CN107328752A - 一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维sers基底及其制备方法 - Google Patents

一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维sers基底及其制备方法 Download PDF

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张倩
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Abstract

本发明公开了一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底及其制备方法。该基底的制备方法包括：将POEGMA刷泡入金属纳米粒子溶液中20min‑12h，经超纯水多次漂洗后用N2吹干，再泡入金属纳米粒子溶液中，这种浸泡‑漂洗‑吹干‑再浸泡的过程重复1‑36次，通过层层堆叠原理，利用POEGMA中EG基团与金属纳米粒子表面的柠檬酸根的替换作用使纳米粒子复合入高分子刷中。该基底特别适用于检测小分子生物标记物及细菌检测。本发明所述制备方法简单易行，可操作性强。所制备的SERS基底成本较低，具有很强的拉曼增强特性，优良的灵敏性和稳定性。

Description

一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底及 其制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料制备和拉曼检测领域，尤其涉及一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底及其制备方法。
背景技术
表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)是指吸附在粗糙金属表面分子的固有拉曼信号被极大增强的现象，其增强因子可达14-16个数量级。SERS因其检测灵敏度高、指纹检测特性、测定时间短、预处理简便、不受水环境干扰等优点，被广泛应用于化学、生物、医药、食品、环境等领域中的分子监测与分析。SERS的增强机理主要是由于SERS活性基底表面的金属纳米结构的等离子体振荡而产生的局域电磁场与拉曼测试时的入射光和经检测分子散射的散射光发生作用时而产生的增强。因此，基底的性能决定着SERS测试的灵敏度和重现性。
近年来，为了得到更高的灵敏度和更低的检测极限，科学家们把研究焦点放在了具有大量“热点”(hot spots)的三维SERS基底上。为了制造三维SERS基底，通常需要使用电子束光刻、模板法沉积、电化学沉积等加工成本高、工艺难度大的技术，因此，找到一种简单易行、成本较低且性能优良的制备方法是非常必要的。
高分子刷是指高分子链一端固定在某个界面上而形成的一种聚合物组装结构。通过高分子聚合物刷辅助制备金属纳米粒子复合材料因其合成方法多样可控、界面稳定性好、纳米粒子尺寸和分布可调、可有效避免聚集等优点，已被成功应用于生物传感器领域。制备高分子刷/金属纳米粒子复合膜的方法主要分为原位(in situ)和非原位(ex situ)两种方式。前者是将金属离子静电吸附于高分子刷表面，再通过聚合物中的基团或外加还原剂的作用在刷表面原位生成纳米粒子。这种方法处理步骤少、简单易行，但所生成的纳米粒子粒径一般较小，导致SERS灵敏度差，且分布不均，不利于SERS基底的实际应用。Ex situ的方法是指将聚合物刷直接浸泡在已制备好的金属纳米粒子溶液中，通过静电吸附等作用力将纳米粒子固定在聚合物刷中。这种方法在SERS基底构建中非常常见，但是，高分子刷的空间位阻效应会导致附着的纳米粒子含量较少，且只能形成粒子分布于表面的二维结构，这极大的限制了SERS基底的灵敏性。因此，迫切需要研发并提供一种增强效果好，稳定性、重复性好的三维SERS基底。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底及其制备方法。相比于传统的将高分子刷单次浸泡入金属纳米粒子溶液中所制备的二维SERS基底，本发明提出的通过多次重复浸泡过程所得到的三维SERS基底具有更优异的灵敏性、稳定性和重现性。
本发明的技术原理：
POEGMA刷链中含有大量的乙二醇(ethylene glycol，EG)基团，EG可以置换金属纳米粒子表面的柠檬酸根，通过多位点结合使金属纳米粒子牢固的固定在聚合物刷结构中。当POEGMA刷浸泡在金属纳米粒子溶液中一段时间后，N2吹干，负载纳米粒子的链被束缚并限制在底层，当其再次浸入纳米粒子溶液中时，没有固定纳米粒子的链仍有能力继续负载纳米粒子。多次重复这种浸泡-漂洗-吹干-再浸泡的过程，可增大纳米粒子的负载量，通过大量金属纳米粒子产生的等离子体共振使电磁场增强，从而使拉曼增强效果得到显著提高。
本发明的技术方案如下：
(1)金属纳米粒子的制备
所述金属纳米粒子选自金、银等纳米粒子中的一种。且纳米粒子外层保护剂为柠檬酸根。
以银纳米粒子为例，可通过但不限于用以下方法制备：以AgNO3为银源，NaBH4为还原剂，柠檬酸钠为保护剂，通过化学还原方法制备银纳米粒子溶液。
金属纳米粒子的尺寸约为5-100nm。
(2)高分子刷的制备
高分子刷为POEGMA高分子刷。
可采用但不限于采用单体甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(OEGMA)，通过ATRP方法，在基底表面制备。
制备高分子刷的基底选自单晶硅、玻璃、金属基底及聚合物基底等中的一种。
以单晶硅为例，首先需要进行基底的预处理，预处理步骤包括：首先对基底进行羟基化处理，然后用3-氨丙基三乙氧基硅烷进行硅烷化处理，最后在基底上接枝引发剂a-溴代异丁酰溴。
经预处理的基底置于反应器内，N2脱气处理，另取一反应器，依次加入溶剂水和甲醇，配体2，2’-联吡啶，催化剂CuBr。在N2保护下，引发单体OEGMA的ATRP聚合反应，使之在基底表面形成致密的刷状聚合物。ATRP反应时间为0.5-12h。
(3)制备基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底
将POEGMA高分子刷泡入上述制备好的金属纳米粒子溶液中20min-12h，经超纯水多次漂洗后用N2吹干，再泡入金属纳米粒子溶液中，这种浸泡-漂洗-吹干-再浸泡的过程重复1-36次，通过层层堆叠原理，利用POEGMA中EG基团与金属纳米粒子表面的柠檬酸根的替换作用使纳米粒子复合入高分子刷中，得到三维SERS基底。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底的制备方法，具有成本低、操作方便、简单易行等优点；
(2)本发明提出的基于POEGMA刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底具有很强的拉曼增强特性，优良的灵敏性和稳定性，可长期保存。
(3)本发明所述三维SERS基底对待测物不存在选择性，可用于化学分析、生物分析、食品分析、环境分析、药物分析等各个领域，应用广泛。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1制备基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底的过程示意图。
图2为本发明实施例1制备的基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底的扫描电子显微镜照片。
图3为本发明实施例1制备的基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底对不同浓度绿脓素的拉曼检测结果。
图4为本发明实施例1制备的基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底对不同浓度大肠杆菌的拉曼检测结果。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐述该发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底的制备方法，包括以下步骤：
(1)金属纳米粒子溶液的制备
以银纳米粒子为例，制备方法为：将1％硝酸银溶液加入到1％柠檬酸钠和水中，70℃保持10min后，快速加入0.1％的硼氢化钠溶液，溶液立刻变为亮黄色，保持1h后冷却至室温，所得溶液作为种子。之后，将1％柠檬酸钠溶液加入80mL水中，加热至沸腾15min后，再加入上述种子和1％硝酸银溶液，保持沸腾1h后冷却至室温。再重复上述步骤一次，即可制备银纳米粒子溶液。所制备的银纳米粒子尺寸约为26nm。
(2)POEGMA刷的制备
以单晶硅做基底，预处理步骤为：首先用紫外-臭氧清洗机照射硅片30min，对硅片表面进行羟基化处理，然后用3-氨丙基三乙氧基硅烷进行硅烷化处理，最后在基底上接枝引发剂a-溴代异丁酰溴。
将接枝有引发剂的基底置于反应器内，N2脱气处理，另取一反应器，依次加入溶剂水和甲醇，配体2，2’-联吡啶，催化剂CuBr，在N2保护下，引发单体OEGMA的ATRP聚合反应，控制单体，催化剂，配体的比例为100∶1∶2，在基底表面形成致密的刷状聚合物。当控制反应时间为7h时，可以得到厚度约为50nm的POEGMA高分子刷。反应结束后取出，用蒸馏水冲洗，N2吹干备用。
(3)POEGMA/金属纳米粒子复合膜的制备
将所制备的POEGMA刷泡入上述制备好的银纳米粒子溶液中20min，经超纯水多次漂洗后用N2吹干，再泡入纳米银溶液中，这种浸泡-漂洗-吹干-再浸泡的过程重复14次，可以使POEGMA刷中负载有大量银纳米粒子，从而得到三维SERS基底。
图1为本实施例制备三维SERS基底的过程示意图。图中A-E分别表示将POEGMA刷第一次浸泡入银纳米粒子溶液中；吹干后所得到的二维复合膜；再次浸泡入纳米银溶液中；吹干后得到多层膜；多次重复浸泡过程后，最终得到三维复合膜。
图2为本实施例制备的三维SERS基底的扫描电子显微镜照片。图中可以看出，大量银纳米颗粒在高分子刷中分布均匀且致密，没有明显的聚集。另外，图中明显的褶皱和沟壑说明POEGMA高分子链确实包覆有多层纳米粒子，该基底为三维结构。
图3为在基底上滴加100μL不同浓度绿脓素，充分干燥后，以波长为532nm，光强为8mW的激光对基片表面进行拉曼检测，激光照射时间为30s，检测到绿脓素的表面增强拉曼信号图。表明所述三维SERS基底的信号一致性良好，检测灵敏度高，对绿脓素的检测极限可达到1x10-12M。可应用于小分子生物标记物的检测。
此外，本实施例制备的三维SERS基底还可以用于细菌检测。将三维SERS基底浸泡于不同浓度的大肠杆菌PBS菌液中，在37℃、180rpm条件下处理6h后将片取出，经大量PBS漂洗后N2吹干。以波长为532nm，光强为8mW的激光对基片表面进行拉曼检测，激光照射时间为50s，检测到表面增强拉曼信号如图4所示。表明所述三维SERS基底的信号一致性良好，检测灵敏度高，对大肠杆菌的最低检测限可达到10CFU/mL。这样的超灵敏性特性说明本发明所制备的三维SERS基底完全可以应用于细菌检测等生物检测领域。

Claims (5)

1.一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底，其特征在于：该SERS基底通过将高分子刷多次重复浸泡在金属纳米粒子溶液中获得。
2.根据权利要求1所述的SERS基底，其特征在于，所述的金属纳米粒子为金或银纳米粒子，且纳米粒子外层保护剂为柠檬酸根。所述的金属纳米粒子的尺寸在5-100nm。
3.根据权利要求1所述的SERS基底，其特征在于，所述的高分子刷为POEGMA高分子刷。可采用但不限于采用单体甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(OEGMA)，通过ATRP方法，在基底表面制备。
4.根据权利要求1中所述的SERS基底，其特征在于，权利要求3中所述的制备POEGMA刷的基底选自单晶硅、玻璃、金属基底及聚合物基底等中的一种。
5.一种基于高分子刷/金属纳米粒子复合膜的三维SERS基底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求3中所述的POEGMA刷泡入权利要求2中所述的金属纳米粒子溶液中20min-12h，经超纯水多次漂洗后用N2吹干，再泡入金属纳米粒子溶液中，这种浸泡-漂洗-吹干-再浸泡的过程重复1-36次，通过层层堆叠原理，利用POEGMA中EG基团与金属纳米粒子表面的柠檬酸根的替换作用使纳米粒子复合入高分子刷中。
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