CN106498716B - 一种聚甲醛/聚乳酸sers聚合物基底及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚甲醛/聚乳酸sers聚合物基底及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底及其制备方法和应用。本发明包括聚甲醛/聚乳酸复合膜、以及负载在POM/PLLA复合膜表面上的金属纳米粒子。聚甲醛/聚乳酸复合膜为微米尺寸的球晶结构，通过胺解反应后，环带球晶结构内带有纳米尺寸的孔洞。本发明将POM/PLLA熔融共混薄膜与氨基修饰剂反应，在引入氨基官能团的同时实现了POM/PLLA共混薄膜的多孔化。本发明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底可应用在罗丹明6G和葡萄糖检测，跟现有检测限比，灵敏度更高，特别是对罗丹明6G的检测限可达到10‑19mol/L。

Description

一种聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底及其制备方法，具有高灵敏度以及重复性和稳定性。
背景技术
表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)技术能提供痕量化学物质的分子振动信息，其信号强度比待测物质的自发Raman信号高出4～15数量级，在生物分析和环境污染物监测方面具有巨大的应用潜力和价值。由于金(Au)、银(Ag)等在可见光区其表面等离子基元能够激发并促使其结构周围的局部电磁场强度增强，引起表面或附近的分子拉曼散射强度增强，而广泛用于SERS基底制备中。如采用化学还原方法直接制备不同尺寸或形貌的纳米Au、Ag颗粒、纳米片、纳米柱、纳米线等，或通过化学组装方法将Au纳米粒子组装在各种衬底或模板上可获得具有较高的灵敏度的SERS基底，但检测的稳定性和重复性较差。这主要由于纳米颗粒的团聚现象难以控制，使得纳米颗粒的分布具有随机性，而这种现象在光学显微镜下是难以察觉的。正是由于这种纳米结构分布不均一和有效位点范围不可见等问题的存在，导致了在光学显微平台下激光束聚焦于不同位点时，其增强效应有很大的差别。随着对SERS深入研究发现，将纳米单元组装成各种维度的复杂有序纳米结构可以获得不同于单个纳米单元的一些特异性能。当金属纳米单元通过长程效应致密排列时,由于局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance,LSPR)效应，特定表面的“热点”会明显增加，从而提供额外的SERS增强效应，与无序的金属纳米结构相比，复杂有序结构的增强因子(enhancementfactor,EF)有时甚至要提高好几个数量级。因此,借助现代纳米技术来构筑高度有序纳米结构的SERS基底，对于拓展SERS的研究范围和应用领域起着重要的作用。
如前所述，纳米结构之间的等离子体共振是产生SERS效应的关键，因此可以通过制备较大面积的有序结构阵列或者通过金纳米粒子大面积密集、均一的组装来获得增强效应显著、稳定均一、重现性好的SERS基底。所谓的大面积组装相对于纳米结构尺度和聚焦光斑大小而言。由于在拉曼检测过程中，激光的聚焦光斑大小一般为1～3μm，因此，所得组装结构一般要求大于或数倍于激光光斑大小。如Tang等将尺寸为5μm的α-Fe2O3枝晶表面等离子体处理后，在其表面通过化学修饰后，获得了Au纳米粒子嫁接的α-Fe2O3枝晶复合材料，其在结构在光学显微镜下可见，SERS增强效果明显，且重复性好。上述方法获得α-Fe2O3枝晶复合材料在拉曼检测中需要配置为悬浮溶液后滴涂于硅片后再进行测试，且需要对硅片进行处理，步骤较繁琐。近年来，基于聚合物材料的SERS基底由于具有良好的机械性能，便于携带，且易于表面结构修饰，能够随意剪裁与其他结构或器件集成等诸多优点，而受到了广泛重视。
我们最新研究发现POM/PLLA熔融共混薄膜表面具有微米尺寸的球晶结构单元的同时具有纳米孔洞构造，一方面，利用PLLA组分的在POM/PLLA材料中特殊相结构可引导纳米粒子在聚合物基体中的有序分布，增加“热点”数，获得额外的SERS增强效应，使得检测具有高灵敏度；另一方面，其表面纳米结构的排列(球晶结构单元及孔洞分布)具有统计学上的均一性，更重要是微米尺寸的球晶结构可以在光学显微镜下进行观察，从而能够保证在基底的边界范围内激光束总能聚焦于有效位点，使得检测结果具有较好的稳定性和重复性。不难预测，这种具有微、纳米尺寸范围内的多形态和多层次的复杂结构体系的聚甲醛/聚乳酸SERS基底，在高灵敏稳定的SERS检测以及区域成像研究方面将具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的一个目的是为了避免SERS检测存在的灵敏度低、重复性差等问题，提供一种聚甲醛/聚乳酸SERS基底。
本发明的聚甲醛/聚乳酸SERS基底包括聚甲醛/聚乳酸聚合物膜、以及负载在POM/PLLA聚合物膜上的金属纳米粒子。
所述的聚甲醛/聚乳酸聚合物膜具有微米尺寸的球晶结构，通过胺解反应后，环带球晶结构内带有纳米尺寸的孔洞。
进一步，所述的环带球晶结构单元尺寸大小为2～200μm，孔洞的孔径大小为10～100nm。
进一步，所述的被负载的金属纳米粒子是具有表面增强拉曼活性的金属纳米粒子，优选为金、银中的至少一种；所述的纳米粒子形貌为纳米颗粒、纳米三角形、纳米棒、纳米线中的至少一种；所属的纳米粒子的尺寸为10～2000nm，优选为10～100nm。
进一步，所述的聚合物/聚乳酸聚合物膜用含有氨基官能团的修饰剂进行化学改性处理，优选的，所述的含有氨基官能团的修饰剂为乙二胺、己二胺中的至少一种。氨基官能团能有效与金属纳米粒子形成牢固的化学络合结构，保证了金属纳米粒子在聚合物膜的牢固负载。
本发明的另一个目的是提供上述聚甲醛/聚乳酸SERS基底的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过熔融共混方法制备得到聚甲醛/聚乳酸复合膜；
将POM和PLL按照重量比80：20～20：80加入到哈克混炼机内，在190℃熔融共混后制备得到厚度约为20～100μm的样品薄片；然后置于135℃～155℃下退火5～30min，获得POM/PLLA共混薄膜。
其中退火温度优选141℃，退火时间优选10min。
(2)将上述膜浸泡于表面修饰剂溶液中反应6～24h，反应温度60℃，取出后烘箱干燥备用；
如需要增加膜的孔隙率，在与表面修饰剂溶剂反应前，可用0.2M～1M的NaOH溶液室温浸泡处理6～24h，此步骤非必需。
所述的表面修饰剂为含有氨基官能团的修饰剂，优选为乙二胺、己二胺中的至少一种，浓度为3％～12％(w/w)。
(3)将上述膜放入金属纳米粒子的前驱体溶液中常温浸泡6～24h；
所述的金属纳米粒子前驱液，为金、银中的至少一种的金属离子溶液，优选为HAuCl4、AgNO3中的至少一种，浓度为0.1～10mM，优选为1～5mM，金属纳米粒子前驱液的浓度可以根据聚合膜空隙率等进行相应的调整。
(4)将上述膜浸泡于还原剂溶液中反应30min～120min。
所述的还原剂溶液为柠檬三酸钠、聚苯胺溶液中的至少一种，浓度为5％～10％(w/w)。
本发明的又一个目的是提供上述聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底在罗丹明6G和葡萄糖检测中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底，选用POM/PLLA共混物体系，该体系属于典型熔体相容结晶/结晶聚合物共混体系。两组份间熔点非常接近，但PLLA与POM之间结晶动力学差异很大，表现为POM的结晶速率很快，相比之下，PLLA的结晶速率非常缓慢。因此，在很宽的组份比例范围内，PLLA/POM共混体系呈现分步结晶行为。POM结晶过程“快结晶、慢扩散”的特点，使得仍处于无定形状态的PLLA分子链主要分布在POM片晶之间，共混体系中形成纳米尺度的类似“双连续相”结构：POM片晶间填充的PLLA可以作为高效致孔剂，制备环带球晶结构多孔POM材料。一方面，PLLA在POM片晶间填充，使得POM晶体框架与PLLA富集相在很宽的组份比例范围内均能够维持较高的连续度，环带球晶尺寸在微米/亚微米尺寸范围可调。另一方面，PLLA在POM片晶间填充，尺寸处于纳米尺度，可以根据结晶温度，POM/PLLA组分比例等有效控制多孔材料的孔径，并且与热力学不相容共混体系(如聚苯乙烯/聚乳酸二元聚合物体系)相分离形成双连续相结构相比，其相态结构更加稳定，最终得到孔径尺寸也不会在退火过程中，发生孔径增大的现象；
(2)本发明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底，一方面，利用PLLA组分的在POM/PLLA材料中特殊相结构可引导纳米金属粒子在聚合物基体中有序分布，增加“热点”数，获得额外的SERS增强效应，使得检测具有高灵敏度；另一方面，其表面微纳米结构的排列(球晶结构单元及孔洞分布)具有统计学上的均一性；更重要是，微米尺寸的球晶结构可以在光学显微镜下进行观察，从而能够保证在基底的边界范围内激光束总能聚焦于有效位点，使得检测结果具有较好的稳定性和重复性；
(3)本发明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底，与传统的溶胶型SERS基底相比，便于携带，且易于表面结构修饰，能够随意剪裁；
(4)本发明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底制备方法，将POM/PLLA熔融共混薄膜与氨基修饰剂反应，在引入氨基官能团的同时实现了POM/PLLA共混薄膜的多孔化，步骤简单，重复性好，适合批量生产。
(5)本发明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底可应用在罗丹明6G和葡萄糖检测，跟现有检测限比，灵敏度更高，特别是对罗丹明6G的检测限可达到10-19mol/L。
附图说明
图1为本发明制备的经胺解后的POM/PLLA聚合物基底的SEM图，放大倍数1000倍；
图2为本发明制备的含有纳米金POM/PLLA聚合物基底的SEM图，放大倍数1000倍；
图3为本发明制备的含有纳米金POM/PLLA聚合物基底的SEM图，放大倍数25000倍；
图4为本发明制备的含有纳米金POM/PLLA聚合物基底的光学显微镜照片；
图5为本发明制备的含有纳米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底对罗丹明6G的表面增强拉曼谱图；
图6为本发明制备的含有纳米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底对葡萄糖的表面增强拉曼谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐述，但本发明的保护范围不仅限于此。本发明实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中使用的材料，试剂，如无特殊说明，均可从商业途径得到。本发明未特别说明的百分比均为重量百分比。
实施例1：制备含有纳米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：
(1)熔融共混制备聚甲醛/聚乳酸聚合物膜
将按50∶50重量比称取POM和PLLA，然后倒入哈克混炼机内，在190℃熔融共混。具体实验操作如下：原料先在预混转速为20rpm下混炼2min，接着在转速50rpm下混炼5min；取出共混物后放在190℃平板硫化机上，待样品充分熔融后，在40MPa下热压3min；之后快速的转移到室温的平板硫化机上40MPa下冷压1min；制备得到厚度约为50μm的样品薄片。通过热台控制样品温度，将上述样品指的薄膜快速升温到190℃恒温10min以消除热历史，在10MPa下保压3分钟，取出片料。再降温到141℃，达到温度后在10MPa下保压30分钟。最后取出，冷压90s，获得POM/PLLA共混薄膜。
(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反应
将压制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入60mg/mL的己二胺/异丙醇溶液中反应6h，反应结束后，用纯水以及乙醇交替反复洗涤薄膜，直至洗液呈中性。薄膜形貌采用扫描电镜进行观察，如图1所示，放大倍数1000倍。
(3)POM/PLLA膜表面纳米Au原位生成
将胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入150ml，0.25mM的氯金酸水溶液中100℃反应0.5h，之后高速搅拌的同时加入1ml柠檬酸三钠水溶液(10％)反应45min，反应结束后将薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥备用。形貌采用扫面电镜进行观察，如图2(放大倍数1000倍)和图3(放大倍数25000倍)所示。
实施例2：制备含有纳米银的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：
(1)熔融共混制备聚甲醛/聚乳酸聚合物膜
将按70∶30重量比称取POM和PLLA，然后倒入哈克混炼机内，在190℃熔融共混。具体实验操作如下：原料先在预混转速为20rpm下混炼2min，接着在转速50rpm下混炼5min；取出共混物后放在190℃平板硫化机上，待样品充分熔融后，在40MPa下热压3min；之后快速的转移到室温的平板硫化机上40MPa下冷压1min；制备得到厚度约为50μm的样品薄片。通过热台控制样品温度，将上述样品指的薄膜快速升温到190℃恒温10min以消除热历史，，在10MPa下保压3分钟，取出片料。再降温到141℃，达到温度后在10MPa下保压30分钟。最后取出，冷压90s，获得POM/PLLA共混薄膜。
(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反应
将压制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入60mg/mL的己二胺/异丙醇溶液中反应6h，反应结束后，用纯水以及乙醇交替反复洗涤薄膜，直至洗液呈中性。
(3)POM/PLLA膜表面纳米银原位生成
将胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入150ml，0.25mM的硝酸银水溶液中100℃反应0.5h，之后高速搅拌的同时加入1mL柠檬酸三钠水溶液(10％)反应20min，反应结束后将薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥备用。
实施例3：制备含有纳米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：
(1)熔融共混制备聚甲醛/聚乳酸聚合物膜
将按50∶50重量比称取POM和PLLA，然后倒入哈克混炼机内，在190℃熔融共混。具体实验操作如下：原料先在预混转速为20rpm下混炼2min，接着在转速50rpm下混炼5min；取出共混物后放在190℃平板硫化机上，待样品充分熔融后，在40MPa下热压3min；之后快速的转移到室温的平板硫化机上40MPa下冷压1min；制备得到厚度约为50μm的样品薄片。通过热台控制样品温度，将上述样品指的薄膜快速升温到190℃恒温10min以消除热历史，，在10MPa下保压3分钟，取出片料。再降温到141℃，达到温度后在10MPa下保压30分钟。最后取出，冷压90s，获得POM/PLLA共混薄膜。
(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反应
将压制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入3％乙二胺/异丙醇溶液中反应24h，反应温度为60℃，反应结束后，用纯水以及乙醇交替反复洗涤薄膜，直至洗液呈中性。
(3)POM/PLLA膜表面纳米Au原位生成
将胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入0.1mM的氯金酸水溶液中常温反应6h，之后高速搅拌的同时加入1ml柠檬酸三钠水溶液(5％)反应30min，反应结束后将薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥备用。
实施例4：制备含有纳米银的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：
(1)熔融共混制备聚甲醛/聚乳酸聚合物膜
将按70∶30重量比称取POM和PLLA，然后倒入哈克混炼机内，在190℃熔融共混。具体实验操作如下：原料先在预混转速为20rpm下混炼2min，接着在转速50rpm下混炼5min；取出共混物后放在190℃平板硫化机上，待样品充分熔融后，在40MPa下热压3min；之后快速的转移到室温的平板硫化机上40MPa下冷压1min；制备得到厚度约为50μm的样品薄片。通过热台控制样品温度，将上述样品指的薄膜快速升温到190℃恒温10min以消除热历史，，在10MPa下保压3分钟，取出片料。再降温到141℃，达到温度后在10MPa下保压30分钟。最后取出，冷压90s，获得POM/PLLA共混薄膜。
(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反应
将压制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入12％己二胺/异丙醇溶液中反应15h，反应温度为60℃，反应结束后，用纯水以及乙醇交替反复洗涤薄膜，直至洗液呈中性。
(3)POM/PLLA膜表面纳米银原位生成
将胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入10mM的硝酸银水溶液中常温反应24h，之后高速搅拌的同时加入1mL柠檬酸三钠水溶液(6％)反应120min，反应结束后将薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥备用。
实施例5：
将实施例1中步骤(3)氯金酸浓度更换为1mM，其他实验条件不变，制备得到含有纳米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底。
实施例6：
将实施例1中步骤(3)硝酸银浓度更换为5mM，其他实验条件不变，制备得到含有纳米银的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底。
应用实施例7：含有纳米金的聚甲醛/聚乳酸聚合物基底用于罗丹明6G的SERS检测
配置0.1mol/L的罗丹明6G水溶液，并通过逐级稀释的方法配置一系列浓度溶液。用移液枪吸取20μL不同浓度的罗丹明6G溶液滴加到含有纳米金的POM/PLLA聚合物基底上，使用显微拉曼光谱仪进行检测，在显微镜下该基底环带球晶花纹可见，如图4所示，从电子显微镜照片(图3)可见，其表面纳米孔洞的排列具有统计学上的均一性，从而能够保证在基底的环带球晶的边界范围内激光束总能聚焦于有效位点，扫描区域如图4中方框所在区域内。从而使得测试结果具有良好的重复性，特征峰强的RSD值均小于20％；拉曼激发光波长为785nm，激光功率为1mW，累计时间10S，检测结果如图5所示。图中曲线从上到下依次是浓度为1×10-4mol/L、1×10-6mol/L、1×10-12mol/L、1×10-17mol/L、1×10-19mol/L
应用实施例8：含有纳米金的聚甲醛/聚乳酸聚合物基底用于葡萄糖的SERS检测
配置0.1mol/L的葡萄糖水溶液，并通过逐级稀释的方法配置一系列浓度溶液。用移液枪吸取20μL不同浓度的葡萄糖溶液滴加到含有纳米金的POM/PLLA聚合物基底上，使用显微拉曼光谱仪进行检测，拉曼激发光波长为785nm，激光功率为1mW，累计时间10S，检测结果如图6所示。图中曲线从上到下依次是浓度为1×10-3mol/L、1×10-4mol/L、1×10-5mol/L、1×10-6mol/L、1×10-7mol/L、1×10-8mol/L、1×10-9mol/L，特征峰强的RSD值均小于20％。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种聚甲醛/PLLA SERS聚合物基底的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)通过熔融共混方法制备得到聚甲醛/PLLA聚合物膜；
(2)将上述膜浸泡于表面修饰剂溶液中反应6～24h，反应温度60℃，取出后烘箱干燥备用；其中表面修饰剂为含有氨基官能团的修饰剂；
(3)将上述膜放入金属纳米粒子的前驱体溶液中常温浸泡6～24h；
(4)将上述膜浸泡于还原剂溶液中反应30min～120min；
上述POM/PLLA SERS聚合物基底，包括POM/PLLA聚合物膜、以及负载在POM/PLLA聚合物膜上的金属纳米粒子；
POM/PLLA聚合物膜为微米尺寸的球晶结构，通过胺解反应后，环带球晶结构内带有纳米尺寸的孔洞；环带球晶结构单元尺寸大小为2～200μm，孔洞的孔径为10～100nm；
被负载的金属纳米粒子是具有表面增强拉曼活性的金属纳米粒子，所述的纳米粒子形貌为纳米颗粒、纳米三角形、纳米棒、纳米线中的至少一种；尺寸为10～2000nm；
所述的含有氨基官能团的修饰剂为乙二胺、己二胺中的至少一种。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于在步骤(2)与表面修饰剂溶剂反应前，用0.2M～1M的NaOH溶液室温浸泡处理6～24h。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于在步骤(4)所述的还原剂溶液为柠檬三酸钠、聚苯胺溶液中的至少一种，质量浓度为5％～10％。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的被负载的金属纳米粒子为金、银中的至少一种。
5.如权利要求1所述的制备方法得到的一种聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底，在罗丹明6G和葡萄糖检测中的应用。
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