CN103837519B

CN103837519B - 表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法

Info

Publication number: CN103837519B
Application number: CN201410028223.9A
Authority: CN
Inventors: 黄青; 鲁逸林
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: CN103837519A

Abstract

本发明公开了表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法。包括以下步骤：金包裹二氧化硅纳米颗粒，利用环糊精为还原剂及稳定剂在外层包裹一层薄银壳层并修饰上环糊精，通过一步过程制备形成Silica@Au@Ag@CD的多层核壳结构。将制备好的多层纳米颗粒通过偶联剂固定在石英片上制成SERS基底；浸泡在含有不同种的PCB的溶液中，取出然后进行拉曼光谱测量。Silica@Au@Ag@CD纳米材料具有多种材料的优点，并具有很宽的等离子体激元共振吸收带；环糊精既作为还原剂也作为修饰剂，SERS增强效应显著，材料对多种PCB具有良好的检测能力，通过分析样品的拉曼“指纹”峰即可以鉴别不同种的PCB。

Description

表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法

技术领域

本发明涉及一种表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，属于光谱检测分析环境污染物的技术领域。

背景技术

多氯联苯（PCB：Polychlorinated biphenyls）是一种环境中不易分解的有机物，大多数有毒，并会在生物体中富集，从而引起环境污染，对动物和人类的生存造成危害。对于监测和定量分析PCB，传统方法包括气相色谱，液相色谱，液质联用等方法等。光谱的方法也受到人们的重视，比如有磷光及荧光方法进行PCB检测。但以上的方法中，色谱及质谱的方法样品制备过程复杂，需要对操作人员进行专业培训；荧光的方法灵敏，但荧光光谱一般不具备特异性的指纹特征，需要其它辅助手段。

表面增强拉曼散射技术是一种近年来发展很快的无损、痕量测量技术，它是在具有纳米级粗糙度的贵金属颗粒或溶胶表面，在激光的照射下，吸附分子的拉曼散射信号大幅度增强的现象。与传统的拉曼光谱方法相比，灵敏度一般可以提高6-7个量级，甚至可以达到单分子测量水平。表面增强拉曼光谱技术不仅具有高灵敏，而且可以提供待测物的“指纹信息”，并且是一种无损检测手段，非常适合对各种化学分子进行无损、痕量检测。

由于多氯联苯等物质大部分难溶于水，在金属表面吸附性不强。为了增强PCB与金属表面的相互作用，人们多在材料的表面修饰一层环糊精分子。由于环糊精的外缘亲水，内腔疏水，因而它能够提供一个疏水的结合部位，可以提高PCB在金属表面的吸附，实现对PCB的检测。在以往的设计中，人们首先合成好纳米材料，再将环糊精分子修饰上巯基，通过巯基把环糊精分子固定在金属的表面。这样处理的过程比较复杂，为了得到高纯度的巯基修饰的环糊精分子，需要经过分离纯化的步骤，费时且大大提高了使用成本。本发明目的就是应用表面拉曼光谱方法，通过设计一种合成步骤简便、能有效结合PCB、同时又能产生强的SERS效应的纳米材料或基底，并利用SERS光谱中“指纹信息”，从而对不同的PCB进行定量化的检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，包括步骤：

将环糊精修饰的银、金包裹二氧化硅纳米颗粒通过偶联剂固定在石英片上制成SERS基底，将上述SERS基底浸泡在含有多氯联苯PCB的溶液中，足量时间后取出，进行拉曼光谱测量。

进一步地，上述环糊精修饰的银、金包裹二氧化硅纳米颗粒是以金包裹二氧化硅核壳结构纳米颗粒为核，以硝酸银为银源，以环糊精为还原剂，在金包裹二氧化硅纳米颗粒表面通过一步过程直接包裹上薄银层并修饰上环糊精。

金包裹二氧化硅纳米颗粒简记为SiO₂@Au，述环糊精修饰的银、金包裹二氧化硅纳米颗粒简记为SiO₂@Au@Ag@CD。

进一步地，上述金包裹二氧化硅核壳结构纳米颗粒是由1-3nm的金种子和80-120nm的APTES修饰的二氧化硅纳米粒子连接获得的。

进一步地，金包裹二氧化硅核壳结构纳米颗粒的制备方法为：

将APTES修饰的二氧化硅溶液加入到未稀释的金种子溶液中，加入适量氯化钠溶液促进金种子在二氧化硅表面的固定，过夜处理后，离心，纯水洗涤去除未连接的金种子；

将碳酸钾加入到超纯水中搅拌，加入适量的氯金酸溶液，待反应液的颜色逐渐从淡黄色转变成无色透明，封口冷藏备用；

取冷藏的氯金酸溶液等恢复到室温后，加入金种子修饰的二氧化硅粒子的水溶液，添加还原剂甲醛，温和搅拌，待反应溶液从淡紫红色转变为深绿色后，通过离心分离终止反应，离心洗涤多次后分散在超纯水中4℃保存。

进一步地，上述金种子溶液的制备方法为：

在超纯水中加入氢氧化钠，紧接着加入THPC，搅拌均匀后，加入氯金酸溶液，混合液的颜色立即从无色转变成深棕色，继续搅拌获得。

进一步地，上述3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子的制备方法为：

将氨水溶液纯酒精溶液混合，加入TEOS溶液，混合溶液低速搅拌，经多次酒精和纯水交替清洗直至二氧化硅溶解在酒精中，取二氧化硅酒精溶液加入适量APTES，在常温条件下低速搅拌过夜，得到的混合液78℃水浴2h，不断添加酒精溶液维持反应体积恒定，APTES修饰的二氧化硅纳米粒子用酒精洗涤超声分散多次直至溶解在纯酒精中。

环糊精既作为材料的还原剂，也作为材料的稳定剂及利于对PCB检测的表面修饰剂。利用环糊精的弱还原性将硝酸银还原，在金包裹二氧化硅材料表面包裹上一层薄薄的银层，多余的环糊精分子起到稳定材料的作用，并为多氯联苯的检测提供亲和位点。经过这样的设计，通过一步过程即完成了对金包裹二氧化硅材料的表面包裹银层及环糊精的修饰，操作简单，省时并降低成本。

制备的材料SiO₂@Au@Ag@CD为核壳复合结构，集合了硅、金、银等多种材料的优点。具体来说，由于现代技术可以合成高度均一的二氧化硅纳米材料（本专利以100nm为例，二氧化硅材料的粒径可以通过调节反应物料添加的比例实现从50nm到微米尺寸精确控制。），因而以二氧化硅材料为核，再包裹金层与银层，可以显著提高材料的均匀性，制备得到百纳米大小的粒径均匀，分散性好的材料。目前，银纳米材料能够提供最好的SERS效应，材料表面包裹了薄的银层，银层能够提供良好的SERS增强效应。银层下的金壳层能够为银层提供电子转移，进一步提升材料的SERS增强效应。

制备得到的SERS基底在532nm激光与785nm激光激发下均有良好的SERS效应。以罗丹明（R6G）及腺嘌呤（adenine）为拉曼探针分子为例，分别在532nm与785nm激光激发下检测样品的浓度低至10^-14M与10^-8M。

SiO₂@Au@Ag@CD纳米材料对多种PCB（本发明说明中选择PCB029，PCB077为例）均有良好的检测能力，通过样品的拉曼特征峰即可区别不同的PCB。

本发明的有益效果：

1）环糊精一方面作为还原剂，将硝酸银还原在材料表面包裹一层薄银层显著提高材料的SERS效应；一方面作为表面修饰剂，在金属的表面进行疏水性修饰，提高材料对PCB捕获能力。2）制备过程以二氧化硅材料为核，表面包裹金层与银层，可以得到分散性好，粒径均一的纳米材料。3）SiO₂@Au@Ag@CD材料测试在532nm及785nm激光激发条件下均有良好的SERS增强效应，即它对激发光源的选择要求低，这为实现PCB便利、快速检测提供可能。4）SERS光谱提供样品的拉曼特征峰可以用于对不同PCB的拉曼指认。

附图说明

图1为基于表面增强拉曼散射光谱对不同PCB定量检测技术路线示意图；

图2为用SEM、EDS、TEM和UV-Vis方法对Silica@Au@Ag@CD核壳壳纳米颗粒进行表征的示意图；（a图：为材料的大范围的SEM图片，插入图为材料的粒径分析图。b图：材料的EDS元素能谱图，插入图为根据EDS元素能谱图结果得到的各种元素比重的统计图。c图：为材料高分辨的SEM图片，插入图为单个纳米颗粒的TEM图。d图：为不同反应时间，材料的紫外-可见吸收光谱图）

图3为Silica@Au@Ag@CD材料制成的基底分别对R6G、Adenine、PCB029、PCB077的检测SERS光谱图。（a图:样品R6G，激光532nm，浓度范围10^-10-10^-14M。b图:样品Adenine，激光785nm，浓度范围10^-3-10^-8M。c图:样品PCB029，激光532nm，浓度范围10^-4-10^-6M。d图:样品PCB077，激光532nm，浓度范围10^-4-10^-6M）具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

1）SiO₂@Au@Ag@CD材料的制备

步骤一：SiO₂@Au核壳结构的制备

首先，合成1-3nm金种子，在45mL的超纯水中加入0.5mL浓度为1.0M的氢氧化钠，紧接着加入50mM的THPC。搅拌均匀后，加入36μL浓度为1.0M的氯金酸溶液。混合液的颜色立即从无色转变成深棕色，继续搅拌，将得到的反应液保存在4℃的冰箱里备用。然后，合成3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES：3-aminopropyl)triethoxysilane）修饰的二氧化硅纳米粒子。制备粒径为100nm二氧化硅纳米球，先把3mL的氨水溶液（30wt%）与50mL的纯酒精溶液混合，再加入1.5mL的TEOS溶液，混合溶液低速搅拌过夜。得到的乳白色的产物，经酒精和纯水交替清洗三次，二氧化硅最后溶解在酒精中。取10mL二氧化硅酒精溶液加入一定量的APTES，混合液在常温条件下低速搅拌过夜，得到的混合液78℃水浴2h，不断的添加酒精溶液维持反应体积恒定。APTES修饰的二氧化硅纳米粒子用酒精洗涤超声分散3次，最终溶解在6mL纯酒精中。之后，把金种子与二氧化硅连接。取150μL新鲜制备的APTES修饰的二氧化硅溶液加入到20mL未稀释的金种子溶液中。可以加入一定量的氯化钠溶液促进金种子在二氧化硅表面的固定。混合液过夜处理后，离心，纯水洗涤去除未连接的金种子。接着，进行金壳层生长。25mg的碳酸钾加入到100mL的超纯水中搅拌10min，加入一定量的氯金酸溶液。30min后，反应液的颜色逐渐从淡黄色转变成无色透明，将反应液封口放置于4℃冰箱中冷藏备用。取10mL冷藏的氯金酸溶液等恢复到室温后，加入金种子修饰的二氧化硅粒子的水溶液150μL，立即添加10μL还原剂甲醛，温和搅拌。反应溶液在15min内从淡紫红色转变为深绿色，通过离心分离终止反应。最终得到的金包裹二氧化硅纳米材料，离心洗涤两次后分散在超纯水中4℃保存。

步骤二：SiO₂@Au@Ag@CD核壳壳结构的制备

先由步骤一制得SiO₂@Au材料，再包裹银层，并一步完成β-环糊精（Cyclodextrin,β-CD）的修饰。取制备好的SiO₂@Au材料溶解在10mL的纯水中，加入一定量的β-CD，溶液静置10min，直到大部分β-CD溶解。加入NaOH调节反应液的pH值，静置10min。加入一定量新鲜配制的浓度为20μM的硝酸银溶液，低速搅拌。混合溶液经水浴加热20min后，纯水离心洗涤2次，得到SiO₂@Au@Ag@CD材料。最后材料溶解在纯水中，放置于4℃冰箱保存备用。

步骤三：制成SERS基片并对PCB检测

切割好的石英片（0.5cm×0.5cm）首先浸泡在新鲜配制的水虎溶液(硫酸：过氧化氢=7：3)中处理2h，80℃水浴以提高石英片表面羟基化的效率。得到的石英片用大量去离子水冲洗，氮气吹干。在20mL超纯水中滴加20μLAPTES溶液，新鲜处理的石英片浸在APTES溶液中15min后取出，酒精和超纯水交替冲洗，氮气吹干。将制备好的SiO₂@Au@Ag@CD材料取5μL滴加在处理过的石英片上，氮气吹干。固定有材料的石英基片小心的用超纯水淋洗，自然晾干。把新鲜制备的SERS基片浸泡在不同浓度的PCB有机溶液中（10^-4M-10^-6M）1h后进行拉曼测试。

拉曼测试使用的是XploRA拉曼光谱仪（Horiba Jobin Yvon），选择532nm的激光和Olympus50×长距离工作镜头。激光光斑的大小约为2μm，单谱采集时间15-45s。注：对R6G、PCB029、PCB077样品进行检测时，选用532nm的激光激发。对腺嘌呤分子进行检测时，选用785nm的激光激发。

SiO₂@Au@Ag@CD材料的表征

利用SEM（Hitach S-4800scanning electron microscope），TEM（JEOL2010microscope），UV-vis（SHIMADZH,UV-2550spectrophotometer）对制备的SiO₂@Au@Ag@CD核壳壳结构进行表征。由图2中的SEM图，SiO₂@Au@Ag@CD核壳壳材料粒径均一，分散均匀，未见其它形貌的产物。材料的表面粗糙完整，每一个二氧化硅材料的表面均包裹上金属层。SiO₂@Au@Ag@CD核壳壳结构的材料粒径统计结果约为132±8nm，SiO₂@Au材料的粒径约为120nm，推测SiO₂@Au材料表面包裹的银层厚度约为5nm。由图2中的EDS测试的结果得，相对于SiO₂@Au材料，SiO₂@Au@Ag@CD样品能谱在3keV附近出现归属于Ag的新峰，证明Ag元素的存在。元素统计的结果：银元素占所测面积内元素比重约30%，氧元素占所测面积内的元素比重降为0，推测材料的表面包裹上银层后，银填补了部分金层未包裹二氧化硅材料的表面空缺，这样使得金属对二氧化硅包裹的更为充分，壳层连续而完整。图2中的TEM的结果显示，不同区域材料的衬度不一样，进一步确认材料为核壳壳结构。从由图2中UV-vis结果看出，SiO₂@Au@Ag@CD材料在395nm附近出现新峰，同样证明银元素的存在。SiO₂核壳结构包裹银后在700-800nm仍有较强的吸收，预示材料在785nm激光下应仍具有一定的SERS增强效果。

2）SiO₂@Au@Ag@CD材料制得的SERS基底检测不同的分子

选择了R6G，腺嘌呤Adenine，PCB029，PCB077四种待测分子，考察了

SiO2@Au@Ag@CD材料制得的基底的SERS增强效应及对不同多氯联苯的检测能力。由图3-a中看出，基底对R6G分子的检测浓度最低可以达到10^-14M，证明基底在532nm激光激发下具有良好的SERS效应。经计算，SiO₂@Au@Ag@CD材料的增强因子约为2×10⁷。由图3-b中看出，基底对腺嘌呤分子的检测浓度最低可以达到

10^-8M，证明基底在785nm激光激发下亦具有良好的SERS效应。图3-c和图3-d说明SiO2@Au@Ag@CD制得的基底对不同的PCB（PCB029，PCB077）有良好检测能力。当PCB的浓度降到微摩尔量级时，仍能够得到归属于PCB特征峰的SERS信号。在PCB029中，1001cm^-1,1263cm^-1,1603cm^-1清晰可见；在PCB077中，678cm^-1,1033cm^-1,1246cm^-1,1300cm^-1,1596cm^-1均可以作为检测的判断标准。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，其特征在于，包括步骤：将环糊精修饰的银、金包裹二氧化硅纳米颗粒通过偶联剂固定在石英片上制成SERS基底，将所述SERS基底浸泡在含有多氯联苯PCB的溶液中，足量时间后取出，进行拉曼光谱测量；先制得SiO₂@Au材料，再包裹银层，并一步完成β-环糊精的修饰，具体步骤是：取制备好的SiO2@Au材料溶解在纯水中，加入一定量的β-CD，溶液静置10min，直到大部分β-CD溶解，加入NaOH调节反应液的pH值，静置10min，加入一定量新鲜配制的浓度为20μM的硝酸银溶液，低速搅拌，混合溶液经水浴加热20min后，纯水离心洗涤2次，得到SiO2@Au@Ag@CD材料。

2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，其特征在于，所述环糊精修饰的银、金包裹二氧化硅纳米颗粒是以金包裹二氧化硅核壳结构纳米颗粒为核，以硝酸银为银源，以环糊精为还原剂，在金包裹二氧化硅纳米颗粒表面通过一步过程直接包裹上薄银层并修饰上环糊精。

3.根据权利要求2所述的表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，其特征在于，所述金包裹二氧化硅核壳结构纳米颗粒是由1-3nm的金种子和80-120nm的APTES修饰的二氧化硅纳米粒子连接获得的。

4.根据权利要求3所述的表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，其特征在于，金包裹二氧化硅核壳结构纳米颗粒的制备方法为：将APTES修饰的二氧化硅溶液加入到未稀释的金种子溶液中，加入适量氯化钠溶液促进金种子在二氧化硅表面的固定，过夜处理后，离心，纯水洗涤去除未连接的金种子；将碳酸钾加入到超纯水中搅拌，加入适量的氯金酸溶液，待反应液的颜色逐渐从淡黄色转变成无色透明，封口冷藏备用；取冷藏的氯金酸溶液等恢复到室温后，加入金种子修饰的二氧化硅粒子的水溶液，添加还原剂甲醛，温和搅拌，待反应溶液从淡紫红色转变为深绿色后，通过离心分离终止反应，离心洗涤多次后分散在超纯水中4℃保存。

5.根据权利要求3所述的表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，其特征在于，所述金种子溶液的制备方法为：在超纯水中加入氢氧化钠，紧接着加入THPC，搅拌均匀后，加入氯金酸溶液，混合液的颜色立即从无色转变成深棕色，继续搅拌获得。

6.根据权利要求3所述的表面增强拉曼光谱测量多种多氯联苯的方法，其特征在于，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子的制备方法为：将氨水溶液纯酒精溶液混合，加入TEOS溶液，混合溶液低速搅拌，经多次酒精和纯水交替清洗直至二氧化硅溶解在酒精中，取二氧化硅酒精溶液加入适量APTES，在常温条件下低速搅拌过夜，得到的混合液78℃水浴2h，不断添加酒精溶液维持反应体积恒定，APTES修饰的二氧化硅纳米粒子用酒精洗涤超声分散多次直至溶解在纯酒精中。