CN107884385A - 一种核壳增强拉曼光谱基底的制备及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，将氯金酸加入到沸水中搅拌反应，得到球形金纳米粒子；非线性多亲水嵌段共聚物(PVP)2‑(PNIPAM‑b‑PAA)2通过可逆加成‑断裂链转移聚合和单电子转移活性自由基聚合合成；将金纳米粒子与(PVP)2‑(PNIPAM‑b‑PAA)2的水溶液混合，静置吸附后，离心洗涤以除掉游离的聚合物，得到Au@(PVP)2‑(PNIPAM‑b‑PAA)2核壳结构纳米粒子，即为所需制备的核壳增强拉曼光谱基底。本发明还提供了核壳增强拉曼光谱基底的拉曼光谱测试方法。本发明制备的基底具有探针分子选择性及温度和pH响应性，方法简单，有助于在复杂环境中超灵敏检测分析物。

Description

一种核壳增强拉曼光谱基底的制备及测试方法
技术领域
本发明属于表面增强拉曼光谱技术领域，具体涉及一种具有探针分子选择性及温度和pH响应性的核壳增强拉曼光谱基底的制备及测试方法。
背景技术
表面增强拉曼光谱是一种基于活性基底对拉曼信号增强的高灵敏检测分析物的谱学方法，自被发现以来已被广泛应用于界面和表面科学、材料分析、生物、医学、食品安全、环境监测等领域。其中，基于核壳结构纳米粒子的表面增强拉曼光谱被认为是极具应用潜力的基底。这是因为，一方面作为核的活性基底材料，如贵金属，在周围几十纳米的范围内都可以产生很强的电磁增强拉曼效应；另一方面壳层材料的易设计性可赋予纳米粒子各种各样的功能性，从而适应不同的检测环境。
核壳结构增强拉曼光谱的基底材料主要有金属-金属核壳纳米粒子、金属-无机氧化物核壳纳米粒子和金属-聚合物核壳纳米粒子。相比于金属-金属和金属-无机氧化物核壳纳米粒子，以聚合物为壳层的金属-聚合物核壳纳米粒子有着更为广泛的可设计性。比如《材料化学C》(Journal of Mater.Chem.C2014，2，5438-5446)报道，通过对金纳米棒进行荷负电的聚苯磺酸或荷正电的聚烯丙基胺盐酸盐修饰可分别选择性地增强带正电及带负电的探针分子的拉曼信号。《ACS应用材料和界面》(ACS Applied Materials&Interfaces，2016，8，19755-19763)报道，利用聚合物纳米胶囊包裹金或银纳米粒子制成中空核壳结构，可通过控制孔道尺寸或壳层表面电荷来实现尺寸和电荷的双重SERS选择性。此外，据《德国应用化学》(Angew.Chem.Int.Ed.2009，48，138-143)报道，将温敏性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)负载在金纳米粒子表面制成核壳结构，温度升高时PNIPAM壳层变薄可有效拉近探针分子与金表面的距离，从而增强其拉曼信号。《美国化学会志》(J.Am.Chem.Soc.2009，131，7540-7541)报道将聚甲基丙烯酸(PMAA)作为金纳米粒子的壳层可将pH响应性引入SERS。当pH小于3时，PMAA质子化引起纳米粒子的团聚从而有效增强拉曼信号。
然而，几乎所有之前关于核壳结构纳米粒子增强拉曼光谱的报道都针对的是单一功能性，同时具备探针分子选择性和多重刺激响应性的多功能的核壳结构增强拉曼光谱的基底尚无相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何制备具有探针分子选择性和多重刺激响应性的多功能的核壳结构增强拉曼光谱的基底。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将氯金酸加入到沸水中搅拌反应，得到球形金纳米粒子；
步骤2：非线性多亲水嵌段共聚物(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2通过可逆加成-断裂链转移聚合RAFT和单电子转移活性自由基聚合SET-LRP合成；
步骤3：将金纳米粒子与(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2的水溶液混合得到混合液，静置吸附后，离心洗涤以除掉游离的聚合物，得到Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子，即为所需制备的核壳增强拉曼光谱基底。
优选地，所述步骤1中，氯金酸浓度为2.5×10-4M，搅拌反应时间为15分钟，所得球形金纳米粒子浓度为50μg mL-1。
优选地，所述步骤2中，PNIPAM段由SET-LRP制得，PVP段由RAFT制得，PAA段由SET-LRP聚合制得聚叔丁基丙烯酸酯后进一步水解制得。
优选地，所述步骤3中，混合液由0.4mL的浓度为50μg mL-1的金纳米离子水分散液及2mL的浓度为2mg mL-1的(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2水溶液混合而成。
优选地，所述步骤3中，静置吸附三天，离心洗涤三次。
优选地，所述步骤3中，所制备的核壳增强拉曼光谱基底的壳层同时具有表面负电荷及温度和pH响应性，且壳层厚度和粒子聚集行为及相应的拉曼信号增强因子可调。
所制得的核壳结构的纳米粒子表现出两方面的核壳结构增强拉曼光谱的特性：一是由于表面荷负电可以选择性增强带正电的探针分子；二是随温度升高或pH降低，纳米粒子的壳层变薄且粒子发生团聚，可有效地逐步增强探针分子的拉曼信号，对罗丹明6G(R6G)的拉曼信号增强因子最高可达8.6×106。
本发明还提供了一种核壳增强拉曼光谱基底的拉曼光谱测试方法，其特征在于：所述核壳增强拉曼光谱基底由上述的核壳增强拉曼光谱基底的制备方法所制备，该测试方法步骤为：
步骤1：将所述核壳增强拉曼光谱基底分散于水中，得到Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子的水分散液；
步骤2：将所述Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子的水分散液与探针分子的溶液混合，静置后进行拉曼光谱的测试；通过调节温度和pH调控Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子的壳层厚度和聚集状态。
优选地，所述拉曼光谱的测试温度范围为25-55℃，pH范围为5-13。
优选地，所述拉曼光谱的测试条件为：633nm激发波长，激光能量17mW，曝光时间10秒。
优选地，所述核壳增强拉曼光谱基底Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2的浓度为5μgmL-1；选择性测试时探针分子浓度为10-4M，响应性测试时探针分子浓度为10-6M，静置时间为24小时。
本发明提供了一种新颖的通过非线性多亲水嵌段共聚物负载金纳米粒子制备多功能性表面增强拉曼光谱基底的方法，所制备的核壳结构的纳米粒子在室温及中性水溶液中稳定分散，而当温度升高或pH降低时，壳层发生亲水-疏水转化导致壳层变薄及纳米粒子团聚，这一过程带来金纳米粒子电磁增强拉曼信号的迅速提高。此外，壳层PAA带负电，可选择性增强带正电的探针分子，如R6G。当选择合适的条件，如温度为55℃，pH为5时，粒子团聚效应最为明显，R6G的SERS增强因子可高达8.6×106。
与传统的金属-金属、金属-无机氧化物、金属-聚合物核壳结构纳米粒子相比，本发明同时将分析物选择性、温度和pH敏感性引入到壳层，使得所制备的核壳结构增强拉曼光谱的基底具有探针分子选择性及温度和pH响应性，可实现表面增强拉曼光谱的多功能检测，且所采用的方法简单，非常有助于在复杂环境中超灵敏检测分析物。
附图说明
图1为Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子的结构示意图；
图2为Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子在不同条件下的透射电镜图：(a)25℃，pH＝7；(b)50℃，pH＝7；(c)25℃，pH＝5；
图3为金纳米粒子及Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子对带不同电荷的探针分子拉曼光谱增强的强度直方图(带正电荷的探针分子：罗丹明6G，R6G；结晶紫，CV；亚甲基蓝，MEB；带负电荷的探针分子：藏花橙G，COG；甲基橙，MO；甲基蓝，MB；中性探针分子：罗丹明B，RHB)；
图4为Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子对R6G分子在不同条件下的增强因子图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
将440mg无水柠檬酸钠加入到含有2.5×10-4M HAuCl4·3H2O的100mL沸水溶液中，剧烈搅拌15分钟冷却后得到金纳米粒子的水分散溶液，浓度约50μg mL-1；0.4mL 50μg mL-1的金纳米粒子的水分散液与2mL 2mg mL-1(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2水溶液和1.6mL去离子水混合均匀，静置两天后，离心分离三次，沉淀重新分散于4mL水溶液中，得到(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2负载的金纳米粒子。
图1和图2是该Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2纳米粒子的结构示意图和不同条件下的透射电镜图。从图1和图2中可以看出，改变温度和pH可以很好地改变壳层的厚度和聚集状态。
配置5μg mL-1Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2与10-4M不同探针分子的混合液，静置24小时后装入毛细管中用于拉曼光谱测试。拉曼光谱的测试条件为：633nm激发波长，激光能量17mW，曝光时间10s。
该实施例考察了不同探针分子在Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2存在下的拉曼光谱信号增强行为，探针分子最强峰的强度如图3所示。从图3中可以看出，聚合物负载后Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2纳米粒子相较于Au纳米粒子明显地选择性增强带正电荷的探针分子。
实施例2
配置5μg mL-1Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2与10-6M R6G的混合液，静置24小时后装入毛细管中用于拉曼光谱测试。拉曼光谱的测试条件为：633nm激发波长，激光能量17mW，曝光时间10s。溶液的温度通过热台来控制，pH通过向混合液中加入NaOH或HCl溶液来控制。温度控制范围是25-55℃，pH控制范围为5-13。
该实施例考察了不同温度和pH条件下Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2对R6G分子的拉曼光谱信号增强效果。通过R6G 1359cm-1处峰强度计算出的增强因子对温度和pH作图，得图4。从图4中可以看出，Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2对R6G分子拉曼信号的增强随温度升高和pH降低呈现逐步增强的趋势，最大增强发生在温度为55℃，pH为5时，增强因子为8.6×106。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将氯金酸加入到沸水中搅拌反应，得到球形金纳米粒子；
步骤2：非线性多亲水嵌段共聚物(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2通过可逆加成-断裂链转移聚合RAFT和单电子转移活性自由基聚合SET-LRP合成；
步骤3：将金纳米粒子与(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2的水溶液混合得到混合液，静置吸附后，离心洗涤以除掉游离的聚合物，得到Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子，即为所需制备的核壳增强拉曼光谱基底。
2.如权利要求1所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，氯金酸浓度为2.5×10-4M，搅拌反应时间为15分钟，所得球形金纳米粒子浓度为50μgmL-1。
3.如权利要求1所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，PNIPAM段由SET-LRP制得，PVP段由RAFT制得，PAA段由SET-LRP聚合制得聚叔丁基丙烯酸酯后进一步水解制得。
4.如权利要求1所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，混合液由0.4mL的浓度为50μg mL-1的金纳米离子水分散液及2mL的浓度为2mg mL-1的(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2水溶液混合而成。
5.如权利要求1所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，静置吸附三天，离心洗涤三次。
6.如权利要求1所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，所制备的核壳增强拉曼光谱基底的壳层同时具有表面负电荷及温度和pH响应性，且壳层厚度和粒子聚集行为及相应的拉曼信号增强因子可调。
7.一种核壳增强拉曼光谱基底的拉曼光谱测试方法，其特征在于：所述核壳增强拉曼光谱基底由权利要求1～6任一项所述的核壳增强拉曼光谱基底的制备方法所制备，该测试方法步骤为：
步骤1：将所述核壳增强拉曼光谱基底分散于水中，得到Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子的水分散液；
步骤2：将所述Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子的水分散液与探针分子的溶液混合，静置后进行拉曼光谱的测试；通过调节温度和pH调控Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2核壳结构纳米粒子的壳层厚度和聚集状态。
8.如权利要求7所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的拉曼光谱测试方法，其特征在于：所述拉曼光谱的测试温度范围为25-55℃，pH范围为5-13。
9.如权利要求7所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的拉曼光谱测试方法，其特征在于：所述拉曼光谱的测试条件为：633nm激发波长，激光能量17mW，曝光时间10秒。
10.如权利要求7所述的一种核壳增强拉曼光谱基底的拉曼光谱测试方法，其特征在于：所述核壳增强拉曼光谱基底Au@(PVP)2-(PNIPAM-b-PAA)2的浓度为5μg mL-1；选择性测试时探针分子浓度为10-4M，响应性测试时探针分子浓度为10-6M，静置时间为24小时。
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