CN108580919A - 银核介孔金纳米结构材料的制备方法、表面增强拉曼检测探针及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种银核介孔金纳米结构材料的制备方法、表面增强拉曼检测探针及其应用，并首先制备不同尺寸不同金银比例的银核介孔金，然后检测其增强效果并与同尺寸金和银纳米粒子比较，获得条件最优的银核介孔金；选择条件最优的银核介孔金进行生物功能化，从而应用于拉曼生物传感器领域。此方法设计一种新颖的金银比例型核壳拉曼增强纳米结构，与普通纳米金，纳米金花以及纳米银等纳米结构相比，具有高拉曼增强活性和良好的生物相容性等特性，用其构建的表面增强拉曼检测探针在环境监测，食品安全，临床诊断等方面具有非常重要的意义。

Description

银核介孔金纳米结构材料的制备方法、表面增强拉曼检测探 针及其应用

技术领域

本发明是属于生物传感器技术领域，具体是指银核介孔金纳米结构材料的制备方法、表面增强拉曼检测探针及其在生物传感器中的应用。

背景技术

目前已被开发多种新的生物传感器技术，其中包括电化学，荧光和表面等离子体共振等。这些现有的生物传感器技术存在一些缺点，例如繁琐的样品前处理，大剂量的样品需求，有限的多路复用和特异性，以及高昂的检测费用。因此，在正常和癌症患者血清中，急需开发操作简单、高特异性和廉价的方法来检测癌症生物标志物水平。

基于金和银纳米结构的局域表面等离子体共振效应的表面增强拉曼散射光谱学已经发展成为用于高度敏感和选择性检测目标分析物的强大且无损分析技术，甚至下降到单分子水平。表面增强拉曼散射(SERS)探针与荧光探针相比有独特的优势，首先拉曼光谱峰宽度通常为荧光的1/10～1/100；其次拉曼散射受水干扰小；再次SERS信号不存在光漂白现象。所以在一定程度上可以适当延长检测时间以获得较好的信号，SERS信号也不会发生自淬灭，因此可以通过增加标记抗体上标记物的数量来增强SERS信号，提高检测灵敏度。综上所述，SERS在检测分析领域中很有应用潜力，但与其他检测方法比如电化学等相比，其检测灵敏度有待进一步提高。

在以SERS为检测手段进行检测分析过程中，SERS光谱的高选择性，高分辨率是其优于传统红外光谱，荧光光谱的一大关键。而如何提高SERS探针的检测灵敏度是其最终能否成为临床检测技术的关键所在。Kayeong等人(Kayeong,S.,Jun-Haeng,C.,Moon-Young,Y.,Hoeil,C.,2016,Anal.Chem.,88:3465-3470.)针对同一抗原采用多探针依次添加的方法增加信号，Yang等人(Yang,L.,Gao,M.X.,Zhan,L.,Gong,M.,Zhen,S.J.,Huang,C.Z.,2017,Nanoscale,9,2640–2645.)采用酶诱导银沉积的方法在免疫反应后加入硝酸银等试剂是信号再次增强。但这些二次增强的方法操作步骤复杂，检测时间延长，因此对增强基底的优化是一个热门的研究方向。由于表面增强拉曼散射效应与SERS纳米结构的表面粗糙度有关，一类新型的多分支纳米结构，如纳米金星(Schütz,M.,Steinigeweg,D.,Salehi,M.,K.,Schlücker,S.,2011,Chem.Commun.,47:4216.)，纳米金海胆(Liu,Z.,Yang,Z.,Peng,B.,Cao,C.,Zhang,C.,You,H.,Xiong,Q.,Li,Z.,Fang,J.,2014,Adv.Mater.,26:2431-2439.)和纳米金花(Jiang,Y.,Wu,X.J.,Li,Q.,Li,J.,Xu,D.,2011,Nanotechnology,22:385601.)，其表面粗糙度与相同尺寸的球形颗粒相比很大优势，在这类纳米粒子中极小的曲率半径导致强电场增强，但其结构性质不稳定，不易长时间储存。

除了上面提到的单金属纳米结构之外，由于其独特的光学和化学性质，被称为金银核壳纳米颗粒的多组分纳米结构也成为有吸引力的候选者。因此，本申请发明人将银核金壳结构优化设计，从而合成出银核介孔金，丰富了金壳表面结构且结构稳定，这样一方面可以通过电磁场增强的长程效应和较大的表面粗糙度，从“借力”角度使其获得比金更强的SERS增强，另一方面介孔金壳的生物相容性使银核介孔金复合纳米粒子在生物传感器中的应用具有可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种银核介孔金纳米结构材料的制备方法，同时本发明基于该银核介孔金纳米结构材料用作表面增强拉曼散射探针的构建，并进一步将拉曼增强探针用于生物传感器的分析检测技术。

本发明采用的金纳米颗粒有其良好的生物相容性。因此本发明设计了一种金银比例型拉曼增强探针以满足高拉曼增强活性和良好的生物相容性的要求。

具体而言，本发明的第一个方面是提供了一种银核介孔金纳米结构材料的制备方法，通过该方法可以获得不同金银比例的银核介孔金纳米结构材料。

更具体而言，本发明涉及一种不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1:在室温下，将1％柠檬酸三钠溶液和0.1M氯化钠溶液依次加入到0.01M硝酸银溶液中混合。

S2:将混合物迅速加入到含有1％抗坏血酸的沸水中保持沸腾30-60min，获得尺寸10-80nm粒径均一的银纳米粒子。

S3:在室温下，将银纳米粒子超声处理10-30min，使用蠕动泵加入不同体积的0.25mM氯金酸溶液，最终制备了不同金银比例的银核介孔金溶胶。

本发明所述不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法中，在步骤S1中，所述1％柠檬酸三钠溶液和0.1M氯化钠溶液必须依次加入到0.01M硝酸银溶液中。

本发明所述不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法中，在步骤S1中，所述混合时间为1-10min，最优选为5min。

本发明所述不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法中，在步骤S1中，所述1％柠檬酸三钠溶液和0.1M氯化钠溶液的体积比为1:0.01-0.1，例如，1:0.01，1:0.03，1:0.05，1:0.1，最优选为1:0.03。

本发明所述不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法中，在步骤S2中，所述1％抗坏血酸溶液需提前加入沸水中，提前时间最优选为1min。

本发明所述不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法中，在步骤S2中，所述1％柠檬酸三钠溶液与1％抗坏血酸溶液体积比为1:0.01-0.5，例如，1:0.01，1:0.1，1:0.2，1:0.5，最优选为1:0.1。

本发明所述不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法中，在步骤S1和步骤S2中1％柠檬酸三钠溶液，0.1M氯化钠溶液，1％抗坏血酸与0.01M硝酸银溶液体积比为1:0.03:0.1:1-3，其中1:0.03:0.1:2的比例可得到20nm银纳米粒子，1:0.03:0.1:2.4的比例可得到50nm银纳米粒子，1:0.03:0.1:2.7的比例可得到60nm银纳米粒子。

本发明所述不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料的制备方法中，在步骤S3中，所述银纳米粒子水溶胶与0.25mM氯金酸溶液体积比为12:0-5，例如，12:1，12:2，12:3，12:4，12:5。

本发明人发现，当采用本发明的上述制备方法尤其是其中的优选工艺参数时，能够得到尺寸，形态可控的银核介孔金纳米结构。当改变某些工艺参数时，尺寸及形态会随着变化。

第二个方面，本发明涉及通过上述制备方法得到的不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料。

本发明人通过创造性研究发现，所述金银双金属比例型的银核介孔金材料具有优异的表面增强拉曼性能，从而可应用于拉曼生物传感器领域，具有良好的应用前景和商业化潜力。

因此，第三个方面，本发明涉及所述金银双金属比例型的银核介孔金材料在生物传感器尤其是拉曼生物传感器中的用途。

在本发明所述用途中，所述金银双金属比例型的银核介孔金材料具有良好的表面增强拉曼性能和生物相容性，从而可用来作为拉曼增强基底，构建拉曼检测探针。

因此，第四个方面，本发明涉及设计一种表面增强拉曼检测探针的制备方法，其包括如下步骤：

A1:将银核介孔金溶胶与信标分子修饰，并与检测分子结合，获得表面增强拉曼检测探针。

其中，在所述步骤A1中，所述信标分子与检测分子均以一定量的形式加入，根据具体检测分析要求可以适当变化。

第五个方面，本发明涉及设计一种表面增强拉曼检测探针在生物传感器尤其是拉曼生物传感器中的应用。

本发明人通过研究发现，包含所述金银双金属比例型的银核介孔金材料的表面增强拉曼检测探针具有良好的检测分析性能，例如高灵敏度，高稳定性，制备简易等优越的性能，从而可应用于生物传感器尤其是拉曼生物传感器领域。

如上所述，本发明提供了一种不同尺寸金银双金属比例型的银核介孔金材料及其制备方法和用途，所述金银双金属比例型的银核介孔金材料具有良好的表面增强拉曼性能和生物相容性，可用来制备检测探针尤其是表面增强拉曼检测探针，从而可用于生物传感器尤其是拉曼生物传感器中，在生物传感器领域具有巨大的应用潜力和商业价值。

附图说明

图1：本发明所制备的银核介孔金的透射电镜图：其中，a图是M1-Y2，b图是M1-Y4，c图是M2-Y1，d图是M2-Y2，e图是M2-Y3，f图是M2-Y2的高分辨TEM；

图2：本发明制备50nm的不同金银比例银核介孔金的紫外可见吸收光谱图；

图3：本发明所制备的M1-Y2，M1-Y4与同尺寸金纳米粒子的表面增强拉曼性能对比图；

图4：本发明所制备的M2-Y2，M2-Y2，M3-Y2的表面增强拉曼性能对比图；

图5：本发明所制备的M2-Y1，M2-Y2，M2-Y3，M2-Y4与同尺寸金和银纳米粒子的表面增强拉曼性能对比图；

图6：实施例8和9中拉曼检测探针功能化修饰过程的紫外可见吸收光谱图；

图7：实施例10中使M2-Y2tags和AuNP tags检测浓度为500ng/mL的甲胎蛋白抗原所得到的表面增强拉曼光谱图对比；

图8：实施例10中使用M2-Y2tags检测不同浓度的甲胎蛋白抗原所得到的表面增强拉曼光谱图；

图9：实施案例10中在1076cm^-1处随甲胎蛋白浓度变化的定量分析关系曲线图。

具体实施方法

下面通过具体的附图和实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性附图和实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1：20nm银纳米溶胶制备

S1:将1mL 1％柠檬酸三钠和30μL 0.1M氯化钠溶液依次加入到2.0mL 0.01M硝酸银溶液中，然后混合。

S2:5min后，将混合物迅速加入到含有100μL 1％抗坏血酸的50mL沸水中，在加入混合物之前1min加入抗坏血酸。

S3:将溶液保持沸腾1h，然后在搅拌下冷却至室温以获得银纳米粒子溶胶。

S4:将获得的银纳米粒子溶胶离心并将沉淀物再分散于水中，获得20nm左右银纳米溶胶，将其命名为M1。

实施例2-3：50nm和60nm银纳米溶胶制备

除将步骤S1中的硝酸银用量分别替换为2.4mL和2.7mL外其他操作均不变，从而重复操作实施例1，从而顺次进行了实施例2-3，将所得50nm和60nm银纳米溶胶依次命名为M2和M3。

实施例4：50nm银核介孔金制备

S1:在室温下，将6mL的50nm银纳米粒子水溶胶加入到玻璃瓶中并超声处理30min。

S2:30min后，使用蠕动泵加入不同体积(0.5mL，1.0mL，1.5mL，2.0mL)的0.25mMHAuCl₄的水溶液，

S3:将混合物持续搅拌30min，最终制备了不同金银比例的银核多孔金溶胶，分别命名为M2-Y1，M2-Y2，M2-Y3，M2-Y4。

实施例5-6：20nm和60nm银核介孔金溶胶制备

除将步骤S1中50nm银纳米溶胶分别替换为20nm银纳米溶胶和60nm银纳米溶胶外其他操作均不变，从而重复操作实施例1，从而顺次进行了实施例2-3，将所得50nm和60nm银核介孔金溶胶依次命名为M1-Y1，M1-Y2，M1-Y3，M1-Y4和M3-Y1，M3-Y2，M3-Y3，M3-Y4。

实施例7：银核介孔金表面增强拉曼性能对比

S1:将氨基化硅片浸入到银核介孔金溶胶中静置12h。

S1:取出硅片，清洗并超声5min后，再将其浸入到4-巯基苯甲酸乙醇溶液中2h。

S3:再取出硅片，清洗后氮气干燥，使用拉曼光谱仪检测，可获得不同材料的表面增强拉曼性能。

实施例8：基于M2-Y2溶胶的SERS探针制备

S1:在室温下，将30μL1mM 4-巯基苯甲酸乙醇溶液加入到M2-Y2溶胶中搅拌1h。

S1:在4℃下加入200μL 20μg/mL检测抗体到上述混合液中搅拌6h，然后将100μL5％BSA封闭液加入到上述混合液中搅拌2h，最后在4℃下静置老化12h。

S3:将获得的表面增强拉曼探针离心并将沉淀物分散在PBS中，在4℃下保存备用。

实施例9：基于金纳米溶胶的SERS探针制备

除将步骤S1中的M2-Y2溶胶替换为同尺寸的金纳米溶胶外其他操作均不变，从而重复操作实施例8，从而顺次进行了实施例9。

实施例10：以甲胎蛋白检测为例进行三明治免疫分析

S1:将一系列已知浓度的甲胎蛋白抗原溶液滴加到甲胎蛋白检测基板的检测中心，在37℃下温育1h进行免疫反应，捕获抗原。

S2:将实施例8和9制备的拉曼检测探针滴加到步骤S1捕获抗原后的检测中心，在37℃下温育1h进行再次免疫反应。

S3:将步骤S2免疫反应后的拉曼免疫检测基板进行拉曼光谱检测，得到一系列已知浓度的甲胎蛋白抗原的拉曼图谱，以甲胎蛋白抗原浓度为横坐标，以对应的1076cm^-1处拉曼强度值为纵坐标，绘制定量分析标准工作曲线。

微观表征

对实施例4和5所得的银核介孔金材料进行了TEM表征，由图1可见，a图是M1-Y2，b图是M1-Y4，c图是M2-Y1，d图是M2-Y2，e图是M2-Y3，f图是M2-Y2的高分辨TEM，并标出了金和银对应的晶格。

紫外可见吸收光谱图表征

由图2可见，合成的M2的LSPR谱带出现在415nm处，随着氯金酸的加入，最大吸收峰逐渐向440nm移动，同时伴随着吸光度值的减弱和谱带的加宽，由于金介孔在银核心的表面和LSPR波段的叠加。随着氯金酸用量的进一步增加，由于介孔金的局域表面等离子体共振现象，在500～700nm范围内出现明显的谱带并逐渐红移，而M2的LSPR谱带逐渐减弱，说明银核心逐渐被替换而减少。M2的黄绿色到红棕色，深蓝色和蓝色，相应的水溶胶颜色发生了明显的变化，这表明银核介孔金纳米结构的形成。

银核介孔金表面增强拉曼性能对比图

由图3-4可见，在同尺寸纳米粒子下，随着氯金酸的加入，表面增强拉曼性能先增加后减弱；不同尺寸纳米粒子下，随着尺寸的增加，表面增强拉曼性能增加。

由图5可见，M2-Y2的表面增强拉曼性能比M2高出10倍左右，比同尺寸金纳米粒子高出近20倍。因此，本发明的银核介孔金增强性能优越，制备简单，且稳定性好，有可替代商业化的金银溶胶增强拉曼基底的潜力。

表面增强拉曼检测探针的分析检测应用

由图5-7可见，M2-Y2在生物功能化过程中结构稳定，与纳米金有同样是生物相容性，但在检测同浓度的甲胎蛋白时，M2-Y2tags的拉曼信号要高出近10倍。因此，本发明的银核介孔金在拉曼分析检测领域有很大的应用潜力。

由图8-9可见，M2-Y2tags的对甲胎蛋白的最低检出浓度为0.2ng/mL。在正常成人血清中甲胎蛋白浓度低于25ng/mL，本发明的最低检出浓度低于其浓度1％。因此，有用于临床检测的极大潜力。

应当理解的是，上述具体实施方法只是举例说明，而所有改进和转换都在本发明所附权利要求保护范围内。

Claims (10)

1.一种银核介孔金纳米结构材料的制备方法，其特征在于所述制备方法，以银纳米晶模版法为反应方法，其步骤是：以柠檬酸三钠、氯化钠和硝酸银混合水溶液，以抗坏血酸为还原剂在沸水中反应获得粒径均一的银纳米粒子水溶胶，然后将银纳米粒子水溶胶与氯金酸溶液反应制备银核介孔金溶胶。

2.根据权利要求1所述的一种银核介孔金纳米结构材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1:在20℃-30℃下，将柠檬酸三钠溶液和氯化钠溶液依次加入到硝酸银溶液中混合，得到混合物；

S2:将所述混合物加入到含有抗坏血酸的沸水中保持沸腾30-60min，获得尺寸10-80nm粒径均一的银纳米粒子水溶胶；

S3:在20℃-30℃下，将银纳米粒子水溶胶超声处理10-30min，加入多种体积量的0.25mM氯金酸溶液，最终制备了对应的多种金银比例的银核介孔金溶胶。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1中1％柠檬酸三钠溶液和0.1M氯化钠溶液的体积比为1:0.01-0.1。

4.如权利要求1任一项所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1中1％柠檬酸三钠溶液、0.1M氯化钠溶液与0.01M硝酸银溶液体积比为1:0.01-0.1:1-3。

5.如权利要求1任一项所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1中混合时间为1-10min，最优选为5min。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述1％抗坏血酸溶液提前加入沸水中，提前时间为1min。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤S2中1％柠檬酸三钠溶液与1％抗坏血酸溶液体积比为1:0.01-0.5，最优选为1:0.1 。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤S3中银纳米粒子水溶胶与0.25mM氯金酸溶液体积比为12:0-5。

9.一种通过权利要求1-8任一项制备方法得到的银核介孔金纳米结构材料用作表面增强拉曼检测探针。

10.一种表面增强拉曼检测探针的制备方法，所诉方法包括如下步骤：

将权利要求1-8之一的制备方法所制备的银核介孔金溶胶与信标分子修饰，并与检测分子结合，获得表面增强拉曼检测探针。