CN107300548A - 一种柔性表面增强拉曼基底材料及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料，它由柔性滤膜及组装于其表面的纳米银阵列和紧密包覆于纳米银阵列表面的石墨烯三部分组成。本发明提供上述材料的制备方法及其作为表面增强拉曼基底的应用。本发明提供的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料，具有良好的拉曼增强效果和优异的化学稳定性，同时方便采样测定。因此，本发明提供的高稳定、大面积均匀的石墨烯包覆的纳米银阵列，它可作为表面增强拉曼基底用于痕量有毒有机化学品、生物标志物及致病菌或病毒的高灵敏快速检测。

Description

一种柔性表面增强拉曼基底材料及制备方法和应用
技术领域
本发明属于表面增强拉曼散射基底材料领域，涉及一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备方法，及其作为表面增强拉曼基底用于痕量有机化学品、生物标志物及致病菌或病毒的高灵敏快速检测中的各种应用。
背景技术
1974年，Fleischmann等发现银电极表面的粗糙化显著增强了吡啶的拉曼光谱信号，这一表面增强拉曼(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)效应的发现奠定了表面增强拉曼快速检测技术的基础。发展至今，表面增强拉曼检测技术已成为目前最具活力的传感技术之一，其主要特点是灵敏高和测定过程快速、方便。该传感技术的核心是制作表面增强拉曼效应很强的基底材料。在表面增强拉曼基底材料(通常为Au、Ag等纳米材料)表面，激光光源诱导的定域化表面等离子体共振效应(Localized Surface PlasmonResonance,LSPR)可极大地增强待测对象的拉曼散射信号，从而被高灵敏地检出。
表面增强拉曼分析通常在共聚焦型激光拉曼光谱仪上进行。但是，随着该传感技术在食品安全、环境监测、生物医学以及工农业生产等领域的推广应用，大量实际样品的检测需要快速地在室外甚至野外现场完成，这就迫使人们选用更加方便、经济的手持式(便携式)拉曼光谱仪。而这类便携式拉曼光谱仪的选用必然对表面增强拉曼基底材料的传感性能提出了更高要求。例如，由于仪器无显微共聚焦功能，就要求表面增强拉曼基底材料在大面积范围内具有传感单元的空间分布均匀性，以确保在基底材料上任意测量点的检测信号之间的一致性；由于在野外现场操作，就要求表面增强拉曼基底材料必须具有长期化学稳定性和便捷的取样和测定方式，以备随取随用；由于检测对象在实际样品中的存在浓度低，就要求表面增强拉曼基底材料对目标物质(例如有毒有机化学品、生物标志物、致病菌或病毒等)具有高灵敏感知能力。本发明针对上述现有技术的缺陷，探究大面积均匀型的高灵敏、高化学稳定性表面增强拉曼基底材料，具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
本发明提供一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料和制备方法及其用于有毒有机化学品、生物标志物、致病菌或病毒等物质的高灵敏检测。本发明提供的表面增强拉曼基底材料具有长期化学稳定性和便捷的取样和测定方式，可以随取随用；并且对目标物质(例如有毒有机化学品、生物标志物、致病菌或病毒等)具有高灵敏感知能力。该材料大面积范围内具有传感单元的空间分布均匀性，基底材料上任意测量点的检测信号之间能保持一致。
本发明提供一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料，包括柔性滤膜、组装于滤膜表面的纳米银阵列以及紧密包覆在纳米银阵列表面的石墨烯三部分。
优选地，所述柔性滤膜具有多孔结构，孔径大小为0.05-0.50μm，材质为尼龙或聚四氟乙烯；所述纳米银阵列面积不小于1.0cm2，由直径为20-100nm的纳米银组装而成，相邻纳米银之间距离不大于10nm；所述石墨烯由石墨烯片层组成，每块片层的面积不小于0.04μm2，厚度不超过10nm。
按照本发明的另一方面，提供了一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用液液界面组装法制备得到纳米银阵列：在纳米银溶胶中，加入有机相，静置后形成相界面；银纳米粒子在两相的相界面处自组装形成纳米银阵列；
(2)纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备：将步骤(1)中得到的纳米银阵列转移组装至柔性滤膜表面，制得纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料；
(3)石墨烯分散液的制备：将石墨粉和高锰酸钾加入到高氯酸溶液中，置于50-70℃水浴反应后，向反应液中加入双氧水，抽滤洗涤后重新分散至蒸馏水中进行超声剥离；将分散液离心，上清液即为石墨烯分散液；
(4)石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备：采用真空抽滤的方法，在步骤(2)中得到的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料表面加入步骤(3)中制备得到的的石墨烯分散液，使石墨烯覆盖至纳米银阵列的表面，形成石墨烯保护层；抽滤得到石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料。
优选地，所述步骤(1)中纳米银溶胶通过柠檬酸钠、硼氢化钠或盐酸羟胺还原硝酸银得到；所述纳米银阵列中纳米银粒子粒径在30-60nm之间。
优选地，所述步骤(1)中的有机相为甲苯、环己烷、二氯乙烷、四氯甲烷或短链石蜡；所述有机相与所述纳米银溶胶的体积比为2:1-4。
优选地，所述步骤(2)中纳米银阵列采用真空抽滤转移组装到组装至柔性滤膜表面，真空度为-1.0至-0.5MPa。
所述步骤(2)中使用的滤膜是有机系滤膜，孔径为0.20-0.50μm；滤膜的直径为0.2-5.0cm。
所述步骤(3)中，石墨粉和高锰酸钾的质量比为5:1；
所述步骤(4)中，石墨烯分散液中石墨烯的质量浓度为0.1-50.0mg L-1。
本发明还提供了上述石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料作为表面增强拉曼散射基底的应用，具体为：以上述石墨烯包覆的纳米银阵列柔性材料作为基底，用作果蔬表面的有毒有机化学品的直接擦拭测定、用于生物标志物和致病菌或病毒的提取测定。
本发明的有益效果：本发明提供的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料，由于纳米银的均匀组装以及石墨烯的均匀包覆，使得该基底具有大面积的均匀性；由于纳米银粒子在界面自组装过程中相互靠近程度大，其电磁场的耦合程度高，可以产生大量的且均匀分布的热点，因此该基底具有良好的拉曼增强效果；石墨烯作为惰性保护层，可以有效的防止纳米银粒子的化学氧化失效，因此该基底具有优异的长期化学稳定性。
该制备方法可以在简易的抽滤装置中完成，不需要复杂的设备，同时制备时间短，并易于实现规模化生产。得到的膜装基底保存方便，不需要复杂的后续包装。由于其稳定性良好，因此也具有较长的保质期。
针对实际应用过程中的不同测定对象，该基底材料可以方便的采用不同的测定策略。例如针对果蔬等固相待测表面，可以采用溶剂提取-擦拭测定的方法进行快速测定；而针对液态的待测样品(如生物样品或环境样品)，则可以通过滴加的方式进行测定，测定方便快捷。
具体而言，本发明相对于现有技术，具有以下突出优势：
(1)本发明提供的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料，由于纳米银粒子之间以及纳米银和石墨烯的紧密组装，可以产生大量的热点，使之具有良好的拉曼增强效果。
(2)由于纳米银界面组装均匀可控，同时石墨烯紧密覆盖至纳米银阵列表面，使该基底材料具有大面积的均匀性，能保证后续测量结果的重现性。
(3)石墨烯作为惰性保护层，可避免被检测分子及氧气与纳米银之间的相互作用；同时石墨烯作为电子离域材料，可防止纳米银的氧化，提高基底的化学稳定性。
(4)本发明提供的基底材料的制备方法的方法简单可控，不需要复杂的设备和繁杂的操作，易于规模化生产。得到的柔性膜装材料保存方便，利于储存。
(5)本发明提供的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料使用方便。针对不同状态的测定对象可以分别采用擦拭或滴加的方式进行测定，操作简单，测定对象范围广。
本发明使用的银纳米粒子不局限于球形纳米银，其他方式得到的具有不同形貌(如立方体，纳米棒等)的纳米银及纳米金等具有等离子体共振效应的粒子均适用本发明。使用的石墨烯不局限于化学氧化剥离得到的石墨烯，Hummers法、溶剂插层-超声剥离及机械力剥离等其他方式得到的石墨烯同样适用；同时其他二维层状材料如氮化碳、氮化硼、二硫化钼等也可作为纳米银阵列的覆盖层。总之，凡是以纳米粒子进行界面组装制成的纳米粒子阵列型表面增强拉曼基底、以及以纳米粒子进行界面组装后再以层状材料进行包覆得到的表面增强拉曼基底材料，均在本专利的保护范围之列。
附图说明
图1为石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的结构示意图；
图2为石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料材料的制备过程示意图；
图3为石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料材料的扫描电镜图；
图4为石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料材料用作孔雀石绿测定的SERS光谱和分析曲线；
图5为石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料材料的均匀性和重现性；
图6为石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料材料的长期稳定性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
将浓度为0.1mmol L-1、体积为100mL硝酸银溶液加热煮沸，加入浓度为0.2molL-1的柠檬酸钠1mL，沸腾回流，得到纳米银溶胶(纳米银粒径为50nm左右)。取制得的纳米银溶胶10mL于100mL烧杯中，向其中加入10mL甲苯，混匀后静置10min，即可形成清晰的两相，在界面处得到自组装形成的纳米银阵列(面积大小为10cm2左右，相邻纳米银之间距离为5nm左右)。此纳米银阵列通过真空抽滤转移至柔性滤膜(有机系尼龙滤膜，孔径为0.22μm)表面，得到纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料。
实施例2
取0.25g膨胀石墨和0.05g高锰酸钾分散至30mL 70％高氯酸中，搅拌均匀后加热继续反应2h。向反应液中加入3mL 30％双氧水中和未反应的高锰酸钾，抽滤洗涤，将得到的固体分散至50mL水中，超声3h后3000rpm/min离心20min，上清液即为石墨烯，浓度约为10mgL-1，石墨烯片层大小约为2.0μm，厚度约为3-5nm。取上述石墨烯溶液1mL加入至实施例1得到的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料表面，得到石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料。该材料制备过程示意图如图2所示；其扫描电镜图如图3所示。由图3可以看出，纳米银阵列紧密覆盖于多孔滤膜表面，说明真空抽滤过程不会影响纳米银的紧密组装状态；纳米银阵列的表面被层状透明的石墨烯薄膜全部紧密覆盖。紧密覆盖于纳米银阵列表面的石墨烯薄膜可有效保护纳米银阵列，防止被空气氧化。
实施例3
对实施例2中的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料作为表面增强拉曼基底的增强效果进行表征(采用孔雀石绿为探针分子)：取不同浓度的孔雀石绿溶液5μL滴加至实施例2制备好的基底表面，5min后置于拉曼光谱仪(共聚焦型或便携式拉曼光谱仪)下进行测定，采用532nm激光作为光源，激光能量选取0.5mW，曝光时间0.5s，曝光次数5次。
本实例选取孔雀石绿浓度分别为1.5×10-4，3.0×10-5，1.5×10-5，3.0×10-6和1.5×10-7mol L-1。测定结果显示采用该基底时上述浓度的孔雀石绿的信号均清晰可见，且信号强度与浓度存在线性关系。本发明所制备的基底对孔雀石绿的检出限可低至3×10-11molL-1。基底测定孔雀石绿的表面增强拉曼图谱如图4a所示，其横坐标为拉曼位移(RamanShift)，纵坐标为强度(Intensity)。浓度在3×10-7-1.5×10-4mol L-1范围内与1618cm-1波数处强度存在线性关系，如图4b所示，其横坐标为孔雀石绿的浓度，纵坐标为1618cm-1波数处的信号强度。
实施例4
实施例2中制备的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的均匀性评价(采用孔雀石绿作为探针)：在实施例2制备好的基底滴加1.5×10-6mol L-1孔雀石绿溶液5μL，5min后置于拉曼光谱仪(共聚焦型或便携式拉曼光谱仪)下进行测定(采用532nm激光作为光源，激光能量选取0.5mW，曝光时间0.5s，曝光次数5次)。调整测样位置，在基底表面(约为10cm2)上随机选取10个点进行测定，将所得拉曼光谱进行强度比较。结果显示10次随机平行测定结果的一致性良好，说明本发明制备的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底有很好的均匀性。采用该基底测定孔雀石绿的信号光谱图如图5a所示，其横坐标为拉曼位移(Raman Shift)，纵坐标为强度(Intensity)。
实施例5
对实施例2中制备的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底的重现性进行评价(采用孔雀石绿作为探针分子)：滴加1.5×10-6mol L-1孔雀石绿至实施例2制备好的5个不同批次的基底表面，5min后置于拉曼光谱仪(共聚焦型或便携式拉曼光谱仪)下进行测定(采用532nm激光作为光源，激光能量选取0.5mW，曝光时间0.5s，曝光次数5次)。调整测样位置，在每片表面增强拉曼基底表面上随机选取10个点进行测定，将所得50张(5×10)光谱进行强度比较；选取光谱中1618cm-1特征峰的峰强对光谱序号进行作图。结果表明这50张光谱中1618cm-1特征峰强度值的相对标准偏差小于8.0％，说明本发明制备的柔性表面增强拉曼基底不仅具有很好的均匀性，而且批次间的重现性良好；也说明本发明专利提供的表面增强拉曼基底的制备方法高效可控。基底的批次制备重现性如图5b所示，其横坐标为基底批次(Batch number)，纵坐标为1618cm-1波数处的信号强度(Intensity)。
实施例6
实施例2中制备的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底的长期稳定性评价(采用孔雀石绿作为探针分子)：取实施例2同一批次制备的基底，置于室温下保存，每隔一周进行拉曼检测。滴加1.5×10-6mol L-1孔雀石绿5μL至基底表面，5min后置于拉曼光谱仪(共聚焦型或便携式拉曼光谱仪)下进行测定(采用532nm激光作为光源，激光能量选取0.5mW，曝光时间0.5s，曝光次数5次)。选取不同的位置进行点样测定10次，选取10次测量的1618cm-1强度之平均值对测定周数进行作图，得到基底的长期稳定性。基底的长期稳定性如图6所示，其横坐标为基底放置时间(Storing time)，纵坐标为1618cm-1波数处的信号强度。由图6可知，石墨烯包覆的SERS基底即使在放置35周后仍与新制备的基底的增强性能相同，说明由本发明制备的纳米银阵列型表面增强拉曼基底材料的长期稳定性能优良。
实施例7
实施例2中制备的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底用于果蔬表面有毒有机化学品甲胺磷的直接测定。取待测果蔬如西红柿和辣椒，在其表面滴加20μL甲醇，对甲胺磷进行溶解提取；取裁剪后的柔性表面增强拉曼基底(5mm×5mm)在果蔬表面擦拭3次，5min后置于拉曼光谱仪(共聚焦型或便携式拉曼光谱仪)下进行测定(采用532nm激光作为光源，激光能量选取0.5mW，曝光时间0.5s，曝光次数5次)。选取不同的位置进行点样测定，平行测定5-10次。该方法对甲胺磷的测定检出限可低至50ng L-1。
实施例8
实施例2中制备的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底用于生物标志物谷胱甘肽的测定。取血液样本500μL血液与500μL 10％三氯乙酸混合，涡旋混合后冰浴10min，沉淀其中的蛋白质。随后将混合液于14000rpm/min离心5min，取上清液经过滤膜过滤。取5μL滤液滴加至基底表面，5min后置于拉曼光谱仪(共聚焦型或便携式拉曼光谱仪)下进行测定(采用532nm激光作为光源，激光能量选取0.5mW，曝光时间0.5s，曝光次数5次)。选取不同的位置进行点样测定，平行测定5-10次，测得谷胱甘肽的特征光谱图，该方法对谷胱甘肽的浓度检出限可低至20μmol L-1。
实施例9
实施例2中制备的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底用于致病菌大肠杆菌的测定。取待测水样5μL滴加至基底表面，5min后置于拉曼光谱仪(共聚焦型或便携式拉曼光谱仪)下进行测定(采用532nm激光作为光源，激光能量选取0.5mW，曝光时间0.5s，曝光次数5次)。选取不同的位置进行点样测定10次，测得大肠杆菌的特征光谱图。该方法对大肠杆菌的检出限低至103CFU/mL。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料，其特征在于，由柔性滤膜、组装于滤膜表面的纳米银阵列以及紧密包覆在纳米银阵列表面的石墨烯组合而成。
2.如权利要求1所述的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料，其特征在于，所述柔性滤膜具有多孔结构，孔径大小为0.05-0.50μm，材质为尼龙或聚四氟乙烯；所述纳米银阵列面积不小于1.0cm2，由直径为20-100nm的纳米银组装而成，相邻纳米银之间距离不大于10nm；所述石墨烯由石墨烯片层组成，每块片层的面积不小于0.04μm2，厚度不超过10nm。
3.如权利要求1-2中任一项所述的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用液液界面组装法制备得到纳米银阵列：在纳米银溶胶中，加入有机相，静置后形成相界面；银纳米粒子在两相的相界面处自组装形成纳米银阵列；
(2)纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备：将步骤(1)中得到的纳米银阵列转移组装至柔性滤膜表面，制得纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料；
(3)石墨烯分散液的制备：将石墨粉和高锰酸钾加入到高氯酸溶液中，置于50-70℃水浴反应后，向反应液中加入双氧水，抽滤洗涤后重新分散至蒸馏水中进行超声剥离；将分散液离心，上清液即为石墨烯分散液；
(4)石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备：采用真空抽滤的方法，在步骤(2)中得到的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料表面加入步骤(3)中制备得到的的石墨烯分散液，使石墨烯覆盖至纳米银阵列的表面，形成石墨烯保护层；得到石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料。
4.如权利要求3所述的一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中纳米银溶胶通过柠檬酸钠、硼氢化钠或盐酸羟胺还原硝酸银得到；所述纳米银阵列中纳米银粒子粒径在30-60nm之间。
5.如权利要求3所述的一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有机相为甲苯、环己烷、二氯乙烷、四氯甲烷或短链石蜡；所述有机相与所述纳米银溶胶的体积比为2:1-4。
6.如权利要求3所述的一种石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中纳米银阵列采用真空抽滤转移组装至柔性滤膜表面，真空度为-1.0至-0.5MPa；
所述步骤(3)中，石墨粉和高锰酸钾的质量比为5:1；
所述步骤(4)中，石墨烯分散液中石墨烯的质量浓度为0.1-50.0mg L-1。
7.如权利要求1-2中任一项所述的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料在表面增强拉曼基底方面的应用。
8.如权利要求7所述的石墨烯包覆的纳米银阵列柔性表面增强拉曼基底材料作为表面增强拉曼基底在痕量有毒有机化学品、生物标志物、致病菌或病毒的检测方面的应用。
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