CN104914087B - 一种多层核壳结构的表面增强拉曼探针及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层核壳结构的表面增强拉曼探针及其制备方法。该多层核壳结构的表面增强拉曼探针具有金纳米核，金纳米核的外部分布有一层或多层拉曼分子层和一层或多层金壳层，其中第奇数层为拉曼分子层，第偶数层为金壳层，第一层拉曼分子层位于所述金纳米核的外表面，其余每层拉曼分子层位于其前面一层金壳层的外表面，每层金壳层位于其前面一层拉曼分子层的外表面。本方法制备的多层核壳结构的表面增强拉曼探针具有拉曼信号强、拉曼信号重复性好、制备简单、能够适用不同拉曼分子标记的组合编码等优点，可应用于超灵敏拉曼检测技术和多指标分子的检测。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域，尤其涉及一种多层核壳结构的表面增强拉曼探针及其制备方法。
背景技术
拉曼光谱是一种表征分子振动的指纹光谱。纳米金属结构在入射电场的作用下，形成等离激元共振，使得纳米金属结构表面吸附的分子的拉曼光谱得到极大增强，具有超高的灵敏度。此即为表面增强拉曼散射效应。基于表面增强拉曼光谱(SERS)的检测技术具有快速、样品处理简单、适用广泛、无损、高效等特点。近年来，结合了拉曼分子和金属纳米微结构(即SERS基底)的新型拉曼探针受到越来越多的关注。在SERS基底上标记不同拉曼分子，可以得到具有不同信号的超灵敏拉曼探针，并有望实现多指标的应用，例如基于SERS的侧流层析免疫检测以及其他多指标分子检测方法。
目前应用最广泛的SERS基底是纳米金颗粒。传统的探针是将拉曼分子吸附在金颗粒表面，增强效果一般、检测信号重复性差、颗粒易团聚，同时，由于不同拉曼分子在颗粒表面的吸附具有竞争性，同一颗粒表面难以稳定并可控地标记不同拉曼分子。因此，制备一种拉曼信号强、胶体稳定性高、拉曼信号重复性好，特别是能够适用于不同拉曼分子标记、且实现标记信号的组合编码的纳米金颗粒是一个迫切的技术问题。经对现有技术的文献检索发现，Dong-Kwon Lim等人(Lim D K,Jeon K S,Hwang J H,et al.Naturenanotechnology,2011,6(7):452-460)制备了具有1.2nm缝隙的核壳金纳米颗粒，通过将特制的DNA和拉曼分子包裹在缝隙结构中，可以得到具有较强拉曼信号的金纳米颗粒。其不足在于：需要使用DNA，制备方法较复杂，且颗粒仅有一层缝隙结构、每个颗粒的缝隙结构内只能包裹一种拉曼分子，无法实现拉曼信号标记的组合编码。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是发明具有拉曼信号强、拉曼信号重复性好、能够同时进行多种拉曼分子标记、且实现标记信号的组合编码、制备简单的纳米金颗粒的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种多层核壳结构的表面增强拉曼探针，其 具有金纳米核，所述金纳米核的外部分布有一层或多层拉曼分子层和一层或多层金壳层，其中第奇数层为所述拉曼分子层，第偶数层为所述金壳层，所述拉曼分子层位于所述金纳米核的外表面，或者位于其前面一层所述金壳层的外表面，所述金壳层位于其前面一层所述拉曼分子层的外表面。
进一步的，所述核壳结构的表面增强拉曼探针，其每层拉曼分子层中的拉曼分子包括但不限于对二巯基苯、对甲苯硫酚、对氨基苯硫酚或2-萘硫醇中的一种。
进一步的，所述核壳结构的表面增强拉曼探针，其拉曼分子层的厚度均小于等于5nm。
进一步的，所述核壳结构的表面增强拉曼探针，其拉曼分子层的层数为两层，金壳层的层数为两层。
进一步的，所述核壳结构的表面增强拉曼探针，其金壳层的厚度均为10-40nm。
一种制备所述核壳结构的表面增强拉曼探针的方法，包括如下步骤：
步骤一：制备以表面活性剂为稳定剂的所述金纳米核；
步骤二：在所述金纳米核的外表面修饰一层或多层所述拉曼分子层和一层或多层所述金壳层，其中第奇数层为所述拉曼分子层，第偶数层为所述金壳层，所述第一层拉曼分子层位于所述金纳米核的外表面，其余每层所述拉曼分子层位于其前面一层所述金壳层的外表面，每层所述金壳层位于其前面一层所述拉曼分子层的外表面。
进一步的，所述步骤二分为以下步骤：
a、在所述金纳米核的外表面修饰一层拉曼分子层，获得第一金纳米颗粒；
b、在步骤a所得的第一金纳米颗粒的外表面贴覆一层金壳层，获得第二金纳米颗粒；
c、在步骤b中所得的第二金纳米颗粒的外表面修饰又一层拉曼分子层，获得第三金纳米颗粒；
d、在步骤c中所得的第三金纳米颗粒的外表面贴覆又一层金壳层，获得第四金纳米颗粒。
以上步骤可交替重复已获得所需层数的金纳米颗粒。
进一步的，上述制备方法具体包括如下步骤：
步骤一：将0.04mg的金纳米核颗粒加入到表面活性剂的水溶液里，离心，重分散在表面活性剂的水溶液中，得到以表面活性剂为稳定剂的所述金纳米核1；
步骤二：在所述金纳米核1中加入50uL 2mmol/L拉曼分子溶液，混合震荡30分钟后，离心，重分散在200uL表面活性剂的水溶液中，重复三次，制 备得到在所述金纳米核的外表面修饰有一层拉曼分子层2的第一金纳米颗粒，即第一纳米金颗粒的第一层为拉曼分子层2；
步骤三：将所述第一金纳米颗粒加入到4mL表面活性剂的水溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L还原剂混合的生长液中，得到在所述第一金纳米颗粒的外表面贴覆有一层金壳层3的所述第二金纳米颗粒，即第二纳米金颗粒的第一层为拉曼分子层2，第二层为金壳层3；
步骤四：在400uL所述第二金纳米颗粒中加入50uL 2mmol/L拉曼分子溶液，混合震荡30分钟后，离心，重分散在200uL表面活性剂的水溶液中，重复三次，得到在所述第二金纳米颗粒的外表面修饰有又一层拉曼分子层4的所述第三金纳米颗粒，即第三纳米金颗粒的第一层为拉曼分子层2，第二层为金壳层3，第三层为拉曼分子层4；
步骤五：将所述第三金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L表面活性剂溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L还原剂混合的生长液中，得到在所述第三金纳米颗粒的外表面贴覆有又一层金壳层5的所述第四金纳米颗粒，即第四纳米金颗粒的第一层为拉曼分子层2，第二层为金壳层3，第三层为拉曼分子层4，第四层为金壳层5；
以上步骤可交替重复已获得所需层数的金纳米颗粒。
进一步的，所述金纳米核颗粒的制备方法包括但不限于柠檬酸钠热还原法、种子生长法、聚乙烯吡咯烷酮保护还原法或紫外光引发还原法。
进一步地，所述金纳米核的形状包括但不局限于球、棒或三角碟。
进一步的，所述表面活性剂包括但不限于十六烷基氯化铵、十六烷基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮。
进一步的，所述还原剂包括但不限于抗坏血酸、盐酸羟胺或甲醛。
本发明的有益效果在于：当两个纳米金属结构相距很近时，其等离激元共振形成的电场相互叠加，形成“热点”区域。处于“热点”区域中的分子的拉曼信号将被极大地增强。本发明的结构使得金纳米核和第一层金壳层之间的缝隙、相邻金壳层之间的缝隙都成为了拉曼增强的“热点”区域，拉曼分子存在缝隙中，使得产生的SERS信号很强。其次，由于拉曼分子处于颗粒内部、被金壳层保护，不受颗粒外环境的影响，有助于保持拉曼信号的稳定一致。此外不同拉曼分子层内的拉曼分子可以相同或不同，因此，通过调节不同拉曼分子层内拉曼分子的种类和含量，可以方便地实现拉曼信号的组合编码。因此本发明获得的多层核壳结构的表面增强拉曼探针具有拉曼信号强、信号重复性好、能够适用于不同拉曼分子标记的组合编码、制备简单等优点，可用于超灵敏拉曼检测技术和多指标分子检测应用。
以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征 和技术效果。
附图说明
图1是本发明所提出的多层核壳结构的表面增强拉曼探针的结构示意图；
图2是本发明所实现的多层核壳结构的表面增强拉曼探针的拉曼光谱，所用拉曼分子为对甲苯硫酚；
图3是本发明所实现的多层核壳结构的表面增强拉曼探针的拉曼光谱，所用拉曼分子为对二巯基苯；
图4是本发明所实现的多层核壳结构的表面增强拉曼探针的拉曼光谱，探针依实施例1-4所述方法制备，所用拉曼分子为对二巯基苯和对甲苯硫酚；
图5示出了本发明所实现的多层核壳结构的表面增强拉曼探针及中间产物金颗粒的拉曼信号强度，探针依实施例1-4所述方法制备，所用拉曼分子为对二巯基苯和对甲苯硫酚。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作详细说明。
实施例1
步骤一：将400uL 1nmol/L的采用种子生长法制备得到的金纳米核颗粒(粒径为20nm)，加入到1mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液里，离心分离、重分散在400uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，得到以十六烷基氯化铵为稳定剂的金纳米核；
步骤二：在金纳米核中加入50uL 2mmol/L对二巯基苯的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离、重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在金纳米核的外表面修饰有一层拉曼分子层的第一金纳米颗粒；
步骤三：将第一金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，振荡搅拌，得到在第一金纳米颗粒的外表面贴覆有一层金壳层的第二金纳米颗粒；
步骤四：在400uL第二金纳米颗粒中加入50uL 2mmol/L对二巯基苯的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离，重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在第二金纳米颗粒的外表面修饰有又一层拉曼分子层的第三金纳米颗粒；
步骤五：将第三金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、 200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，得到在第三金纳米颗粒的外表面贴覆有又一层金壳层的第四金纳米颗粒。
实施例2
步骤一：将400uL 0.05nmol/L的采用种子生长法制备得到的金纳米核颗粒(粒径为40nm)，加入1mL 0.1mol/L的十六烷基氯化铵溶液里，离心分离、重分散在400uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，得到以十六烷基氯化铵为稳定剂的金纳米核；
步骤二:在金纳米核中加入50uL 2mmol/L对甲苯硫酚的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离、重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在金纳米核的外表面修饰有一层拉曼分子层的第一金纳米颗粒；
步骤三:将第一金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，振荡搅拌，得到在第一金纳米颗粒的外表面贴覆有一层金壳层的第二金纳米颗粒；
步骤四:在400uL第二金纳米颗粒中加入50uL 2mmol/L对甲苯硫酚的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离，重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在第二金纳米颗粒的外表面修饰有又一层拉曼分子层的第三金纳米颗粒；
步骤五:将第三金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，得到在第三金纳米颗粒的外表面贴覆有又一层金壳层的第四金纳米颗粒。
实施例3
步骤一:将400uL 0.3nmol/L采用柠檬酸钠热还原法制备的金纳米核颗粒(粒径30nm)，加入1mL 0.1mol/L的十六烷基氯化铵溶液里，离心分离、重分散在400uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，得到以十六烷基氯化铵为稳定剂的金纳米核；
步骤二:在金纳米核中加入50uL 2mmol/L对甲苯硫酚的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离、重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在金纳米核的外表面修饰有一层拉曼分子层的第一金纳米颗粒；
步骤三:将第一金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液 中，振荡搅拌，得到在第一金纳米颗粒的外表面贴覆有一层金壳层的第二金纳米颗粒；
步骤四:在400uL第二金纳米颗粒中加入50uL 2mmol/L对二巯基苯的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离，重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在第二金纳米颗粒的外表面修饰有又一层拉曼分子层的第三金纳米颗粒；
步骤五:将第三金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，得到在第三金纳米颗粒的外表面贴覆有又一层金壳层的第四金纳米颗粒。
实施例4
步骤一：取400uL 0.5nmol/L采用种子生长法制得的金纳米核颗粒(粒径25nm)，加入1mL 0.1mol/L的十六烷基氯化铵溶液里，离心分离、重分散在400uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，得到以十六烷基氯化铵为稳定剂的金纳米核；
步骤二：在金纳米核中加入50uL 2mmol/L对二巯基苯的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离、重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在金纳米核的外表面修饰有一层拉曼分子层的第一金纳米颗粒；
步骤三：将第一金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，振荡搅拌，得到在第一金纳米颗粒的外表面贴覆有一层金壳层的第二金纳米颗粒；
步骤四：在400uL第二金纳米颗粒中加入50uL 2mmol/L对甲苯硫酚的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离，重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在第二金纳米颗粒的外表面修饰有又一层拉曼分子层的第三金纳米颗粒；
步骤五：将第三金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，得到在第三金纳米颗粒的外表面贴覆有又一层金壳层的第四金纳米颗粒。
实施例5
步骤：根据实施例1-4的步骤，分别制备，得到四种多层核壳结构的表面增强拉曼探针；将探针滴于硅片上，并固定在共焦拉曼光谱仪上测光谱，使用785nm的激发波长。得到四种探针的SERS光谱信号见图4。图中的样品i-iv 分别对应实施例1-4制备得到的样品。
从图4可以看出，样品i具有对二巯基苯的拉曼特征峰(730cm-1,1064cm-1,1555cm-1)，样品ii具有对甲苯硫酚的拉曼特征峰(623cm-1,1079cm-1,1594cm-1)，样品iii具有对二巯基苯的拉曼特征峰、且信号强度弱于样品i，样品iv同时具有对二巯基苯和对甲苯硫酚的特征峰。四种样品在特征峰位或信号强度上可以得到区分。说明这种多层核壳结构的探针，通过改变两种拉曼分子在探针内部的位置，可实现两种拉曼分子的组合编码。这种多层核壳结构的探针增强了拉曼编码能力，较传统的拉曼探针更有潜力应用于超灵敏拉曼检测技术和多指标分子检测。
进一步地，这种多层核壳结构的表面增强拉曼探针颗粒，以及在合成过程中得到的其他金颗粒，例如金纳米核颗粒、金核外表面修饰有一层拉曼分子的金颗粒、该拉曼分子层的外表面贴覆有一层金壳层的颗粒，由于在拉曼信号强度上可以被区分，因此都可以作为拉曼编码的颗粒。如图5所示，当使用对二巯基苯和对甲苯硫酚两种拉曼分子的时候，通过本发明实施例1-4的步骤制备的金纳米颗粒，能获得4种多层核壳结果的表面增强拉曼探针、以及5种中间产物的金颗粒，这9种颗粒都可以在信号强度或特征峰位上区分开，从而实现拉曼信号的二维组合编码。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种核壳结构的表面增强拉曼探针，其特征在于，所述核壳结构的表面增强拉曼探针具有金纳米核，所述金纳米核的外部分布有多层拉曼分子层和多层金壳层，其中第奇数层为所述拉曼分子层，第偶数层为所述金壳层，第一层拉曼分子层位于所述金纳米核的外表面，其余每层拉曼分子层位于其前面一层金壳层的外表面，每层金壳层位于其前面一层拉曼分子层的外表面；所述拉曼分子层中的拉曼分子选自对二巯基苯、对甲苯硫酚、对氨基苯硫酚和2-萘硫醇中的一种；不同的所述拉曼分子层中的拉曼分子是不同的，通过调节不同的所述拉曼分子层内拉曼分子的种类和含量，能方便地实现拉曼信号的组合编码。
2.如权利要求1所述核壳结构的表面增强拉曼探针，其特征在于：所述拉曼分子层的层数为两层，所述金壳层的层数为两层。
3.如权利要求1或2所述核壳结构的表面增强拉曼探针，其特征在于：所述拉曼分子层的厚度均小于等于5nm。
4.如权利要求1所述核壳结构的表面增强拉曼探针，其特征在于：所述金壳层的厚度均为10-40nm。
5.一种制备如权利要求1所述核壳结构的表面增强拉曼探针的方法，包括如下步骤：
步骤一：制备以表面活性剂为稳定剂的所述金纳米核；
步骤二：在所述金纳米核的外表面修饰多层所述拉曼分子层和多层所述金壳层，其中第奇数层为所述拉曼分子层，第偶数层为所述金壳层，所述第一层拉曼分子层位于所述金纳米核的外表面，其余每层所述拉曼分子层位于其前面一层所述金壳层的外表面，每层所述金壳层位于其前面一层所述拉曼分子层的外表面。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述步骤二包括以下步骤：
a、在所述金纳米核的外表面修饰一层拉曼分子层，获得第一金纳米颗粒；
b、在步骤a所得的第一金纳米颗粒的外表面贴覆一层金壳层，获得第二金纳米颗粒；
c、在步骤b中所得的第二金纳米颗粒的外表面再修饰一层拉曼分子层，获得第三金纳米颗粒；
d、在步骤c中所得的第三金纳米颗粒的外表面再贴覆一层金壳层，获得第四金纳米颗粒。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：将0.04mg的金纳米核颗粒加入到表面活性剂的水溶液里，离心，重分散在表面活性剂的水溶液中，得到以表面活性剂为稳定剂的所述金纳米核；
步骤二：
a、在所述金纳米核中加入50μL 2mmol/L拉曼分子溶液，混合震荡30分钟后，离心，重分散在200μL表面活性剂的水溶液中，重复三次，制备得到在所述金纳米核的外表面修饰有一层拉曼分子层的第一金纳米颗粒；
b、将所述第一金纳米颗粒加入到4mL表面活性剂的水溶液、200μL 4.86mmol/L氯金酸溶液、200μL 40mmol/L还原剂混合的生长液中，得到在所述第一金纳米颗粒的外表面贴覆有一层金壳层的第二金纳米颗粒；
c、在400μL所述第二金纳米颗粒中加入50μL 2mmol/L拉曼分子溶液，混合震荡30分钟后，离心，重分散在200μL表面活性剂的水溶液中，重复三次，得到在所述第二金纳米颗粒的外表面修饰有又一层拉曼分子层的第三金纳米颗粒；
d、将所述第三金纳米颗粒加入到4mL 0.1mol/L表面活性剂溶液、200μL 4.86mmol/L氯金酸溶液、200μL 40mmol/L还原剂混合的生长液中，得到在所述第三金纳米颗粒的外表面贴覆有又一层金壳层的第四金纳米颗粒。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金纳米核颗粒的制备方法选自柠檬酸钠热还原法、种子生长法、聚乙烯吡咯烷酮保护还原法和紫外光引发还原法中的一种。
9.如权利要求5或7所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂选自十六烷基氯化铵、十六烷基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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