CN109358033A

CN109358033A - 一种核-卫星型金银复合纳米sers基底及其制备方法

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Publication number: CN109358033A
Application number: CN201910014401.5A
Authority: CN
Inventors: 王运庆; 梅荣超; 陈令新
Original assignee: Yantai Institute of Coastal Zone Research of CAS
Current assignee: Yantai Institute of Coastal Zone Research of CAS
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2019-02-19
Anticipated expiration: 2039-01-08
Also published as: CN109358033B

Abstract

本发明涉及一种核‑卫星型金银复合纳米SERS基底及其制备方法。该颗粒由四层结构复合而成，由里到外依次为：金纳米粒子核心、磷脂双层、垂直于金纳米粒子核心的金纳米棒阵列、原位生长在金纳米棒阵列外侧短径端面的银纳米颗粒。制备方法：制备金纳米粒子核心，然后使磷脂双层吸附在金纳米粒子核心上，其次在磷脂双分子层上原位生长金纳米棒阵列，最后用巯基分子修饰金纳米棒阵列长径端面，用抗坏血酸还原硝酸银的方法在金纳米棒阵列外侧短径端面原位生长银纳米颗粒。该核‑卫星型金银复合纳米SERS基底制备方法简单易行、产物的形貌与粒径可控。

Description

一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料学和分析化学领域，具体涉及一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底及其制备方法。

背景技术

由于工业色素具有色泽鲜亮、不易褪色等特点，其已被不法分子使用在食品添加剂中代替食用色素，但长期超量使用可严重危害人类健康。目前，表面增强拉曼散射（SERS）技术在食品色素安全监测领域受到了前所未有的重视。不仅因为其拉曼光谱特征性强，通过与标准光谱比对，可快速定性待测物的组成，和拉曼测试无损快速（小于10秒），所需样品量少，无需复杂试样的前处理等优势，更在于贵金属纳米粒子可使分子的拉曼信号最大提高数千倍，超高的检测灵敏度使其在色素的痕量分析中显示了巨大的应用潜力。其中，贵金属纳米粒子的形貌对这种超高的检测灵敏度具有决定性影响。

近年来，金银复合结构纳米颗粒在SERS研究中被广泛关注，主要有如下原因：（1）金银复合纳米颗粒不但具有纳米金高的稳定性特点，也具有纳米银高的SERS增强能力优点；（2）金银复合纳米颗粒在其形状、尺寸和表面形貌的控制方面比单独的纳米金或银具有更大的灵活性；（3）金银复合纳米颗粒的等离子共振吸收峰（SPR）可以容易地调制到适合的位置来获得最大的SERS增强能力。

目前的金银复合纳米颗粒主要是通过原位生长法在纳米金的表面包裹一层银纳米层，或者是通过中间连接物在纳米金上自组装一定数量的银纳米颗粒。前者形成银在纳米金上连续均匀生长的银包金纳米颗粒，这种颗粒表面光滑，SERS增强能力较弱；后者金的表面能形成不连续的纳米银颗粒，产生了核—卫星型的纳米结构，由于纳米颗粒间隙能形成很强的局域电磁场（SERS“热点”），其能产生较好的SERS增强效应。但是，这种方式制备的复合粒子中，存在如下缺点：（1）银纳米颗粒的数量与间距很难精确控制，会严重影响其形貌均匀性与SERS增强能力；（2）这种自组装的合成过程中将不可避免的导致一些银纳米颗粒不能与金粒子链接，从而产生银纳米颗粒的浪费和最后分离困难、产率低及结构差异大等问题；

最近出现了少数报道，通过原位生长的方法在纳米金的表面连接物（如二氧化硅）上形成不连续的银纳米颗粒，这种方法合成的核—卫星型金银复合纳米颗粒具有形貌均匀、产率高等优点，但这种结构内部只能形成金纳米粒子核心与银纳米颗粒卫星间的2D SERS热点，其增强能力仍有限。综上所述，开发高结构均匀度和高SERS活性的新型金银复合纳米颗粒对食品中违禁色素的检测很有必要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底及其制备方法。该颗粒具备高SERS活性。

本发明提供一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底的制备方法，步骤包括：

1）采用种子生长法合成直径为20—400 nm金纳米粒子核心；

2）以磷脂为原料经薄膜分散法获得2—10 mg/ml的脂质体，所述脂质体直径为50—500nm；

3）将步骤2）的脂质体与步骤1）的金纳米粒子混合24 h，得到磷脂双层吸附的金纳米球；

4）取步骤3）获得的磷脂双层吸附的金纳米球，温和搅拌下依次加入所述磷脂双层吸附的金纳米球的1/25至1/5体积的0.01 mol/L 抗坏血酸、与抗坏血酸相同体积的2.5 mmol/L氯金酸溶液，得到金纳米棒阵列，所述金纳米棒的长径为5-50 nm；

5）将浓度为10^-5—10^-3 mol/L的巯基分子与步骤4）获得的金纳米棒阵列混合6 h，温和搅拌下依次加入金纳米棒阵列1/50至1/5体积的0.01 mol/L AgNO₃、与AgNO₃相同体积的0.01 mol/L抗坏血酸、金纳米棒阵列1/250至1/25体积的2.8%氨水，即得核-卫星型金银复合纳米SERS基底。

进一步的，步骤2）中所述磷脂为二月桂酰基卵磷脂，1-棕榈酰基-2-油酰基卵磷脂, 二油酰基卵磷脂, 二油酰磷脂酰乙醇胺中的一种或者几种混合。

进一步的，步骤3）中所述脂质体与金纳米粒子核心的体积比2：1—5：1。

进一步的，所述的巯基分子为巯基乙胺、半胱氨酸、苯硫酚、二硫苯酚、4-硝基苯硫酚、4-氨基苯硫酚、巯基苯甲酸、烷硫醇、1，4-苯二硫醇中的一种。

本发明还提供一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底，所述核-卫星型金银复合纳米SERS基底由四层结构复合而成，由内向外分别为：金纳米粒子核心、磷脂双层、垂直于金纳米粒子核心的金纳米棒阵列、银纳米颗粒。

本发明还提供一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底作为SERS纳米光学探针或SERS增强基底在分析检测与生物标记中的应用。

有益效果：

1.本发明采用原位生长的方法，在纳米金外生成不连续的银纳米颗粒，不但银纳米颗粒间距与大小可控，而且合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底粒径与形貌均一，重现性与分散性好。

2.本发明合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底中金纳米粒子核心、金纳米棒阵列、银纳米颗粒间能形成超强的3D SERS热点结构，相较于传统的2D结构，其具有优异的SERS增强能力，其作为SERS增强基底材料具有广泛的应用前景。

3. 本发明合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底的SERS光谱性质可以调控。通过改变本发明中使用的巯基分子种类，既可以合成自身具有拉曼信号的SERS纳米光学探针，也可以合成自身无拉曼信号背景，适合用于违禁色素等待测物分析的高灵敏SERS基底颗粒。

4.本发明的核-卫星型金银复合纳米SERS基底合成过程简便、产率大、无副产物、便于规模化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的制备核-卫星型金银复合纳米SERS基底示意图。

图2为本发明实施例1的70-80 nm金纳米球核心外生长了金纳米棒阵列的扫描电镜图。

图3为本发明实施例1的核-卫星型金银复合纳米SERS基底扫描电镜图。

图4为本发明实施例2的核-卫星型金银复合纳米SERS基底扫描电镜图。

图5为本发明的SERS图。

其中图5A为实施例1合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底SERS图；图5B为实施例2合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底SERS图；图5C为实施例1中步骤（4）所制备的核—卫星结构金纳米粒子SERS图；图5D为实施例1中步骤（1）所制备的1 ml的70-80 nm金纳米球SERS图。

图6为本发明对比例1中的不使用巯基分子保护直接合成的金银复合纳米颗粒扫描电镜图。

图7为本发明实施例1的金银复合纳米颗粒和对比例1的金银复合纳米颗粒的SERS增强能力比较图。

其中图7A代表本发明实施例1的金银复合纳米颗粒；图7B代表对比例1的金银复合纳米颗粒。

图8为本发明应用例1的以实施例1合成的120-130nm金银复合纳米颗粒对以结晶紫、孔雀石绿、罗丹明6G为代表的食品违禁工业色素的拉曼检测图。

其中8A代表结晶紫，8B代表孔雀石绿，8C代表罗丹明6G，8D代表巯基乙胺合成的核—卫星型金银复合纳米颗粒。

图9为本发明实施例3、实施例4、实施例5的以4-硝基苯硫酚，4-氨基苯硫酚，1，4-苯二硫醇合成的核—卫星型金银复合纳米颗粒纳米光学探针的拉曼图。

其中9A代表4-硝基苯硫酚，9B代表1，4-苯二硫醇，9C代表4-氨基苯硫酚。

具体实施方式

以下实施将结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

一种120-130 nm核-卫星型金银复合纳米SERS基底的制备方法，步骤包括：以70-80 nm的金纳米球作为金纳米粒子核心，以蛋黄磷脂作为磷脂材料，以巯基乙胺作为保护分子，利用抗坏血酸还原硝酸银的方法原位合成120-130 nm核-卫星型金银复合纳米SERS基底（参见图1）。具体步骤包括：

（1）70-80 nm金纳米球的制备：首先取50 μl的氯金酸（50 mmol/L）溶于4.95 ml纯水中，加入5 ml十六烷基三甲基溴化铵（0.2 mol/L），搅拌均匀后，在27 ℃下，加入600 μl 冰镇的（0 ℃以下）0.01 mol/L的硼氢化钠反应15 min，静置3 h后，制得金种子；然后，将2 ml十六烷基三甲基氯化铵（0.2 mol/L），1.5 ml抗坏血酸（0.1 mol/L），50 μl上述金种子溶液充分搅拌混合，在27 ℃加入2 ml氯金酸（0.5 mmol/L）反应15 min，将上述产物12000 rpm离心清洗二次后，浓缩在1 ml十六烷基三甲基氯化铵（0.02 mol/L）中，得到10 nm金核溶液。将40 ml十六烷基三甲基氯化铵（0.1 mol/L），2.6 ml抗坏血酸（0.01 mol/L），100 μl上述10 nm金核溶液充分搅拌混合，在27 ℃下，用注射泵以40 ml/h的速率加入40 ml的氯金酸（0.5 mmol/L），滴加完毕后继续反应15 min，得70-80 nm金球核心，待用。

（2）脂质体的制备：取蛋黄磷脂于圆底烧瓶中，加入无水乙醇溶解，使混合液中蛋黄磷脂终浓度为5 mg/ml。完全溶解后，37℃旋蒸除去乙醇，使圆底烧瓶壁上形成薄膜，真空干燥2 h。再加入与无水乙醇量相同的纯水水化薄膜，振揺使瓶壁上的薄膜完全溶解，得到浑浊的白色溶液，超声直至溶液澄清透明，将所得的透明溶液过0.22 μm滤膜3次，得脂质体，待用。

（3）磷脂双层吸附的70-80 nm金纳米球的制备：取70-80 nm金纳米球1 ml，3000rpm离心10 min后吸去上清液，底部沉淀用1 ml脂质体溶液分散，室温放置过夜后，3000rpm离心10 min，吸去上清液。底部沉淀用50 μl纯水分散后，逐滴加入到1 ml脂质体中，50℃下搅拌4 h后，3000 rpm离心10 min，吸去上清液，用1 ml纯水分散, 实现脂质体的磷脂双层吸附在金纳米球表面。

（4）金纳米棒阵列的生长：取磷脂双层吸附的金纳米球1ml（浓度调至最大吸收波长处吸光度为1.0），室温温和搅拌下依次加入100 μl的抗坏血酸（0.1 mol/L）与100 μl的氯金酸（2.5 mmol/L）后，溶液立即变蓝色，得垂直于金纳米粒子核心的金纳米棒阵列，即核—卫星结构金纳米粒子（参见图2）。

本发明棒状卫星粒子是一个必要条件。只有棒状结构才能实现银在端面的选择性生长，进而形成形貌均匀的3D热点结构。如果单独在金球表面长银，形成的结果不均匀。

本发明巯基修饰各向异性（长径和短径不同）的金纳米棒，目的是用于调控以金纳米棒为核心所形成金-银合金的形貌，实现的前提是巯基分子的位点选择性修饰。金棒结构侧面平滑，巯基分子易于结合形成致密单层，金的裸露少；而端侧较尖，曲率大，巯基分子结合概率小，金的裸露多。银层优先在裸露的金界面处生长，因此形成了端侧优先长成银球的3D结构。

（5）120-130 nm核-卫星型金银复合纳米SERS基底的制备：取（4）的金纳米棒阵列1.5 ml，加入10^-5 mol/L的巯基乙胺，室温下放置6 h后，即得巯基乙胺保护金纳米棒阵列长径端面的纳米粒子。取该纳米粒子溶液3000 rpm离心10 min，吸去上清液，底物用1 mmol/L的1.5 ml CTAB分散，温和搅拌，加入100 μl的0.01 mol/L硝酸银、100 μl的0.01 mol/L抗坏血酸、20 μl的2.8%氨水，当溶液立刻由蓝色变为灰色，即得核-卫星型金银复合纳米SERS基底（参见图3）。

本发明一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底的制备方法，先合成外表面垂直吸附了金纳米棒阵列的金纳米球的核—卫星结构金纳米粒子，通过巯基分子对金纳米棒阵列长径侧面的保护，使核—卫星结构金纳米粒子表面裸出均匀分布的金纳米棒阵列端面位点，从而使银纳米颗粒原位均匀生长在该位点上，最终形成这种高结构均匀度和高SERS活性的新型3D金银复合纳米颗粒，最后将该金银复合纳米颗粒用于食品类违禁色素的检测，表明其巨大的应用潜力。

实施例2

实施例2的制备方法和实施例1相同，与实施例1不同之处在于：

步骤（5）中不是加入100 μl的0.01 mol/L硝酸银、100 μl的0.01 mol/L抗坏血酸、20 μl的2.8%氨水。而是依次加入60 μl的0.01 mol/L硝酸银、60 μl的0.01 mol/L抗坏血酸、12μl的2.8%氨水，当溶液立刻由蓝色变为灰色，即得核-卫星型金银复合纳米SERS基底（参见图4）。

由图2、3、4可见金纳米球核心外生长了金纳米棒阵列结构，且金纳米棒阵列短径端面生长了不连续的银纳米颗粒，这种银纳米颗粒大小与密度分布均匀，整体的核-卫星型金银复合纳米SERS基底粒径与形貌均一、分散性好。

本发明步骤（5）所用的硝酸银的量对本发明来说是重要的。银纳米颗粒的数量与间距和步骤（5）所用的硝酸银的量有关，即通过改变反应过程中硝酸银的体积，可以控制金纳米棒阵列外侧银纳米颗粒的数量与间距。从图3与4的对比中可以看出，加入60 μl硝酸银条件形成银纳米颗粒数量明显少于100μl硝酸银条件。银纳米颗粒间距从12.7nm下降至7.4nm （用Nanomeasure软件测量）。

120-130 nm核-卫星型金银复合纳米SERS基底SERS增强能力的考察：

取实施例1中步骤（1）所制备的70-80 nm金纳米球、实施例1中步骤（4）所制备的核—卫星结构金纳米粒子、实施例1中所制备的核-卫星型金银复合纳米SERS基底、实施例2中所制备的核-卫星型金银复合纳米SERS基底，它们分别各自加入10^-6 mol/L 的拉曼报告分子3.3’二乙基硫醛三碳菁化碘（DTTC），在激光强度为4 mW，激光波长为770-80 nm的条件下测得它们对其拉曼信号强度（参见图5）。

由图5可以看出，本发明实施例1合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底（图5A）SERS信号强度约为4500cps，本发明实施例1合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底（图5A）对于3.3’二乙基硫醛三碳菁化碘（DTTC）报告分子的SERS增强能力明显优于内层实施例1中步骤（1）所制备的1 ml的70-80 nm金纳米球（图5D），且其增强能力约是实施例1中步骤（4）所制备的核—卫星结构金纳米粒子的20倍（图5C），约是实施例2中所制备的核-卫星型金银复合纳米SERS基底的3倍（图5B），以上结果表明实施例1合成的核-卫星型金银复合纳米SERS基底具有优异的SERS增强性能。

对比例1

一种金银复合纳米颗粒的制备方法，步骤包括：以70-80 nm的金纳米球作为金纳米粒子核心，以蛋黄磷脂作为磷脂材料，不使用巯基保护分子，直接利用抗坏血酸还原硝酸银的方法原位合成金银复合纳米颗粒，与实施例1不同之处具体在于：

取实施例1中步骤（4）的金纳米棒阵列1.5 ml，3000 rpm离心10 min，吸去上清液，底物用1 mmol/L，1.5 ml CTAB分散，温和搅拌下依次加入60 μl，0.01 mol/L硝酸银、60 μl，0.01 mol/L抗坏血酸、12 μl，2.8%氨水后，溶液立刻由蓝色变为黄色，即得金银复合纳米颗粒。

图6为对比例1的金银复合纳米颗粒的扫描电镜图。由图6可见，不使用巯基保护分子直接生长时，将得到表面光滑的壳层结构。

取1 ml该金银复合纳米颗粒与1 ml实施例1中使用巯基保护分子合成的核—卫星型的金银复合纳米颗粒各自加入10^-6mol/L的拉曼报告分子DTTC，在激光强度为4 mW，激光波长为770-80 nm的条件下测得它们对DTTC的SERS图谱（参见图7）。

图7可见使用巯基保护分子合成的核—卫星型的金银复合纳米颗粒（图7A）对DTTC的SERS增强能力约是这种壳层结构金银复合纳米颗粒（图7B）的12倍，以上结果表明巯基保护分子是形成这种结构和保证优异SERS增强能力的关键因素。

实施例3

实施例3的制备方法和实施例1相同，与实施例1不同之处在于：

步骤（5）中不是加入巯基乙胺作为巯基分子，而是采用4-硝基苯硫酚作为巯基分子。

实施例4

实施例4的制备方法和实施例1相同，与实施例1不同之处在于：

步骤（5）中不是加入巯基乙胺作为巯基分子，而是采用4-氨基苯硫酚作为巯基分子。

实施例5

实施例5的制备方法和实施例1相同，与实施例1不同之处在于：

步骤（5）中不是加入巯基乙胺作为巯基分子，而是采用1，4-苯二硫醇作为巯基分子。

将实施例3-5得到的核-卫星型金银复合纳米SERS基底SERS纳米光学探针，在激光强度为4 mW，激光波长为780 nm的条件下测得它们各自的SERS光谱（参见图9）。

本发明中的4-硝基苯硫酚、4-氨基苯硫酚、1，4-苯二硫醇均起到了起到了双重作用。一方面调控银的生长位点，形成3D结构的粒子形貌；另一方面这些分子具有明显的特征拉曼谱峰，作为报告分子使金银复合纳米颗粒自身获得高灵敏SERS信号。该颗粒具有SERS纳米探针的应用潜力。

应用例1

以实施例1中合成的120-130 nm核-卫星型金银复合纳米SERS基底作为SERS基底，测试结晶紫、孔雀石绿、罗丹明6G等违禁食品色素。

取3份500μl的120-130nm核-卫星型金银复合纳米SERS基底，分别加入5μl的10^-5mol/L的结晶紫、5μl的10^-5 mol/L的孔雀石绿、5μl的10^-5 mol/L的罗丹明6G，在激光强度为4 mW，激光波长为632.8 nm的条件下测定各溶液的拉曼信号。

由图8可见，以巯基乙胺为巯基分子合成的纳米颗粒无拉曼信号背景。加入结晶紫、孔雀石绿、罗丹明6G的溶液，都能检测出各色素的特征拉曼信号。

该结果表明，选用无特征拉曼峰的巯基分子合成核-卫星型金银复合纳米SERS基底，产物无SERS信号背景，但对待测物有良好的SERS增强能力，可以作为增强基底用于食品中违禁色素的高灵敏检测。

上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底的制备方法，其特征在于，步骤包括：

1）采用种子生长法合成直径为20—400 nm金纳米粒子核心；

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述磷脂为二月桂酰基卵磷脂，1-棕榈酰基-2-油酰基卵磷脂, 二油酰基卵磷脂, 二油酰磷脂酰乙醇胺中的一种或者几种混合。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述脂质体与金纳米粒子核心的体积比2：1—5：1。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的巯基分子为巯基乙胺、半胱氨酸、苯硫酚、二硫苯酚、4-硝基苯硫酚、4-氨基苯硫酚、巯基苯甲酸、烷硫醇、1，4-苯二硫醇中的一种。

5.一种核-卫星型金银复合纳米SERS基底，其特征在于，所述核-卫星型金银复合纳米SERS基底由四层结构复合而成，由内向外分别为：金纳米粒子核心、磷脂双层、垂直于金纳米粒子核心的金纳米棒阵列、银纳米颗粒。

6.如权利要求5所述的核-卫星型金银复合纳米SERS基底，其特征在于，所述金纳米粒子核心是金纳米球、金正八面体、金正十面体、金正十二面体或金立方体。

7.一种如权利要求1-4任一项所述方法制备的核-卫星型金银复合纳米SERS基底在分析检测与生物标记中的应用。

8.一种如权利要求5或6所述的核-卫星型金银复合纳米SERS基底在分析检测与生物标记中的应用。