CN103868908B - 一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底及其制备方法 - Google Patents

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一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底及其制备方法，该基底为琼脂糖凝胶与金属纳米粒子的复合结构，金属纳米粒子沉积在琼脂糖凝胶的网状结构中，所述金属纳米粒子为金纳米颗粒，直径为2nm~5nm；所述琼脂糖凝胶的网状结构是由1%~3%质量分数的琼脂糖溶液凝结而成，凝胶厚度为1~3mm。配置浓度为5μM的胶体金溶液；将琼脂糖凝胶膜浸泡于胶体金溶液中，金纳米粒子扩散至琼脂糖凝胶膜的网状结构内，制得基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底。琼脂糖凝胶为胶体金颗粒的富集提供了一个天然的多孔模板，金纳米颗粒和负载了金纳米颗粒的琼脂糖凝胶膜显示了相似的光学吸收特性。

Description

一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料学和分子传感技术领域，具体涉及一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底及其制备方法。
背景技术
表面增强拉曼光谱是一种方便的振动光谱方法，可对低含量分析物进行灵敏的检测。第一次被应用是在粗糙电极上检测吡啶，现在已经发展到传感和成像，单分子检测，并发展为超快无损伤检测。SERS突破了传统拉曼散射存在的散射截面低而带来的瓶颈，避免了荧光光谱成像中存在的光漂白以及荧光标记的毒性等问题，是当前国际上备受瞩目的研究焦点，已成功地应用于材料分析、生物分子探测、蛋白质相互作用研究等领域。SERS技术由于具有可以避免荧光标记中的光漂白，降低对细胞的毒性，提供丰富的光谱信息等优势，成为人们研究的热点。
SERS研究的重点在于增强拉曼效率的增加，因此拉曼增强基质的研究具有深远的应用意义。增强基质一般为电子浆材料（金、银、铜），研究主要集中在发展可以应用在SERS中的新的电子浆材料，研究已有电子浆材料形貌、尺寸、组装等方面对拉曼增强效率的影响，如:固相基底表面纳米颗粒的组装、溶液中纳米颗粒的团聚、模板法制备的纳米颗粒、纳米颗粒阵列等，将纳米材料引入到高分子聚合物中可得到新型的复合功能材料，这种复合材料兼有纳米和聚合物的双重优异性能。常用的制备方法有：直接分散法（共混法）、原位合成法、聚合物原位聚合法、模板法。这种纳米复合结构可以综合材料自身的特性、纳米尺度效应以及由于组合效应所引起的新功能于一身，从而能够具有单一纳米材料所不具备的特殊性能。
琼脂糖是从石花菜、江蓠菜及紫菜等海藻类植物中提取出来的直链多糖，基本结构是1,3连结的β-D半乳呋喃糖和1,4连结的3,6-脱水α-L-半乳呋喃糖。琼脂糖在水中一般加热到90℃以上溶解，温度下降到35℃-40℃时形成良好的半固体状的凝胶，这是它具有多种用途的主要特征和基础。琼脂糖的凝胶性是由存在的氢键所致，凡是能破坏氢键的因素都能导致凝胶性的破坏。通过改变琼脂糖的浓度可控制琼脂糖凝胶的孔径大小，正是由于琼脂糖这种特殊的胶凝性质，尤其有显著的稳固性、滞度和滞后性，并且易吸收水分，有特殊的稳定效应，已经广泛使用于食用、医药、化工、纺织、国防等领域。近来，以琼脂糖凝胶为模板来制备多孔的无机复合材料成为新的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于利用上述复合材料的优势以及琼脂糖凝胶特性，提供一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底及其制备方法，在传统SERS基底的基础上提供一种新型固相基底，并根据纳米金颗粒浓度、尺寸、形貌，适当调节琼脂糖凝胶的含水量，使电场增强因子达到一定的增大，制备方法简便，条件易控制。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底，该基底为琼脂糖凝胶与金属纳米粒子的复合结构，金属纳米粒子沉积在琼脂糖凝胶的网状结构中，所述金属纳米粒子为金纳米颗粒。
所述琼脂糖凝胶的网状结构是由1%~3%质量分数的琼脂糖溶液凝结而成，凝胶厚度为1~3mm。
所述金纳米颗粒的直径为2nm~5nm。
上述基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底的制备方法，包括如下步骤：
1）制备胶体金溶液：将金属纳米粒子溶于超纯水中，得到浓度为5μM的胶体金溶液；
2）制备琼脂糖凝胶膜：将琼脂糖粉末加入超纯水中，加热至99℃，配成质量分数1%~3%的琼脂糖溶液，冷却到25℃，凝结为1~3mm厚的琼脂糖凝胶，然后制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜；
3）将步骤2）得到的琼脂糖凝胶膜浸泡于胶体金溶液中，浸泡时间36-50h，金纳米颗粒扩散至琼脂糖凝胶膜的网状结构内,形成琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜，即制得基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底。
步骤1）中的金属纳米粒子为金纳米颗粒，金纳米颗粒的直径为2nm~5nm。金属纳米粒子的制备，利用胶体还原化学的方法，利用NaBH4还原HAuCl4制备GNPs,反应体系中加入K2CO3作为稳定剂和保护剂,使得GNPs能够均匀分散并稳定存在于水溶液中。
琼脂糖凝胶的网孔大小和机械强度可通过调节琼脂糖浓度获得，当琼脂糖溶液的质量浓度在1%~3%范围时，琼脂糖凝胶的网孔随着浓度的增加，网孔密度、空隙变小。金属纳米粒子在琼脂糖凝胶上的负载主要依靠载体流质的运动。根据纳米金颗粒、形态的不同，可选用合适浓度的琼脂糖凝胶进行负载。琼脂糖凝胶为胶体金颗粒的富集提供了一个天然的多孔模板，金纳米颗粒和负载了金纳米颗粒的琼脂糖凝胶膜显示了相似的光学吸收特性。
有益效果：在传统的SERS固相基底的基础上，提出了琼脂糖凝胶作为固相基底，可通过改变琼脂糖的浓度控制琼脂糖凝胶的孔径大小。由于琼脂糖凝胶的溶胀特性，随着琼脂糖凝胶在空气中失水收缩,拉曼“热点效应”逐渐增强,拉曼吸收峰也逐渐增强。金纳米颗粒和负载了金纳米颗粒的琼脂糖凝胶膜显示了相似的光学吸收特性（如强的共振吸收、同样的光谱区域）。琼脂糖方便易得，进一步提高了SERS的实用性，并为SERS增强机理的研究提供了技术参考。
附图说明
图1：(a)纳米金颗粒的电镜图，(b)纳米金胶体溶液的紫外-可见-近红外光谱图；
图2是琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合结构的形成过程示意图；
图3：(a)琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合结构的电镜图,(b)琼脂糖凝胶在胶体金溶液中浸泡不同时间的紫外-可见-近红外光谱图(0-24h)；
图4是失水干燥的琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜的拉曼光谱及其浸泡10-6MNBA溶液后失水干燥后的拉曼光谱图；
图5：(a)琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜基底检测10-6M的NBA随时间变化的拉曼光谱图，a.0min;b.30min;c.60min;d.120min.(b)592cm-1处特征峰强度随着时间的变化曲线。
图6是以浓度为1%，厚度为2mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例2）。
图7是以浓度为3%，厚度为2mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例3）。
图8是以浓度为2%，厚度为1mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例4）。
图9是以浓度为2%，厚度为3mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例5）。
图10是以浓度为1%，厚度为1mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例6）。
图11是以浓度为1%，厚度为3mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例7）。
图12是以浓度为3%，厚度为1mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例8）。
图13是以浓度为3%，厚度为3mm的琼脂糖膜为基底的拉曼光谱图（实施例9）。
具体实施方式
本发明提供的基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底，采用琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜作为表面增强基底，实现方法简述如：采用胶体还原化学的方法利用NaBH4还原HAuCl4制备
GNPs（金纳米粒子）,反应体系中加入K2CO3作为稳定剂和保护剂,使得GNPs能够均匀分散并稳定存在于水溶液中。制备质量分数1%~3%，1~3mm厚1cm直径的琼脂糖凝胶膜，浸泡于金纳米颗粒溶胶中，然后浸泡于拉曼信号分子溶液中，与复合材料结合，形成SERS探针。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底（琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜）的制备方法，包括如下步骤：
1）制备胶体金溶液：利用NaBH4还原HAuCl4的方法，参考文献：Ma,Xiaoyuan;Liu,Liangliang;Liu,Fangjing;Qian,Weiping.BiocatalyticallyInducedGrowthofGoldNanoshells:UsingEnzymeReactionfortheControllableFabricationofNanomaterials.JournalofNanoscienceandNanotechnology,2012,12(2):870-878。制备2nm-5nm的金纳米颗粒，具体步骤如下：将1gHAuCl4溶于100mL纯水中配成1％的HAuCl4溶液，4℃避光保存。取200mL4℃预冷的纯水置于磁力搅拌器上不断搅拌，首先加入3mL1％HAuCl4溶液，待其在溶液中分散均匀后再加入1mL0.2M的K2CO3水溶液，最后快速加入新鲜配制的0.5mg/mLNaBH4溶液9mL。溶液由亮黄色变为棕褐色再变为酒红色。继续搅拌5min，得到直径为2nm-5nm的金纳米颗粒。离心，清洗，富集，重分散于超纯水中。（图1(a)纳米金颗粒的电镜图和(b)纳米金胶体溶液的紫外-可见-近红外光谱图），置于4℃冰箱陈化一到两周保存备用。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.2g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（2%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入2mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）将步骤2）得到的琼脂糖凝胶膜浸泡于胶体金溶液中，浸泡时间48h，金属纳米粒子扩散至琼脂糖凝胶膜的网状结构内,形成琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜,每隔6~8h取出测其紫外-可见-近红外吸收峰，并记录峰位置及峰强度（图3b）。从图中可看出纳米金颗粒均匀的分布于琼脂糖凝胶膜网状结构中，金纳米颗粒和负载了金纳米颗粒的琼脂糖凝胶膜显示了相似的光学吸收特性，但金纳米颗粒吸收峰位置向长波长方向稍许红移。
4）表面增强拉曼检测：将上述制备得到的琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜浸泡于NBA（拉曼探针分子尼罗蓝A）溶液中，以便探针分子充分吸附（图4）。取出后置于拉曼光谱仪中测其拉曼吸收峰，并记录随时间变化所得吸收峰的变化情况（图5）。由图4和图5可看出，琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜放置在空气中，随着时间的延长出现一定程度的失水，伴随着琼脂糖凝胶的收缩，其体积的缩小使得金纳米颗粒之间的距离减小，从而产生“动态热点效应”。“动态热点效应”的增强，拉曼吸收峰也逐渐增强。对于拉曼吸收峰较弱的样品进行分析，拉曼吸收峰的放大，可实现低浓度物质的拉曼光谱检测。对于混合物样品的分析，拉曼吸收峰的放大可以对单个峰位进行分析，判断吸收峰所对应的化学键，从而实验多样品分析的精确度。
实施例2
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.1g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（1%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入2mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）将步骤3）制备得到的琼脂糖凝胶/纳米金颗粒复合膜浸泡于NBA溶液中，以便探针分子充分吸附。取出后于空气中自然吹干后置于拉曼光谱仪中测其拉曼吸收峰（图6）。
实施例3
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.3g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（3%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入2mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）同实施例2步骤4（图7）。
实施例4
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.2g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（2%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入1mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）同实施例2步骤4（图8）。
实施例5
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.2g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（2%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入3mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）同实施例2步骤4（图9）。
实施例6
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.1g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（1%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入1mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）同实施例2步骤4（图10）。
实施例7
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.1g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（1%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入3mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）同实施例2步骤4（图11）。
实施例8
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.3g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（3%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入1mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）同实施例2步骤4（图12）。
实施例9
1）同实施例1步骤1。
2）制备琼脂糖凝胶膜：称0.3g琼脂糖粉末加入10mL超纯水中（3%），微波炉加热至完全溶解呈透明状，趁热加入3mm厚制胶板中，待冷却凝结成板状凝胶，再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜，浸泡于超纯水中恒温振荡，去除膜孔径中分散的凝胶碎片，每3h换一次水，备用。
3）同实施例1步骤3。
4）同实施例2步骤4（图13）。

Claims (3)

1.一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底，其特征在于：该基底为琼脂糖凝胶与金属纳米粒子的复合结构，金属纳米粒子沉积在琼脂糖凝胶的网状结构中，所述金属纳米粒子为金纳米颗粒；所述金纳米颗粒的直径为2nm~5nm；所述琼脂糖凝胶的网状结构是由1%~3%质量分数的琼脂糖溶液凝结而成，凝胶厚度为1~3mm。
2.权利要求1所述的一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）制备胶体金溶液：将金属纳米粒子溶于超纯水中，得到浓度为5μM的胶体金溶液；
2）制备琼脂糖凝胶膜：将琼脂糖粉末加入超纯水中，加热，配成质量分数1%~3%的琼脂糖溶液，冷却，凝结为1~3mm厚的琼脂糖凝胶，然后制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖凝胶膜；
3）将步骤2）得到的琼脂糖凝胶膜浸泡于胶体金溶液中，浸泡时间36-50h，金纳米粒子扩散至琼脂糖凝胶膜的网状结构内,制得基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底。
3.根据权利要求2所述的一种基于琼脂糖凝胶的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于：步骤1）所述所述金属纳米粒子为金纳米颗粒，直径为2nm~5nm。
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