CN103616367B - 一种双重离子响应的sers探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双重离子响应的SERS探针及其制备方法，所述探针由具有独立核壳结构的两种纳米颗粒组成，其中，载体纳米颗粒具有四层核壳结构：最内层为Fe3O4磁性纳米球，其外包裹一层二氧化硅，次外层为一薄金壳层，最外层为寡聚核苷酸包覆层；客体纳米颗粒具有两层核壳结构：内核为拉曼分子标记的金纳米球，外壳为寡聚核苷酸包覆层。该探针利用寡聚核苷酸包覆层中的特定碱基序列，可同时对环境溶液中的银/汞两种重金属离子进行识别与SERS痕量检测；此外，在外加磁场的作用下，该探针与捕获的银/汞离子能够被迅速分离出原环境溶液体系，起到净化环境的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种双重离子响应的SERS探针及其制备方法，属于重金属离子检测与纳米材料制备技术。
背景技术
重金属离子污染对生态环境和人类健康造成了巨大的威胁。汞离子是一种常见的重金属污染离子，它可能引起肾脏/肝脏功能衰竭、骨质软化、关节畸形、神经系统紊乱（例如水俣病）等多种疾病。此外，它还能被生物富集、不易代谢、且易于通过食物链累积进入人体，这进一步放大了其对人类健康的威胁。银离子也是一种常见的重金属离子，微量的银离子对人体健康是无害的，然而，摄入过量银离子也会对人体健康造成巨大损害。有研究表明，摄入过量银离子可能导致胚胎发育迟缓、畸形，甚至死亡。此外，银离子对细菌、浮游生物、无脊椎动物等具有强烈毒性，这也促使其成为威胁生态环境的主要污染物之一。当前，检测重金属离子大多依靠传统方法，例如质谱、荧光光谱、原子吸收光谱等。这些检测技术在重金属离子检测领域发挥了重要作用，但同时也遭遇了许多局限与挑战，例如样品制备繁琐、灵敏度不高、检测种类单一等，而且这些检测手段通常只关注对污染离子浓度的检测，不关注对污染离子的移除与分离。因此，开发一种多通道重金属离子痕量检测及移除技术对保护生态环境和保障人类生命健康具有十分重要的意义。
表面增强拉曼散射（SERS）是一种具有超高灵敏度的检测技术，其检测限可达单分子量级，为样品痕量检测提供了强力的技术支撑。此外，SERS光谱还具有许多传统检测技术无法比拟的优点，例如其光谱不易光漂白、对样品无损等。更重要的是，SERS光谱谱线锐窄，极大降低了不同组分间光谱重叠的可能性，这使得利用其对谱线进行编码成为可能，从而为突破传统检测局限，实现多重分析物的同时检测奠定了的技术基础。
磁核金壳纳米结构由于其SERS增强因子高、易于制备、易受外加磁场操控等一系列优点而常被用于构筑SERS增强基底。寡聚核苷酸是一类长链结构的大分子，其组成成分中的胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）分别对汞离子和银离子具有特异性的识别作用。胸腺嘧啶能够特异性的与汞离子结合，形成T-Hg-T桥状结构，而胞嘧啶能够与银离子结合，形成C-Ag-C的桥状结构。若将寡聚核苷酸链修饰到磁核金壳纳米结构的表面，则可联合二者优势，组装成具有汞/银离子响应特性且易于受外加磁场操控的高效SERS探针。
综上所述，利用寡聚核苷酸修饰的磁核金壳纳米结构可以构建一种具有银/汞双重离子响应特性的新型SERS探针。目前还未发现类似技术。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种制备简便、具有银/汞双重离子响应特性、可兼用于离子分离的SERS探针及其制备方法，能够对溶液中的银/汞离子同时进行痕量检测；此外，在外加磁场的作用下，该探针与捕获的银/汞离子能够被迅速分离出原环境溶液体系，起到净化环境的作用。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双重离子响应的SERS探针，包括具有独立核壳结构的两种纳米颗粒，分别记两种纳米颗粒为载体和客体；所述载体具有四层核壳结构：内核为磁性纳米球，磁性纳米球外包裹一层薄硅壳层，次外层为薄金壳层，最外层为修饰金壳包裹磁性硅球的寡聚核苷酸包覆层；所述客体具有两层核壳结构：内核为拉曼分子标记的金纳米球，外壳为修饰金纳米球的寡聚核苷酸包覆层。
优选的，所述磁性纳米球的材质为Fe4O3，所述薄硅壳层的材质为二氧化硅。
本发明提供的SERS探针，利用寡聚核苷酸包覆层中的特定碱基序列，可同时对环境溶液中的银/汞两种重金属离子进行识别与SERS痕量检测，检测范围分别为：银离子为1微摩尔每升～10纳摩尔每升；汞离子为1微摩尔每升～0.1纳摩尔每升；此外，在外加磁场的作用下，该探针与捕获的银/汞离子能够被迅速分离出原环境溶液体系，起到净化环境的作用。
一种双重离子响应的SERS探针的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备磁性纳米球；
（2）在磁性纳米球的表面包裹一层二氧化硅，形成磁性纳米硅球；
（3）在磁性纳米硅球的表面包裹一层薄金，形成金壳包裹磁性纳米硅球；
（4）在金壳包裹磁性纳米硅球的表面包裹一层巯基修饰的寡聚核苷酸链，形成寡聚核苷酸修饰的金包裹磁性硅球；所述寡聚核苷酸修饰的金包裹磁性硅球即为载体；
（5）制备金纳米球；
（6）在金纳米球的表面包裹一层巯基修饰的寡聚核苷酸链，形成寡聚核苷酸修饰的金纳米球；
（7）在寡聚核苷酸修饰的金纳米球的表面修饰用于信号检测的拉曼分子，形成拉曼分子标记的寡聚核苷酸修饰的金纳米球；所述拉曼分子标记的寡聚核苷酸修饰的金纳米球即为客体。
优选的，所述步骤（1）中，所述磁性纳米球采用高温还原法制备。
优选的，所述步骤（7）中，所述拉曼分子通过共价化学键连接到金纳米球的表面上。
有益效果：本发明提供的双重离子响应的SERS探针及其制备方法，相比于传统的检测手段，具有如下优点：
1、由于“载体”纳米粒子与“客体”纳米粒子表面均为寡聚核苷酸序列（较短的单链DNA），因此具有十分良好的生物兼容性，探针自身不会对环境造成污染；
2、设计在“载体”与“客体”纳米粒子表面的寡聚核苷酸序列，可以对汞离子、银离子两种重金属离子产生SERS响应，即本发明制备的SERS探针是双离子响应的，优于传统只能进行单分析物检测的方法；
3、本案的SERS探针具有良好的磁学性能，对外加磁场具有良好的响应特性，当SERS探针与被测离子结合后，可在外加磁场作用下，分离出原环境溶液体系。因此，该探针可兼用于污染离子的移除与水污染治理，与传统检测方法相比，具有极大的实用性能；
4、由于“载体”纳米颗粒具有的磁核，因此，载体纳米颗粒是可以通过外加磁场回收利用，可极大节约检测成本，简化实验步骤。
附图说明
图1为双重离子响应的SERS探针的结构示意图；
图2为检测例子流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种双重离子响应的SERS探针，包括具有独立核壳结构的两种纳米颗粒，分别记两种纳米颗粒为载体201和客体202；所述载体201具有四层核壳结构：内核为Fe4O3材质的磁性纳米球105，磁性纳米球105外包裹一层二氧化硅材质的薄硅壳层102，次外层为薄金壳层106，最外层为修饰金壳包裹磁性硅球的寡聚核苷酸包覆层107；所述客体202具有两层核壳结构：内核为拉曼分子104标记的金纳米球101，外壳为修饰金纳米球的寡聚核苷酸包覆层103。
在有被检测离子108的情况下，“载体”纳米颗粒和“客体”纳米颗粒会捕获离子，形成图1所示SERS探针结构；在无被检测离子的情况下，“载体”纳米颗粒和“客体”不会形成图1所示结构。
一种制备双重离子响应的SERS探针的方法，包括如下步骤（注：下述步骤中的单位M为物质的量浓度单位，1M=1mol/L）：
（1）制备磁性纳米球105：
将1.35gFeCl3·6H2O，3.85gNH4Ac和0.4g柠檬酸钠分别滴加到70mL乙二醇中，填充氮气保护，充分搅拌，并加热至160℃保温；1小时后，将混合溶液转移至反应釜中，加热至200℃保温；17小时后关闭加热，冷却至室温，将产物先用乙醇清洗3遍，再用去离子水清洗2遍，存储于50mL水溶液中，作为A备用品。
（2）在磁性纳米球105的表面包裹一层二氧化硅，形成磁性纳米硅球：
取A备用品40μL，溶于1mL、40mg/mL的聚氯化丙烯酰胺（PAH）溶液中，加入3.6mL去离子水稀释，超声1小时后，水洗2次，磁性分离出固体；将分离出的固体产物加入10mL、50mg/mLPVP，超声半小时后，使用摇床摇晃12小时，磁性分离出固体；将分离出的固体产物先用乙醇清洗4次，溶于10mL乙醇溶液，再加入20～30μLTEOS，超声8小时后，磁性分离出固体；将分离出的固体产物先用乙醇清洗4次，再加入200μLAPTMS和100μL去离子水，使用摇床摇晃12小时，加热至65℃保温；2小时后磁性分离出固体，将分离出的固体产物水洗2次，存储于0.4mL水溶液中，作为B备用品。
（3）采用种子生长法在磁性纳米硅球的表面包裹一层薄金，形成金壳包裹磁性纳米硅球：
首先，制备直径为3～5纳米的金种子：在50mL、10mM的氢氧化钠溶液中加入0.2mL、10%的氯金酸和12μLTHPC，搅拌至黑褐色，作为种子溶液；
其次，制备吸附了金种子的磁性纳米硅球：取B备用品0.4mL滴加至种子溶液中，使用摇床摇晃12小时后，磁性分离出固体，将分离出的固体产物水洗2次，形成吸附了金种子的磁性纳米硅球；
最后，制备生长溶液及包裹金壳：将12.5mg碳酸钾，150μL氯金酸溶于50mL去离子水中，搅拌至无色，作为生长溶液；取20μL吸附了金种子的磁性纳米硅球加入50mL生长溶液中，加入100μL、30%的甲醛，超声5分钟后，磁性分离出固体，将分离出的固体产物水洗2次，即得到金壳包裹磁性纳米硅球；将制备的金壳包裹磁性纳米硅球储存于1mL去离子水中，作为C备用品。
（4）在金壳包裹磁性纳米硅球的表面包裹一层巯基修饰的寡聚核苷酸链，形成寡聚核苷酸修饰的金包裹磁性硅球：
将事先设计具有特定碱基序列的、巯基修饰的寡聚核苷酸链溶于PBS（pH=7.4）缓冲液中，配制成浓度为10μM的溶液；取100μL该溶液，加入到900μL、1μM的C备用品中；使用摇床摇晃12小时，首次滴加20μL、3M的氯化钠溶液；继续使用摇床摇晃4小时，重复滴加等量氯化钠，重复此步骤直至溶液中氯化钠溶度升至0.2M；磁性分离出固体，将分离出的固体产物使用PBS缓冲液清洗2次后，分散至1mLPBS缓冲液中，作为D备用品。
（5）制备金纳米球101：
在200mL去离子水中加入2mL、10%的氯金酸，剧烈搅拌后，加热至沸腾；加入8mL、1%柠檬酸钠，继续加热15分钟后冷却至室温；离心清洗2次后，将得到的固体产物分散至200mL去离子水中，作为E备用品；
（6）在金纳米球101的表面包裹一层巯基修饰的寡聚核苷酸链，形成寡聚核苷酸修饰的金纳米球；
将事先设计具有特定碱基序列的、巯基修饰的寡聚核苷酸链溶于PBS（pH=7.4）缓冲液中，配制成浓度为10μM的溶液；取100μL该溶液，加入到900μL、1μM的E备用品中；使用摇床摇晃12小时，首次滴加20μL、3M的氯化钠溶液；继续使用摇床摇晃4小时，重复滴加等量氯化钠，重复此步骤直至溶液中氯化钠溶度升至0.2M；离心分离出固体，将分离出的固体产物使用PBS缓冲液清洗2次后，分散至1mLPBS缓冲液中，作为F备用品。
（7）在寡聚核苷酸修饰的金纳米球的表面修饰用于信号检测的拉曼分子104，形成拉曼分子标记的寡聚核苷酸修饰的金纳米球：
取2μL、10mM的拉曼分子溶液加入至1mL的F备用品中，使用摇床摇晃12小时，离心清洗2次后，将得到的固体产物重新分散于1mL去离子水中，作为G备用品。
下面就使用上述溶液进行离子分离的各个实施例进行说明。
检测离子流程如图2所示，图中201是“载体”纳米颗粒，202是“客体”纳米颗粒，203是磁铁，204是汞/银离子，205是有SERS活性的探针。检测过程为：首先，将载、客两种纳米颗粒分散于被测溶液中；若溶液中含有被测离子，则会形成SERS探针结构，通过外加磁场分离后，可对被分离物的SERS信号进行测量；若溶液中无被测离子，则不会形成有SERS活性的探针；用外加磁场分离，得到的产物是纯“载体”纳米粒子，对被分离物进行SERS测量，不会获取明显的SERS信号。
实施例一：检测汞离子
将载体的寡聚核苷酸链设计为GTCTGTCTTGACGTC-SH，将客体的寡聚核苷酸链设计为SH-GATCACTGTCTGTTC，标记客体的拉曼分子为4-MBA；客体序列与载体序列部分配对，此设计中，除了碱基T与T之间不配对外，其他碱基都相互配对；在有汞离子作用下T与T之间能形成T-Hg-T的错配结构，使得两条链完全配对，形成具有SERS活性的探针结构。
将D备用品和G备用品同时加入被测汞离子的溶液中，使用摇床摇晃2小时；将溶液置于外磁场中，1分钟时间内，磁性SERS探针迅速被外磁场捕获，聚集并被分离出原溶液体系，形成磁性分离的沉淀物。
将磁性分离的沉淀物溶于PBS缓冲液中；取20μL该溶液滴至玻璃片上，将其置于拉曼光谱仪检测台上检测SERS信号；激发激光波长取为633nm，2次扫描，每次各15秒钟，将获取之光谱导入计算机，进行分析处理。
本例中，汞离子的检测范围为0.1微摩尔每升～1000微摩尔每升。
实施例二：检测银离子
将载体的寡聚核苷酸链设计为TCACCTCACTACGTC-SH，将客体的寡聚核苷酸链设计为SH-GATCAACTCCACTCA，标记客体的拉曼分子为DTNB；客体序列与载体序列部分配对，此设计中，除了碱基C与C之间不配对外，其他碱基都相互配对；在有银离子作用下C与C之间能形成C-Ag-C的错配结构，使得两条链完全配对，形成具有SERS活性的探针结构。
将D备用品和G备用品同时加入被测银离子的溶液中，使用摇床摇晃2小时；将溶液置于外磁场中，1分钟时间内，磁性SERS探针迅速被外磁场捕获，聚集并被分离出原溶液体系，形成磁性分离的沉淀物。
将磁性分离的沉淀物溶于PBS缓冲液中；取20μL该溶液滴至玻璃片上，将其置于拉曼光谱仪检测台上检测SERS信号；激发激光波长取为633nm，2次扫描，每次各15秒钟，将获取之光谱导入计算机，进行分析处理。
本例中，银离子的检测范围为0.1微摩尔每升～1000微摩尔每升。
实施例三：检测汞离子和银离子
将载体的寡聚核苷酸链设计为SH-CTGCAGTTCTGTCTGTCACTCCACT，将客体的寡聚核苷酸链设计为ACTCACCTCAGGGGG-SH和CTTGTCTGTCAAAAA-SH，标记客体的拉曼分子为4-MBA和DTNB。
将D备用品和G备用品同时加入被测兼具汞和银离子的溶液中，使用摇床摇晃2小时；将溶液置于外磁场中，1分钟时间内，磁性SERS探针迅速被外磁场捕获，聚集并被分离出原溶液体系，形成磁性分离的沉淀物。
将磁性分离的沉淀物溶于PBS缓冲液中；取20μL该溶液滴至玻璃片上，将其置于拉曼光谱仪检测台上检测SERS信号；激发激光波长取为633nm，2次扫描，每次各15秒钟，将获取之光谱导入计算机，进行分析处理。
本例中，汞离子和银离子能够同时被检测出，检测范围与单离子的检测范围相同。
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来说，在不脱离本发明原理的前提下，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。
Claims (5)
1.一种双重离子响应的SERS探针，其特征在于：包括具有独立核壳结构的两种纳米颗粒，分别记两种纳米颗粒为载体(201)和客体(202)；所述载体(201)具有四层核壳结构：内核为磁性纳米球(105)，磁性纳米球(105)外包裹一层薄硅壳层(102)，次外层为薄金壳层(106)，最外层为修饰金壳包裹磁性硅球的寡聚核苷酸包覆层(107)；所述客体(202)具有两层核壳结构：内核为拉曼分子(104)标记的金纳米球(101)，外壳为修饰金纳米球的寡聚核苷酸包覆层(103)。
2.根据权利要求1所述的双重离子响应的SERS探针，其特征在于：所述磁性纳米球(105)的材质为Fe4O3，所述薄硅壳层(102)的材质为二氧化硅。
3.一种双重离子响应的SERS探针的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备磁性纳米球(105)；
(2)在磁性纳米球(105)的表面包裹一层二氧化硅，形成磁性纳米硅球；
(3)在磁性纳米硅球的表面包裹一层薄金，形成金壳包裹磁性纳米硅球；
(4)在金壳包裹磁性纳米硅球的表面包裹一层巯基修饰的寡聚核苷酸链，形成寡聚核苷酸修饰的金包裹磁性硅球；所述寡聚核苷酸修饰的金包裹磁性硅球即为载体(201)；
(5)制备金纳米球(101)；
(6)在金纳米球(101)的表面包裹一层巯基修饰的寡聚核苷酸链，形成寡聚核苷酸修饰的金纳米球；
(7)在寡聚核苷酸修饰的金纳米球的表面修饰用于信号检测的拉曼分子(104)，形成拉曼分子标记的寡聚核苷酸修饰的金纳米球；所述拉曼分子标记的寡聚核苷酸修饰的金纳米球即为客体(202)。
4.根据权利要求3所述的双重离子响应的SERS探针的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述磁性纳米球(105)采用高温还原法制备。
5.根据权利要求3所述的双重离子响应的SERS探针的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中，所述拉曼分子(104)通过共价化学键连接到金纳米球(101)的表面上。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 《SERS- based DNA detedtion in aqueous solutions using oligonucleotide-modified Ag nanoprisms and gold nanoparticles》;Min Liu etal;《anal bioanal chem》;20130510;6131-6136 * |
| 《基于Fe3O4核/SiO2/Au壳/SiO2复合纳米粒子的SERS探针的制备及细胞成像应用研究》;陈辉等;《豫赣黑苏鲁五省光学（激光）学会联合学术2012年会论文摘要集》;20121231;66 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103616367A (zh) | 2014-03-05 |
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