CN106179141B - 一种具有拉曼活性的微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有拉曼活性的微球及其制备方法，该方法包括：制备表面修饰有介电纳米颗粒阵列的单分散微球；在制备得到的单分散微球的纳米颗粒阵列表面沉积一层金属层；采用该方法制备得到的具有拉曼活性的微球的结构为在单分散微球表面修饰的纳米颗粒阵列上沉积一层金属层，继而得到包裹在纳米颗粒外表面的一个纳米阵列，所述微球的纳米颗粒的形状和粒径、纳米颗粒之间的狭缝大小和金属层的厚度都是可以精确控制的，所以本发明所述具有拉曼活性的微球能够得到稳定有序分布的“热点”位，使得产生的拉曼增强信号强度高、重复性好、稳定性好；而且每个微球大小也均匀可控，因此每个微球可以作为一个独立的具有拉曼活性的微球基材。

Description

一种具有拉曼活性的微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物监测和医学治疗技术领域，尤其涉及一种具有拉曼活性的微球及其制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射效应（SERS，Surface Enhanced Raman Spectrum），是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中，在激发区域内，由于样品表面或近表面的电磁场的增强导致吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强的现象。表面增强拉曼可以克服拉曼光谱灵敏度低的缺点，可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结构信息，在化学分析、环境检测、生物诊断等方面已经引起了广泛的关注。在拉曼光谱增强效应中，活性基底对增强效应起关键作用。目前，拉曼光谱增强活性基底主要有金或银的粗糙表面、纳米颗粒或沉积在介电微球表面的聚集体。其中，介电微球/纳米颗粒具有较高的稳定性、简单的操作性和高SERS活性，已成为SERS活性增强基底的研究热点。

研究者已经运用各种方法制备表面拉曼活性增强基板，主要包含基于周期性阵列纳米结构的增强和基于纳米颗粒的增强。周期性阵列纳米结构的拉曼增强大多采用光刻法，模板法等技术制备，基于纳米颗粒增强结构采用纳米颗粒的自组装，比如在固体基板上利用化学反应法生长纳米颗粒，或者是粒子间力的相互作用。

专利CN103127890A公开了一种拉曼增强活性微球的制备方法，首先制备尺寸均一、单分散的密胺树脂微球，然后通过原位化学还原方法，使用还原剂在密胺树脂微球的表面沉积均匀、致密的银纳米粒子，制备得到以密胺树脂微球为核，银纳米粒子为壳的核壳式微球。金属纳米粒子的狭缝可视为对表面增强拉曼光谱有贡献的“热点”区域，金属纳米粒子的狭缝大小会影响拉曼光谱增强效应。而上述专利中采用原位化学反应法在微球的表面沉积金属纳米粒子，具有拉曼活性的微球的“热点”区域受纳米金属粒子的形状和粒径影响，而采用该方法得到的纳米金属粒子的形貌和均一性差，所以无法得到稳定有序分布的可控“热点”位，所谓“热点”位是指金属纳米结构的狭缝间对拉曼光谱增强效应有贡献的位点，“热点”位分布不均匀稳定，会使得产生的拉曼增强信号重复性差、稳定性差、信号增强效果低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有拉曼活性的微球及其制备方法和应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种具有拉曼活性的微球的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球；

S2：在所述S1制备得到的单分散微球的纳米颗粒表面沉积一层金属层，得到具有拉曼活性的微球。

在一些具体的实施方式中，所述S2为采用物理气相沉积法在所述S1制备得到的单分散微球的纳米颗粒表面沉积一层金属层。

在一些具体的实施方式中，所述金属层厚度为1-500 nm。

在一些具体的实施方式中，所述S1为采用微流控技术制备表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球。

在进一步优选的实施方式中，所述S1的具体步骤为：分别将纳米颗粒、可聚合的单体材料、分散剂、引发剂和交联剂分别溶于水或油性材料中，然后将水溶液和油性材料分别引入微流控芯片，制备水包油型或油包水型单分散性液滴，固化所述液滴，得到表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球。

在一些具体的实施方式中，所述S1为采用界面自组装的方法制得纳米颗粒阵列的单分散微球。

在一些具体的实施方式中，所述表面沉积有金属层的纳米颗粒的间距为1-1000nm。

在一些具体的实施方式中，所述纳米颗粒为氧化物颗粒、聚合物颗粒或单质金属颗粒中的任一种。

在一些具体的实施方式中，所述金属层材料为具有表面等离子共振性质的金属。

在进一步优选的实施方式中，所述金属层材料为金、银、铜、铂或钯中的任一种。

本发明还提供了一种由如上所述的制备方法制备得到的具有拉曼活性的微球。

本发明的有益效果是：

目前具有拉曼增强效果的基材主要是采用在基材上直接采用纳米颗粒自组装或者微纳米加工的方法制备出纳米结构，通过纳米结构间的局部电磁场增强效果来实现对拉曼光谱的增强效果，其实现拉曼增强的局部区域被称作为“热点”。基于含有纳米结构的微球作为拉曼基材，一般在单分散微球的表面上直接通过化学方法制备纳米金属粒子或者在其表面通过复杂工艺镶嵌金属纳米粒子，纳米金属粒子之间的狭缝可视为对表面增强拉曼光谱有贡献的“热点”区域，具有拉曼活性的微球“热点”区域受纳米金属粒子的形状、粒径以及纳米金属粒子之间的狭缝大小影响，而纳米金属粒子的均一性差，纳米金属粒子的粒径和缝隙大小都无法准确控制，所以无法得到稳定有序分布的“热点”位，“热点”位分布不均匀稳定，会使得产生的拉曼增强信号效率低、重复性差、稳定性差。

本发明提供了一种具有拉曼活性的微球的制备方法，包括以下步骤：S1：制备表面修饰有介电纳米颗粒阵列的单分散微球；S2：在所述S1制备得到的单分散微球的纳米颗粒阵列表面沉积一层金属层；采用该方法制备得到的具有拉曼活性的微球的结构为在单分散微球表面修饰的纳米颗粒阵列上沉积一层金属层，继而得到包裹在纳米颗粒外表面的一个纳米阵列，可以通过调节纳米颗粒的粒径、纳米颗粒密度和金属层的厚度来控制纳米阵列间的缝隙大小，进而控制所述拉曼活性 “热点”位，最终这种包裹有一层金属薄层的具有纳米阵列表面的微球，每个微球具有独立的高密度分布的拉曼活性“热点”。该发明中，纳米颗粒的形状和粒径、纳米颗粒之间的狭缝大小和金属层的厚度都是可以精确控制的，所以本发明所述具有拉曼活性的微球能够得到稳定有序分布的“热点”位，使得产生的拉曼增强信号强度高、重复性好、稳定性好；而且每个微球大小也均匀可控，因此每个微球可以作为一个独立的具有拉曼活性的微球基材。常规的具有拉曼活性的微球依赖于纳米金属粒子的形状、粒径及有序性，而本发明所述具有拉曼活性的微球不依赖于难以控制的纳米金属粒子，将其转化为依赖于可准确控制的纳米颗粒的粒径、纳米颗粒之间的狭缝大小和金属层的厚度，消除了常规具有拉曼活性的微球的“热点”位难以准确稳定控制的问题。

附图说明

图1为生产单分散液滴的微流控芯片图示；

图2为实施例1中单分散微球的表面的纳米颗粒阵列的扫描电镜图；

图3为实施例1中表面镀金属层的具有拉曼活性的微球的扫描电镜图；

图4为纯探针分子粉末的拉曼信号与实施例1中具有拉曼活性的微球的拉曼信号对比图；

图5为实施例1中不同金属层厚度的微球的扫描电镜图；

图6为不同粒径的纳米颗粒制得的具有拉曼活性微球的反射光谱图。

具体实施方式

实施例1：

（1）制备具有纳米阵列结构表面的微球

将含有20wt%的表面活性剂Span80和5wt%的2,2-二乙氧基苯乙酮引发剂的十六烷作为油相，将含有14 w/v% SiO₂纳米颗粒（粒径为378 nm）的N，N异丙基丙烯酰胺单体水溶液作为水相，其中还添加有交联剂N’N-亚甲基二丙烯酰胺。将上述两相流体通过流体泵引入聚二甲基硅氧烷的流动聚焦型微流控芯片，制备得到单分散的液滴，由于液滴中包裹有一定浓度的纳米颗粒，因受到纳米颗粒之间的静电斥力作用以及液滴表面自由能缩小的驱使，使得纳米颗粒在微米液滴的表面有序排列形成纳米六边形阵列图案，给予UV光照射，得到坚硬的微球其表面具有纳米颗粒阵列结构。采用微流控技术制备表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球，微流控芯片的结构不限，在本实施例中，采用流动聚焦型微流控芯片，结构图如图1，图中1为油相流体进口，2为水相流体的进口，两相流体分别自进口进入后于3处汇聚，内相流体被外相流体剪切形成单分散的液滴，在出口4处流出收集。采用该方法制备表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球，由于是将纳米颗粒直接参与聚合反应，所以纳米颗粒十分牢固地结合在微球表面，不存在常规活性微球存在的纳米金属粒子与微球之间粘附性差、容易脱落的问题。对制备所得微球进行扫描电镜分析，得到图2，图2为单分散微球的表面的纳米颗粒阵列的扫描电镜图，图中a为放大4500倍图，图中b为放大8500倍图，从图中可以看到，微球表面的纳米颗粒分布均匀。同时，还可以通过改变水相中胶体颗粒的粒径大小，即加入其他粒径尺寸的纳米颗粒进行聚合，使其自组装制备纳米阵列结构表面微球，可控制其微球本身的光学性质。

（2）制备具有金属-纳米阵列结构的具有拉曼活性的微球

运用物理气相沉积法，在本实施例中优选使用磁控溅射法，所述物理气相沉积法包括但不限于磁控溅射法，将具有纳米结构表面的微球沉积一层金属薄膜（金、银、铜、铂或钯等），其厚度可通过沉积时间精确控制，从而得到可控“热点”位的金属纳米阵列结构的具有拉曼活性的微球，获得最优“热点”位微球，进行扫描电镜分析，得到图3，图3为实施例1中表面镀金属层的具有拉曼活性的微球的扫描电镜图，放大倍数为16000倍。

（3）拉曼信号表征画图

将上述制备的金属纳米阵列结构的具有拉曼活性的微球置于探针分子（如：对甲苯硫酚，罗丹明）溶液中处理一段时间，使其探针分子吸附在“热点”位，后取出用无水乙醇冲洗未吸附的分析物并用纯净的氮气流吹干，转移至测量拉曼信号，得到,4，图4为纯探针分子粉末的拉曼信号与实施例1中具有拉曼活性的微球的拉曼信号对比图，根据图4，并通过增强影响因子的计算公式得出拉曼增强因子可达10⁷。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，制备具有纳米阵列结构表面的微球是采用界面自组装的方法制得表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球。

采用界面自组装的方法的具体步骤为：首先将上述所提及的油水两相流体按照一定体积比，置于烧杯中，于常温下进行搅拌，乳化得到大量的液滴，而后液滴所包裹的纳米颗粒由于液液界面张力以及静电作用的驱使，排布在液滴的表面，形成表面被纳米阵列结构所修饰的液滴。而后紫外光照射所述液滴，固化，得到表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球，再向微球的表面沉积一层金属层，所述金属层为具有表面等离子共振性质的金属，如金、银、铜、铂或钯中的任一种，即得到具有拉曼活性的微球。该方法中，通过改变两相流体体积比，搅拌速度大小都可以控制改变乳化所得液滴的粒径大小。

实施例3：

将含有20wt%的表面活性剂Span80和5wt%的2,2-二乙氧基苯乙酮引发剂的十六烷作为油相，将含有14 w/v% SiO₂纳米颗粒（粒径为378 nm）的N，N异丙基丙烯酰胺单体水溶液作为水相，其中还添加有交联剂N’N-亚甲基二丙烯酰胺。将上述两相流体通过流体泵引入聚二甲基硅氧烷的流动聚焦型微流控芯片，产生得到单分散乳液，随之进行紫外固化后，得到表面修饰有纳米阵列的微球，后运用磁控溅射的方法，分别精确控制沉积时间，将其微球表面分别沉积不同厚度的金属层，以调节金属-纳米颗粒间的狭缝大小。图5表示了该微球表面沉积103 nm，205 nm，351 nm的纳米阵列表面形貌图，从图5中可明显发现，随着沉积厚度的增加，金属纳米颗粒之间的狭缝逐渐减小，且表面愈加粗糙，因此对表面增强拉曼效果起到不同程度的增强，当沉积金金属层厚度约为205 nm时，使得表面增强达到最大增强。

同时，保持其他组分及制备步骤同实施例1，仅仅改变分散相中纳米颗粒的粒径大小，控制表面沉积金属层厚度相同，分别采用粒径为182nm、278nm、378nm、416nm的SiO₂纳米颗粒制备具有拉曼活性的微球，并且分别对制备得到的具有拉曼活性的微球进行反射光谱分析，得到实验结果如图6，图6中a曲线表示采用粒径为182nm的SiO₂纳米颗粒制备得到的具有拉曼活性的微球的反射光谱，b曲线表示采用粒径为278nm的SiO₂纳米颗粒制备得到的具有拉曼活性的微球的反射光谱，c曲线表示采用粒径为378nm的SiO₂纳米颗粒制备得到的具有拉曼活性的微球的反射光谱，d曲线表示采用粒径为416nm的SiO₂纳米颗粒制备得到的具有拉曼活性的微球的反射光谱。从图6中可以看到，当金属纳米阵列微球表面沉积同一厚度的金属层时，可以通过调节组成纳米阵列表面的纳米颗粒的粒径大小，来调节金属纳米结构微球的光学性质，随着微球表面的组成金属纳米阵列的纳米颗粒的粒径增大，具有拉曼活性的微球的反射光谱发生红移，从而可以更好的匹配拉曼激光波段与金属纳米结构的最强增强。

对比例1：

将预先制备好的纳米颗粒滴取在经清洗和亲水改性处理后的基片上，组装得到一层有序排列的纳米阵列平面薄膜结构，在此平面纳米阵列结构上，运用物理气相沉积法，向其表面沉积一层具有表面等离子共振性质的金属层薄膜，即得到具有拉曼活性的平面薄膜纳米阵列结构。但由于平面金属纳米结构与激发光源的角度限制，以及被检测“热点”数等因素影响，使得平面薄膜的纳米阵列结构拉曼增强效果远低于球体的纳米阵列结构。

对比例2：

HWANG H, KIM S-H, YANG S-M等人^[1]通过微流控方法结合胶体颗粒在界面自组装和选择性无电沉积法已经制备得到具有多级结构的金属纳米结构图案，可作为基于球体的拉曼活性基底。具体过程为：首先，使用微流控法产生含有纳米颗粒的液滴；经固化后得到固态的被纳米阵列结构修饰的微球；最后，运用物理电沉积法在组成纳米阵列图案的每个纳米球表面生长出数个更小粒径的银纳米颗粒，形成银-纳米结构即所谓的拉曼活性“热点”。但该方法所生长银-纳米结构分布不均一，其尺寸大小、形状和纳米颗粒间的空间狭缝都无法得到精确的控制，因而不能够很好地实现微球拉曼活性基底的高稳定性和高重现性。

参考文献[1] HWANG H, KIM S-H, YANG S-M. Microfluidic fabrication ofSERS-active microspheres for molecular detection [J]. Lab on a chip, 2011, 11(1): 87-92.

Claims (7)

1.一种具有拉曼活性的微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：分别将纳米颗粒、可聚合的单体材料、分散剂、引发剂和交联剂分别溶于水或油性材料中，然后将水溶液和油性材料分别引入微流控芯片，制备水包油型或油包水型单分散性液滴，固化所述液滴，得到表面修饰有纳米颗粒阵列的单分散微球；

S2：在所述S1制备得到的单分散微球的纳米颗粒表面沉积一层金属层，得到具有拉曼活性的微球。

2.根据权利要求1所述的具有拉曼活性的微球的制备方法，其特征在于，所述S2为采用物理气相沉积法在所述S1制备得到的单分散微球的纳米颗粒表面沉积一层金属层。

3.根据权利要求1所述的具有拉曼活性的微球的制备方法，其特征在于，所述金属层厚度为1-500nm。

4.根据权利要求1所述的具有拉曼活性的微球的制备方法，其特征在于，所述表面沉积有金属层的纳米颗粒的间距为1-1000nm。

5.根据权利要求1所述的具有拉曼活性的微球的制备方法，其特征在于，所述纳米颗粒为氧化物颗粒、聚合物颗粒或单质金属颗粒中的任一种。

6.根据权利要求1所述的具有拉曼活性的微球的制备方法，其特征在于，所述金属层材料为金、银、铜、铂或钯中的任一种。

7.一种由权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的具有拉曼活性的微球。