CN106323935A - 一种核-壳-卫星三维结构的磁性复合sers基底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核-壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底的制备方法，该基底是以银壳磁珠(Fe₃O₄@Ag)微球为核，以阳离子多聚物聚乙烯亚胺(PEI)壳层为粒子内间隙，以金纳米颗粒(AuNPs)为卫星粒子组成的磁性复合微球。制备方法如下：将400nm Fe₃O₄微球用PEI修饰后吸附3nm胶体金作为种子，还原出银壳连续的Fe₃O₄@Ag微球作为核心；然后通过控制PEI自组装时间，使PEI在Fe₃O₄@Ag微球表面形成1.5nm的间隙层(Fe₃O₄@Ag-PEI)；最后将50nm AuNPs吸附于Fe₃O₄@Ag-PEI表面，形成核-壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底(Fe₃O₄@Ag-PEI-Au)。本发明还公开了由上述方法制备的核-壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底，其磁感应性强、分散性好、结构稳定、具有多重热点，可直接用于各种小分子污染物、农药残留、食品非法添加剂等的SERS检测。

Description

一种核-壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料、生化光谱分析检测领域，具体涉及一种核-壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底及其制备方法。

背景技术

1974年，Fleischmann等人发现利用经过粗糙的银电极作为吡啶分子的载体，后者的拉曼信号得到了反常、极大的增强(约10⁶倍)。这种与粗糙贵金属(金、银及铜)表面有关的拉曼增强效应被称为表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)。SERS是一种强大的指纹振动光谱，具有高灵敏度，高选择性和快速无损检测等优点，广泛应用于生化检测，传感器，分析化学和环境监测等领域。但所有这些应用均限制在金、银等贵材料研制的SERS基底上才能完成，SERS基底的性能决定了检测的灵敏度。目前已发现两个紧邻的金或银纳米粒子连接处的纳米间隙可显著放大位于纳米间隙区的分析物信号，这种纳米间隙称为SERS“热点”。

最近，金或银修饰的磁性微/纳米球作为活性SERS基底引起了大量关注。金、银壳包裹的磁性微/纳米球可在溶液体系中富集目标化合物，并且在外部磁场作用下可迅速清洗、分离及直接用作SERS基底进行检测。然而，上述金、银壳包裹的磁性微/纳米球还有一些问题亟需解决。首先是在金/银壳包覆过程中，由于磁性颗粒容易团聚，难以获得具有良好分散性和均匀包覆的核壳复合颗粒。其次，金/银壳包覆会严重减弱磁性颗粒的磁感应能力，对此富集时问有较大影响。最后，普通的金/银壳包覆方法难以在磁珠表面形成均匀、稳定的热点，SERS性能不够理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有磁性SERS基底分散性差，磁响应性弱，SERS性能差等问题，提供一种制作简便、高分散性、高磁响应性、具有多重热点的核-壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述核-壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底(Fe₃O₄@Ag-PEI-Au)纳米粒子的核心采用磁性好，单分散的400nm银壳磁珠，通过PEI自组装反应在银壳表面形成1.5nm的带隙，然后通过PEI的多氨基及正电性吸附大量50nm金纳 米粒子来形成多重热点效应。

一种核壳-卫星三维结构的磁性复合SERS基底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)合成400nm Fe₃O₄磁性微球；

2)在步骤1)合成的400nm Fe₃O₄磁性微球表面修饰阳离子多聚物PEI，合成400nm Fe₃O₄@PEI磁性微球；

3)在步骤2)合成的Fe₃O₄@PEI磁性微球表面吸附3nm胶体金，合成Fe₃O₄@PEI-Au磁性微球作为种子；

4)步骤3)合成的Fe₃O₄@PEI-Au磁性微球通过种子介导生长方法合成Fe₃O₄@Ag磁性微球；

5)在步骤4)合成的Fe₃O₄@Ag磁性微球表面自组装多聚物PEI，通过控制超声时间控制PEI自主装厚度，形成厚度为1.5nm的PEI多功能间隙层；

6)将50nm金纳米颗粒吸附到步骤5)合成的Fe₃O₄@Ag-PEI磁性微球上，得Fe₃O₄@Ag-PEI-Au核-壳-卫星三维磁性复合SERS基底。

步骤(1)所述Fe₃O₄微球的制备方法如下：将0.27g六水合三氯化铁，2g聚乙二醇6000，5.4g无水乙酸钠，溶解于80毫升乙二醇溶液中，搅拌直至完全溶解；将上述溶液转移到聚四氟乙烯内胆的100mL高温反应釜中，密封后置于鼓风恒温烘箱内，在200℃反应12h；反应结束后自然冷却至室温，用磁铁收集黑色沉淀物，用去离子水和无水乙醇各洗3次，在真空干燥箱内于60℃干燥6小时，得到粉末状Fe₃O₄微球备用。

步骤(2)所述PEI多聚物溶液浓度为5mg/mL，超声反应时间为2小时。

步骤(3)所述3nm胶体金的制备方法如下：200mL含有0.25mM氯金酸及0.25mM柠檬酸钠的水溶液中加入6mL 0.1M/L硼氢化钠水溶液，快速搅拌4小时，即得3nm胶体金溶液。

步骤(3)所述的Fe₃O₄@PEI与3nm胶体金的体积比为1∶500混合，超声反应半小时，磁富集沉淀后，去离子水清洗3次，即得Fe₃O₄@PEI-Au seed微球。

步骤(4)所述的获得Fe₃O₄@Ag的还原方法为种子生长法，Fe₃O₄@PEI-Au seed浓度为0.01mg/mL，还原剂为甲醛，催化剂为浓氨水，保护剂为聚乙烯吡咯烷酮(1mg/mL)，超声条件下快速还原出银壳完整、连续的Ag壳。反应温度为30℃。

步骤(4)所述聚乙烯吡咯烷酮是用来避免核-壳微球的聚集和控制银壳的生长，改善粒子分散性。

步骤(5)所述的在Fe₃O₄@Ag微球表面上形成1.5nm间隙的方法为阳离子多聚物PEI在Fe3O4@Ag的银壳表面自主装反应。在5mg/mL的PEI溶液中超声反应15分钟，可获得PEI自主装层为1.5nm的Fe₃O₄@Ag-PEI微球。精确控制超声时长(15-90分钟)，可使PEI自主装形成可控的1.5-20nm纳米间隙。

所述步骤(5)中，PEI自组装在Fe₃O₄@Ag表面形成的1.5nmPEI间隙层为多功能结构，阳离子多聚物PEI的强正电性及多氨基结构为金纳米粒子提供连接位点的同时亦生成了多热点的纳米间隙。

步骤(6)所述的50nm金纳米粒子合成方法为：100mL水溶液中加入1mL1％的氯金酸溶液，煮沸，剧烈搅拌条件下加入1mL1％的柠檬酸钠溶液，继续保存沸腾15分钟，搅拌下冷却至室温。

步骤(6)所述的Fe₃O₄@Ag-PEI上吸附50nm金纳米颗粒作为卫星部件的实验条件为：10mL1mg/mL的Fe₃O₄@Ag-PEI溶液加入到200mL 50nm金纳米溶液中，超声反应半小时。磁富集沉淀后，去离子水洗三次，即可得Fe₃O₄@Ag-PEI-Au核-壳-卫星三维复合磁性复合SERS微球。

所述步骤(6)中，50nm Au纳米粒子是通过静电作用和共价键牢固地组装到PEI层上。

所述步骤(6)中，多重热点主要稳定产生于核心部件银壳磁珠的银壳与外接金纳米粒子之间及金纳米粒子与金纳米粒子之间的缝隙内。

有益效果

核-壳-卫星三维复合磁性复合SERS基底具有分散性好、磁响应性强并且具有多重热点效应。在该磁性复合物组成部件中，400nm Fe₃O₄微球提供了足够的磁性，在制备、洗涤时，可以方便的使用外加磁铁收集，避免了使用离心、过滤等繁琐耗时的方法。

本发明使用阳离子多聚物PEI辅助制备银壳磁珠，使用PEI在改善磁珠分散性的同时吸附3nm金纳米粒子，在聚乙烯吡咯烷酮保护下制备出银壳完整、连续的银壳磁珠。

本发明充分利用了阳离子多聚物PEI在银壳表面的自组装作用，银壳外的PEI层既改善了银壳磁珠的分散性，又可吸附大量的金纳米粒子作为SERS增强热点。

本发明通过控制超声时间(15-90分钟)可以精确控制阳离子多聚物PEI在银壳磁珠表面自主装层的厚度(1.5-20nm)。现有研究表面两个纳米球之间小于2nm的缝隙可以形成最强的表面拉曼增强效应，PEI层是疏松多孔的多聚物间隙，可以允许小分子进入，达到最强的增强作用。

本发明在银壳磁珠外自主装的1.5nmPEI层具有多氨基及正电性，可通过静电作用及化学键牢固的将50nm金纳米颗粒固定其表面。金纳米粒子与银壳之间及两个金纳米粒子的缝隙在SERS检测中可形成多重热点效应，显著提升SERS检测的灵敏度。

本发明制备核-壳-卫星三维复合磁性复合SERS基底的方法简单，所需材料为常见的药品、试剂，所需仪器为常用试验仪器，成本较低。

本发明制备的核-壳-卫星三维磁性复合SERS基底作为一种有效的SERS基底在识别不同的 物质和环境污染物的检测初步表现出超强的灵敏性，在化学、生物等有害物质的检测上显示出巨大的应用潜力，尤其是配合便携式拉曼光谱仪在现场快速检测领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为制备核-壳-卫星三维复合磁性复合SERS基底的实验流程图。

图2为核-壳-卫星三维复合磁性复合SERS基底制备过程中各阶段产物的透射电子显微镜图(TEM)。

图3为核-壳-卫星三维复合磁性复合SERS基底的透射电子显微镜图(TEM)和扫描电子显微镜图(TEM)。

图4为核-壳-卫星三维复合磁性复合SERS基底中银壳与表面金纳米颗粒间的PEI间隙厚度随超声时间的逐渐变厚的透射电子显微镜图(TEM)。

图5为银壳磁珠表面自组装不同厚度的PEI层对小分子物质对氨基苯硫酚(PATP)检测的SERS图谱。

图6为银壳磁珠表面自组装1.5nmPEI间隙后吸附不同粒径卫星金纳米颗粒(50nm与25nm)对小分子物质对氨基苯硫酚(PATP)检测的SERS图谱。

图7为核-壳-卫星三维复合磁性SERS微球用于溶液体系富集/拉曼直接检测的示意图。

图8为核-壳-卫星三维复合磁性SERS微球用于食品添加剂三聚氰胺检测的拉曼光谱图。

图9为核-壳-卫星三维复合磁性SERS微球用于污染物异硫氰酸罗丹明B的检测的拉曼光谱图。

具体实施方式

以下实施将结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

一种核-壳-卫星三维结构磁性表面拉曼增强微球的制备

图1给出核-壳-卫星三维结构磁性表面拉曼增强微球的制备流程示意图。其具体的制备方法分为以下六步：第一步，采用溶剂热合成法合成400nm Fe₃O₄微球。取2.7g六水合三氯化铁溶解在80ml乙二醇中，磁力搅拌30分钟。接着，5.4g醋酸钠和2g聚乙二醇6000加入到该溶液中并搅拌直至反应物完全溶解，然后，将混合物转移至聚四氟乙烯内胆的高压釜(100ml容量)中并加热到200℃反应10小时。将产物用磁铁收集，分别用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后将产物60℃真空干燥6h，得到400nm Fe₃O₄微球备用。

第二步，采用阳离子多聚物PEI修饰400nm Fe3O4微球，使其带上强正电性。取10mg 400nm Fe₃O₄微球溶解于15mL PEI溶液中(5mg/mL)，超声反应1小时。磁富集产物，用去离子水洗五遍，除去多余PEI。

第三步，将PEI修饰的400nm Fe₃O₄微球(Fe₃O₄@PEI)与100mL 3nm胶体金溶液混合超声，3nm胶体金由于静电作用快速吸附于Fe₃O₄@PEI表面，形成稳定的Fe₃O₄@PEI-Au微球。磁富集产物，用去离子水洗两遍，除去多余3nm胶体金颗粒。

第四步，采用种子生长法将Fe₃O₄@PEI-Au还原成具有完整银壳的银壳磁珠(Fe₃O₄@Ag)。10mg Fe₃O₄@PEI-Au微球投入到200mL聚乙烯吡咯烷酮水溶液中(1mg/mL)，超声10分钟使聚乙烯吡咯烷酮充分吸附于Fe₃O₄@PEI-Au微球表面，依次加入6毫克硝酸银、100微升甲醛溶液及200微升浓氨水，继续超声5分钟可得银壳完整、连续的银壳磁珠(Fe₃O₄@Ag)。

第五步，利用阳离子多聚物PEI在银壳磁珠表面快速自主装的特性，通过控制超声时间来控制PEI间隙层的厚度。10毫克银壳磁珠溶解于50毫升PEI溶液中(5mg/mL)，精确控制超声时间(15-90分钟)可控制多聚物PEI在银壳磁珠表面的厚度(1.5-20nm)。磁富集产物，去离子水洗5遍，待用。

最后，将10毫升1.5nm PEI间隙层的银壳磁珠加入到200毫升50纳米金纳米颗粒溶液中，PEI的多氨基及正电性在超声辅助下快速将50纳米金粒子固定在PEI层表面，最终形成核-壳-卫星三维结构磁性SERS复合基底。

图2a、2b、2c、2d分别是400nm Fe₃O₄微球、Fe₃O₄@PEI-Au微球、Fe₃O₄@Ag微球及Fe₃O₄@Ag-PEI-Au核-壳-卫星三维结构磁性SERS复合微球的透射电子显微镜图(TEM)。标尺分别为100nm、100nm、500nm与500nm。

图3(a-c)分别为PEI自主装在银壳磁珠表面形成间隙的厚度的高清透射电镜图(HRTEM)，标尺为100nm。图3(d-f)分别为图3(a-c)的局部放大的高清透射电镜图，从高分辨透射电镜中能非常清楚的看到金核表面包覆了一层多聚物外壳，多聚物层的厚度分别为1.5nm、8nm与18nm。

图4为PEI多聚物层吸附卫星纳米金粒子的透射电子显微镜图(TEM)与扫描电子显微镜图(SEM)，标尺分为500nm与1μm.

实施例2

检测多聚物PEI形成的间隙是否为疏松多孔、能容纳小分子进入的结构的SERS表征：

合成了PEI自主装层厚度分别为1.5nm，8nm，18nm的Fe₃O₄@Ag-PEI微球与未修饰的Fe₃O₄@Ag进行对比。选用PATP作为拉曼分子。PATP是常用的巯基拉曼标志物，与金或银结合时会产生显著的化学增强拉曼特征峰。将合成的四种粒子加入1ml浓度为10^-6M的PATP溶液中混合震荡30分钟，磁分离后将粒子浓缩液分散到干净的硅片上，干燥后进行拉曼检测。

图5是实施例2的实验结果。在图5中横坐标是拉曼位移。图5中曲线a、b、c和d分别代表PEI自主装层厚度分别为1.5nm，8nm，18nm的Fe₃O₄@Ag-PEI和未修饰的Fe₃O₄@Ag激发的PATP拉曼图谱，PATP化学增强的特征峰为1142、1388及1432cm^-1，出图中可以看出，PEI形成的多聚物间隙层不能阻止PATP接触银壳磁珠，且多聚物间隙层越厚，PATP分子与银壳表面接触的越少。在PEI厚度为1.5nm时，几乎不影响PATP分子接触银壳。这一实验结果表明：PEI多聚物自主装形成的间隙是疏松多孔的结构，可供小分子进入。

实施例3

利用表面卫星结构金纳米粒子修饰来提升银壳磁珠的SERS活性：

将表面修饰了50nm和25nm金纳米颗粒的核-壳-卫星三维结构磁性SERS基底与未做修饰的银壳磁珠进行SERS活性的比较。图6是实施例3的实验结果。在图6中，曲线b、c分别代表25nm金颗粒与50nm金颗粒修饰的核-壳-卫星三维结构的SERS微球检测PATP(10^-11M)的特征峰，曲线a代表普通银壳磁珠检测PATP(10^-9M)的特征峰。这一结果显示，25nm金纳米颗粒修饰的核-壳-卫星三维结构磁性SERS微球检测PATP的检测灵敏度比普通银壳磁珠提高了3个数量级，而50nm金纳米颗粒具有最强的SERS活性。

实施例4

利用核-壳-卫星三维结构磁性SERS基底的增强拉曼光谱方法检测食品添加剂三聚氰胺：

将核-壳-卫星三维结构磁性SERS微球加入到不同浓度的三聚氰胺水溶液中，超声孵育15分钟，磁富集粒子后直接用便携式拉曼光谱仪进行检测。

图8是实施例4的实验结果。在图5中，曲线a、b、c、d、e分别代表核-壳-卫星三维结构磁性SERS微球检测浓度为1ppm、100ppb、10ppb、1ppb及0.1ppb三聚氰胺的拉曼图谱，其中684cm^-1峰是三聚氰胺特征峰的主峰。该实验结果显示，核-壳-卫星三维结构磁性SERS微球检测三聚氰胺的检测限为0.1ppb，具有非常有效的表面增强拉曼功能。

实施例5

利用核-壳-卫星三维结构磁性SERS基底的增强拉曼光谱方法检测污染物异硫氰酸罗丹明B。

异硫氰酸罗丹明B是一种带异硫氰键的荧光基团，可与金、银材料特异性结合。将异硫氰酸罗丹明B稀释配成不同浓度的溶液后，核-壳-卫星三维结构磁性SERS基底投入上述溶液后超声反应15分钟，磁富集粒子后直接用便携式拉曼光谱仪进行检测。

图9是实施例5的实验结果。从图9中可见，利用核-壳-卫星三维结构磁性SERS基底对异硫氰酸罗丹明B拉曼检测的检测限为10^-11M。该实验结果表明核-壳-卫星三维结构磁性SERS微球对可富集的小分子具有非常有效的表面增强拉曼活性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种核-壳-卫星三维结构磁性复合SERS基底的制备方法，其特征在于：所述基底是由同时具有强磁响应性及表面增强拉曼性质的银壳磁性微球为核心组分；所述基底中作为核心部件的银壳磁性微球是由一种PEI辅助的种子生长法合成的，具有强磁响应性及单分散性，是制备该核-壳-卫星三维结构磁性复合SERS基底的关键；所述基底是由1.5nm聚乙烯亚胺(PEI)多聚物壳为粒子内间隙，以50nm金纳米粒子(AuNPs)为卫星粒子从而形成稳定的多热点结构。

2.根据权利要求1所述的核-壳-卫星三维结构磁性复合SERS基底的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

1)通过溶剂热合成法合成400nm Fe₃O₄磁性微球；

2)在步骤1)合成的400nm Fe₃O₄磁性微球表面修饰一层阳离子多聚物PEI，制备出400nmFe₃O₄@PEI磁性微球；

3)在步骤2)合成的Fe₃O₄@PEI磁性微球表面吸附3nm胶体金作为种子，制备出Fe₃O₄@PEI-Au seed复合微球；

4)步骤3)合成的Fe₃O₄@PEI-Au seed复合微球通过“种子介导生长法”合成出单分散性的、银壳完整、连续的Fe₃O₄@Ag磁性复合微球；

5)在步骤4)合成的Fe₃O₄@Ag磁性微球表面通过超声反应自组装PEI，形成1.5nm的PEI多功能层；

6)将50nm Au纳米粒子组装到步骤5)合成的Fe₃O₄@Ag-PEI磁性复合微球上，得Fe₃O₄@Ag-PEI-Au核-壳-卫星三维磁性复合SERS基底。

3.根据权利要求2所述的核-壳-卫星三维结构磁性复合SERS基底的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述400nm Fe₃O₄微球浓度为10mg/mL，PEI溶液浓度为5mg/mL。

4.根据权利要求2所述的核-壳-卫星三维结构磁性复合SERS基底的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述Fe₃O₄@PEI-Au seed复合微球通过“种子介导生长法”合成Fe₃O₄@Ag磁性复合微球时，Fe₃O₄@PEI-Au seed浓度为0.01mg/mL，还原剂为甲醛，催化剂为浓氨水，保护剂为聚乙烯吡咯烷酮(1mg/mL)，超声条件下快速还原出银壳完整、连续的Ag壳。

5.根据权利要求2所述的核-壳-卫星三维结构磁性复合SERS基底的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的用于自主装的PEI溶液浓度为5mg/mL，多聚物PEI自组装层的厚度是通过控制超声反应的时间来完成的，超声时间15-90分钟可控制PEI自主装的厚度为1.5nm-18nm。

6.根据权利要求2所述的核-壳-卫星三维结构磁性复合SERS基底的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述的PEI吸附的50nm金纳米颗粒是用来作为卫星结构与内部银壳磁珠间形成足够强的热点结构，优选50nm金纳米粒子因为其具有更大的SERS增强。