CN105928923A - 一种青色素类染料纳米金sers探针及其制备方法 - Google Patents

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傅鸣春
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    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons

Abstract

本发明公开了一种青色素类染料纳米金SERS探针及其制备方法。本发明的纳米金SERS探针由表面携带负电荷的金纳米粒子和携带正电荷的青色素类染料分子组成；其中：表面携带负电荷的金纳米粒子由带有负电荷的覆盖剂和HAuCl4水溶液混合得到；携带正电荷的青色素类染料分子在金纳米粒子表面的覆盖率为5％～20％。本发明制备方法简单，得到的纳米金SERS探针在表面增强拉曼光谱(简称“SERS”)中起到很强的“热点”效应，稳定性好。

Description

一种青色素类染料纳米金SERS探针及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米金SERS(表面增强拉曼光谱)探针技术领域，具体地说，设计一种青色素类染料纳米金SERS探针及其制备方法。
背景技术
虽然已有很多研究工作者对金属纳米粒子的合成、表征和应用进行过广泛地研究，但是对于纳米粒子小聚体的可控合成及精确控制仍是很有意义的话题，因为它们在开发独特的光学、电学和生物分子识别等性能中有着很大的重要性。金属纳米粒子已经被广泛地应用于跨学科的领域中，其中一个重要的分类是以金纳米粒子为基础作为治疗诊断的探针或载体，包括纯金、金合金、金核-壳以及其他的金纳米结构或纳米复合材料，究其原因主要是因为其光学、光谱学、电和磁等信号可被空前放大并且还具有独特的生物功能或生物相容性，尤其是可以进行生物共轭的多样化。
利用不同种类的染料分子作为纳米粒子表面的拉曼报告分子的研究已有很多，但是利用青色素类染料分子中的“π–π”相互作用在纳米粒子表面的自组装，保留染料分子的拉曼报告功能同时形成可控性纳米粒子小聚体，构建成具有SERS热点的SERS探针还没有研究。
发明内容
针对以上技术问题，本发明的目的是提供一种青色素类染料纳米金SERS探针及其制备方法。本发明制备方法简单，得到的探针稳定性好，表面增强SERS效应高。
本发明由携带负电荷的覆盖剂分子组装在的1～100纳米尺寸范围的金纳米粒子上，再与携带正电荷的青色素类染料分子进行静电作用获得，由于染料分子之间具有的π-π共轭效应，形成了纳米金的小聚体。小聚体间距离由染料分子种类和结构界定，不同尺寸的纳米金粒子需要的青色素染料分子数目不同，每个金纳米粒子表面的染料分子覆盖率达到5％～20％。
本发明采用的技术方案具体如下。
本发明提供一种青色素类染料纳米金SERS探针，其由表面携带负电荷的金纳米粒子和携带正电荷的青色素类染料分子组成；其中：表面携带负电荷的金纳米粒子由带有负电荷的覆盖剂和HAuCl4水溶液混合得到；携带正电荷的青色素类染料分子在表面携带负电荷的金纳米粒子表面的覆盖率为5％～20％。
本发明中，所述负电荷为柠檬酸根离子或丙烯酸根离子。
本发明中，所述表面携带负电荷的金纳米粒子的纳米尺寸为1～100纳米。
本发明中，所述携带正电荷的青色素类染料分子为1,1'-二丁基-3,3,3',3'-四甲基吲哚菁碘化物(C31H41IN2)、碘化1,1’-二己基-3,3,3’,3’-四甲基铟杂甲花青苷(C35H49IN2)、，其结构式分别表示如下：
本发明还提供一种上述青色素类染料纳米金SERS探针的制备方法，具体步骤如下：(1)制备金纳米粒子
将质量百分比浓度为0.8％～1.2％的HAuCl4水溶液用水稀释后，加热至沸腾，再向其中加入质量百分比浓度为1％～18％的带有负电荷的覆盖剂溶液，加完后，继续搅拌，反应结束后，将其冷却至室温，得到表面携带负电荷的金纳米粒子溶胶；
(2)将0.01～0.1μmol/L的携带正电荷的青色素类染料溶液加入到金纳米粒子溶胶中，携带正电荷的青色素类染料的投料量使得每个表面携带负电荷的金纳米粒子表面的染料分子覆盖率达到5％～20％，再利用HCl或NaOH调节体系的pH值在3～5之间，再室温下充分搅拌0.5～2分钟即得到青色素类染料纳米金SERS探针。
上述负电荷为柠檬酸根或丙烯酸根离子。
上述覆盖剂和HAuCl4的质量比为1:1～28:1。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的青色素类染料纳米金SERS探针稳定性好。本发明采用静电吸附方法将青色素类染料分子牢牢地固定在金纳米粒子表面，青色素类染料分子之间的“π–π”相互作用十分稳定，因此获得的纳米金SERS探针具有十分稳定的结构，解决了纳米粒子易团聚而造成SERS探针性能不稳定的问题。
(2)本发明的青色素类染料纳米金SERS探针表面增强SERS效应高。青色素类染料因其结构中高度共轭的π结构而使其具有了独特的光学和光谱性质(光化学、光致发光、电致发光以及非线性光学性质等)。也正是基于这类分子具有的拉曼光谱特性和特有的“π–π”相互作用性能，可以诱导纳米粒子的小聚体形成，一旦纳米粒子可控形成小聚体，就会产生表面增强拉曼光谱(SERS)检测的“热点”，为信号放大奠定基础。利用表面增强拉曼光谱(SERS)可以获得金纳米粒子表面上被测物分子极大增强的信号，解决了水相中被测物分子的SERS信号较弱的问题。由于金纳米粒子之间的间距都由青色素类染料分子结构中的“π–π”相互作用决定，因此纳米粒子彼此之间形成了均匀的二聚、三聚等小聚体，意味着SERS光谱检测中多个“热点”的形成，在此“热点”附近的被测物分子原本微弱的信号可以得到极大的增强效应。
(3)本发明的青色素类染料结构携带的正电荷和柠檬酸根或丙烯酸根形成静电吸附作用，而染料分子彼此间的间距由“π–π”相互作用界定，因此本发明很好地解决了纳米探针易团聚进而影响分散性的问题，同时制备的金纳米SERS探针不但表面具有染料类拉曼光谱报告分子，保留了染料分子的拉曼报告功能，还可以利用其形成可控性纳米粒子小聚体，构建成具有SERS热点的SERS探针，而且分散性良好。
(4)制备方法简单。在制备金纳米粒子的同时，一次性导入了柠檬酸根离子或丙烯酸根离子，其作为纳米粒子形成过程的还原剂和表面覆盖剂，省却了繁琐的纳米粒子表面修饰过程，也避免了其他操作带来的污染，引起纳米粒子的团聚。
附图说明
图1为13纳米金粒子的紫外-可见光谱图。
图2为青色素染料(C31H41IN2)组装后的13纳米金粒子的紫外-可见光谱图。
图3为青色素染料(C31H41IN2)组装后的13纳米金粒子的透射电子显微镜照片。
图4为0.106μM染料分子(C31H41IN2)水溶液的拉曼特征图。
图5为青色素类染料(C31H41IN2)13纳米金SERS探针的SERS特征图。
图6为青色素类染料(C31H41IN2)13纳米金SERS探针久置后的SERS特征图，较低强度曲线为静置4天采集所得。
图7为30纳米金粒子的紫外-可见光谱图。
图8为青色素染料(C35H49IN2)组装后的30纳米金粒子的紫外-可见光谱图。
图9为青色素染料(C35H49IN2)组装后的30纳米金粒子的透射电子显微镜照片。
图10为青色素类染料(C35H49IN2)30纳米金SERS探针的SERS特征图。
图11为青色素类染料(C35H49IN2)30纳米金SERS探针久置后的SERS特征图，较低强度曲线为静置4天采集所得。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的描述，但本发明并不限于下述实施例。
本发明各实施例中所用的各种原料，如无特殊说明，均为市售。
实施例1
青色素类染料分子1,1'-二丁基-3,3,3',3'-四甲基吲哚菁碘化物(C31H41IN2)13纳米金SERS探针的制备及表征：
(1)13纳米金粒子的制备：
1.7mL的HAuCl4水溶液(1％)与50mL的水混合后边加热边搅拌直至沸腾，而后快速加入5mL柠檬酸钠溶液(1％)，该还原反应持续15分钟。反应结束时溶液呈酒红色，将其冷却至室温，得到表面携带柠檬酸根离子的金纳米粒子溶胶，粒子尺寸～13纳米，浓度约为16nmol/L。
(2)13纳米金粒子的表面等离子体特征
图1是13纳米金粒子的紫外-可见光谱图，可明显观察到这条曲线所示的最大吸收波长(λmax)在519nm处，其粒径对应于文献报道中13纳米粒径。
(3)染料分子静电吸附到13纳米金粒子表面：
加入青色素类染料溶液到金纳米粒子溶胶中使得二者浓度分别为0.106μmol/L和2.5nmol/L，计算结果中为：每个金纳米粒子表面的染料分子覆盖率达到8.5％。利用HCl调节pH为3，在室温下充分搅拌1分钟。
(4)青色素类染料13纳米金的表面等离子体特征
图2是青色素染料组装后的13纳米金粒子较组装前的表面等离子体特征有所不同，在～645nm处附近出现了肩峰，意味着纳米粒子小聚体的形成。
(5)青色素类染料13纳米金的形态大小及尺寸
图3是青色素染料组装后的13纳米金粒子的透射电子显微镜照片，从照片可见用改法制得的纳米粒子大小均匀，粒径尺寸为12.8±0.4纳米。粒子间的间距大约也就是一个“π–π”相互作用决定的0.4纳米。
(6)青色素类染料13纳米金SERS探针的表面增强拉曼光谱(SERS)特性
图4是0.106μmol/L染料分子水溶液的拉曼特征图，图5是青色素类染料13纳米金SERS探针的SERS特征图。从染料分子的拉曼特征图中可以看出，其荧光信号很强，造成散射特征无法被观测到，但从青色素类染料纳米金SERS探针的SERS特征图中可以看到染料分子信号随着组装时间而快速增强，搅拌不到2分钟即可组装完成。染料分子的SERS信号如此强的原因是金纳米粒子之间的间距都由青色素类染料分子结构中的“π–π”相互作用决定，因此纳米粒子彼此之间形成了均匀的二聚、三聚等小聚体，意味着SERS光谱检测中多个“热点”的形成，在此“热点”附近的被测物分子原本微弱的信号可以得到极大的SERS增强效应。
(7)青色素类染料13纳米金SERS探针的稳定性实验
图6与图5相比，多了一条较低强度的曲线(虚线)，该曲线是搅拌1分钟后的青色素类染料纳米金SERS探针静置4天后，获得的SERS光谱特征。将图中两条曲线的SERS强度比较，久置后的青色素类染料纳米金SERS探针仍具有很高的稳定性，因此SERS“热点”的极大增强效应仍能很好的保持。
实施例2
青色素类染料分子碘化1,1’-二己基-3,3,3’,3’-四甲基铟杂甲花青苷(C35H49IN2)30纳米金SERS探针的制备及表征：
(1)30纳米金粒子的制备：
2.2mL的HAuCl4水溶液(1％)与50mL的水混合后边加热边搅拌直至沸腾，而后快速加入6.5mL丙烯酸溶液(13％)(1％)，该还原反应持续15分钟。反应结束时溶液呈酒红色，将其冷却至室温，得到表面携带丙烯酸根离子的金纳米粒子溶胶，粒子尺寸～30纳米，浓度约为16nM。
(2)30纳米金粒子的表面等离子体特征
图7是30纳米金粒子的紫外-可见光谱图，可明显观察到这条曲线所示的最大吸收波长(λmax)在521nm处，其粒径对应于文献报道中30纳米粒径。
(3)染料分子静电吸附到30纳米金粒子表面：
加入青色素类染料溶液到30纳米金粒子溶胶中使得二者浓度分别为0.0.238μmol/L和0.089nmol/L，计算结果中为：每个金纳米粒子表面的染料分子覆盖率达到10.2％。利用HCl调节pH为4，在室温下充分搅拌1.5分钟。
(4)青色素类染料30纳米金的表面等离子体特征
图8是青色素染料组装后的30纳米金粒子较组装前的表面等离子体特征有所不同，在～653nm处附近出现了肩峰，意味着纳米粒子小聚体的形成。
(5)青色素类染料30纳米金的形态大小及尺寸
图9是青色素染料组装后的30纳米金粒子的透射电子显微镜照片，从照片可见用改法制得的纳米粒子大小均匀，粒径尺寸为33.7±1.1纳米。粒子间的间距大约也就是一个“π–π”相互作用决定的0.4纳米。
(6)青色素类染料30纳米金SERS探针的表面增强拉曼光谱(SERS)特性
图10是青色素类染料30纳米金SERS探针的SERS特征图，从图中再次可以看到染料分子信号得到极大增强，搅拌不到2分钟即可组装完成。再次证明纳米粒子小聚体的形成即获得了在SERS光谱的“热点”，在此“热点”附近的被测物分子原本微弱的信号可以得到极大的SERS增强效应。
(7)青色素类染料纳米金SERS探针的稳定性实验
图11与图10相比，多了一条较低强度的曲线(虚线)，该曲线是搅拌1分钟后的青色素类染料纳米金SERS探针静置4天后，获得的SERS光谱特征。将图中两条曲线的SERS强度比较，久置后的青色素类染料纳米金SERS探针仍具有很高的稳定性，因此SERS“热点”的极大增强效应仍能很好的保持。

Claims (7)

1.一种青色素类染料纳米金SERS探针，其特征在于：其由表面携带负电荷的金纳米粒子和携带正电荷的青色素类染料分子组成；其中：表面携带负电荷的金纳米粒子由带有负电荷的覆盖剂和HAuCl4水溶液混合得到；携带正电荷的青色素类染料分子在表面携带负电荷的金纳米粒子表面的覆盖率为5％～20％。
2.根据权利要求1所述的青色素类染料纳米金SERS探针，其特征在于，所述负电荷为柠檬酸根离子或丙烯酸根离子。
3.根据权利要求1所述的青色素类染料纳米金SERS探针，其特征在于，所述表面携带负电荷的金纳米粒子的纳米尺寸为1～100纳米。
4.根据权利要求1所述的青色素类染料纳米金SERS探针，其特征在于，所述携带正电荷的青色素类染料分子为1,1'-二丁基-3,3,3',3'-四甲基吲哚菁碘化物C31H41IN2或者碘化1,1’-二己基-3,3,3’,3’-四甲基铟杂甲花青苷C35H49IN2，其结构式分别表示如下：
5.一种根据权利要求1-4之一所述的青色素类染料纳米金SERS探针的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)制备金纳米粒子
将质量百分比浓度为0.8％～1.2％的HAuCl4水溶液用水稀释后，加热至沸腾，再向其中加入质量百分比浓度为1％～18％的带有负电荷的覆盖剂溶液，加完后，继续搅拌，反应结束后，将其冷却至室温，得到表面携带负电荷的金纳米粒子溶胶；
(2)将0.01～0.1μmol/L的携带正电荷的青色素类染料溶液加入到金纳米粒子溶胶中，携带正电荷的青色素类染料的投料量使得每个表面携带负电荷的金纳米粒子表面的染料分子覆盖率达到5％～20％，再利用HCl或NaOH调节体系的pH值在3～5之间，再室温下充分搅拌0.5～2分钟即得到青色素类染料纳米金SERS探针。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，负电荷为柠檬酸根或丙烯酸根离子。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，覆盖剂和HAuCl4的质量比为1:1～28:1。
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