CN103521780A

CN103521780A - 具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法和应用

Info

Publication number: CN103521780A
Application number: CN201310537780.9A
Authority: CN
Inventors: 王石; 程劼; 苏晓鸥; 嵇天浩
Original assignee: Institute of Agricultural Quality Standards and Testing Technology for Agro Products of CAAS
Current assignee: Institute of Agricultural Quality Standards and Testing Technology for Agro Products of CAAS
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: CN103521780B

Abstract

本发明公开了一种具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，首先将氧化石墨烯溶液加入到过氧化氢中，在紫外光照射下搅拌，进行石墨烯的深度氧化；然后将深度氧化的石墨烯加入到去离子水中，并添加柠檬酸钠溶液，加热搅拌至沸腾后，立即向溶液中加入氯金酸溶液，加热搅拌后撤去热源，搅拌冷却至室温，即得到所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶。能合成制备高分散性、高稳定性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶，可作为SERS增强试剂，用于快速检测。

Description

具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种表面增强拉曼光谱（SERS）增强试剂，尤其涉及一种具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法和应用。

背景技术

表面增强拉曼散射效应是指当目标分子吸附或非常靠近具有某种纳米结构的表面时，其拉曼信号强度比其体相分子显著增强的现象。表面增强拉曼光谱技术具有速度快、成本低，适合现场分析等特点，它能检测到吸附于粗糙金属表面的小分子化合物，给出丰富的分子结构信息，适合现场快速检测。

对SERS（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，表面增强拉曼光谱）检测分析技术而言，制备性能良好的SERS活性基底是一个非常重要的研究内容，也是该技术能够实现应用和发展的重要条件。目前，通过化学合成法、分子组装、电化学活化、真空蒸镀、纳米平板印刷、电子束光刻法等技术，人们已经研究和制备出多种类型的SERS活性基底材料。一般情况下，真空蒸镀、纳米平板印刷等方法制备基底成本费用高昂，且待测液在固体增强基底上不能分散均匀，常会导致测量不准；化学合成或分子组装法得到的纳米溶胶基底，虽然制备方法简便且成本低，但是却存在SERS的灵敏度低，无法满足快速检测需求的缺点。

石墨烯被认为是一种新颖的二维碳纳米材料，其碳原子间以独特的sp²杂化结构组成。最近的研究表明，石墨烯能通过π-π双键和静电力对目标物进行锁定，可以应用于基团或药物之间的转移，同时石墨烯可以通过化学增强的作用机理皆是其能使分析物的Raman（拉曼）信号增强，而金属纳米粒子可以通过电磁增强机理增强分析物的Raman信号，所以石墨烯负载金纳米溶胶被认为是一种完美的增强基底，而使用氧化石墨烯可以负载更多金纳米溶胶，能进一步增强拉曼信号。

在现有技术中，有关氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法也有相关报道，如：张玉杰等曾将氧化石墨烯分散于二甲亚砜中，然后与4-氨基苯硫醇/正己硫醇修饰的纳米金混合进行连接，得到了纳米金-氧化石墨烯复合材料，但该方法需要使用大量有机溶剂，制备周期长，且重复性也较差。Wen曾以氧化石墨烯为载体，酪氨酸为还原剂制备得到了氧化石墨烯负载金纳米溶胶溶液，方法简单、快捷，但由于此法所得金粒子粒径较小（小于30nm），且存在酪氨酸在金粒子活性位点的吸附问题，所得氧化石墨烯负载金纳米溶胶的SERS活性较低。李玉良等曾以石墨炔为载体，将含金化合物的水溶液、包覆剂、还原剂于水中混匀进行还原反应，得到了金纳米粒子/石墨炔复合膜，而此法使用强还原剂NaBH₄，制备得到的基底上金颗粒较小（4-24nm），作为增强基底，无法得到较强的SERS信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法和应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，包括步骤：

A、将氧化石墨烯溶液加入到过氧化氢中，在紫外光照射下搅拌，进行石墨烯的二次氧化；

B、将二次氧化的石墨烯加入到去离子水中，再添加柠檬酸钠溶液，加热搅拌至沸腾后，立即向溶液中加入氯金酸溶液，加热搅拌后撤去热源，搅拌冷却至室温，即得到所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶。

本发明的上述所制备的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的应用，以所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶作为增强试剂进行SERS测试时，加入酸或盐溶液使氧化石墨烯负载纳米金快速团聚，从而产生SERS信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，由于首先将氧化石墨烯溶液加入到过氧化氢中，在紫外光照射下进行搅拌，使石墨烯发生二次氧化，然后将二次氧化的石墨烯加入到去离子水中，并添加柠檬酸钠溶液，加热搅拌至沸腾后，立即向溶液中加入氯金酸溶液，加热搅拌后撤去热源，搅拌冷却至室温，即得到所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶，能合成制备高分散性、高稳定性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶，可作为SERS增强试剂，用于快速检测。

附图说明

图1为本发明实施例一中氧化石墨烯负载金纳米溶胶（金粒径70nm左右）的TEM电镜图；

图2为本发明应用例一中克伦特罗标准品浓度为0、1、2、5、8、10ng.mL^-1的拉曼光谱图；

图3为本发明应用例一中盐酸克伦特罗标准品浓度与特征吸收峰（1470±2cm^-1）强度线性关系示意图；

图4为本发明应用例二中三聚氰胺标准品浓度为0、0.01、0.02、0.04、0.08、0.10mg.L^-1的拉曼光谱图；

图5为本发明应用例二中三聚氰胺标准品浓度与特征吸收峰（709±2cm^-1）强度线性关系示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，其较佳的具体实施方式是：

包括步骤：

所述步骤A中，所述进行石墨烯的二次氧化具体为将氧化石墨烯的含氧量从25%～35%氧化升至45～55%。以便负载更多金纳米粒子。

所述步骤A中，氧化石墨烯与过氧化氢按以下浓度和体积比添加：

浓度为0.2g/L的氧化石墨烯与30%过氧化氢（质量分数）的体积比在0.5-2:1之间。

所述紫外光照射时间为1～48小时。

所述步骤B中：

二次氧化石墨烯与1%的柠檬酸钠（质量分数）与1%的氯金酸（质量分数）的体积比为3-30:1:0.5-3。

所述加热搅拌的温度在60-100℃之间、时间在5min-60min之内。

本发明的上述所制备的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的应用，其较佳的具体实施方式是：

以所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶作为增强试剂进行SERS测试时，加入酸（包括硝酸、盐酸、硫酸等）或盐（包括氯化钠、氯化钙、氯化铵、硝酸钾、硝酸钠等）溶液使氧化石墨烯负载纳米金快速团聚，从而产生SERS信号。

所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶的金粒子粒径在40-120nm之间。

本发明的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法和应用，以二次氧化石墨烯为载体，柠檬酸钠作为还原剂，氯金酸作为金源，制备了高分散性、高稳定性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶。本发明所用方法简单易行，所用时间短，且不需要使用有机溶剂，安全无污染。该方法制备的氧化石墨烯负载金纳米溶胶与普通纳米金溶胶相比，具有更高的表面增强拉曼光谱活性，且对克伦特罗、三聚氰胺等含氮的化合物具有特殊的选择性，可作为SERS增强试剂，用于尿液中克伦特罗、饲料中三聚氰胺等违禁药物的测定。

具体实施例：

实施例一：①先将所有玻璃容器用王水洗涤，然后用纯水冲洗，在100℃烘箱中干燥2-3小时。②取20mL0.2g/L的氧化石墨烯溶液（氧化石墨烯为市场上购得，浓度为1g/L）加入20mL30%的过氧化氢，在紫外灯照射下搅拌4h，进行石墨烯的二次氧化；③取40mL去离子水置于100mL锥形瓶中，加入3.5mL二次氧化的石墨烯，350μL柠檬酸钠溶液（1%），加热搅拌至沸腾后，立即向溶液中加入500μL氯金酸溶液（1%），加热搅拌10min，之后撤去热源，搅拌冷却至室温，即得到了金粒子平均粒径为70nm左右的氧化石墨烯负载金纳米溶胶，氧化石墨烯负载纳米金的透射电镜图（见图1）。

实施例二：①先将所有玻璃容器用王水洗涤，然后用纯水冲洗，在100℃烘箱中干燥2-3小时。②取20mL0.2g/L的氧化石墨烯溶液（氧化石墨烯为市场上购得，浓度为1g/L）加入20mL30%的过氧化氢，在紫外灯照射下搅拌4h，进行石墨烯的二次氧化；③取40mL去离子水置于100mL锥形瓶中，搅拌下加入3.5mL二次氧化的石墨烯，350μL柠檬酸钠溶液（1%），加热搅拌至沸腾后，立即向溶液中加入700μL氯金酸溶液（1%），加热搅拌10min，之后撤去加热装置，搅拌冷却至室温，即得到了金粒子平均粒径为100nm左右的氧化石墨烯负载金纳米溶胶。

实施例三：①先将所有玻璃容器用王水洗涤，然后用纯水冲洗，在100℃烘箱中干燥2-3小时。②取20mL0.2g/L的氧化石墨烯溶液（氧化石墨烯为市场上购得，浓度为1g/L）加入20mL30%的过氧化氢，在紫外灯照射下搅拌4h，进行石墨烯的二次氧化；③取40mL去离子水置于100mL锥形瓶中，搅拌下加入3.5mL二次氧化的石墨烯，350μL柠檬酸钠溶液（1%），加热搅拌至沸腾后，立即向溶液中加入300μL氯金酸溶液（1%），加热搅拌10min，之后撤去加热装置，搅拌冷却至室温，即得到了金粒子平均粒径为45nm左右的氧化石墨烯负载金纳米溶胶。

应用例一：将实施例一中制备的粒径为70nm左右的氧化石墨烯负载金纳米溶胶作为SERS的增强试剂，用于测定尿液中克伦特罗的含量。

取纳米胶体溶液300-600μL，依次加入60-300μL待测液、50-100μL1%HNO₃溶液，涡旋混合均匀后，混合液为最后上机液。785nm激光源拉曼光谱，激光能量200mw，光谱扫描时间10s，扫描次数2，平滑参数1。以位移1258±2cm^-1、1470±2cm^-1、1601±2cm^-1为判定克伦特罗的特征峰。随着待测尿液中克伦特罗的浓度逐渐加大（0-10ng/L）,拉曼谱图中1258cm^-1、1470cm^-1、1601cm^-1三处的特征峰强度逐渐增大（如图2），选择以1470±2cm^-1对应峰强度结合线性曲线（见图3）进行克伦特罗含量计算。

应用例二：将实施例一中制备的粒径为45nm左右的氧化石墨烯负载金纳米溶胶作为SERS的增强试剂，用于测定饲料中三聚氰胺的含量。

取所述胶体溶液300-600μL，加入前处理后的待测液30-60μL，再加入50-100μL1%NaCl或0.5%CaCl₂溶液，涡旋混合均匀后，混合液为最后的检测试剂上机液。785nm激光源拉曼光谱，激光能量200mw，光谱扫描时间10s，扫描次数2，平滑参数1。以位移709±2cm^-1为判定克伦特罗的特征峰。随着待测尿液中克伦特罗的浓度逐渐加大（0-0.1mg/L）,拉曼谱图中709cm^-1处的特征峰强度逐渐增大（如图4），选择以709±2cm^-1对应峰强度结合线性曲线（见图5）进行克伦特罗含量计算。

本发明技术方案带来的有益效果：

（1）本发明在合成氧化石墨烯负载纳米金胶前，需先将氧化石墨烯进行二次氧化处理，其目的在于通过二次氧化处理，使得氧化石墨烯表面产生更多的含氧官能团，有利于在石墨烯上负载更多金纳米粒子。

（2）实验发现，使较大粒径的纳米金颗粒（40-70nm左右）作为增强基底时，克伦特罗、三聚氰胺等物质会产生更强的SERS信号。本发明将较为温和的柠檬酸钠与二次氧化石墨烯混合作为还原剂使用，可以使石墨烯表面负载较大粒径纳米金（40-100nm左右）。

（3）由于布朗运动，大粒径的纳米金、银胶溶液极易团聚沉降，一般情况下，胶体金在室温下3-4天就会团聚，颜色发生变化，以此为基底的SERS信号也会随之降低。而使用本发明制备的氧化石墨烯负载纳米金作为SERS的增强基底，由于金颗粒是固定负载在石墨烯表面，金颗粒不易聚集，从而使得纳米增强试剂十分稳定，解决了大粒径的纳米金溶胶稳定性差的问题。

本发明的技术关键点：

（1）合成SERS增强试剂为经过二次氧化的氧化石墨烯负载金纳米溶胶；

（2）合成SERS增强试剂所使用的还原剂为柠檬酸钠和二次氧化石墨烯，所使用的金源为氯金酸；

（3）石墨烯二次氧化所用试剂为过氧化氢，需在紫外光下照射，浓度0.2g/L氧化石墨烯与30%过氧化氢(质量分数)的体积比在0.5-2:1之间，照射时间在1h-48h之间；

（4）二次氧化石墨烯与1%的柠檬酸钠（质量分数）与1%的氯金酸（质量分数）的体积比为3-30:1:0.5-3；

（5）合成时的反应温度应在60-100℃之间，反应时间应在5min-60min之内；

（6）所得的SERS增强试剂为氧化石墨烯负载金纳米溶胶溶液，溶液呈紫黄色；

（7）所得氧化石墨烯负载金纳米溶胶的金粒子粒径约在40-120nm之间；

（8）以氧化石墨烯负载金纳米溶胶作为增强试剂进行SERS测试时，需加入少量酸（包括硝酸、盐酸、硫酸等）或盐（包括硝酸钾、硝酸钠、氯化钠、氯化钙、氯化铵等）溶液使氧化石墨烯负载纳米金快速团聚，从而产生SERS信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述进行石墨烯的二次氧化具体为将氧化石墨烯的含氧量从25%～35%氧化升至45～55%。

3.根据权利要求2所述的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，氧化石墨烯与过氧化氢按以下浓度和体积比添加：

浓度为0.2g/L的氧化石墨烯与质量分数为30%过氧化氢的体积比在0.5-2:1之间。

4.根据权利要求3所述的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，其特征在于，所述紫外光照射时间为1～48小时。

5.根据权利要求2所述的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤B中：

二次氧化石墨烯与质量分数1%的柠檬酸钠与质量分数1%的氯金酸的体积比为3-30:1:0.5-3。

6.根据权利要求3所述的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的制备方法，其特征在于，所述加热搅拌的温度在60-100℃之间、时间在5min-60min之内。

7.一种权利要求1至6任一项所制备的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的应用，其特征在于，以所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶作为增强试剂进行表面增强拉曼光谱测试时，加入酸或盐溶液使氧化石墨烯负载纳米金快速团聚，从而产生SERS信号。

8.根据权利要求7所述的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的应用，其特征在于，所述氧化石墨烯负载金纳米溶胶的金粒子粒径在40-120nm之间。

9.根据权利要求7所述的具有表面增强拉曼光谱活性的氧化石墨烯负载金纳米溶胶的应用，其特征在于，所述酸包括硝酸、盐酸、硫酸中的任一种或多种，所述盐包括硝酸钾、硝酸钠、氯化钠、氯化钙、氯化铵中的任一种或多种。