化学物质，背景峰比较复杂。当在纸张表面覆盖上非拉曼活性的无机纳米氧化物时，避免了纸张自身的拉曼信号对待测物的干扰。

三、无机纳米氧化物与纸质表面作用的原理：

纸张表面含有的大量丰富的羟基与纳米氧化物产生氢键作用，同时纸张表面的微纳结构和无机纳米氧化物可以产生物理吸附，从而固定住无机氧化物纳米颗粒。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提出一种利用纸张表面多羟基与非拉曼活性物质无机纳米氧化物颗粒发生弱的相互作用，并在无机纳米氧化物上通过化学方法修饰上功能基团，使这些基团主动抓捕和固定贵金属纳米颗粒，同时纳米氧化物起到平整化和覆盖纸张本身信号的作用，从而保证SERS检测的重复性和稳定性。

2、由于本发明首先对纸张的表面进行平整化和洁净化处理，使打印试纸具有了在硅片或玻璃片等载体上制备出的SERS基底的基本性能，避免因纸质材料本身的拉曼信号而干扰待测分子的拉曼信号，提高其检测的效果。

3、对SiO₂、TiO₂等无机氧化物纳米颗粒对纸张表面进行功能化处理，修饰上大量的氨基或巯基，氨基或巯基上的氮原子与贵金属金或银产生配位作用，形成配位键，从而抓捕和固定贵金属纳米颗粒，当待测物溶液滴加到其基底上时，在激光的照射下，纳米粒子位置也相对固定，从而保证了电磁场的相对稳定，提高检测信号的稳定性与重复性。

4、选用单分散性的贵金属纳米颗粒，保证了电磁场强度的相对稳定；并使其粒径在50-100nm范围内，保证了检测信号的最大增强。

5、拓展了SERS打印试纸应用对象和范围：本发明的SERS打印试纸不仅适用于像罗丹明6G、对巯基苯胺等拉曼信号特别强的染料分子的检测，还能适用于对农药残留、兴奋剂、爆炸物、有机污染物和添加剂等拉曼信号不太强的分子进行检测。

6、本发明的SERS打印试纸提高了对拉曼信号的快速检测，实现表面增强拉曼光谱检测技术从实验室走向田间地头、农贸市场、超市等事件现场，并反过来推动了拉曼光谱仪的发展。

7、本发明的原材料价格相当便宜，制作工艺也很简单，采用打印的方式，大大提高了纸张基底的性能，性价比高，样品采集容易、便于携带、可生物可降解、环境友好、可批量生产。

8、本发明的SERS打印试纸适用于固、液、气三态物质的检测：液态物质的检测是可以将液体直接滴加到表面增强拉曼光谱打印试纸上或将表面增强拉曼光谱打印试纸浸入其中来进行检测；对于固体物质的检测，可以先将表面增强拉曼光谱打印试纸润湿，再用其对待测物进行擦拭，使待测物萃取到试纸上；对于气体的检测，可以将表面增强拉曼光谱打印试纸润湿后，放入到注射器内，然后将待测气体抽入，从而使待测气体扩散富集到表面增强拉曼光谱打印试纸上。

9、SERS打印试纸是平整和洁净的SERS基底，又是便携的SERS基底。因此，它不仅适用于实验室的激光共聚焦显微拉曼，尤其适用于便携式拉曼光谱仪，通过打印上金、银或金包银的贵金属纳米颗粒，激光波长可选择从532nm、633nm或785nm，并可通过打印的次数来调节表面等离子共振峰的位置，从而选择最优的激光波长。

10、由于贵金属纳米粒子在溶胶状态下容易团聚，在干态条件下容易和空气中的氧气发生反应。而本发明采用打印形成的SERS基底打印试纸，适宜于真空包装或充氮包装，从而大大延长了其保质期。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1：不同种类原始纸张的扫描电镜图：(a)普通打印纸；(b)滤纸；(c)滤膜；(d)相纸。

图2：不同粒径二氧化硅纳米小球的扫描电镜图：（a）粒径为150nm二氧化硅纳米小球的扫描电镜图；（b）粒径为200nm二氧化硅纳米小球的扫描电镜图。

图3：在纸张表面修饰上二氧化硅纳米小球后的扫描电镜图：（a）纸张表面修饰上粒径为150nm二氧化硅纳米小球后的扫描电镜图；（b）纸张表面修饰上粒径为200nm二氧化硅纳米小球后的扫描电镜图。

图4：在二氧化硅纳米小球的氨基化的FT-IR谱图：图中曲线(l)是未修饰的二氧化硅，曲线(2)是修饰了APTMS的二氧化硅。

图5：单分散性的银纳米颗粒的扫描电镜图（a）和紫外-可见光谱图（b）。

图6：单分散性的金纳米颗粒的扫描电镜图（a）和紫外-可见光谱图（b）。

图7：在表面覆盖有氨基化的二氧化硅小球的纸张上打印银纳米颗粒，(a)扫描电镜图，(b)X-光粉末衍射。

图8：金墨水打印在普通纸张上的光学图和模拟打印光斑的形状。

图9：银墨水打印在经无机氧化物纳米颗粒表面处理后的滤纸基底上的光学对照图。

图10：金、银复合打印在纸张基底上的扫描电镜图：（a）是金银同时打印（即彩打模式）的扫描电镜图；（b）是在（a）的基础上再打印1次银；（c）是在（a）的基础上再打印一次金；（d）是在（a）的基础上再同时打印金、银的扫描电镜图。扫描电镜图的下层是其对应的光学照片。

图11：应用银纳米颗打印的SERS打印试纸对结晶紫（CV）的灵敏性SERS光谱图。

图12：针对R6G进行3D-SERS光谱图，（a）未表面处理的普通纸张，（b）本发明的纸张基底。

图13：银纳米颗粒打印SERS打印试纸对R6G的重复性检测的SERS谱图。

图14：银纳米颗粒打印SERS打印试纸对R6G的稳定性检测的SERS谱图。

图15：银纳米颗粒打印SERS打印试纸对农药残留的检测SERS谱图：(a)福美双；(b)对硫磷。

图16：银纳米颗粒打印SERS打印试纸对爆炸物TNT的检测SERS谱图。

图17：银纳米颗粒打印SERS打印试纸对不同兴奋剂的检测SERS谱图(a) 巴比妥；(b)那可汀；(c)摇头丸；(d)盐酸罂粟碱。

图18：银纳米颗粒打印SERS打印试纸用于便携式拉曼光谱仪对农药福美双残留的检测SERS谱图。

图19：银纳米颗粒打印SERS打印试纸用于便携式拉曼光谱仪对兴奋剂的痕量残留检测SERS谱图。

图20：本发明的SERS打印试纸用于固体（a）、气体（b）和液体（c）检测的实物光学照片。

图21：本发明的SERS打印试纸用于富集检测。

具体实施方式

本发明首先是对纸张表面进行平整化和洁净化处理，在此基础上再对纸张进行功能化，使打印上的贵金属纳米颗粒能够牢固的结合在纸张上，从而实现对待测目标物的高重复性和超稳定性现场快速检测，同时拓展了SERS应用检测的范围和领域。具体实施例如下：

实施例1：一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸的制备方法：包括如下步骤：

（1）将将纸张放入粒径为150nm的二氧化硅纳米粒子的溶胶中浸泡10分钟后，按照倾斜角为15度缓慢取出，平放在干燥箱内，80℃干燥60分钟；

（2）将经（1）处理后表面覆盖有二氧化硅的纸张置于体积比为1：200的3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）与乙醇的混合液中，30分钟后取出烘干得纸张基底；

（3）将金的水溶液加热至沸腾，然后加入质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液反应制得单分散性金纳米颗粒；

（4）将（3）中金纳米颗粒经过5000转/分钟的离心，倒掉95%的上清液后，再按照每10mL加入3mL的丙三醇来调节其粘度和表面张力，制得纳米银墨水；并用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜来除去墨水中的大颗粒。

（5）将（4）中纳米金墨水放在喷墨打印机墨盒里，应用压电原理，驱使纳米金墨水打印到（2）中的纸张基底上，得表面增强拉曼光谱（SERS）打印试纸。

实施例2：一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸的制备方法：包括如下步骤：

（1）将粒径为100nm的二氧化钛纳米粒子的溶胶作为墨水打印到纸张上，然后平放在干燥箱内，80℃干燥30分钟；

（2）将经（1）处理后表面覆盖有二氧化钛的纸张置于体积比为1：1000的3-（三苯甲基巯基）丙酸与乙醇的混合液中，10分钟后取出烘干得纸张基底；

（3）将银的水溶液加热至沸腾，然后加入质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液反应制得单分散性银纳米颗粒；

（4）将（3）中银纳米颗粒经过5000转/分钟的离心，倒掉95%的上清液后，再按照每10mL加入1mL的丙三醇来调节其粘度和表面张力，制得纳米银墨水；用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜来除去墨水中的大颗粒。

（5）将（4）中纳米银墨水放在喷墨打印机墨盒里，应用压电原理，驱使纳米银墨水打印到（2）中的纸张基底上，得表面增强拉曼光谱（SERS）打印试纸。

实施例3：表面处理并功能化的SERS打印试纸在共聚焦激光显微拉曼光谱仪中对目标分子检测

（1）纸张的选择

由于采用打印的方式来实现SERS纸张基底的制备，就选择常见的打印纸、滤纸、滤膜和相纸（分别对应于图1中的a、b、c、d）。从图中可以看出这些纸的表面都是由数十个微米的纤维结构或数个微米的单元构成。

（2）二氧化硅纳米小球合成与选择

二氧化硅是一种无毒、无味、无污染的非金属材料，并具有光学透明性、非拉曼活性、生物兼容性等特点。本实验所使用的前驱物是TEOS，以NH₃为催化剂、乙醇为溶剂，首先将TEOS和适量的乙醇混合加入 500mL带有磨口塞的三颈锥圆底烧瓶中，用磁力搅拌器以固定转速为500转/分搅拌 3min，使TEOS与乙醇充分混合；同样将适量的去离子水和氨水混合，并以固定转速为500转/分进搅拌均匀后将其迅速的加入到上述反应液中，以 750转/分搅拌三分钟后，再以500转/分搅拌15-18h，即可制得二氧化硅纳米溶胶溶液。

在实验过程中，氨水的加入必须迅速，反应容器的容积不能太小，以免分散不均匀引起二氧化硅粒子的团聚形成颗粒过大。

如图2所示是在25摄氏度条件下，TEOS的体积为3.5mL、水为1.4mL、氨水为3mL和4mL得到的粒径分别为150nm和200nm的二氧化硅小球。

所以考虑到纸张的表面结构，本发明中无机氧化物纳米粒子可以选择150nm或200nm的二氧化硅或二氧化钛的小球作为纸张表面填充剂。

（3）将二氧化硅小球修饰到纸张表面及其氨基化处理

由于纸张表面含有大量的羟基，其可以与活性二氧化硅纳米粒子产生氢键作用，同时纸张表面的微纳结构和无机纳米氧化物可以产生物理吸附。如图3所示是粒径分别为150nm和200nm的二氧化硅小球修饰到普通打印纸上的扫描电镜图。从图中可以看出，纸张表面的粗糙度大幅度下降，有利于后面贵金属纳米粒子的固定和最终的SERS检测。

将合成好的二氧化硅纳米溶胶溶液迅速地滴加1mL的3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）中，用磁力搅拌器搅拌即可得到氨基功能化的二氧化硅小球。如图4中的两条曲线分别表示了未修饰的二氧化硅(1)、APTMS修饰的二氧化硅（2）的红外谱图。据比较中发现APTMS修饰的二氧化硅纳米粒子在1400-1460cm^-1范围内显示了氨基的特征峰。

在实际纸张的处理过程中，只需把覆盖上二氧化硅涂层的纸张浸泡在APTMS溶液中即可。

（4）单分散性贵金属纳米颗粒的合成、打印墨水的研制以及打印SERS基底试纸

银纳米粒子的合成：将200 mL摩尔浓度为1 mol / L的AgNO₃ 水溶液加热至沸腾，加入6 mL质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液，溶液颜色从先前的无色透明逐渐变成乳白色，并略带绿色，继续保持微沸3 h, 停止反应, 水浴冷却，即得到粒径约为80 nm的银纳米粒子，避光保存。

如需合成不同大小的银纳米粒子，只要改变加入的柠檬酸钠的量即可。如图5所示是合成的粒径为60nm的银纳米颗粒扫描电镜图（a）和与其对应的紫外-可见光谱图（b）。

金纳米颗粒的合成：将200 mL质量百分比为0.01%的HAuCl₄ 水溶液加热至沸腾，迅速加入1.4 mL质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液，约1 min 后溶液颜色从先前的淡黄色变成黑色， 2～3min 后又变成棕红色, 继续保持微沸40min, 停止反应, 水浴冷却，即得到综红色粒径约为55 nm的金纳米粒子。如需合成不同大小的金纳米粒子，只要改变加入的柠檬酸钠的量即可。图6给出的是粒径为50nm的单分散性金纳米颗粒扫描电镜图（a）和与其对应的紫外-可见光谱图（b）。

将上述合成好的金或银纳米颗粒，经过每分钟5000转离心，倒掉95%的上清液，根据打印要求，在浓缩液中按照每10mL加入1到3mL的丙三醇来调节粘度和表面张力，从而达到最佳的打印状态。为了防止堵塞打印头，用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜来除去墨水中的大的颗粒。

选择喷墨打印机将纳米贵金属墨水，采用MEMS工艺压电原理，驱使着纳米贵金属墨水打印到纸张基底上，使墨水喷射出去来制得SERS打印试纸。

注意供墨系统要单独配置。

修饰好后的纸张经过功能化以后，放入喷墨打印机中进行打印，根据需要打印出符合不同需要的SERS打印试纸。如图7所示是覆盖有氨基化的二氧化硅纳米粒子的纸张基底上打印银墨水的扫描电镜图（7a）和X光粉末衍射（7b）。从图7a中可以看出银纳米颗粒已经均匀的打印到纸张上，图7b中反映出归属于银的特征峰。

如图8所示是将金墨水打印到A4纸上的文字，其右图是模拟打印光斑的形状。

同时，我们还可以用银墨水进行打印，如图9所示是用银墨水在滤纸上进行打印的前后试纸对比图，左侧为普通滤纸，右侧是用银墨水进行打印后滤纸基底。

当然，也可以将金纳米墨水和银纳米墨水放在不同的墨盒里，进行不同次数的复合打印，或者在复合打印的基础上再打印金纳米颗粒或银纳米颗粒。如图10所示，其中a是金银同时打印（即彩打模式）的扫描电镜图；b是在a的基础上再打印1次银；c是在a的基础上再打印一次金；d是在图a的基础上再同时打印金和银的扫描电镜图。各个扫描电镜图的下层是其对应的光学照片。可明显地发现用不同墨水进行打印处理后的SERS打印试纸的外观颜色略有不同。

（5）SERS打印试纸的SERS灵敏性、稳定性和重复性研究

为了检验SERS打印试纸的灵敏性，在本申请中以结晶紫（CV）作为探针分子来考察其检测灵敏性。图11中a、b，c和d分别是打印金三次，打印金银复合物三次，打印银三次，打印银三次再打印银一次所对应的SERS光谱图，可以看出检测限为10^-7和10^-8M。其中银的灵敏性要优于金，复合的要优于单独的。另外，主要的特征指纹峰都可以检测出来，背景干扰很小，表面对纸张进行处理后，有利于对待测物的检测。

为了研究打印试纸的重复性，选择了R6G作为探针分子进行研究。首先考察其三维SERS光谱图。图12中a和b分别是未经表面处理的普通纸张与本发明的纸张基底的3D-SERS谱图。从图中可以明显看出处理后的打印试纸明显要优于非处理的。

为了进一步研究SERS打印试纸的重复性，进行了标准偏差（RSD）研究来探讨SERS打印试纸的重复性。选取R6G四个位移处1310cm^-1，1362cm^-1，1511cm^-1，1649cm^-1作为研究对象进行实验。研究表明当RSD低于20%时，表面基底的信号重复性好，基底可靠。从图13中可以看出，RSD都低于20%，表面该打印试纸有很好的信号重复性，可以用于实际样品的检测。

如果对纸张不进行平整化和功能化处理，发现信号的稳定性有明显的变化，如图14所示，RSD上都大于20%，表面在该条件下的SERS信号的稳定性较差，因此对纸张表面进行平整化和功能化是极其重要的一步。

（6）SERS打印试纸对农药、爆炸物和兴奋剂类物质的检测

为了进一步验证本发明的SERS打印试纸现场检测的可能性和可行性，就选用农药残留、爆炸物和兴奋剂类实用性的目标分子进行检测，图15给出的是不同应用分子的检测结果图。图15a给出的是农药福美双在激光共聚焦拉曼光谱仪下选用532nm和785nm波长条件下得到的谱图，显示了该打印试纸良好的检测效果；同样对于图15b中农药对硫磷来说，在上述两个波长条件下都可以得到很好的实验检测。证明了本发明的SERS打印试纸不仅可以用于实验室里的染料分子，还可以用于实际的农药检测。

同样，选用实用性很强的应用分子爆炸物TNT，也能得到很好的检测结果。图16给出的是爆炸物TNT的SERS谱图，从图中可以同样看出TNT的主要特征峰都可以很明显的观察到。

对于毒品来说，检测意义及其重大，图17给出的是四种兴奋剂类物质的SERS光谱图，并分别给出了各自的检测限。结果显示，这种试纸有很低的检测限，对于该打印试纸来说，显示出其强大的应用前景。

实施例4：表面处理并功能化的SERS打印试纸在便携式拉曼光谱仪的现场检测

农药残留的实验室分析与检测主要依赖于大型仪器完成，而快速的痕量农残监测和现场实时检测还是空白。一般农药分子的散射截面较小、亲水性较差，是SERS检测的一个难题。由于本发明中对普通打印纸的表面进行了平整化和功能化处理，使处理后的纸张基底在吸附和富集待测目标物上的特性，导致其在灵敏性、重复性和稳定性上较传统的基底都有较大的提高，促使其在现场检测中的应用。图18给出了纸质SERS试纸在便携式拉曼光谱仪应用于农药福美双目标物残留的检测的光谱图与所用便携式仪器，结果表明其达到国家检测限的标准。

实施例5：本发明的SERS打印试纸在现场检测中的应用

为了进一步验证该打印试纸在现场检查中的应用，我们模拟了娱乐场所等非法使用兴奋剂类药品的可能接触到的物品上痕量残留物的检测。如图19中第一排给出的遥控器上残留摇头丸成分的检测，结果显示很好的信号强度；图19中第二排给出的是吸毒分子静脉注射用的器具上残留那可汀残留的SERS谱图；图19中第三排给出的是毒品交易时在纸巾上残留的兴奋剂巴比妥痕量物种的SERS检测结果。所有现场模拟实验表明：本发明中的SERS试纸有很好的检测效果。

由于本发明的SERS打印试纸的结构特点及其平整化和功能化后所赋予的特性，拓展了 SERS打印试纸对现场检测应用范围，使其具有广泛的应用前景，如：

（a）对固体痕量残留目标物的检测：如图20a所示，只要将打印试纸用水浸湿了以后，放在目标物所在的载体上进行测拭一下，让待测的分子萃取到试纸上，然后放在便携性拉曼光谱仪下进行现场检测。

（b）对于气体样品的检测：如图20b所示，也需将打印试纸浸湿了以后，放入一个密闭系统中如注射器，然后抽取待测气体，封闭住出口，慢慢挤压，浓缩气体并让待测气体与湿润的试纸充分接触和萃取到其上。然后取出试纸放在便携式拉曼光谱仪下进行现场检测。

（c）对于液体的检测：如图20c所示，按照传统的方法直接滴加到打印试纸上即可进行拉曼现场检测。

（d）富集膜作用：

由于该SERS打印试纸的结构和性能，可以先将SERS打印试纸剪成圆形，放入如图21所示的由聚四氟乙烯材料构成的富集装置的卡槽内，用注射器抽取含有待测目标物的液体。然后将富集装置卡入注射器的前端，根据需要慢慢挤压注射器的后端，让液体慢慢的流出，SERS打印试纸在这里就起到富集膜的作用。打开富集装置的卡槽，取出SERS打印试纸，放在光谱仪下进行检测即可。

对于气体待测目标物的操作方法与此类似。

从上所述，本发明的SERS打印试纸实现了更低浓度的检测，并提高了其检测的灵敏性，同时拓展了现场检测的功能应用范围。

上述实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸，其特征在于：在经过无机氧化物纳米粒子表面功能化处理后的纸张表面通过喷墨打印技术覆盖上单分散性贵金属纳米颗粒层而形成表面增强拉曼光谱打印试纸，所述贵金属纳米颗粒层厚为100-200nm，其在光斑范围内为低于100nm平整度的纳米结构；其通过以下步骤制得：

（1）将纸张放入无机氧化物纳米粒子的溶胶中浸泡2-10分钟后，按照倾斜角为15-25度缓慢取出烘干；或将无机氧化物纳米粒子的溶胶作为墨水打印到纸张上烘干；

（2）将经（1）处理后表面覆盖有无机氧化物的纸张置于体积比为1：1000-200的3-氨丙基三甲氧基硅烷与乙醇的混合液或3-（三苯甲基巯基）丙酸与乙醇的混合液中，10-30分钟后取出烘干得纸张基底；

（3）将贵金属的水溶液加热至沸腾，然后加入质量百分比为1%柠檬酸钠水溶液反应制得单分散性贵金属纳米颗粒；

（5）将（4）中纳米贵金属墨水放在喷墨打印机墨盒里，应用压电原理，驱使墨水打印到（2）的纸张基底上，得表面增强拉曼光谱打印试纸。

2.根据权利要求1所述的一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸，其特征在于：所述无机氧化物纳米粒子指粒径为100-150nm的二氧化硅或二氧化钛。

3.根据权利要求1所述的一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸，其特征在于：所述纸张为普通打印纸、滤纸或滤膜；所述表面增强拉曼光谱打印试纸的表面平整度为低于500nm的微纳结构。

4.根据权利要求1所述的一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸，其特征在于：所述贵金属纳米颗粒是指粒径为50-100nm的金、银或金银合金纳米颗粒。

5.根据权利要求1所述的一种应用于现场检测的表面增强拉曼光谱打印试纸，其特征在于：所述纳米贵金属墨水用的微孔的聚四氟乙烯膜来除去墨水中的大颗粒。

6.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼光谱打印试纸的用途，其特征在于：所述表面增强拉曼光谱打印试纸应用于生物或化学探针分子的现场检测，所述探针分子为农药残留、爆炸物、兴奋剂类、环境污染物或添加剂分子。