CN108627492A - 一种pH敏感型表面增强拉曼散射探针及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米材料学和分析化学领域，具体涉及一种pH敏感型表面增强拉曼散射探针及其制备。探针为金属纳米粒子及吸附在贵金属纳米粒子的外层的pH敏感型拉曼报告分子；所述pH敏感型拉曼报告分子为pH酸碱指示剂。本发明的SERS探针具有制备成本低、方法简单、检测灵敏度高等优点，在生物医学pH测试、环境水体pH监测等领域具有重要的应用价值。

Description

一种pH敏感型表面增强拉曼散射探针及其制备

技术领域

本发明涉及纳米材料学和分析化学领域，具体涉及一种pH敏感型表面增强拉曼散射探针及其制备。

背景技术

表面增强拉曼散射(SERS)技术具有检测灵敏度高、适用于原位、无损、快速检测的优势，在环境分析监测领域引起了广泛关注。目前已报导的SERS分析方法多用于检测多环芳烃、农药杀虫剂及抗生素等有机污染物。众所周知，pH是天然水体基础性环境参数，其通常采用电极电位或紫外-可见光比色法测定。近年来，随着海洋酸化等重大环境基础科学研究的深入，迫切需要一种超灵敏的pH检测器用于监测水体微小pH 的变化。由于SERS技术的超灵敏性和原位快速监测性能，基于SERS的 pH传感器将成为解决该问题的重要选择。

目前已有一些基于SERS的pH敏感纳米探针的报道，这些探针以金、银贵金属纳米粒子为拉曼信号增强材料，以4-巯基苯甲酸、4-巯基吡啶、氨基苯硫酚等巯基化小分子作为拉曼报告分子。pH变化引起报告分子得失质子，引起报告分子SERS谱图中特定pH敏感峰强度的变化。通过构建敏感峰强度/稳定峰强度比值与pH的相关性曲线，探针可以用于探测活细胞中纳米微区的pH。在天然水体环境pH高灵敏测试等应用中，此类探针则受到了极大的限制。一方面，已有探针通常采用4-巯基苯甲酸等小分子作为拉曼报告分子，这些报告分子的拉曼散射截面较小，使得传感器的绝对拉曼散射强度弱，检测灵敏度低。另一方面，已有探针的报告分子种类较少，可以测定的pH范围受到局限。拓展pH敏感型报告分子种类，开发基于SERS技术、更为灵敏的pH检测原理，具有重要的科学意义和实际应用价值。

发明内容

本发明目的在于公开一种pH敏感型表面增强拉曼散射(SERS)探针及其制备。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)探针，探针为金属纳米粒子及吸附在贵金属纳米粒子的外层的pH敏感型拉曼报告分子；所述pH敏感型拉曼报告分子为pH酸碱指示剂。该探针适用于细胞等微环境的pH 测定。

所述pH敏感型拉曼报告分子为间甲酚紫，百里酚蓝，甲基橙，溴酚蓝，刚果红，茜素红S，溴甲酚绿，甲基红，溴酚红，溴甲酚紫，溴百里酚蓝，中性红，酚红，甲酚红，酚酞，百里酚酞中的一种或几种。在pH 变化时可以引起报告分子电子构型经历从拉曼非共振态到拉曼共振态的可逆性变化，体现为pH变化诱导报告分子溶液颜色的可逆性变化。

所述贵金属纳米粒子为粒径在10纳米-400纳米的金纳米球、金纳米棒、金纳米花、金纳米星、银纳米球、银纳米花、银纳米星、金核银壳金纳米粒子、银核金壳纳米粒子或金/银合金纳米粒子。

所述pH敏感型拉曼报告分子吸附在贵金属纳米粒子表面，以有信号能够产生即可。

一种pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)探针的制备方法，1)制备贵金属纳米粒子；2)将10^-6M至10^-3M的pH敏感型拉曼报告分子加入贵金属纳米粒子溶液，混合10到120分钟，形成纳米粒子和报告分子纳米复合物；3)将复合物离心洗涤并重新分散在水溶液中，即形成pH敏感 SERS纳米探针。

一种pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)芯片，芯片为所述探针吸附于载体上。该芯片适用于较大体积液体样品的pH测定。

所述载体为贝克曼滤纸、玻璃纤维纸、硅片或玻璃片。

一种pH敏感型SERS芯片的制备方法：

1)制备贵金属纳米粒子(1)，将载体(3)浸泡在含贵金属纳米粒子(1)的溶液中，放置12到36小时，并在水中荡洗去除未牢固结合的纳米粒子，形成纳米粒子吸附、具有SERS增强能力的SERS芯片；

2)将SERS芯片浸泡在10^-6M至10^-3M的pH敏感型报告分子(2)的水溶液中，放置10分钟至12小时，使pH敏感型报告分子(2)通过静电作用和范德华力吸附在贵金属纳米粒子(1)表面；进一步在水中荡洗去除为牢固吸附的报告分子，即形成pH敏感型SERS芯片。

本发明的pH敏感型SERS探针的检测原理为，pH变化可以引起贵金属纳米粒子表面报告分子电子构型经历可逆性变化，使其紫外光谱的最大吸收波长发生靠近或偏离拉曼光谱仪入射激光波长的移动，进而引发报告分子拉曼信号从弱的、非共振态的SERS信号到强的、表面增强共振拉曼散射(surface-enhanced Resonant Raman Scattering,SERRS)信号的可逆性变化。通过拉曼光谱仪测定不同pH条件下探针SERS信号强度，绘制pH-SERS强度标准曲线，进一步测定待测样品的SERS信号强度，对照标准曲线，即得到待测样品的pH。

本发明所具有的优点：

1、本发明利用pH变化可以引起报告分子电子构型经历从拉曼非共振态到拉曼共振态的可逆性变化原理，与已报道的传统pH敏感型SERS 探针相比，微弱颜色变化即可以引发SERS信号的显著变化，即检测灵敏度显著提高；与此同时在高灵敏度下还能以获取峰强度定量信息，在通过拟合标曲获得准确的pH测定，即定量。

2.本发明的制备方法操作简单、成本低廉并且环境友好，易于规模化生产；

3.本发明的pH敏感SERS纳米探针、SERS芯片生物传感其在生物医学测试、环境水质检测等应用领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；其中，a为pH敏感型SERS探针图,b 为pH敏感型SERS芯片图,贵金属纳米粒子1，pH敏感型拉曼报告分子2，贵金属纳米粒子载体3。

图2是本发明是实例提供的AuNR@Ag@Au纳米粒子扫描电镜图。

图3是本发明是实例提供的以间甲酚紫为报告分子，以AuNR@Ag@Au 纳米粒子为增强材料的纳米探针溶液在不同pH条件下的拉曼谱图。

图4是本发明是实例提供的负载AuNR@Ag@Au纳米粒子，基底为贝克曼滤纸的SERS纸芯片扫描电镜图。

图5是本发明是实例提供的以间甲酚紫为报告分子的pH敏感SERS 纸芯片在不同pH条件下的拉曼谱图。

图6是本发明是实例提供的以百里酚蓝为报告分子的pH敏感SERS 纸芯片在不同pH条件下的拉曼谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1.以间甲酚紫为pH敏感拉曼报告分子，以AuNR@Ag@Au纳米粒子为拉曼信号增强材料的SERS纳米探针，该方法包括如下步骤：

(1)合成AuNR@Ag纳米粒子。首先通过种子生长法制备金纳米棒 (AuNR)。

将0.24mL冰水配制NaBH₄(10mM)加入到HAuCl₄(2mL，0.5mM) 与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)(2mL，0.2M)的混合溶液中，静置 2小时，得到种子溶液。将HAuCl₄(13mL，23mM)、CTAB(200mL，0.2M)、 AgNO₃(11.2mL，4mM)和抗坏血酸(5mL，80mM)混合，生成生长溶液。将3.6mL种子液加入到生长液中，27-30℃放置过夜，即得AuNR溶液。将AuNR离心水洗两次(9100rpm，15min)，用水分散，调整溶液中AuNR 浓度，使750nm处的吸光值为1.7。取上述AuNR溶液300μL加入至CTAB 溶液(1mL，0.2M)，加水至6mL，依次加入抗坏血酸(20μL，0.1M)和AgNO₃(100μL，10mM)，加入NaOH(0.1M)调节溶液的pH为10 左右。搅拌20min后，再一次抗坏血酸(20μL，0.1M)和AgNO₃(200 μL，10mM)，加入NaOH(100μL，0.1M)。溶液颜色变黄，表明生成了AuNR@Ag纳米粒子。

(2)向CTAB(0.2M,9.8mL)和新鲜配制的抗坏血酸(0.1M,0.2 mL)混合溶液中加入HAuCl₄(0.1M,0.2mL)制得生长液。将NaOH(2.0 mL，0.5M)、抗坏血酸(2.0mL，0.5M)混合后加入26mL水制得还原溶液。取1mL AuNR@Ag纳米粒子溶液加入到2mL还原溶液中，然后加入1mL的生长液，溶液颜色由黄色逐渐变为蓝色，28℃条件下搅拌 15min，即得AuNR@Ag@Au纳米粒子(参见图2)。由图2可见合成的 AuNR@Ag@Au纳米粒子粒度均匀，尺寸在70nm左右。

(3)取2.0mL的AuNR@Ag@Au纳米粒子溶液，5000rpm离心10min 洗去游离的CTAB，分散在2.0mL水中。向该纳米粒子溶液中加入间甲酚紫溶液，使其浓度为10^-5M。室温放置2h后，5000rpm离心10min洗去游离的间甲酚紫，而后清洗后溶液分散在2.0mL水中，即得pH敏感型SERS纳米探针(参见图1中a)。

实施例2.以间甲酚紫为pH敏感拉曼报告分子，以AuNR@Ag@Au纳米粒子为拉曼信号增强材料的SERS纸芯片，该方法包括如下步骤：

(1)按照实施例1的方法制备合成AuNR@Ag@Au纳米粒子。

(2)取2.0mL的AuNR@Ag@Au纳米粒子溶液，5000rpm离心10min 洗去游离的CTAB，而后清洗后溶液分散在0.1mL水中。将0.5cm×0.5 cm的贝克曼滤纸纸片浸泡在AuNR@Ag@Au纳米粒子溶液中，室温放置12h。取出纸片后，用水冲洗除去未被吸附的纳米粒子，得到表面吸附纳米粒子的SERS纸芯片。将制好的SERS纸芯片浸泡在间甲酚紫溶液(10^-4M) 中，放置10min，然后用水洗去多余的报告分子，即得到pH敏感SERS 纸芯片(参见图1中b)。

(3)将纸芯片浸泡在pH 3至pH 10的的磷酸盐缓冲溶液中，检测芯片的拉曼图谱。拉曼测试以632.8nm波长的激光器(5mW)为激发光源(参见图5)。由图5可知，在pH 5以下，SERS纸芯片没有明显的SERS 信号。在pH 6至pH 8

范围内，随着pH上升，SERS信号显著增强。在pH大于8后，SERS 信号保持恒定。

实施例3.以百里酚蓝为pH敏感拉曼报告分子，以AuNR@Ag纳米粒子为拉曼信号增强材料的SERS纸芯片，该方法包括如下步骤：

(1)按照实施例1步骤(1)的方法制备合成合成AuNR@Ag纳米粒子。

(2)取5.0mL的AuNR@Ag纳米粒子溶液，6000rpm离心10min洗去游离的CTAB，分散在0.1mL水中。将0.5cm×0.5cm的贝克曼滤纸纸片浸泡在AuNR@Ag纳米粒子溶液中，室温放置24h。取出纸片后，用水冲洗除去未被吸附的纳米粒子，得到表面吸附纳米粒子的SERS纸芯片。将制好的SERS纸芯片浸泡在百里酚蓝溶液(10^-4M)中，放置10min，然后用水洗去多余的报告分子，即得到pH敏感SERS纸芯片。

(3)将纸芯片浸泡在pH 5至pH 9的磷酸盐缓冲溶液或湖水中并检测拉曼信号。配备632.8nm(5mW)的激光器为激发光源，样品溶液装载与纸芯片上通过10×显微物镜进行拉曼光谱测定(参见图6)。由图6 可知，在pH 5至pH 8范围内，随着pH上升，SERS信号显著增强。在 pH大于8后，SERS信号保持恒定。

上述实施例获得的探针以及芯片均具有本发明优点中记载的效果特征，并且按照上述实施例的记载将报告分子进行相应的替换也会得到相应不同探针并具有一样的效果，现仅以实施例3中芯片为例与现阶段采用以巯基小分子为报告分子获得探针进行灵敏度的检测比对比，详见表 1。

表1

注：I_pH6/I_pH8或I_pH8/I_pH6表示在pH 6和pH 8条件下测定SERS信号的比值，该值越大，说明探针信号对pH变化越灵敏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)探针，其特征在于：探针为金属纳米粒子及吸附在贵金属纳米粒子的外层的pH敏感型拉曼报告分子；所述pH敏感型拉曼报告分子为pH酸碱指示剂。

2.按权利要求1所述的pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)探针，其特征在于：所述pH敏感型拉曼报告分子为间甲酚紫，百里酚蓝，甲基橙，溴酚蓝，刚果红，茜素红S，溴甲酚绿，甲基红，溴酚红，溴甲酚紫，溴百里酚蓝，中性红，酚红，甲酚红，酚酞，百里酚酞中的一种或几种。

3.按权利要求1所述的pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)探针，其特征在于：所述贵金属纳米粒子为粒径在10纳米-400纳米的金纳米球、金纳米棒、金纳米花、金纳米星、银纳米球、银纳米花、银纳米星、金核银壳金纳米粒子、银核金壳纳米粒子或金/银合金纳米粒子。

4.一种按权利要求1所述的pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)探针的制备方法，其特征在于：1)制备贵金属纳米粒子；2)将10^-6M至10^-3M的pH敏感型拉曼报告分子加入贵金属纳米粒子溶液，混合10到120分钟，形成纳米粒子和报告分子纳米复合物；3)将复合物离心洗涤并重新分散在水溶液中，即形成pH敏感SERS纳米探针。

5.一种pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)芯片，其特征在于：芯片为权利要求1所述探针吸附于载体上。

6.按权利要求5所述的pH敏感表面增强拉曼散射(SERS)芯片，其特征在于：所述载体为贝克曼滤纸、玻璃纤维纸、硅片或玻璃片。

7.一种按权利要求5所述的pH敏感型SERS芯片的制备方法，其特征在于：

1)制备贵金属纳米粒子(1)，将载体(3)浸泡在含贵金属纳米粒子(1)的溶液中，放置12到36小时，并在水中荡洗去除未牢固结合的纳米粒子，形成纳米粒子吸附、具有SERS增强能力的SERS芯片；

2)将SERS芯片浸泡在10^-6M至10^-3M的pH敏感型报告分子(2)的水溶液中，放置10分钟至12小时，使pH敏感型报告分子(2)通过静电作用和范德华力吸附在贵金属纳米粒子(1)表面；进一步在水中荡洗去除为牢固吸附的报告分子，即形成pH敏感型SERS芯片。