CN103990812A - 一种表面增强拉曼基底的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种表面增强拉曼基底的制备方法，涉及拉曼光谱。通过晶种生长法合成金纳米棒溶液：先合成金纳米种子，再加入生长溶液，并以硝酸银调节金纳米棒的长径比，直到反应完成，得所需的金纳米棒溶液，然后离心去上清液，加入信号分子连接于金表面，接着加入聚乙二醇修饰剂，诱导金纳米棒发生自组装，再将处理后的纳米粒子溶液搅拌，加入正硅酸乙酯的甲醇溶液反应，在自组装的金纳米棒表面包裹上二氧化硅层，得表面增强拉曼基底。可直接在溶液中进行检测，并且由于自组装，相邻纳米粒子表面等离子体的耦合效应，导致纳米粒子间的电磁场得到显著增强，使位于该处的拉曼信号获得数量级的放大，进而极大提高了表面增强拉曼的检测灵敏度，稳定性高。

Description

一种表面增强拉曼基底的制备方法

技术领域

本发明涉及拉曼光谱，尤其是涉及稳定的、高活性的一种表面增强拉曼基底的制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射是指部分金属粗糙表面或者纳米颗粒体系所具有的对于拉曼信号的异常增强现象。它可以将吸附在金属表面分子的拉曼信号放大10⁴～10⁸倍，在热点位置，增强因子甚至可以高达10¹⁴，人们一直在寻找新的、增强系数更大的、重复性更好的增强基底，除了粗糙金属材料表面外，陆续发现半导体、尖端、量子点、团簇等均具有表面增强拉曼效应。此处将其分为三类：随机粗糙结构、无序规则结构和有序规则结构。

有序规则结构的特点是形貌参数确定，分布均匀有序，还包括了粒子结合点处的“热点”以及“连接处”。制备这类结构的方法包括：平板印刷法、自组装法、模板法、LB膜组装法等(Y.Wang,Y.F.Li,J.Wang,Y.Sang,et al.End-to-end assembly of gold nanorodsby means of oligonucleotide-mercury(II)molecular recognition[J].Chem.Commun.,2010,46(8):1332-1334)。这类结构虽然制备技术较为复杂，但是由于其增强能力强、重复性好、适应范围广、可用于半定量和定量测量，因此在食品安全检测、环境参数测量、医学诊断、化学测量等领域将获得广泛的应用。纳米材料自组装是指通过先制备低维纳米材料，然后再将其通过后续自组装来获得各种超结构。根据组装方式的不同可以划分为以下几种：模板法、界面组装法、外场驱动组装法和溶液中组装法(C.Tabor,D.Van Haute,M.A.El-Sayed.Effect of orientation on plasmonic coupling between gold nanorods[J].ACSnano,2009,3(11):3670-3678)。

相对于其它组装方法，溶液中组装法应用范围最广，并且对于组装结构的控制更为精确。溶液中组装法一般是利用分子间的氢键、静电吸引、聚合物亲疏水和生物分子识别(抗原--抗体，生物素--亲和素，DNA杂交)等相互作用使纳米材料组装在一起(Z.H.Nie,A.Petukhova,E.Kumacheva.Properties and emerging applications of self-assembled structures madefrom inorganic nanoparticles[J].Nat.Nanotechnol.,2010,5(1):15-25)。在这些组装方法中，通常需要先在纳米颗粒的表面修饰上一定的分子，然后再通过上述各种作用力将纳米材料组装在一起，且不同的修饰方式可以使纳米材料组装成不同的结构。

金纳米棒的组装在表面增强拉曼散射、荧光传感等许多重要应用中都具有应用潜力。但是目前纳米粒子在溶液中自组装研究并没有得到深入的开展，主要是因为自组装体系本身不稳定，容易发生聚集现象。因此，本发明将二氧化硅包裹在自组装的金纳米棒表面以提高体系的稳定性。基于介孔二氧化硅独特的结构性质(稳定性高、比表面积高、孔容大)和较好的生物相容性，介孔二氧化硅纳米材料在生物医学领域具有良好的应用潜力(Pastoriza-Santos I，Perez-Juste J，Liz-Marzan L M.Silica-coating andhydrophobation of CTAB-stabilized gold nanorods[J].Chem.Mater.，2006，18：2465-2467)。同时，纳米粒子在水溶液中稳定的分散性，为后续深入研究提供了可能。

发明内容

本发明的目的是提供稳定的、高活性的一种表面增强拉曼基底的制备方法。

本发明的具体步骤如下：

通过晶种生长法合成金纳米棒溶液：先合成金纳米种子，再加入生长溶液，并以硝酸银调节金纳米棒的长径比，直到反应完成，得所需的金纳米棒溶液，然后离心去上清液，加入信号分子连接于金表面，接着加入聚乙二醇修饰剂，诱导金纳米棒发生自组装，再将处理后的纳米粒子溶液搅拌，加入正硅酸乙酯的甲醇溶液反应，在自组装的金纳米棒表面包裹上二氧化硅层，得表面增强拉曼基底。

所述金纳米棒的长可为20～50nm，直径可为5～20nm，长径比可为2～5，优选长34～42nm，直径9～13nm，长径比3～4。

所述离心的条件可为：温度25～35℃，转速5000～20000rpm，时间10～45min。

所述信号分子可采用异硫氰基孔雀石绿等。

所述聚乙二醇修饰剂可采用HS-PEG-COOH。

所述自组装包括但不限于头对头自组装、肩并肩自组装和头对肩自组装等。

所述处理后的纳米粒子溶液的pH值可为8～13，优选10。

所述加入正硅酸乙酯的甲醇溶液可分3次加入，相邻间隔0.5h。

所述反应的温度可为20～45℃，反应的时间可为12～24h。

所述二氧化硅层的厚度可为1～50nm。

本发明制备的表面增强拉曼基底中，金纳米棒表面连接有拉曼信号分子，通过静电作用诱导金纳米棒进行各种不同取向的自组装以达到高活性，接着在组装体表面包裹上二氧化硅以增强其稳定性。所述拉曼信号分子位于组装的金纳米棒的连接处。

本发明的优点在于：

1)一般的表面增强拉曼方法，需要制备贵金属颗粒膜作为检测基底，而本发明制备的新型表面增强拉曼基底可以直接在溶液中进行检测，并且由于自组装，相邻纳米粒子表面等离子体的耦合效应，导致纳米粒子间的电磁场得到显著增强，使位于该处的拉曼信号获得数量级的放大，进而极大提高了表面增强拉曼的检测灵敏度。

2)传统溶液中通过自组装增强拉曼信号的方法本身不稳定，容易发生团聚等现象，而本发明由于组装体外面包裹了二氧化硅层，使得体系稳定性大幅度提高，并且二氧化硅层具有良好的生物相容性和成熟的修饰方法，便于工作的深入研究。

附图说明

图1为异硫氰基孔雀石绿在水中的拉曼光谱图。

图2为金纳米棒的透射电镜图。

图3为金纳米棒的紫外可见吸收光谱图，紫外吸收峰位于700nm。

图4为金纳米棒自组装的透射电镜图。

图5为金纳米棒自组装随时间变化的紫外可见吸收光谱图。在图5中，曲线①～④分别为加入聚乙二醇修饰剂后0、2、4、6min。

图6为金纳米棒包裹上二氧化硅的透射电镜图。(a)～(b)包裹的二氧化硅层厚度范围2～30nm。

图7为金纳米棒自组装包裹上二氧化硅的透射电镜图。(a)包裹的二氧化硅层厚度为3nm；(b)包裹的二氧化硅层厚度为10nm。

图8为金纳米棒的紫外可见吸收光谱图。在图8中，曲线①为金纳米棒，曲线②为金纳米棒包裹上二氧化硅，曲线③为组装的金纳米棒包裹上二氧化硅。

图9为异硫氰基孔雀石绿在金纳米棒溶液中的表面增强拉曼散射光谱。在图9中，曲线①为金纳米棒包裹上二氧化硅，曲线②为组装的金纳米棒包裹上二氧化硅。

具体实施方式

与以往利用纳米颗粒制备成膜作为表面增强拉曼基底增强拉曼信号不同，本发明是通过静电吸引力将金纳米棒结合在一起，并且利用金纳米棒各个晶面带电量不同的特点，诱导金纳米棒进行不同取向的组装。同时，金纳米棒的有序排列会大大增强吸附在其表面的信号分子，尤其是“热点”连接处的信号分子。为保证自组装体系的稳定性，本发明在吸附好有拉曼信号分子的组装体表面形成一层厚度可控的介孔二氧化硅层，形成具有核壳结构的复合纳米颗粒(组装的金纳米棒包裹上二氧化硅)。本发明表面增强拉曼基底的制备过的具体合成步骤如下：

1)金纳米棒的合成采用Murphy报道的种子生长法(Tapan K.Sau and Catherine J.Murphy.Seeded high yield synthesis of short Au nanorods in aqueous solution[J].Langmuir,2004,20(15):6414–6420)。

金纳米种子溶液的制备：先将7.5mL，0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液与0.25mL，0.01mol/L的氯金酸溶液混合，然后加入0.6mL新鲜配制的0.01mol/L硼氢化钠溶液，同时磁力搅拌2min，室温下静止放置2h备用。

生长溶液制备：取一个充分洗净的容器，依次加入95mL，0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵水溶液，4mL，0.01mol/L的氯金酸，0.75mL0.01mol/L硝酸银溶液，同时磁力搅拌；再加入0.64mL，0.1mol/L的柠檬酸钠作为还原剂，剧烈搅拌2min，此时溶液从浅黄色变为无色透明溶液，作为生长液。

金纳米棒制备：向上述生长液中加入0.4mL已制备的金纳米种子溶液以诱发金纳米棒的生长，缓慢搅拌至溶液变色后于28～32℃恒温条件下静止放置3h，得到金纳米棒溶液。然后，将上述溶液离心，以去除金纳米棒母液中多余表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、柠檬酸钠、硝酸银，并重新分散于超纯水中浓缩备用，并对金纳米棒进行表征。

2)诱导金纳米棒发生自组装。

取新鲜配制金纳米棒溶液10mL，向其中逐滴加入异硫氰基孔雀石绿(100μL，10μM)并且快速搅拌，然后离心3次后用接超纯水分散，并向其逐滴加入聚乙二醇修饰剂(HS-PEG-COOH，MW～459，10μM)诱导金纳米棒头对头组装，同时用拉曼光谱仪监测金纳米棒组装过程中异硫氰基孔雀石绿的拉曼信号变化。

3)介孔二氧化硅包覆的金纳米棒的制备

取10mL上述金纳米棒溶液，向其中加入0.1mL氢氧化钠溶液(0.1M)，搅拌10min。然后，向其中加入20％正硅酸乙酯的甲醇溶液，共加入三次，间隔半h，不停搅拌。混合液反应24h形成氨基化的介孔二氧化硅壳层。将合成的金纳米棒包裹上二氧化硅离心(10000rpm)，用甲醇和水洗涤数次以去除介孔二氧化硅孔道中的十六烷基三甲基溴化铵分子，最终将沉淀分散于6mL二次水中,溶液浓度为0.2mg/mL。

异硫氰基孔雀石绿在水中的拉曼光谱图参见图1，金纳米棒的透射电镜图参见图2，金纳米棒的紫外可见吸收光谱图参见图3，紫外吸收峰位于700nm。金纳米棒自组装的透射电镜图参见图4，金纳米棒自组装随时间变化的紫外可见吸收光谱图参见图5。

为进一步说明本发明，结合以下实施例具体阐述：

实施例1：

合成步骤如上述，不同之处为步骤3)向其中加入5μL,20％正硅酸乙酯的甲醇溶液。如图6(a)。

实施例2：

合成步骤如上述，不同之处为步骤3)向其中加入10μL,20％正硅酸乙酯的甲醇溶液。如图6(b)、图7(a)。

实施例3：

合成步骤如上述，不同之处为步骤3)向其中加入15μL,20％正硅酸乙酯的甲醇溶液。如图6(c)、图7(b)。

实施例4：

合成步骤如上述，不同之处为步骤3)向其中加入20μL,20％正硅酸乙酯的甲醇溶液。如图6(d)。

从金纳米棒的紫外-可见吸收光谱图中可直观看出，金纳米棒具有两个明显的表面等离子共振吸收峰：512nm(横轴方向的表面等离子共振)和700nm(纵轴方向的表面等离子共振)。二氧化硅壳层厚度为10±2nm。

金纳米棒的紫外可见吸收光谱图参见图8，异硫氰基孔雀石绿在金纳米棒溶液中的表面增强拉曼散射光谱参见图9。

本发明提供了一种稳定的、高活性的表面增强拉曼基底的制备方法。本发明所提供的表面增强拉曼基底包括：金纳米棒表面连接有若干拉曼信号分子，诱导金纳米棒进行各种不同取向的自组装以达到高活性，接着在组装体表面包裹上二氧化硅以增强其稳定性。本发明的表面增强拉曼基底可以直接在溶液中进行检测，通过自组装产生的耦合的效应，极大的提高表面增强拉曼了检测灵敏度。由于组装体外面包裹了不同厚度的二氧化硅层，大幅度提高了体系的稳定性，使得检测更加便捷有效。并且二氧化硅层具有良好的生物相容性和成熟的修饰方法，使得该表面增强拉曼基底具有广泛的适应性，在生物分子的识别检测、药物载体与控释、食品安全卫生、环境监测等领域具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

通过晶种生长法合成金纳米棒溶液：先合成金纳米种子，再加入生长溶液，并以硝酸银调节金纳米棒的长径比，直到反应完成，得所需的金纳米棒溶液，然后离心去上清液，加入信号分子连接于金表面，接着加入聚乙二醇修饰剂，诱导金纳米棒发生自组装，再将处理后的纳米粒子溶液搅拌，加入正硅酸乙酯的甲醇溶液反应，在自组装的金纳米棒表面包裹上二氧化硅层，得表面增强拉曼基底。

2.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述金纳米棒的长为20～50nm，直径为5～20nm，长径比为2～5，优选长34～42nm，直径9～13nm，长径比3～4。

3.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述离心的条件为：温度25～35℃，转速5000～20000rpm，时间10～45min。

4.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述信号分子采用异硫氰基孔雀石绿。

5.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述聚乙二醇修饰剂采用HS-PEG-COOH。

6.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述自组装包括但不限于头对头自组装、肩并肩自组装和头对肩自组装。

7.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述处理后的纳米粒子溶液的pH值为8～13，优选10。

8.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述加入正硅酸乙酯的甲醇溶液分3次加入，相邻间隔0.5h。

9.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述反应的温度为20～45℃，反应的时间为12～24h。

10.如权利要求1所述一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于所述二氧化硅层的厚度为1～50nm。