CN107525795A - 聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用 - Google Patents

聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用，采用硼氢化钠作为还原剂，利用循环冷冻‑解冻法及浸渍法制备出形貌及粒子尺寸可控的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶，操作简单，无需复杂工艺设备，聚乙烯醇作为分散稳定剂，对具有电磁增强的纳米银颗粒能起到支撑保护作用。使用本发明的聚乙烯醇复合水凝胶并利用拉曼光谱检测罗丹明，使用方便，操作简单。

Description

聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用
技术领域
本发明属于金属纳米-高分子水凝胶复合材料的制备及其在表面拉曼增强领域的应用，涉及一种载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的制备及其作为拉曼基底的应用。
背景技术
罗丹明是一种激光染料和荧光染料，红色至棕色粉末，溶于水喝乙醇。在细菌学、细胞学和组织学等方面应用极广，是一种优良的生物染色剂。但也因其价格低廉、使用方便，具有抗菌等活性，常被违法滥用于水产养殖业。罗丹明及其代谢产物具有较高毒性、高残留，长期接触或服用后，易导致生命体得癌症、畸变、突变等，对生命体及环境都有非常大的危害。因此这种碱性染料的残留检测是食品安全分析的重要问题之一。
目前检测罗丹明的方法主要有液相色谱检测和拉曼增强检测，其中用于拉曼检测的基底较多,比如以纯金或纯银纳米材料作为基底来检测结晶紫，但其成本较高、操作相对繁琐。鉴于以上诸多的缺点，有必要研究出一种能够快速简便检测出罗丹明含量的基底。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的制备及其作为拉曼基底的应用，采用硼氢化钠作为还原剂，利用循环冷冻-解冻法及“浸渍”法制备出形貌及粒子尺寸可控的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶，操作简单，无需复杂工艺设备，聚乙烯醇作为分散稳定剂，对具有电磁增强的纳米银颗粒能起到支撑保护作用。用载纳米银的聚乙烯醇水凝胶基底检测罗丹明，其检测极限能达到10-7—10-8数量级，使用方便，操作简单。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
聚乙烯醇—纳米银复合材料，按照下述步骤进行制备：
步骤1，采用循环冷冻-解冻法制备含纳米银前驱体的聚乙烯醇水凝胶
将聚乙烯醇溶于去离子水中，向体系中加入硝酸银的水溶液并分散均匀，将均匀分散聚乙烯醇和硝酸银的水溶液进行循环冷冻—解冻，以得到含纳米银前驱体的聚乙烯醇水凝胶；
具体来说：取1.0～1.1g聚乙烯醇于85～90℃溶于8ml去离子水中，搅拌30min，然后冷却至室温，向体系中加入2ml浓度为20～50mM硝酸银溶液，搅拌15min，后将溶液取出离心(400～600rpm,3min)以赶出体系中的气泡。用容量为1ml的注射器取1ml上述所得溶液，置冰箱于-18℃下冷冻12h,室温20—25摄氏度下避光解冻，冷冻-解冻循环3～5次，最后将解冻后的凝胶推出至样品瓶中，待用；
步骤2，采用浸渍法还原凝胶中硝酸银为纳米银
将步骤1制备的含纳米银前驱体的聚乙烯醇水凝胶浸泡在硼氢化钠的水溶液中，以使水凝胶中银离子充分反应还原为纳米银，且分散在水凝胶中；
在步骤2中，反应温度为20—25摄氏度，浸泡时间至少24小时，优选24—48小时。
在步骤2中，硼氢化钠和硝酸银的浓度比为3:1。
步骤3，将步骤2中还原完全的含有纳米银的聚乙烯醇凝胶浸泡于去离子水中，每隔8h换一次水，重复4～5次，以除去过量硼氢化钠，后取出凝胶用冷冻干燥机进行冷冻干燥，即得到干燥后的载纳米银的聚乙烯醇凝胶。
上述聚乙烯醇—纳米银复合材料在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用，检测限平均可达10-7—10-8mol/l。
选择将凝胶涂在载玻片上并形成基底层，即SERS基底材料，再将设置SERS基底材料的载玻片分别充分浸泡在罗丹明水溶液中，选择充分浸泡，以使基底材料充分与罗丹明接触和/或吸附，同时使凝胶达到溶胀饱和状态，例如将载玻片在水溶液蘸取5—10min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明所制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶中，聚乙烯醇作为分散稳定剂，对具有电磁增强的纳米银颗粒能起到支撑保护作用；(2)本发明所制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶作为SERS基底，具有贵金属的光谱特性，且试样制备简单，成本低等优点；(3)本发明所制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶作为SERS基底，内含网络结构，具有强大的吸水能力，能快速吸附探针分子，相比于传统的纯银纳米材料基底，测试时稳定性更好：(4)本发明的提供的检测方法与现有罗丹明的检测方法相比，具有灵敏度高的特点，其检测限可达到10-8mol/l。
附图说明
图1为本发明制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶中银纳米颗粒TEM照片。
图2为本发明制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的SEM照片。
图3为本发明制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶和纯聚乙烯醇水凝胶的热重分析曲线。 图4为本发明制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶和纯聚乙烯醇水凝胶的紫外-可见吸收光谱图。
图5为本发明制备的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶和纯聚乙烯醇水凝胶的溶胀度图。
图6为本发明实施例5中检测不同浓度罗丹明的SERS谱图。
图7为本发明实施例6中对应的三种载纳米银的聚乙烯醇水凝胶做基底检测浓度为10-5mol/l罗丹明溶液的SERS谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。聚乙烯醇1799型(PVA1799)：-CH2CHOH-n平均聚合度1750±50，醇解度：98-99％(mol/mol)；扫描电子显微镜(SEM):FEINANO430扫描电子显微镜；透射电子显微镜(TEM)：FEI Tecnai G2 F20透射电子显微镜；紫外可见分光光度计(UV)：PerkinElmer Lambda 25紫外可见分光光度计；拉曼光谱(RS)：RENISHAW inVia reflex激光共聚焦显微拉曼光谱仪；电子分析天平：FA1004(上海)。
实施例1，依据参考文献(YOSHIHIRO MORI,HITOSHI TOKURA,MASANORIYOSHIKAWA，Properties of hydrogels synthesized by freezing and thawing aqueouspolyvinyl alcohol solutions and their applications，JOURNAL OF MATERIALSSCIENCE 32(1997)491-496)采用循环冷冻-解冻方式进行聚乙烯醇水凝胶的制备
取1.1g聚乙烯醇于90℃溶于8ml去离子水中，搅拌30min，然后冷却至室温，用容量为1ml的注射器取1ml上述所得溶液，置冰箱于-18℃下冷冻12h,室温下避光解冻，冷冻-解冻循环4次，最后将解冻后的凝胶推出至样品瓶中，浸泡于去离子水中，每隔8h换一次水，重复4次。后取出凝胶用冷冻干燥机进行冷冻干燥，即得到干燥后的纯聚乙烯醇凝胶。
实施例2 载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、用循环冷冻-解冻法制备含纳米银前驱体的聚乙烯醇水凝胶：取1.1g聚乙烯醇于90℃溶于8ml去离子水中，搅拌30min，然后冷却至室温，向体系中加入2ml浓度为20mM硝酸银溶液，搅拌15min，后将溶液取出离心(500rpm,3min)以赶出体系中的气泡。用容量为1ml的注射器取1ml上述所得溶液，置冰箱于-18℃下冷冻12h,室温下避光解冻，冷冻-解冻循环4次，最后将解冻后的凝胶推出至样品瓶中，待用；
步骤二、用“浸渍”法还原凝胶中的硝酸银：切取步骤一中3mm厚的凝胶，将其浸泡于10ml浓度为60mM的硼氢化钠溶液中，浸泡24h，使其反应完全；
步骤三、样品后处理：将步骤二中还原完全的含有纳米银的聚乙烯醇凝胶浸泡于去离子水中，每隔8h换一次水，重复4次，以除去过量硼氢化钠，后取出凝胶用冷冻干燥机进行冷冻干燥，即得到干燥后的载纳米银的聚乙烯醇凝胶。
实施例3 载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的制备方法，与实施例2相比，不同之处在于步骤一中，改为向体系中加入2ml浓度为50mM硝酸银溶液，对应步骤二中硼氢化钠浓度为150mM。
实施例4 载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的制备方法，与实施例2相比，不同之处在于步骤一中，改为向体系中加入2ml浓度为100mM硝酸银溶液，对应步骤二中硼氢化钠浓度为300mM。
图1中的(a)、(b)、(c)分别为实施例2、3、4的步骤二中还原出的银纳米颗粒TEM照片，对应的银纳米颗粒粒径分别是8—10nm，20—25nm和45—50nm。随着加入的银前驱体和还原剂的浓度增大，凝胶中还原出的银纳米粒径增大。
图2中的(a)、(b)、(c)分别为实施例2、3、4中的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的SEM照片，(a)与(b)的网络尺寸略大，(c)中的网络尺寸略小。
图3中(a)和(b)分别为实施例4和1对应的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶和纯聚乙烯醇水凝胶的热重分析曲线，(a)中PVA-Ag(AgNO3 100mM)水凝胶的热失重温度范围为260～450℃，而(b)对应的纯聚乙烯醇水凝胶热分解温度则始于210℃,证明了Ag纳米粒子的加入可以有助于提高PVA水凝胶的热稳定性。
图4中(a)、(b)、(c)、(d)分别为实施例4、3、2、1中载纳米银的聚乙烯醇水凝胶和纯聚乙烯醇水凝胶的紫外-可见吸收光谱图，(a)、(b)、(c)在405nm附近均出现明显的纳米银的等离子体激元共振吸收峰，且该吸收峰的强度随着硝酸银浓度增大而增大，表明纳米Ag粒子成功分散在水凝胶中且纳米Ag粒子浓度的增加，(d)中纯聚乙烯醇水凝胶无明显吸收峰。
图5中(a)、(b)、(c)、(d)分别对应实施例4、3、2、1中载纳米银的聚乙烯醇水凝胶和纯聚乙烯醇水凝胶的溶胀度图，可见载纳米银的聚乙烯醇水凝胶的溶胀度随着硝酸银浓度增大而增大，但当硝酸银浓度最大时，即(a)对应的载纳米银的聚乙烯醇水凝胶达到平衡溶胀时所需时间最长。溶胀度实验中采用干态水凝胶置于去离子水中至吸收饱和状态，溶胀度＝(水凝胶饱和状态的重量—水凝胶干重)/水凝胶干重*100％，溶胀度 平均可达1000—2500％，且达到平衡的平均用时较短(可达5—10min)，证明本发明水凝胶具有多孔结构和较强的吸水能力。
实施例5：利用实施例4制备得到的载纳米银的聚乙烯醇凝胶作为SERS基底，以结晶紫为Raman探针分子，检测罗丹明分子的含量。在将上述载纳米银的聚乙烯醇凝胶进行使用时，选择将凝胶涂在载玻片上并形成基底层，即SERS基底材料，再将设置SERS基底材料的载玻片分别充分浸泡在10-4、10-5、3*10-6、5*10-7、6*10-8mol/l浓度的罗丹明水溶液中，选择充分浸泡，以使基底材料充分与罗丹明接触和/或吸附，同时使凝胶达到溶胀饱和状态，例如将载玻片在水溶液蘸取5—10min。取出载玻片后自然晾干，制得检测试样，置于雷尼绍激光拉曼光谱仪中，其中：频率范围为2500cm-1—0cm-1，波长为532nm，激光衰减功率为0.01—0.05％，在连续模式下，采用2-5s曝光时间，多次采集，完成罗丹明的拉曼检测。图6为本发明实施案例5中检测不同浓度罗丹明的SERS谱图。结果显示，本发明的水凝胶能够很好地检测出罗丹明的特征峰，当罗丹明浓度为10-7mol/l时，各个特征峰尚且可以明显分辨，继续下调罗丹明溶度至10-8水平，各个特征峰相对微弱，初步判断以载纳米银的聚乙烯醇凝胶作为SERS基底测得罗丹明的检测限是10-7—10-8mol/l。
实施例6：分别将实施例2、3、4中制得的载纳米银的聚乙烯醇凝胶按作为SERS基底检测浓度为10-5mol/l的罗丹明B溶液(水溶液)，操作步骤基本与实施例5相同，将步骤一中一系列浓度的结晶紫溶液改成固定的浓度10-5mol/l的罗丹明B溶液。图7为实施例6中对应的三种载纳米银的聚乙烯醇水凝胶做基底检测浓度为10-5mol/l罗丹明B溶液的SERS谱图(曲线a、b、c分别对应实施例2、3、4)。结果显示，三种载纳米银的聚乙烯醇水凝胶做基底均对罗丹明B分子有拉曼增强效果。结合图1可知，硝酸银浓度不同时导致还原出的纳米银颗粒大小有差异，也会对拉曼增强效果有影响。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用，其特征在于，检测限平均可达10-7—10-8mol/l，聚乙烯醇复合水凝胶为聚乙烯醇—纳米银复合材料，按照下述步骤进行制备：
步骤1，采用循环冷冻-解冻法制备含纳米银前驱体的聚乙烯醇水凝胶
将聚乙烯醇溶于去离子水中，向体系中加入硝酸银的水溶液并分散均匀，将均匀分散聚乙烯醇和硝酸银的水溶液进行循环冷冻—解冻，以得到含纳米银前驱体的聚乙烯醇水凝胶；
步骤2，采用浸渍法还原凝胶中硝酸银为纳米银
将步骤1制备的含纳米银前驱体的聚乙烯醇水凝胶浸泡在硼氢化钠的水溶液中，以使水凝胶中银离子充分反应还原为纳米银，且分散在水凝胶中；
步骤3，将步骤2中还原完全的含有纳米银的聚乙烯醇凝胶浸泡于去离子水中，每隔8h换一次水，重复4～5次，以除去过量硼氢化钠，后取出凝胶用冷冻干燥机进行冷冻干燥，即得到干燥后的载纳米银的聚乙烯醇凝胶。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用，其特征在于，在步骤2中，反应温度为20—25摄氏度，浸泡时间至少24小时，优选24—48小时。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用，其特征在于，在步骤2中，硼氢化钠和硝酸银的浓度比为3:1。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用，其特征在于，在进行检测时，将聚乙烯醇复合水凝胶涂在载玻片上并形成基底层，即SERS基底材料，再将设置SERS基底材料的载玻片分别充分浸泡在罗丹明水溶液中，选择充分浸泡，以使基底材料充分与罗丹明接触和/或吸附，同时使凝胶达到溶胀饱和状态，例如将载玻片在水溶液蘸取5—10min。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯醇复合水凝胶在利用拉曼光谱检测罗丹明中的应用，其特征在于，在聚乙烯醇复合水凝胶中，聚乙烯醇—纳米银复合材料中纳米银颗粒粒径的大小为8—50nm，凝胶溶胀度平均可达1000—2500％，且达到平衡的平均用时短，可达5—10min。
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