CN106409457B - 一种单分散银壳磁性微球的制备方法及其sers应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单分散银壳磁性微球的制备方法及其SERS应用，该基底是以400nmFe₃O₄微球为核心提供磁性，以50nm SiO₂壳为亲水性夹层改善微球的分散性，以化学镀及种子还原法制备出完整、均一的银壳。制备方法如下：将400nm Fe₃O₄微球用改进的Stober法包覆50nm的SiO₂壳，然后通过SnCl₂对SiO₂壳进行敏化，使其吸附大量的Sn²⁺；用去离子水清洗磁性微球，完全除去SnCl₂后，超声条件下采用40mM的银氨溶液使Fe₃O₄@SiO₂核心化，原位产生大量的Ag种子；最后利用种子生长法，在高浓度的PVP保护下，使用甲醛和浓氨水的还原出完整、均一的Ag壳，形成单分散的银壳磁性微球。本发明还公开了由上述方法制备的银壳磁性微球在SERS检测中的应用，其磁响应性强、分散性好、结构稳定、具有很强的增强作用，可直接用于溶液体系下各种小分子污染物、农药残留、血清、癌症标志物等的SERS检测。

Description

一种单分散银壳磁性微球的制备方法及其SERS应用

技术领域

本发明涉及纳米材料、生化光谱分析检测领域，具体涉及一种单分散银壳磁性微球的制备方法及其在SERS检测中的应用。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)是一种指纹振动光谱，具有高选择性、高灵敏度和快速无损检测等优点，已经引起了越来越多的关注，并被成功的用于生化检测，传感器，分析化学和环境监测等领域。SERS检测的关键在于高性能的SERS基底，所有的SERS增强均限制在金、银等贵材料研制的SERS基底上才能完成。目前常用的SERS基底主要分为金属颗粒和平面金属结构两大类。金属颗粒主要的优点是制备简单、成本低廉、适用于探测溶液中的痕量物质，但其缺点是胶体颗粒难以长期保存，并且很难提供足够的增强效应。而平面金属结构SERS基底具有较高的SERS增强因子，结构稳定性好，但制备需要复杂仪器、成本较高，并不利于生物修饰。

近年来，以磁性颗粒为核的功能性核-壳纳米材料被广泛用于许多领域，比如在污水处理中，污染物可以被磁性复合粒子快速富集并降解。已有大量研究已经表明金或银包覆的磁性微/纳米球作为活性SERS基底可以有效的检测溶液中的目标物。具体的使用方法是利用金壳或银壳的磁性微/纳米球富集溶液体系中的目标物，并且在外部磁场作用下迅速清洗、分离并直接用作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。其中最主要的是在金/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。磁性颗粒的团聚及外壳包覆的不均匀严重影响了SERS检测信号的灵敏度与重复性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有银壳磁性微球分散性差、结构不均一等问题，提供一种具有单分散性、高磁响应性、银壳完整、结构均一的银壳磁性微球的制备方法，并作为SERS基底进行溶液中目标物的痕量检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述银壳磁性微球(Fe₃O₄@SiO₂@Ag)核心采用磁性强的400nm Fe₃O₄微球，通过SiO₂壳的包覆使磁性粒子具有良好的分散性，然后通过化学镀及种子还原法在SiO₂壳表面包覆一层完整、均一的银壳。

一种单分散银壳磁性微球的制备方法及其在SERS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磁性微球表面采用改进的Stober法包覆一层50nm的SiO₂壳，使磁性颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)具备单分散性；

3)合成的Fe₃O₄@SiO₂微球表面采用SnCl₂进行敏化，使SiO₂壳表面吸附大量的Sn²⁺；

4)步骤3)合成的Fe₃O₄@SiO₂微球表面用化学镀的方法实现表面核心化，利用吸附在SiO₂表面的Sn²⁺作还原剂，在微球表面原位生成大量的银种子，形成Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球；

5)步骤4)合成的Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球在高浓度的PVP保护下，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@SiO₂@Ag磁性复合微球；

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)所述改进的Stober法的反应体系为200mL乙醇，10mL去粒子水，8mL浓氨水混合溶液体系，Fe₃O₄微球质量为20mg，正硅酸乙酯用量为200uL。

步骤(3)所述SnCl₂敏化的反应条件如下：10mL Fe₃O₄@SiO₂微球溶液(1mg/mL)与10mL 3％SnCl₂溶液超声反应30分钟，加100uL盐酸防止SnCl₂水解。

步骤(4)所述Fe₃O₄@SiO₂微球表面核心化使用的银氨溶液溶度为300mM，超声反应时间为20分钟，所形成的Fe₃O₄@SiO2-Ag seed微球保存于乙醇溶液中。

步骤(5)所述的获得Fe₃O₄@SiO₂@Ag微球的还原方法为种子生长法，Fe₃O₄@SiO₂-Agseed浓度为0.01mg/mL，还原剂为甲醛，催化剂为浓氨水，保护剂为PVP(1mg/mL)，超声条件下快速还原出银壳完整、连续的Ag壳。

步骤(5)所述的PVP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。

根据本发明的具体实施方式，优选地，上述单分散银壳磁珠的粒径为560-600nm，银壳厚度为30-50nm.

本发明还提供上述的单分散银壳磁珠在SERS检测中的应用方法。

所制备的单分散Fe₃O₄@SiO₂@Ag磁性微球用作SERS基底进行SERS检测的方法为：将所制备的Fe₃O₄@SiO₂@Ag磁性微球加入到待测溶液(包括血清、体液、组织液等)中，震荡孵育30分钟后，利用外部磁铁快速分离银壳磁珠。然后将Fe₃O₄@SiO₂@Ag磁性微球转移至干净的硅片上，直接进行SERS检测，SERS应用的方法如图3所示。Fe₃O₄@SiO₂@Ag磁性微球的用量为每组样品中加入5微升，磁珠浓度为10mg/mL。

本发明的优点及有益效果为：

本发明合成的Fe₃O₄@SiO₂@Ag磁性微球具有分散性好、磁响应性强及银壳完整、均一等优点。在该银壳磁性微球组成部件中，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。

本发明使用改进的Stober法精确的包覆厚度为50nm的SiO₂壳，厚度适中的SiO₂壳既保证了磁性微球的分散性，又不会严重削弱磁性微球的磁感应性。

本发明充分利用了SnCl₂介导的化学镀的方法，使SiO₂壳敏化后吸附大量Sn²⁺，然后还原银氨溶液形成大量Ag种子，成功实现了SiO₂壳的核心化。

本发明采用PVP为粒子保护剂，使用种子还原法快速获得了银壳完整、均一的单分散银壳磁珠。并且，种子还原法形成的银壳为银种子长大形成的银纳米粒堆积而成，表面具有大量缝隙及纳米级粗糙，使其具有大量的SERS热点。

本发明制备的单分散银壳磁性微球结构均一，银壳完整、表面粗糙，可作为一种高性能的SERS基底。

本发明制备的单分散银壳磁性微球用作SERS基底时，可快速富集溶液中目标物，磁分离后可直接用于SERS检测。特别适合于溶液体系中痕量物质的检测，包括农药残留、环境污染物、血清及组织液等的直接检测。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为制备单分散银壳磁性微球(Fe₃O₄@SiO₂@Ag)的实验流程图。

图2为单分散银壳磁性微球制备过程中各阶段产物的透射电子显微镜图(TEM)及最终产物的扫描电子显微镜图(SEM)。

图3为单分散银壳磁性微球在SERS检测中的应用原理图。

图4为单分散银壳磁性微球在SERS应用中检测小分子物质对氨基苯硫酚(PATP)检测的SERS图谱。

图5单分散银壳磁性微球在SERS应用中检测硫代氨基甲酸酯类农药福美双(thiram)检测的SERS图谱。

图6为单分散银壳磁性微球应用于正常人及肝癌患者血清检测的SERS图谱。

图7为单分散银壳磁性微球应用于未食用及食用了转基因大米的猴血清检测的SERS图谱。

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

一种单分散银壳磁性微球的制备：

图1给出单分散银壳磁性微球的制备流程示意图。其具体的制备方法分为以下五步：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5h，得到400nm Fe₃O₄微球备用。

第二步，合成的400nm Fe₃O₄磁性微球表面以改进的Stober法包覆厚度为50nm的SiO₂壳，形成单分散的Fe₃O₄@SiO₂微球。改进的Stober法的反应体系为200mL乙醇，10mL去粒子水，8mL浓氨水混合溶液体系，Fe₃O₄微球质量为20mg，正硅酸乙酯用量为200uL，超声反应40分钟。反应完成后磁富集产物，用去离子水洗五遍。

第三步，将50nm SiO₂壳包覆修饰的400nm Fe₃O₄微球(Fe₃O₄@SiO₂)与10mL 3％SnCl₂水溶液混合超声反应30分钟，溶液中含100微升盐酸防止SnCl₂水解。SiO₂壳敏化完成后表面吸附大量Sn²⁺离子。

第四步，敏化后的Fe₃O₄@SiO₂微球用化学镀的方法实现表面核心化，利用吸附在SiO₂表面的Sn²⁺作还原剂，与浓度为300mM的银氨溶液超声反应20分钟，微球表面原位生成大量的银种子，所形成的Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球保存于乙醇溶液中。

第五步，采用种子生长法将Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球还原成具有完整银壳的银壳磁珠(Fe₃O₄@SiO₂@Ag)。10mg Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球投入到200mLPVP水溶液中(1mg/mL)，超声10分钟使PVP充分吸附于Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球表面，依次加入5毫克硝酸银、150微升甲醛溶液及300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@SiO₂@Ag)。磁富集产物，去离子水洗5遍除去PVP，待用。

图2(a)、(b)、(c)、(d)分别是400nm Fe₃O₄微球、Fe₃O₄@SiO₂微球、Fe₃O₄@SiO₂-Agseed微球及Fe₃O₄@SiO₂@Ag磁性微球的透射电子显微镜图(TEM)，图2(e)为Fe₃O₄@SiO₂@Ag磁性微球的扫描电子显微镜图(SEM)，标尺为100nm。从透射电子显微镜图中可见Fe₃O₄@SiO₂@Ag呈单分散状态，未团聚在一起，银壳均一、连续。从扫描电子显微镜图中可以清楚的看到银壳由许多Ag纳米颗粒堆积而成，颗粒之间具有纳米级的缝隙与粗糙度。

实施例2

单分散银壳磁性微球的SERS性能表征：

选用PATP作为拉曼分子对单分散银壳磁性微球的SERS性能进行表征。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。将合成的银壳磁性微球加入1ml浓度从10^-6-10^-11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3为单分散银壳磁性微球在SERS检测中的应用原理图。

图4是实施例2的实验结果。在图4中横坐标是拉曼位移。图4中曲线从上到下分别为高浓度到低浓度的PATP吸附在Fe₃O₄@SiO₂@Ag上激发的PATP拉曼图谱。Fe₃O₄@SiO₂@Ag检测出PATP的拉曼信号呈浓度依耐性，且当PATP的浓度低至10^-11M其主要拉曼峰依旧可见。这一实验结果表明：Fe₃O₄@SiO₂@Ag具有很强的表面拉曼增强能力，是可作为一种高性能的SERS基底。

实施例3

单分散银壳磁性微球检测溶液中的农药福美双：

将单分散银壳磁性微球加入到不同浓度的福美双的水溶液中，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5是实施例3的实验结果。在图5中，曲线a、b、c、d、e、f分别代表单分散银壳磁性微球检测浓度为10^-4、10^-5、10^-6、10^-7、10^-8及10^-9M福美双的拉曼图谱，其中561、928、1145及1385cm^-1峰是福美双的主要特征峰。该实验结果显示，单分散银壳磁性微球检测福美双的检测限为10^-9M，具有非常有效的表面增强拉曼功能。

实施例4

单分散银壳磁性微球检测正常人血清与肝癌患者血清的区别：

癌症患者血清中含有多种癌症标志物及癌细胞代谢产物，而正常人血清中没有这些物质。我们将正常人血清样品及肝癌患者血清样品与银壳磁性微球混合后，震荡孵育15分钟，使血清与银壳磁性微球充分接触并吸附，富集粒子后直接用便携式拉曼光谱仪进行检测。

图6是实施例4的实验结果。从图6中可见，利用单分散银壳磁性微球对正常人血清与肝癌患者血清检测后得到差别很大的拉曼光谱结果，肝癌患者的血清的SERS图谱显示其含有多种正常人血清中没有的特殊成分。该实验结果表明单分散银壳磁性微球可作为高效的SERS基底用于患者血清的检测。

实施例5

单分散银壳磁性微球检测正常饲养的猴血清与食用转基因大米的猴血清之间区别：

转基因食品是否对人体有害目前仍没有定论，我们采用单分散银壳磁性微球作为SERS基底检测了正常饲养的猴血清与食用转基因大米的猴血清，验证食用转基因大米的猴子血清中是否会产生特殊物质。

图7是实施例5的实验结果。从图7中可见，利用单分散银壳磁性微球对正常饲养的猴血清与食用转基因大米的猴血清检测后得到无明显差别拉曼光谱结果。该实验结果表明食用转基因大米的猴子血清中未产生SERS信号明显的特殊物质。

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 (2)

1.一种单分散银壳磁性微球的制备方法，其特征在于：所述银壳磁性微球以400nmFe₃O₄微球为核心，采用改进的化学镀的方法，以高浓度的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为稳定剂，在50nm SiO₂壳上包覆均匀完整的银壳；所述银壳磁性微球同时具有较强的磁响应性、单分散性及纳米级粗糙的完整银壳，可作为一种高性能的SERS基底用于溶液中目标物质的痕量检测；

所述制备方法具体包括如下步骤：

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磁性微球表面以改进的Stober法包覆厚度为50nm的SiO₂壳，形成单分散的Fe₃O₄@SiO₂微球；

3)步骤2)合成的Fe₃O₄@SiO₂微球表面采用氯化亚锡(SnCl₂)进行敏化，使SiO₂壳表面吸附大量的Sn²⁺；

4)步骤3)合成的Fe₃O₄@SiO₂微球表面用化学镀的方法实现表面核心化，利用吸附在SiO₂表面的Sn²⁺作还原剂，在微球表面原位生成大量的银种子，形成Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球；

5)步骤4)合成的Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球在高浓度的PVP保护下，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@SiO₂@Ag磁性复合微球；

步骤(2)所述改进的Stober法的反应体系为200mL乙醇，10mL去离子水，8mL浓氨水混合溶液体系，Fe₃O₄微球质量为20mg，正硅酸乙酯用量为200uL；

步骤(3)所述Fe₃O₄@SiO₂微球表面SnCl₂敏化的反应条件为，10mL Fe₃O₄@SiO₂微球与10mL3％SnCl₂溶液超声反应30分钟，溶液中包含100uL盐酸溶液防止SnCl₂水解；

步骤(4)所述Fe₃O₄@SiO₂微球表面核心化使用的银氨溶液浓度为300mM，超声反应时间为20分钟，所形成的Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed微球洗净后保存于乙醇溶液中；

步骤(5)所述Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed复合微球通过“种子生长法”合成Fe₃O₄@SiO₂@Ag微球时，Fe₃O₄@SiO₂-Ag seed浓度为0.01mg/mL，还原剂为甲醛，催化剂为浓氨水，保护剂为浓度为1mg/mL的PVP，在超声条件下快速还原出完整、连续的Ag壳。

2.权利要求1所述的制备方法得到的单分散银壳磁性微球的SERS应用，其特征在于：所述银壳磁性微球具有较强的磁响应性、单分散性及完整、粗糙的银壳，可在溶液中迅速捕获目标物，在外部磁场作用下快速富集与分离，直接用于溶液体系下各种小分子污染物、农药残留、血清、癌症标志物的SERS检测。