CN104251852A - 一种基于无电沉积法构建的表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面增强拉曼散射(SERS)技术，简单、迅速和低成本测定水中高氯酸根离子的新方法及其关键部件SERS基底的制备方法。该方法包括以下步骤：(1)SERS基底的构建和修饰；(2)SERS测量样品的制备；(3)SERS测量。根据高氯酸根离子的特征SERS峰(930cm^-1)出现与否及其强度，可获得定性和定量信息。该方法提供的SERS基底具有优良的性能，包括灵敏度高、再现性好、性能稳定及可以再生和重复使用等。与便携式或掌上型拉曼光谱仪相结合，该方法可实现水中痕量高氯酸根离子的现场检测和分析，具有很高的应用前景和实用价值。

Description

一种基于无电沉积法构建的表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于拉曼光谱技术和纳米材料技术及分析检测技术领域，具体涉及一种基于无电沉积法构建的表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用。

背景技术

自从上个世纪70年代发现表面增强拉曼散射效应(SERS)以来，表面增强拉曼技术已经得到了迅猛的发展。SERS技术以其独特的超灵敏度，高选择性，无损性，原位实时性及快速，简单和低成本等优势，在化学、生物和医药分子的识别和检测中，特别是在国土安全，食品和饮用水检测及环境监测领域扮演着越来越重要的地位。最近的研究已经证明，与便携式和掌上型拉曼光谱仪相结合，该技术正在成为实时和现场分析检测的极具市场前景的新的解决方案。

表面增强拉曼技术的核心是具有表面增强活性的纳米结构的贵金属基底(主要是银和金纳米表面)。当分子吸附到这样的纳米结构表面上时，由于电磁增强和化学增强效应，在激光激发下分子的拉曼散射强度被急剧增强；其增强因子可高达10¹²至10¹⁴，可达到单分子检测的水平。毫无疑问，构建综合性能优越的SERS基底一直是本领域的研究热点。研究人员使用化学合成，电化学沉积、物理蒸镀，自组装，纳米平面印刷和电子束光刻等各种技术制备出形式多样的金和银纳米结构和纳米阵列SERS基底。其中有些已被商业化投入市场。然而，这些基底及其制备存在所需设备昂贵，工艺复杂，耗时长，难以批量生产和易污染环境等问题，并且现有基底对灵敏度，重现性和稳定性等多种指标难以兼顾。这些已成为限制SERS技术进一步发展和应用的重要因素。因此，急需发展新的SERS基底构建方法，制备出性能优良，成本低廉，制备工艺简单和可大规模生产的SERS基底，以推动实现SERS技术作为通用手段真正广泛应用于实践。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合性能优良的表面增强拉曼散射基底，包括高的灵敏度，好的再现性，均一的膜质和好的稳定性等。

本发明的再一目的是针对现有技术的不足，提供一种简便、廉价、可批量生产的制备上述表面增强拉曼散射基底的新方法。

本发明的还一目的是提供上述表面增强拉曼散射基底在分子检测和分析中的应用。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明的制备方法，包括如下步骤：

(1)支持基底预处理：用于构建银纳米结构薄膜(涂层)的支持基底表面经合适的洗液和氢氧化钠溶液依次处理后，水洗至弱碱性或中性，再用乙醇冲洗，自然晾干或在压力气流中吹干。

(2)银纳米结构薄膜(涂层)的制备：将上述基底摆放在一个容器的底部，然后加入一定体积的新鲜制备的无电沉积反应溶液，或者将新鲜制备的无电沉积反应溶液灌注于作为支持基底的毛细管和小玻璃瓶内部，银纳米粒子就会在与反应溶液接触的支持基底表面上生长并形成银纳米结构薄膜(涂层)。反应一定时间后，银纳米结构薄膜(涂层)用乙醇冲洗数次，自然晾干或在压力气流中吹干即得SERS基底。

所述步骤(1)中，支持基底可以是普通玻璃，也可以是石英玻璃或硅材料，还可以是某些金属氧化物(如二氧化钛，氧化锌和氧化铟锡(ITO)等)和聚合物(如聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等)。其形貌特征可以是管状或瓶状(如毛细管和小玻璃瓶)，也可以是光滑平板表面(如普通玻璃片、ITO玻璃片和PDMS膜)，还可以是各种无序和有序的微米或纳米结构的表面(如多孔硅，聚苯乙烯微球自组装单层，氧化锌纳米棒阵列，电纺二氧化钛纳米纤维膜等等)。本发明所述的实施例中具体使用的是普通玻璃片。

所述步骤(1)中，应根据不同支持基底的化学和物理特性选择合适的洗液。本发明所述的实施例中具体使用的是Piranha溶液(体积比为7∶3的浓硫酸/30％双氧水的混合物)，操作温度为80℃，时间为60分钟。氢氧化钠浓度也要根据不同支持基底的化学和物理特性进行调整。本发明所述的实施例中具体使用的为1M，超声处理时间为30分钟，操作温度为室温。

所述步骤(2)中，无电沉积反应溶液中的反应物由在乙醇中有一定溶解度的银盐和脂肪族胺类化合物(做还原剂)组成。本发明所述的实施例中具体使用的是摩尔比为2∶1的硝酸银/丁胺的乙醇溶液，具体浓度为1mM/0.5mM，5mM/2.5mM和10mM/5mM的硝酸银/丁胺。

所述步骤(2)中，反应温度可以是室温，也可加热以加速反应速度。本发明所述的实施例中具体使用的为室温。反应时间具体为0.5小时至40小时。

所述步骤(2)中，反应容器可以是普通玻璃器皿，也可以是其他材质容器，如陶瓷和塑料容器。本发明所述的实施例中具体使用的为塑料容器。

按照上述任一方法制备得到的银纳米结构薄膜(涂层)及其作为基底在SERS领域中的应用，也属于本发明的保护范围。

其用于有机物和无机物的SERS检测，步骤如下：

(1)将10μL或5μL含有不同浓度待测物质的溶液滴在SERS基底上，待溶剂挥发后，即得测量样品。

(2)SERS波谱使用Thermo Nicolet Almega XR激光拉曼光谱仪来收集，激光波长为780nm，能量为30毫瓦(实验中使用了50％的能量)。一个带有10×物镜的显微镜被使用，在样品区提供了一个～3微米的激光光斑。数据采集时间为每次扫描3秒，共扫描5次。为实现可靠和可重复的表面增强拉曼光谱测量，多次测量的平均波谱被用来分析评估基底及其检测性能。

本发明所用的制备银纳米结构薄膜(涂层)的方法是一种一步无电沉积法。其不需要任何昂贵的仪器设配，制备工艺极其简单，成本低廉，节能且低污染，并能实现大批量生产。所制备的纳米结构薄膜(涂层)由银纳米粒子单层或多层组成，其纳米粒子的形貌、尺寸和层特征可以通过调节反应条件包括反应物的浓度和比例、反应温度和时间等参数进行控制，从而可轻易实现SERS基底的优化。所制备的SERS基底具有灵敏度高、重现性好、膜质均匀、性能稳定等优点，可应用于各种物质的低浓度快速检测和分析。因此，本发明克服了现有SERS基底制备技术的缺点并有效地提高了基底的综合性能，具有很高的应用前景和实用价值。

附图说明

图1为在实施例1中使用5mM/2.5mM硝酸银/丁胺的乙醇溶液在室温反应不同时间所获得的银纳米结构膜的SEM图：(a)1.5h，(2)2h，(c)5h，(d)18h，(e)25h，(f)40h.

图2为在实施例1中使用5mM/2.5mM硝酸银/丁胺的乙醇溶液在室温反应18h所获得的银纳米结构膜的SEM图：(a)低分辨(大范围)SEM图，其显示了树枝状银纳米结构统计上均匀分布在下面的银纳米粒子层上；(b)高分辨SEM图，其显示了树枝状银纳米结构的细节。

图3为在实施例3中批量生产获得的SERS基底(5mmx5mm)的光学照片，其显示了在同一个容器中一次性制备～550基底。

图4为在实施例5中使用实施例4制备的SERS基底所测得的不同浓度4-ATP的SERS光谱：(a)1x10^-7，(b)2x10^-7，(c)5x10^-7和(d)10x10^-7M。

图5为5x10^-7M4-ATP在1138cm^-1处的特征SERS峰强度(已做归一化处理)对(A)同一基底上20个不同测试点(实施例6)，及(B)20个不同的基底(实施例7)分别进行绘图。

图6为在实施例8中所获得的(A)不同浓度的砷酸盐的SERS波谱及其(B)线性定标曲线(以780cm^-1处特征SERS峰强度对浓度绘图)。所使用的砷的浓度相应于图6A中的波谱从下向上依次为0，5，10，25，60，125和200ppb。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，但本发明并不局限于以下实施例。

下述实施例所用玻璃片均按照如下方法进行预处理：

用于银纳米结构膜沉积的玻璃片(25mmx75mm)被切成所需的形状和大小(如5mmx5mm或10mmx10mm的正方形)，于80℃的Piranha溶液中处理1个小时。经水洗至中性后，于1M氢氧化钠溶液中超声30分钟。水洗至弱碱性或中性后，用乙醇冲洗，自然晾干备用。

实施例1：银纳米结构膜SERS基底的制备。

在Falcon6-孔组织培养板的每个孔/井中(每个孔/井作为一个反应容器)放入3片预处理的玻璃片(10mmx10mm)。向每个孔/井中加入新鲜制备的5mM/2.5mM硝酸银/丁胺的乙醇溶液。在室温下不同的反应时间(0.5至40小时)，沉积有银纳米结构膜的玻璃片被取出并用乙醇彻底冲洗，然后在空气中自然凉干即得一系列SERS基底。它们的纳米结构形貌如图1所示。由图可见，随着反应时间的延长，银纳米结构膜由小颗粒的各自分离的银纳米粒子单层向较大颗粒银纳米粒子多层转变。下表列出了在不同反应时间所形成的银纳米粒子的尺寸。图2给出了室温反应18h所获得的多层银纳米粒子膜的SEM图。低分辨(大范围)SEM图(图2a)显示了树枝状银纳米结构统计上均匀分布在下面的双层银纳米粒子膜上(见图1d)；而高分辨SEM图(图2a)则显示了树枝状银纳米结构的细节。我们的研究已经发现这种多层银纳米粒子膜显示更强的SERS效应。其中18h反应时间产生了最灵敏的SERS基底。

表1.在不同反应时间所获得的SERS基底中银纳米粒子的尺寸。

实施例2：其它条件下银纳米结构膜SERS基底的制备。

根据实施例1相同方法制备SERS基底，改变实施例1中硝酸银/丁胺的浓度但保持摩尔比不变。在该实例中，1mM/0.5mM硝酸银/丁胺的乙醇溶液被使用。银纳米结构膜展现了类似于实施例1中制备的SERS基底的纳米结构特征变化：随着反应时间的延长，由小颗粒的各自分离的银纳米粒子单层向较大颗粒银纳米粒子多层转变。但表面的树枝状结构变得少而小(图略)。其中反应25h产生了最灵敏的SERS基底。

实施例3：其它条件下银纳米结构膜SERS基底的制备。

根据实施例1相同方法制备SERS基底，改变实施例1中硝酸银/丁胺的浓度但保持摩尔比不变。在该实例中，10mM/5mM硝酸银/丁胺的乙醇溶液被使用。银纳米结构膜展现了类似于实施例1中制备的SERS基底的纳米结构特征变化：随着反应时间的延长，由小颗粒的各自分离的银纳米粒子单层向较大颗粒银纳米粒子多层转变。但表面的树枝状结构多而稍大(图略)。其中反应6h产生了最灵敏的SERS基底。

实施例4：SERS基底的批量生产。

通过比较实施例1，2和3中所获得的基底的SERS效应，优化的实验条件为实施例1的条件。按照实施例1中的实验条件进行简单放大和改进即可实现SERS基底的批量制备：在一个直径为150mm的聚苯乙烯表面皿中放入约550片预处理的玻璃片(5mmx5mm)。然后加入新鲜制备的5mM/2.5mM硝酸银/丁胺的乙醇溶液。在室温下反应18小时后，用移液管将残留反应溶液取出，沉积有银纳米结构膜的玻璃片用乙醇彻底冲洗，然后在空气中晾干即得批量生产的SERS基底，如图3所示。

实施例5：基底的SERS性能测试。

用对氨基苯硫酚(4-Aminothiophenol，4-ATP)作为探针分子考察该多层银纳米粒子薄膜基底的SERS性能。将5μL含有不同浓度4-ATP(1x10^-7至10x10^-7M)的乙醇溶液分别滴在实施例4中所制备的SERS基底上，待溶剂挥发后，即可进行SERS测量。其结果如图4所示。很明显，本发明所制备的银纳米结构膜具有很强的SERS效果，其对4-ATP的检测限低于1x10^-7M。我们同时发现，4-ATP的SERS强度随其浓度的提高而增强。

实施例6：基底的表面均一性测试。

用实施例5中类似方法考察SERS基底的均一性。将5μL含有相同浓度(5x10^-7M)的4-ATP的乙醇溶液滴在实施例4中所制备的SERS基底上，待溶剂挥发后，在随机的20个点收集4-ATP的SERS波谱。测定每个波谱在1138cm^-1处的特征SERS峰的强度并计算它们的平均值，然后以该平均值作为标准(100％)对所有波谱的1138cm^-1处的特征SERS峰强度进行归一化处理后再对测试点绘图，如图5A所示。所计算的测试点之间的相对标准偏差低至12.2％，显示了基底具有高的均一性。

实施例7：基底的再现性表征。

用实施例6中类似方法考察SERS基底制备的可重复性和再现性。将5μL含有相同浓度(10x10^-7M)的4-ATP的乙醇溶液滴在20片实施例4制备的SERS基底上，待溶剂挥发后，在每片基底上分别收集4-ATP的SERS波谱。测定每个波谱在1138cm^-1处的特征SERS峰的强度并计算它们的平均值，然后以该平均值作为标准(100％)对所有波谱的1138cm^-1处的特征SERS峰强度进行归一化处理后再对SERS基底数进行绘图，如图5B所示。所计算的批量生产的SERS基底之间的相对标准偏差低至9.7％，显示了基底具有很好的再现性。

实施例8：SERS基底应用实例---致癌物砷酸盐的检测和量化。

用实施例5中类似方法考察SERS基底在砷化合物检测中的应用。将5μL含有不同浓度砷酸盐(0～2.8x10^-6M，相当于0～200ppb的砷)的水溶液分别滴在实施例1中所制备的SERS基底上，待水挥发干后，即可进行SERS测量。其结果如图6A所示。很明显，砷酸盐的位于780cm^-1处的特征SERS峰的强度随其浓度的提高而增强。其定标曲线具有很好的线性关系，如图6B所示。其检测限可低至5ppb(～7x10^-8M)，很好的满足了世界卫生组织和美国环保署的10ppb的饮用水标准。

Claims (8)

1.一种基于无电沉积法构建的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)支持基底预处理：用于构建银纳米结构薄膜(涂层)的支持基底表面经合适的洗液和氢氧化钠溶液依次处理后，水洗至弱碱性或中性，再用乙醇冲洗，自然晾干或在压力气流中吹干。(2)银纳米结构薄膜(涂层)的制备：将上述基底摆放在一个容器的底部，然后加入一定体积的新鲜制备的无电沉积反应溶液，或者将新鲜制备的无电沉积反应溶液灌注于作为支持基底的毛细管和小玻璃瓶内部，银纳米粒子就会在与反应溶液接触的支持基底表面上生长并形成银纳米结构薄膜(涂层)。反应一定时间后，银纳米结构薄膜(涂层)用乙醇冲洗数次，自然晾干或在压力气流中吹干即得SERS基底。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，支持基底可以是普通玻璃，也可以是石英玻璃或硅材料，还可以是某些金属氧化物(如二氧化钛，氧化锌和氧化铟锡(ITO)等)和聚合物(如聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等)。其形貌特征可以是管状或瓶状(如毛细管和小玻璃瓶)，也可以是光滑平板表面(如普通玻璃片、ITO玻璃片和PDMS膜)，还可以是各种无序和有序的微米或纳米结构的表面(如多孔硅，聚苯乙烯微球自组装单层，氧化锌纳米棒阵列，电纺二氧化钛纳米纤维膜等等)。本发明所述的实施例中具体使用的是普通玻璃片。

3.根据权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，应根据不同支持基底的化学和物理特性选择合适的洗液。本发明所述的实施例中具体使用的是Piranha溶液(体积比为7∶3的浓硫酸/30％双氧水的混合物)，操作温度为80℃，时间为60分钟。氢氧化钠浓度也要根据不同支持基底的化学和物理特性进行调整。本发明所述的实施例中具体使用的为1M，超声处理时间为30分钟，操作温度为室温。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，无电沉积反应溶液中的反应物由在乙醇中有一定溶解度的银盐和脂肪族胺类化合物(做还原剂)组成。本发明所述的实施例中具体使用的是摩尔比为2∶1的硝酸银/丁胺的乙醇溶液，具体浓度为1mM/0.5mM，5mM/2.5mM，和10mM/5mM的硝酸银/丁胺。

所述步骤(2)中，反应温度可以是室温，也可加热以加速反应速度。本发明所述的实施例中具体使用的为室温。反应时间具体为0.5小时至40小时。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，反应容器可以是普通玻璃器皿，也可以是其他材质容器，如陶瓷和塑料容器。本发明所述的实施例中具体使用的为塑料容器。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法于不同支持基底上制备得到的各种银纳米结构薄膜(涂层)。

7.根据权利要求6所述的各种银纳米结构薄膜(涂层)，其特征在于：所述的银纳米结构薄膜(涂层)由银纳米粒子单层或多层组成，其所述的银纳米粒子可能具有各种形状和尺寸，包括由纳米粒子团聚而形成的其他纳米特征，如树枝状纳米结构等。

8.根据权利要求6-7所述的任一银纳米结构薄膜(涂层)作为基底在表面增强拉曼散射中的应用。