CN106556586B - 一种核壳结构的复合粒子sers活性基底及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光拉曼检测技术领域，具体涉及一种花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子SERS活性基底及其制备方法。该核壳结构的复合粒子是由单粒花状银粒子的核层、氧化石墨烯的中间包覆层以及金纳米星粒子的最外层构成的；该核壳结构的复合粒子作为SERS活性基底。光学显微镜下可见，可用于高效单粒子SERS检测。本发明首次将金纳米星粒子与花状银粒子有机结合，金纳米星与花状银粒子之间优异的表面等离子体共振耦合效应使得基底具有相比于单层粒子更优异的表面增强拉曼散射效应。

Description

一种核壳结构的复合粒子SERS活性基底及其制备方法
技术领域
本发明属于激光拉曼检测技术领域，具体涉及一种花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子SERS活性基底及其制备方法。
背景技术
表面增强拉曼散射（SERS）技术是一种非常有效的分子检测技术，在化学传感、生物传感、生物成像、污染物检测、癌症诊断等领域有着十分广阔的应用前景。其增强机理主要分为电磁增强 (EM) 和化学增强 (CM)。电磁增强取决于纳米粒子局域表面等离子体共振效应，化学增强取决于检测分子与SERS基底间的电荷转移。电磁增强与化学增强的总和能够产生约 109-1011的拉曼增强信号，在一些局域间隙和尖端可以产生 1014 的拉曼增强信号。目前，利用相关材料制备不同结构、不同阵列的SERS基底并进行理论研究与实际应用已成为SERS研究的一大热点。
氧化石墨烯具有独特的二维片层结构，其含有丰富的含氧官能团，在表面增强拉曼散射的研究与应用中具有独特的优势。首先，氧化石墨烯具有化学增强效应；其次，其含有丰富的大π键，可以通过π-π相互作用吸附富集芳香族检测分子，提高SERS检测的灵敏性与重复性；此外，将其包覆在银粒子表面可阻止银粒子与外界环境接触，减少氧化，起到钝化保护的作用，提高银粒子的稳定性。将氧化石墨烯与纳米粒子结合制备复合材料作为表面增强拉曼散射基底具有独特而不可比拟的优势。
目前，将氧化石墨烯与金、银粒子各自的优势有机结合，构造核壳结构的复合粒子作为表面增强拉曼散射基底还鲜有报道。本发明将具有众多尖端金枝的金纳米星、花状银粒子、氧化石墨烯进行复合，结合金纳米星与花状银粒子之间优异的等离子体共振耦合效应以及氧化石墨烯的化学增强、分子富集、钝化保护作用，制备出一种具有优异的表面增强拉曼散射效应，良好的灵敏性、稳定性、可重复性的表面增强拉曼散射活性基底。本发明的制备方法简单，条件温和，在表面增强拉曼散射的理论研究与应用方面具有重要意义。
发明内容
本发明旨在提供一种表面增强拉曼散射效应高、可重复性好、灵敏度高、稳定性好的SERS活性基底。该基底将金纳米星、花状银粒子、氧化石墨烯有机结合，构造出一种核壳结构复合粒子SERS活性基底，其SERS性能优异，灵敏性与可重复性好，稳定性高，在SERS领域具有十分重要的应用价值。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子SERS活性基底，该核壳结构的复合粒子是由单粒花状银粒子的核层、氧化石墨烯的中间包覆层以及金纳米星粒子的最外层构成的；该核壳结构的复合粒子作为SERS活性基底。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：
（1）本发明首次将金纳米星粒子与花状银粒子有机结合，金纳米星与花状银粒子之间优异的表面等离子体共振耦合效应使得基底具有相比于单层粒子更优异的表面增强拉曼散射效应。
（2）本发明所制备的核壳结构复合粒子在光学显微镜下可见，可进行精确定位，单个核壳三明治复合粒子即可作为SERS基底进行检测分析，大大提高SERS检测的可重复性。相对于单金属粒子和二元复合粒子，花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子具有更优异的SERS效应。
（3）本发明将金纳米星作为核壳结构的最外层。金纳米星粒子具有众多尖细的金枝，等离子体性能可调，具有比其它形貌的金粒子（金纳米球、金纳米棒等）更优异的等离子体共振耦合效应以及更丰富的“热点”，使其核壳结构复合粒子具有更优异的SERS效应。
（4）本发明将具有化学增强、分子富集和钝化保护作用的氧化石墨烯加入到三明治复合结构中，进一步提高了SERS 检测的灵敏性，稳定性与可重复性。
为了更进一步的说明本发明的技术方案，本发明提供了一种核壳结构的复合粒子SERS 活性基底的制备方法，该制备方法的步骤为：
（1）花状银粒子的制备：以1 M 抗坏血酸为还原剂，1 M 聚乙烯吡咯烷酮为保护剂，通过液相还原法制备花状银粒子；
（2）花状银@氧化石墨烯复合粒子的制备：以1mg/mL 的半胱胺溶液为连接剂，将其与0.01mg/mL 的氧化石墨烯溶液、步骤（1）制备的花状银粒子混合，温和搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯复合粒子；其中半胱胺溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:20；
（3）银种子的制备：以硼氢化钠为还原剂，1%柠檬酸钠溶液为保护剂，通过液相还原法制备银种子；
（4）金纳米星粒子的制备：在步骤（3）制备的银种子溶液中加入0.1-0.25mM氯金酸，并同时迅速加入0.1M 抗坏血酸、1mM 硝酸银，制备获得金纳米星粒子；
（5）花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子的制备：以1M 2-巯基嘧啶作为修饰剂对步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯复合粒子进行表面修饰，再加入步骤（4）制备的金纳米星粒子，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳三明治复合粒子SERS活性基底。
本发明所述制备方法中，温和搅拌指的是搅拌时仅液体表面有呈漩涡状态。本发明强调步骤（2）中必须采用温和搅拌，是由于强力搅拌会引起聚集。所谓强力搅拌是搅拌时液体整体自上而下呈漩涡状态。使用时，可通过控制氯金酸的用量来控制金纳米星的枝数（枝密度）及金枝的长径比（尖细程度）。具体实施时，当氯金酸的用量越来越大时，金纳米星的枝数越多，金枝的长径比越大。当然，花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳三明治复合粒子SERS活性基底最外层的负载量可通过金纳米星的用量得到控制。上述调节手段或控制手段是本领域技术人员能够实现的。
本发明的制备方法十分简便，反应条件温和，重现性好，为进一步的SERS检测提供了有利条件。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的花状银@氧化石墨烯复合粒子的扫描电镜照片。
图2为本发明制备的花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子的扫描电镜照片。
图3为分别以花状银粒子、花状银@氧化石墨烯、花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子为基底，以浓度为10-5M的R6G为检测分子的拉曼光谱图。由图可以看出：花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构具有比单个银粒子、花状银@氧化石墨烯二元核壳粒子更优异的SERS效应。
图4为以花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子为基底，以浓度为10- 5M的R6G为检测分子，随机选取20个粒子的重复性检测拉曼光谱图。由图可以看出：20个随机点的拉曼信号强度基本一致，通过计算得到其相对标准偏差为5%，低于文献报道值10%，具说明其基底有很好的可重复性。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1：
花状银@氧化石墨烯复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）花状银粒子的制备：室温下，分别配置1M 硝酸银、1M 抗坏血酸、1M 聚乙烯吡咯烷酮溶液。将配制好的0.3mL 硝酸银溶液与2mL 聚乙烯吡咯烷酮溶液加入到10mL 去离子水中，搅拌；随后将0.2mL 配制好的抗坏血酸溶液快速加入到混合溶液中，继续搅拌15分钟，形成花状银粒子。将制备好的花状银粒子离心清洗3次，待下一步使用。
（2）花状银@氧化石墨烯复合粒子的制备：用Hummers 法制备氧化石墨烯，超声分散配制成0.01mg/mL 氧化石墨烯溶液。将步骤（1）制备的1mL花状银粒子加入到9mL 去离子水中，温和搅拌，加入50μL浓度为1mg/mL半胱胺溶液与1mL 浓度为0.01mg/mL 氧化石墨烯溶液继续温和搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯复合粒子。将产物离心清洗3次，待下一步使用。
实施例2：
金纳米星粒子银种子内核的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，分别配置50mM 硝酸银、1%柠檬酸钠溶液。将配置好的1mL 硝酸银溶液与1mL 柠檬酸钠溶液加入到48mL 去离子水中，强力搅拌，加入0.005g硼氢化钠，继续搅拌15分钟，得到银种子。将其离心（1200转/分，15分钟）取上层溶液，待下一步使用。
实施例3：
金纳米星粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，分别配置1mM 硝酸银、0.1M 抗坏血酸、0.1mM 氯金酸溶液。将10mL 氯金酸溶液加入到实施例2制备的0.1mL 银种子溶液中搅拌，并同时快速加入0.05mL 抗坏血酸溶液与0.5mL 硝酸银溶液继续搅拌1分钟，得到金纳米星。
实施例4：
金纳米星粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，分别配置1mM 硝酸银、0.1M 抗坏血酸、0.15mM 氯金酸溶液。将10mL 氯金酸溶液加入到实施例2制备的0.1mL 银种子溶液中搅拌，并快速同时加入0.05mL 抗坏血酸溶液与0.5mL 硝酸银溶液继续搅拌1分钟，得到金纳米星。
实施例5：
金纳米星粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，分别配置1mM 硝酸银、0.1M 抗坏血酸、0.2mM 氯金酸溶液。将10mL 氯金酸溶液加入到实施例2制备的0.1mL 银种子溶液中搅拌，并快速同时加入0.05mL 抗坏血酸溶液与0.5mL 硝酸银溶液继续搅拌1分钟，得到金纳米星。
实施例6：
金纳米星粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，分别配置1mM硝酸银、0.1M 抗坏血酸、0.25mM 氯金酸溶液。将10mL 氯金酸溶液加入到实施例2制备的0.1mL 银种子溶液中搅拌，并快速同时加入0.05mL 抗坏血酸溶液与0.5mL 硝酸银溶液继续搅拌1分钟，得到金纳米星。
实施例7：
花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，配置1M 2-巯基嘧啶溶液。将0.1mL 2-巯基嘧啶溶液加入到10mL实施例1步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯溶液中，强力搅拌8小时，离心清洗，得到2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯。将1mL 2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯加入到3mL实施例3制备的金纳米星溶液中，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子。
实施例8：
花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，配置1M 2-巯基嘧啶溶液。将0.1mL 2-巯基嘧啶溶液加入到10mL实施例1步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯溶液中，强力搅拌8小时，离心清洗，得到2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯。将1mL 2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯加入到3mL 实施例4制备的金纳米星溶液中，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子。
实施例9：
花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，配置1M 2-巯基嘧啶溶液。将0.1mL 2-巯基嘧啶溶液加入到10mL实施例1步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯溶液中，强力搅拌8小时，离心清洗，得到2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯。将1mL 2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯加入到3mL 实施例5制备的金纳米星溶液中，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子。
实施例10：
花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，配置1M 2-巯基嘧啶溶液。将0.1mL 2-巯基嘧啶溶液加入到10mL实施例1步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯溶液中，强力搅拌8小时，离心清洗得到2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯。将1mL 2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯加入到3mL实施例6制备的金纳米星溶液中，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子。
实施例11：
花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，配置1M 2-巯基嘧啶溶液。将0.1mL 2-巯基嘧啶溶液加入到10mL实施例1步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯溶液中，强力搅拌8小时，离心清洗得到2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯。将1mL 2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯加入到2mL实施例6制备的金纳米星溶液中，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子。
实施例12：
花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：
室温下，配置1M 2-巯基嘧啶溶液。将0.1mL 2-巯基嘧啶溶液加入到10mL实施例1步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯溶液中，强力搅拌8小时，离心清洗，得到2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯。将1mL 2-巯基嘧啶修饰的花状银@氧化石墨烯加入到1mL实施例6制备的金纳米星溶液中，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构复合粒子。
以上所述为本发明的具体实施例。本发明的技术方案不局限于以上具体实施方式，该领域的技术人员可在不脱离本发明的技术原理的前提下进行一些非本质的调整与改动，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子SERS活性基底，其特征在于，该核壳结构的复合粒子是由单粒花状银粒子的核层、氧化石墨烯的中间包覆层以及金纳米星粒子的最外层构成的；该核壳结构的复合粒子作为SERS活性基底。
2.一种核壳结构的复合粒子SERS活性基底的制备方法，包括（1）花状银粒子的制备：以1 M抗坏血酸为还原剂，1 M聚乙烯吡咯烷酮为保护剂，通过液相还原法制备花状银粒子；其特征在于，还包括如下制备步骤：
(2)花状银@氧化石墨烯复合粒子的制备：以1mg/mL的半胱胺溶液为连接剂，将其与0.01mg/mL的氧化石墨烯溶液、花状银粒子混合，温和搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯复合粒子；其中半胱胺溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:20；
(3)金纳米星粒子的制备：以硼氢化钠为还原剂，1%柠檬酸钠溶液为保护剂，通过液相还原法制备银种子；将所制备的银种子溶液中加入0.1-0.25mM氯金酸，并同时迅速加入0.1M抗坏血酸、1mM硝酸银，制备获得金纳米星粒子；
(4)花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳结构的复合粒子的制备：以1M 2-巯基嘧啶作为修饰剂对步骤（2）制备的花状银@氧化石墨烯复合粒子进行表面修饰，再加入步骤（3）制备的金纳米星粒子，混合搅拌1小时，得到花状银@氧化石墨烯@金纳米星核壳三明治复合粒子SERS活性基底。
3.根据权利要求2所述的一种核壳结构的复合粒子SERS活性基底的制备方法，其特征在于，最外层金纳米星粒子的枝数及尖细程度可通过调节氯金酸的用量得到调控。
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