CN106525812B

CN106525812B - 一种二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料及其制备方法

Info

Publication number: CN106525812B
Application number: CN201610928613.0A
Authority: CN
Inventors: 杨诚; 王均东; 张萌; 徐媛媛; 潘萧萧; 欧佳瑜; 满宝元
Original assignee: Shandong Normal University
Current assignee: Shandong Normal University
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2036-10-31
Also published as: CN106525812A

Abstract

本发明公开了一种二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料及其制备方法，包括玻璃纤维纸衬底、附着在玻璃纤维纸衬底上的二维二硫化钼以及附着在二维二硫化钼上的金纳米颗粒。二硫化钼生长温度精确控制；生长的二硫化钼缺陷峰低，具有极高的晶体质量；生长的二硫化钼尺寸只受CVD腔体的限制，可实现二硫化钼的大面积生长；生长的金属颗粒后的二硫化钼/金属颗粒混合结构具有极高的化学吸附和物理增强机制；利用刻蚀法生长金颗粒，可以通过控制刻蚀的时间来精确控制金颗粒的大小，而且能够在整个材料上均匀生长金颗粒，有利于检测生物分子。制备完成后的生物传感器可同时实现生物分子的分离和检测。方法简单可控，成本低廉，应用价值高。

Description

一种二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可分离混合生物分子的生物传感器(以下称“可分离生物传感器”)材料的制备，具体涉及一种二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

对分子进行检测的时候利用的是表面增强拉曼散射(SERS)技术。拉曼光谱和红外光谱一样，同属于分子振动光谱，可以反映分子的特征结构。但是拉曼散射效应是个非常弱的过程，一般其光强仅约为入射光强的10^-10。所以拉曼信号都很弱，要对表面吸附物种进行拉曼光谱研究几乎都要利用某种增强效应。关于表面增强拉曼散射，目前较普遍的观点是SERS活性的表面往往能产生被增强的局域电场，是表面等离子共振振荡引起的，这被称为物理增强。而分子在金属上的吸附常伴随着电荷的转移引起分子能级的变化，或者分子吸附在特别的金属表面结构点上也导致增强，这两种情况均被称为化学增强，基于该原理引起化学增强的材料为生物传感器材料。在一些特别情况下，人们还在努力尝试进行单个分子的检测。

近些年，随着激光技术、纳米科技和计算机技术的迅猛发展，SERS已经在界面和表面科学、材料分析、生物、医学、食品安全、环境监测和国家安全等领域得到了广泛应用。SERS技术不但具有拉曼光谱的大部分优点，能够提供更丰富的化学分子的结构信息，可实现实时、原位探测，而且灵敏度高、数据处理简单、准确率高，是非常强有力的痕量检测工具。

由于其无需样品预处理、操作简便、检测速度快、准确率高、仪器便携等特点，SERS检测在食品安全快速检测中起到了积极的作用，例如，SERS可以定性、定量检测有害非法添加物(如三聚氰胺、苏丹红等)、超量超范围使用的添加剂(如食品中的合成色素等)、果蔬中的农药残留以及食物表面上的细菌和病毒等。

高灵敏的原位SERS技术可以实时、快速地检测环境、农产品的污染及其引发的癌变，对污染治理和医学诊疗等具有重要的作用。然而，要检测的物质一般为多种物质的混合物，现有的生物传感器材料一般只能将一种物质进行增强，或是无选择性地将各种物质的信号同时增强，利用SERS技术进行相关检测时，并不能将混合的各种物质分别进行准确检测。

分子分离可实现混合多分子中分子的分离，有利于更精确检测混合多分子中分子的种类，在环境监测、医学诊断和生命体表征等方面具有重要的作用。对混合溶液的分离常采用纸色谱法，纸色谱法是以纸为载体的色谱法。固定相一般为纸纤维上吸附的水分，流动相为不与水相溶的有机溶剂；也可是纸吸留其他物质作为固定相，如缓冲液，甲酰胺等。将试样点在纸条的一端，然后在密闭的槽中用适宜溶剂进行展开。当组分移动一定距离后，各组分移动距离不同，最后形成互相分离的斑点。但一般的纸色谱分离不能实现高灵敏的分子检测。

发明内容

为解决目前生物传感器灵敏度低，难以检测混合生物分子等缺点，本发明的一个目的是提供一种二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料，该生物传感器是在三维玻璃纤维上沉积制备二维的二硫化钼，并在附着有二硫化钼的玻璃纤维衬底上生长金颗粒制备而成，可以对由多种生物分子的混合物进行分离，并且对每一种生物分子进行化学增强，提高每一种生物分子含量测定的准确度。

本发明的另一个目的是提供上述生物传感器材料的制备方法。

本发明的第三个目的是提供上述生物传感器材料的应用。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料，包括玻璃纤维纸衬底、附着在玻璃纤维纸衬底上的二维二硫化钼以及附着在二维二硫化钼上的金纳米颗粒。

玻璃纤维衬底能有效的实现生物分子的分离，二硫化钼具有拉曼增强的化学吸附机制，同时能用来生长金纳米颗粒，金纳米颗粒能够实现高灵敏的拉曼增强效果。

玻璃纤维纸是由直径细小的玻璃纤维抄造而成的薄页纸。

二维过渡金属硫族化合物是一种由过渡金属原子和硫族原子形成的具有类石墨烯六角蜂巢的准二维结构层状材料。钼元素为过渡元素，钼原子和硫原子形成的二维材料也是具有石墨烯六角蜂巢的准二维结构层状材料。

金纳米颗粒，即指金的微小颗粒，其直径在1-300nm，具有高电子密度、介电特性和催化作用，在不影响生物活性的基础上，可以与多种生物大分子结合，被吸附的生物分子的表面局域等离子激元被激发所引起的电磁增强，纳米金表面上的原子簇及吸附其上的分子构成拉曼增强的活性点，这两者的作用使被测定物的拉曼散射产生极大的增强效应，可以极大地提高生物分子检测的灵敏度。

优选的，所述玻璃纤维纸中玻璃纤维的直径为10微米到500微米。

既能够实现分子的有效分离，又能够对拉曼信号产生较小的影响。

优选的，所述金纳米颗粒的粒度为1nm-300nm。以利于实际的拉曼增强效果。

金纳米颗粒的粒度过大，进行拉曼散射检测时，增强作用较弱，金纳米颗粒的粒度过小时，容易发生团聚，在玻璃纤维纸上的分布不均匀，造成检测的误差，在该粒度范围内时，金纳米颗粒可以在玻璃纤维纸上均匀分布，且不容易发生团聚，提高了增强作用的强度和检测的准确性。

优选的，所述玻璃纤维纸衬底的厚度为20微米到1毫米，如纸般厚度即可。

上述二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将玻璃纤维纸浸泡在四硫代钼酸铵溶液中，浸泡预定时间后，取出，晾干；

2)化学气相沉积法在玻璃纤维纸衬底上制备二维二硫化钼层；

3)在附着有二硫化钼的玻璃纤维衬底上生长金纳米颗粒层。

化学气相沉积法是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的工艺技术。

优选的，步骤1)中，所述四硫代钼酸铵溶液的浓度为0.01-0.1g/mL，所用的溶液是现用现配。

优选的，步骤1)中，所述玻璃纤维纸中的玻璃纤维为耐高温玻璃纤维。以利于二硫化钼的生长。

进一步优选的，步骤1)中，所述玻璃纤维纸的尺寸为1cm×1cm-20cm×20cm，浸泡在四硫代钼酸铵溶液中时间为1-10min。

更进一步优选的，所述玻璃纤维纸的尺寸为5cm×5cm-20cm×20cm。

优选的，所述化学气相沉积法的具体方法，包括如下步骤：

将浸渍有四硫代钼酸铵玻璃纤维纸的玻璃纤维纸放置于真空反应炉中，抽真空，加热，将氢气注入真空反应炉中，加热到预定温度后，通氩气，恒温设定时间后进行退火，即得。

所述的退火指的是对衬底表面祛除氧化物等杂质的过程。

真空反应炉，即真空热处理炉，是一种可以将真空技术与热处理相结合的装置，可以使热处理工艺的全部或部分在真空状态下进行。

进一步优选的，所述预定温度为490-510℃，恒温的时间为60-100min。

更进一步优选的，所述氢气的流量控制在1-300sccm，纯度高于99.99％。

更进一步优选的，所述真空反应炉的真空度为3×10^-3-3×10^-6Torr。

Torr，是指“将细直管内的水银顶高一毫米之压力”，标准大气压可以将水银升高760mm，所以，1Torr定为标准大气压强的1/760倍。

抽真空的目的是除去炉腔内的活性气体，保持清洁的生长环境。

优选的，步骤3)中，生长金纳米颗粒层的方法，包括如下步骤：

将附着有二硫化钼的玻璃纤维衬底浸入四氯金酸溶液中，反应设定时间后，生成金纳米颗粒层。

进一步优选的，所述四氯金酸溶液的浓度为0.01-0.1g/mL，反应的时间为3-20min，反应的温度为10-55℃，用来控制金纳米颗粒的大小和密度。

上述制备方法制备得到的生物传感器材料。

上述生物传感器材料在检测混合分子溶液中的应用。

利用上述生物传感器材料对混合分子溶液进行检测的方法，包括如下步骤：

1)将生物传感器材料修剪为条状结构，在条状结构的一端，且距离该端端部预设距离处画上基线；

2)将混合分子溶液涂在基线处，晾干；

3)将步骤2)中晾干的生物传感器材料进行预饱和；

4)将生物传感器材料基线下方的部分进入展开剂中进行展开；

5)各种物质完全分离后，取出生物传感器材料，晾干后，分别进行检测。

条状结构，优选为长方形的条状结构，可以保证物质在条状结构上进行均匀展开。在条状结构的一端画上基线，在基线上涂覆混合分子溶液，基线至另一端之间的生物传感器材料即为混合分子溶液中各种物质进行分离的路径，由于条状结构具有一定的长度，可以将各种物质进行完全分离。

混合分子溶液，其中的分子即为生物分子，生物分子泛指生物体特有的各类分子，它们都是有机物，典型的细胞含有一万到十万种生物分子，其中近半数是小分子，分子量一般在500以下，其余都是生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一万以上，成为生物大分子。混合分子溶液即为多种生物分子的混合溶液。

展开剂，提取分离时，用来分离极性不同的多种物质的溶剂叫做展开剂。

优选的，进行预饱和的溶液为乙醇溶液，预饱和的时间为5-25min，以利于下一步生物分子的分离。

优选的，所述展开剂为浓度大于99.0％的乙醇溶液。

优选的，步骤2)中，同时将混合分子溶液中的各种生物分子的溶液涂在基线的不同位置处。

在基线的不同位置处涂上各种生物分子的溶液，便于对比生物传感器材料对各种生物分子的分离效果，更直观判断各种生物分子是否已经分离完全。

本发明的技术关键是：

(1)将制备的二硫化钼/玻璃纤维浸泡在四氯金酸溶液中，控制四氯金酸溶液的浓度和温度，使二硫化钼与金离子反应产生成一个个小的金纳米颗粒。如果浓度过大，温度过高，极易使二硫化钼完全分解，则不能维持二硫化钼的结构，如果浓度过大，温度过高，生，得不到足够的金纳米颗粒，则不能保证金属的拉曼增强，不利于检测。

(2)将制备的二硫化钼/玻璃纤维浸泡在四氯金酸溶液中，控制浸泡时间是能够成功制备该传感器材料以及制备好的材料性能优劣的关键。浸泡时间过短，将不能形成良好密集发金纳米颗粒；浸泡时间过长，将会导致二硫化钼的结构遭到破坏，并且会导致金颗粒的聚合。

(3)在CVD法生长二硫化钼时，各种气体的流量，比例，通入气体的时间是能否均匀生长二硫化钼的关键，良好的生长条件能够均匀生长二硫化钼，保证传感器良好的物理和化学性能。

(4)在做分子分离时要注意不要让待测物直接浸润到展开液中，否则实验失败，无法分离出混合分子；另一方面，在预饱和过程中，预饱和的时间控制是能否良好分离混合待测分子的关键。

本发明的有益效果是：

1、通过控制二硫化钼的生长温度，使生长的二硫化钼缺陷峰低，具有极高的晶体质量；

2、生长的二硫化钼尺寸只受CVD腔体的限制，可实现二硫化钼的大面积生长；

3、生长金纳米颗粒后的二硫化钼/金纳米颗粒混合结构具有极高的化学吸附和物理增强机制；利用刻蚀法生长金纳米颗粒，可以通过控制刻蚀的时间来精确控制金颗粒的大小，而且能够在整个材料上均匀生长金颗粒，有利于检测生物分子。

4、制备完成后的生物传感器可同时实现生物分子的分离和检测。

5、方法简单可控，成本低廉，应用价值高。

附图说明

图1本发明的生物传感器材料的混合结构的微观结构示意图；

图2为本发明的生物传感器材料的混合结构的SEM图；

图3为本发明的生物传感器材料的混合结构对于混合分子的分离实物图；

图4为混合分子溶液分离之后拉曼检测的光谱图；

图5为本发明的生物传感器材料的工艺制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

在三维立体玻璃纤维纸上制备二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料，如图5所述制备路线图，包括以下制备步骤：

1、配制浓度为0.01g/ml的四硫代钼酸铵溶液，并将适量四硫代钼酸铵溶液倒入玻璃皿中。

2、取尺寸为7cm×16cm玻璃纤维纸放入玻璃皿中，浸泡3分钟，然后取出并自然晾干；

3、将晾干后的玻璃纤维纸放入管式炉(OTL1200)中，并关上管式炉，检查气密性。

4、打开真空泵将管式炉的气压抽至极限真空状态：3×10^-6托(Torr)；

5、保持真空状态3×10^-6Torr 15分钟后(真空15分钟的作用是祛除石英管内部的杂质、空气等，确保反应腔洁净)，将管式炉中石英管的气压升到3×10^-3Torr；

6、氢气流量计设定为20sccm(标准毫升每分钟，s：stand标况下，cc毫升，m minute分钟)，将氢气注入真空腔中；

7、管式炉温度升温到500℃后，开始通入氩气，流量计设定为80sccm，恒温90min后，进行退火；

8、关闭氩气气体流量计并将管式炉温度以50℃/min的速度快速降至室温；

9、关闭氢气流量计以及真空泵；

10、打开阀门，用空气将石英管气压充满到一个大气压状态；

11、打开石英管真空接口，取出已沉积二硫化钼的玻璃纤维；

取0.05mol/L的四氯金酸溶液于玻璃器皿中，将生长有二硫化钼的玻璃纤维浸泡在玻璃器皿中，浸泡十分钟，然后捞出并自然晾干。

制备得到的二硫化钼/金纳米颗粒混合结构的生物传感器材料的微观结构示意图如图1所示。

1)在7cm×16cm的生物传感器材料的一端，且距离该端端部1cm处画上基线；

2)将混合分子溶液和两种生物分子溶液(CV和TB)分别涂在基线的不同位置处(如图3所示，从左往右依次为CV、TB和两种分子的混合溶液)，晾干；

3)将步骤2)中晾干的生物传感器材料的基线的下端浸入乙醇溶液中进行预饱和，浸泡15min；

4)将生物传感器材料基线下方的部分浸入展开剂(99.5％的乙醇溶液)中进行展开；

5)各种物质完全分离后(如图3所示)，取出生物传感器材料，晾干后，分别进行拉曼检测。

分别用本发明的金纳米颗粒与二维二硫化钼的混合结构材料和单纯的二维二硫化钼材料对TB分子溶液进行检测，检测结果如图4所示，可见，金纳米颗粒与二维二硫化钼的混合结构可以有效的增强生物分子的拉曼信号。

实施例1

1、配制浓度为0.1g/ml的四硫代钼酸铵溶液，并将适量四硫代钼酸铵溶液倒入玻璃皿中。

2、取尺寸为10cm×15cm玻璃纤维纸放入玻璃皿中，浸泡3分钟，然后取出并自然晾干；

4、打开真空泵将管式炉的气压抽至极限真空状态：3×10^-4托(Torr)；

5、保持真空状态3×10^-4Torr 15分钟后(真空15分钟的作用是祛除石英管内部的杂质、空气等，确保反应腔洁净)，将管式炉中石英管的气压升到3×10^-3Torr；

6、氢气流量计设定为200sccm(标准毫升每分钟，s：stand标况下，cc毫升，mminute分钟)，将氢气注入真空腔中；

7、管式炉温度升温到510℃后，开始通入氩气，流量计设定为80sccm，恒温90min后，进行退火；

9、关闭氢气流量计以及真空泵；

取0.1mol/L的四氯金酸溶液于玻璃器皿中，将生长有二硫化钼的玻璃纤维浸泡在玻璃器皿中，浸泡十分钟，然后捞出并自然晾干。

1)在10cm×15cm的生物传感器材料的一端，且距离该端端部1cm处画上基线；

4)将生物传感器材料基线下方的部分浸入展开剂(99.0％的乙醇溶液)中进行展开；

5)各种物质完全分离后，取出生物传感器材料，晾干后，分别进行拉曼检测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims

1.利用生物传感器材料对混合分子溶液进行的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

2)将混合分子溶液涂在基线处，晾干；

3)将步骤2)中晾干的生物传感器材料进行预饱和；

4)将生物传感器材料基线下方的部分进入展开剂中进行展开；5)各种物质完全分离后，取出生物传感器材料，晾干后，分别进行检测；

其中，所述生物传感器包括玻璃纤维纸衬底、附着在玻璃纤维纸衬底上的二维二硫化钼以及附着在二维二硫化钼上的金纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述玻璃纤维纸中玻璃纤维的直径为10微米到500微米。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述金纳米颗粒的粒度为1nm到300nm。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述玻璃纤维纸衬底的厚度为20微米到1毫米。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述生物传感器材料的制备方法，包括如下步骤：

3)在附着有二硫化钼的玻璃纤维衬底上生长金纳米颗粒层。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述生物传感器材料的制备方法的步骤1)中，所述四硫代钼酸铵溶液的浓度为0.01-0.1g/mL，所用的溶液是现用现配。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述生物传感器材料的制备方法的步骤1)中，所述玻璃纤维纸的尺寸为1cm×1cm-20cm×20cm，浸泡在四硫代钼酸铵溶液中时间为1-10min。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：所述玻璃纤维纸的尺寸为5cm×5cm-20cm×20cm。

9.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：其特征在于：所述化学气相沉积法的具体方法，包括如下步骤：

10.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：其特征在于：所述生物传感器材料的制备方法的步骤3)中，生长金纳米颗粒层的方法，包括如下步骤：

将附着有二硫化钼的玻璃纤维衬底浸入四氯金酸刻蚀溶液中，反应设定时间后，生成金纳米颗粒层。

11.根据权利要求1～4任一所述的检测方法，其特征在于：检测方法的步骤2)中，同时将混合分子溶液中的各种生物分子的溶液涂在基线的不同位置处。