CN110296973A - 一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于SERS检测的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，步骤简单、操作方便，制备得到的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料中，Ag纳米粒子在SiO2微球表面均匀吸附，可以产生重复性高稳定性强的SERS信号，具有优异的拉曼增强效果；且外部包裹ZrO2其稳定性高，可以提高环境适应性，保护Ag纳米粒子不受破坏。

Description

一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及SERS检测技术领域，更具体的说是涉及一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料及其制备方法和应用。
背景技术
表面增强拉曼散射(SERS)是一种功能强大的振动光谱分析技术，可以在等离子体纳米结构表面或单分子水平上提供无损和超灵敏的表征，可以提供红外光谱分析中难度较大的低波数区域的信息，具有指纹图谱、单分子水平的灵敏度和无损数据采集能力，在农业生产、环境监测、化学分析和食品安全等领域具有广阔的应用前景。目前，贵金属纳米粒子由于其广泛的等离子体共振区和表面等离子体共振的拉曼信号放大效应，在可见光区域表现出较强的拉曼增强效果，被广泛用作SERS活性底物。
但是，现阶段采用的SERS活性底物材料仍存在明显技术缺陷，一方面，现有的SERS活性底物材料中贵金属纳米粒子分布均匀性差，从而造成吸附在SERS活性底物上的分析物的分布程度不均匀，进而造成很难利用表面增强拉曼散射获得可重复信号。另一方面，以银为代表的贵金属纳米粒子容易受到环境的影响，从而导致拉曼信号降低；且利用银纳米粒子作为基底时，银纳米粒子在空气中容易被氧化，从而导致基底结构破坏。所以，利用银纳米粒子作为SERS底物进行拉曼检测时，需要考虑实际的测试环境，严重限制了SERS的实际应用范围。
因此，如何提高用于SERS检测的纳米材料中贵金属纳米粒子分布均匀性、同时提高纳米材料的环境适应性是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于SERS检测的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，步骤简单、操作方便，制备得到的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料中，Ag纳米粒子在SiO2微球表面均匀吸附，可以产生重复性高稳定性强的SERS信号，具有优异的拉曼增强效果；且外部包裹ZrO2其稳定性高，可以提高环境适应性，保护Ag纳米粒子不受破坏。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料，所述纳米材料由SiO2内核、包裹在所述SiO2内核表面的银纳米层和包裹于所述银纳米层表面的ZrO2壳层；所述SiO2内核的粒径为375nm～425nm，所述银纳米层的厚度为20nm～30nm，所述ZrO2壳层的厚度为3～5nm。
本发明还提供了一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备SiO2微球：将正硅酸乙酯与氨水在乙醇溶剂中反应；然后经过分离、纯化制备得到SiO2微球；
(2)制备改性SiO2微球：将3-氨丙基三甲氧基硅烷加入至上述SiO2微球的溶液中进行反应；依次经过分离、纯化制备得到改性SiO2微球；
(3)制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒：将上述改性SiO2微球的溶液、聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和银氨溶液混合反应；依次经过离心洗涤、超声分散制备得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒；
(4)制备改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液：将上述SiO2@Ag纳米颗粒的水溶液与L-精氨酸、环己烷和(3-巯基丙基)三甲氧基硅反应，重复进行离心、分离去除液体、再分散至乙醇操作，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液；
(5)制备SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒：将改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液与丙醇锆乙醇溶液反应，经过离心分离除去液体得到浓缩的SiO2@Ag@ZrO2纳米颗粒，分散至乙醇中形成乙醇悬浮液，将乙醇悬浮液重复进行离心、分离和分散的操作，经过浓缩、分散至去离子水中，得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒。
上述优选技术方案的有益效果：在本发明公开的方法中先利用正硅酸乙酯与氨水反应SiO2微球，再通过SiO2微球与3-氨丙基三甲氧基硅烷的反应得到改性SiO2微球，有利于在SiO2微球吸附银纳米颗粒；将SiO2@Ag纳米颗粒与L-精氨酸、环己烷和(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷反应可以得到(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷修饰的SiO2@Ag纳米颗粒，从而有利于与丙醇锆溶液反应得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒。本发明公开的方法制备得到的纳米材料中银纳米颗粒均匀的吸附于SiO2微球中，避免银纳米颗粒团聚，使得纳米材料表现出均匀的拉曼信号增强效果；且SiO2微球表面积大，可以吸附大量的银纳米颗粒，从而提高拉曼增强效果；超薄壳层既可以防止纳米颗粒团聚，使纳米颗粒分散良好；同时，ZrO2是一种表面同时具有酸活性和碱活性中心的高折射率材料，高折射率有利于增强SERS信号，适用于强酸、强碱环境，所以该纳米材料可以作为SERS衬底用于复杂恶劣环境下的拉曼检测。本发明制备得到的纳米颗粒沉积在硅片上，然后将待测物滴在样品基底上进行SERS检测。
优选的，所述步骤(1)具体包括如下步骤：
(11)将TEOS按照1.5：15～16的体积比加入至乙醇中制得A溶液，备用；将质量浓度为的25％～28％氨水按照3：(13～14)的体积比加入至乙醇中制得B溶液，备用；
(12)将上述A溶液和B溶液按照体积比为(16.7～17)：(16.7～17)在转速≥10000rpm搅拌条件下混合均匀，在15～25℃、250～300rpm条件下搅拌反应2h，产物在6000～8000rpm条件下离心洗涤，接着溶解至乙醇中，超声20min～30min得到单分散SiO2纳米颗粒；
(13)将单分散的SiO2纳米颗粒进行离心，在60～70℃真空条件下干燥1.5～2h，即可得到SiO2微球。
优选的，所述步骤(2)具体包括如下步骤：
(21)将上述SiO2微球加入至去离子水中搅拌10～15min，得到2wt％的SiO2微球溶液；
(22)在搅拌下将3-氨丙基三甲氧基硅烷按照体积比为60ul：20ml逐滴加入至上述SiO2微球溶液中，搅拌下反应2h，接着在78～82℃水浴以及搅拌条件下加热1h；
(23)反应结束后将产物溶解在无水乙醇中，然后放在离心管中、置于在离心机中以6000～8000rpm进行离心洗涤，洗涤次数在4～5次；然后在60～70℃真空条件下干燥2h得到改性SiO2微球。
优选的，其特征在于，步骤(22)中所述的搅拌条件为500～600rpm。
优选的，所述步骤(3)具体包括如下步骤：
(31)将改性SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的改性SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(32)将上述改性SiO2微球溶液、聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和银氨溶液按照体积比为2:2:11混合后在500～600rpm条件下搅拌20～30min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(33)反应结束将产物溶解在10～15ml的乙醇中，然后放在离心机内以6000～8000rpm离心4～5次，得到的固体产物溶解至去8～10ml离子水中超声20～30min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
优选的，所述步骤(4)具体包括如下步骤：
(41)将上述单分散SiO2@Ag纳米颗粒干燥后溶解至去离子水中，得到浓度为0.25mg/mL的SiO2@Ag纳米颗粒水溶液；配置浓度为0.02mol/L的L-精氨酸溶液，备用；按照体积比为20mL:10mL:12mL：12μL分别量取上述SiO2@Ag纳米颗粒水溶液、L-精氨酸溶液、环己烷和(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；
(42)将L-精氨酸溶液加入至SiO2@Ag纳米颗粒水溶液中，在搅拌条件下加入环己烷，再加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；接着在搅拌条件下反应2h；
(43)反应结束后经过分液处理将有机相从水相中分离，将有机相在6000～8000rpm条件下离心10min，重复进行4～5次在乙醇中浓缩、离心洗涤操作，分离去除液体后得到沉淀物；将沉淀物分散至乙醇中，然后重复进行浓缩、在乙醇中分散的操作2次，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液。
优选的，步骤(42)中所述的搅拌条件为500～600rpm。
优选的，所述步骤(5)具体包括如下步骤：
(51)按照体积比为1μL:1mL将丙醇锆加入乙醇中搅拌均匀，得到丙醇锆的乙醇溶液；
(52)在搅拌条件下将丙醇锆乙醇溶液按照体积比为0.6:20加入至上述改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液中；然后在搅拌条件下反应30min；
(53)反应结束后产物在6000～8000rpm转速条件下离心8～10min，分离除去液体后得到沉淀；将沉淀分散至乙醇中，然后重复进行浓缩3～4次、得到乙醇悬浮液；
(54)先将乙醇悬浮液浓缩得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒，再将其分散至去离子水中。
优选的，步骤(52)中所述的搅拌条件为500～600rpm。
本发明还公开了一种如上所述的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料在SERS检测中的应用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于SERS检测的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，具有如下有益效果：
(1)本发明公开的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料制备方法步骤简单、操作方便；
(2)制备得到的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料中，Ag纳米粒子在SiO2微球表面均匀吸附，可以产生重复性高稳定性强的SERS信号，具有优异的拉曼增强效果；且外部包裹ZrO2其稳定性高，可以提高环境适应性，保护Ag纳米粒子不受破坏
(3)SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒制备方法具有怎样的有益效果：制备方法简单，操作方便成功制备出多层核壳结构纳米颗粒作为SERS基底的实验研究，其应用前景广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例提供的制备方法流程图；
图2附图为为实施例2、B为实施例1、C为实施例3制备得到的多层SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒扫描电镜(SEM)检测图；
图3附图为实施例1步骤(1)制备得到的SiO2纳米微球进行扫描电镜(SEM)检测图；
图4附图实施例1步骤(2)制备得到的改性SiO2纳米微球进行扫描电镜(SEM)检测；
图5附图为实施例1步骤(3)单分散SiO2@Ag纳米颗粒进行扫描电镜(SEM)检测图；
图6附图为对比例1制备得到的单分散SiO2@Ag纳米颗粒进行扫描电镜(SEM)检测；
图7附图为实施例1～3制备得到的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒的SERS活性测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备SiO2微球：
(11)将TEOS按照1.5：15～16的体积比加入至乙醇中制得A溶液，备用；将质量浓度为的25％～28％氨水按照3：(13～14)的体积比加入至乙醇中制得B溶液，备用；
(12)将上述A溶液和B溶液按照体积比为(16.7～17)：(16.7～17)在转速≥10000rpm搅拌条件下混合均匀，在15～25℃、250～300rpm条件下搅拌反应2h，产物在6000～8000rpm条件下离心洗涤，接着溶解至乙醇中，超声20min～30min得到单分散SiO2纳米颗粒；
(13)将单分散的SiO2纳米颗粒进行离心，在60～70℃真空条件下干燥1.5～2h，即可得到SiO2微球。
(2)制备改性SiO2微球
(21)将上述SiO2微球加入至去离子水中搅拌10～15min，得到2wt％的SiO2微球溶液；
(22)在500～600rpm搅拌下将3-氨丙基三甲氧基硅烷按照体积比为60ul：20ml逐滴加入至上述SiO2微球溶液中，在500～600rpm搅拌下反应2h，接着在78～82℃水浴以及搅拌条件下加热1h；
(23)反应结束后将产物溶解在无水乙醇中，然后放在离心管中、置于在离心机中以6000～8000rpm进行离心洗涤，洗涤次数在4～5次；然后在60～70℃真空条件下干燥2h得到改性SiO2微球。
(3)制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒
(31)将改性SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的改性SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(32)将上述改性SiO2微球溶液、聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和银氨溶液按照体积比为2:2:11混合后在500～600rpm条件下搅拌20～30min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(33)反应结束将产物溶解在10～15ml的乙醇中，然后放在离心机内以6000～8000rpm离心4～5次，得到的固体产物溶解至去8～10ml离子水中超声20～30min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
(4)制备改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液
(41)将上述单分散SiO2@Ag纳米颗粒干燥后溶解至去离子水中，得到浓度为0.25mg/mL的SiO2@Ag纳米颗粒水溶液；配置浓度为0.02mol/L的L-精氨酸溶液，备用；按照体积比为20mL:10mL:12mL：12μL分别量取上述SiO2@Ag纳米颗粒水溶液、L-精氨酸溶液、环己烷和(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；
(42)将L-精氨酸溶液加入至SiO2@Ag纳米颗粒水溶液中，在500～600rpm搅拌条件下加入环己烷，再加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；接着在500～600rpm搅拌条件下反应2h；
(43)反应结束后经过分液处理将有机相从水相中分离，将有机相在6000～8000rpm条件下离心10min，重复进行4～5次在乙醇中浓缩、离心洗涤操作，分离去除液体后得到沉淀物；将沉淀物分散至乙醇中，然后重复进行浓缩、在乙醇中分散的操作2次，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液。
(5)制备SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒
(51)按照体积比为1μL:1mL将丙醇锆加入乙醇中搅拌均匀，得到丙醇锆的乙醇溶液；
(52)在500～600rpm搅拌条件下将丙醇锆乙醇溶液按照体积比为0.6:20加入至上述改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液中；然后在500～600rpm搅拌条件下反应30min；
(53)反应结束后产物在6000～8000rpm转速条件下离心8～10min，分离除去液体后得到沉淀；将沉淀分散至乙醇中，然后重复进行浓缩3～4次、得到乙醇悬浮液；
(54)先将乙醇悬浮液浓缩得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒，再将其分散至去离子水中。
实施例1
本发明实施例1提供了一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备SiO2微球：
(11)将1.5mLTEOS加入至15.2mL乙醇中制得A溶液，备用；将3mL质量浓度为的25％氨水加入至13.7mL乙醇中制得B溶液，备用；
(12)将上述16.7mLA溶液和16.7mLB溶液在转速≥10000rpm搅拌条件下混合均匀，在15℃、250rpm条件下搅拌反应2h，产物在6000rpm条件下离心洗涤，接着溶解至10ml乙醇中，超声20min得到单分散SiO2纳米颗粒；
(13)将单分散的SiO2纳米颗粒进行离心，在70℃真空条件下干燥2h，即可得到SiO2微球。
(2)制备改性SiO2微球
(21)将0.4g上述SiO2微球加入至20mL去离子水中搅拌10min，得到2wt％的SiO2微球溶液；
(22)在600rpm搅拌下将3-氨丙基三甲氧基硅烷按照体积比为60ul：20ml逐滴加入至上述SiO2微球溶液中，在600rpm搅拌下反应2h，接着在78～82℃水浴以及搅拌条件下加热1h；
(23)反应结束后将产物溶解在无水乙醇中，然后放在离心管中、置于在离心机中以6000rpm进行离心洗涤，洗涤次数在5次；然后在70℃真空条件下干燥2h得到改性SiO2微球。
(3)制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒
(31)将改性SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的改性SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(32)将2mL上述改性SiO2微球溶液、2mL聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和11mL银氨溶液混合后在500rpm条件下搅拌20min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(33)反应结束将产物溶解在10ml的乙醇中，然后放在离心机内以6000rpm离心4次，得到的固体产物溶解至去8ml离子水中超声20min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
(4)制备改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液
(41)将5mg上述单分散SiO2@Ag纳米颗粒干燥后溶解至20mL去离子水中，得到浓度为0.25mg/mL的SiO2@Ag纳米颗粒水溶液；配置浓度为0.02mol/L的L-精氨酸溶液，备用；分别量取20mL上述SiO2@Ag纳米颗粒水溶液、10mLL-精氨酸溶液、12mL环己烷和12μL(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；
(42)将L-精氨酸溶液加入至SiO2@Ag纳米颗粒水溶液中，在500rpm搅拌条件下加入环己烷，再加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；接着在500rpm搅拌条件下反应2h；
(43)反应结束后经过分液处理将有机相从水相中分离，将有机相在6000rpm条件下离心10min，重复进行5次在乙醇中浓缩、离心洗涤操作，分离去除液体后得到沉淀物；将沉淀物分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩、在乙醇中分散的操作2次，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液。
(5)制备SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒
(51)按照体积比为1μL:1mL将丙醇锆加入乙醇中搅拌均匀，得到丙醇锆的乙醇溶液；
(52)在500rpm搅拌条件下将0.6mL丙醇锆乙醇溶液加入至上述20mL改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液中；然后在500rpm搅拌条件下反应30min；
(53)反应结束后产物在6000rpm转速条件下离心10min，分离除去液体后得到沉淀；将沉淀分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩4次、得到乙醇悬浮液；
(54)先将乙醇悬浮液浓缩得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒，再将其分散至10mL去离子水中。
实施例2
本发明实施例2提供了一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备SiO2微球：
(11)将1.5mLTEOS加入至15mL乙醇中制得A溶液，备用；将3mL质量浓度为的25％氨水加入至13mL乙醇中制得B溶液，备用；
(12)将上述A溶液和B溶液在转速≥10000rpm搅拌条件下混合均匀，在15℃、250rpm条件下搅拌反应2h，产物在6000pm条件下离心洗涤，接着溶解至10ml乙醇中，超声20minmin得到单分散SiO2纳米颗粒；
(13)将单分散的SiO2纳米颗粒进行离心，在60℃真空条件下干燥1.5h，即可得到SiO2微球。
(2)制备改性SiO2微球
(21)将0.4g上述SiO2微球加入至20mL去离子水中搅拌10min，得到2wt％的SiO2微球溶液；
(22)在500rpm搅拌下将3-氨丙基三甲氧基硅烷按照体积比为60ul：20ml逐滴加入至上述SiO2微球溶液中，在500rpm搅拌下反应2h，接着在78℃水浴以及搅拌条件下加热1h；
(23)反应结束后将产物溶解在无水乙醇中，然后放在离心管中、置于在离心机中以6000rpm进行离心洗涤，洗涤次数在4次；然后在60℃真空条件下干燥2h得到改性SiO2微球。
(3)制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒
(31)将改性SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的改性SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(32)将2mL上述改性SiO2微球溶液、2mL聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和11mL银氨溶液混合后在500rpm条件下搅拌20min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(33)反应结束将产物溶解在10ml的乙醇中，然后放在离心机内以6000～8000rpm离心4次，得到的固体产物溶解至去8ml离子水中超声20min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
(4)制备改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液
(41)将5mg上述单分散SiO2@Ag纳米颗粒干燥后溶解至20mL去离子水中，得到浓度为0.25mg/mL的SiO2@Ag纳米颗粒水溶液；配置浓度为0.02mol/L的L-精氨酸溶液，备用；分别量取20mL上述SiO2@Ag纳米颗粒水溶液、10mLL-精氨酸溶液、12mL环己烷和12μL(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；
(42)将L-精氨酸溶液加入至SiO2@Ag纳米颗粒水溶液中，在500rpm搅拌条件下加入环己烷，再加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；接着在500rpm搅拌条件下反应2h；
(43)反应结束后经过分液处理将有机相从水相中分离，将有机相在6000rpm条件下离心10min，重复进行4次在乙醇中浓缩、离心洗涤操作，分离去除液体后得到沉淀物；将沉淀物分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩、在乙醇中分散的操作2次，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液。
(5)制备SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒
(51)按照体积比为1μL:1mL将丙醇锆加入乙醇中搅拌均匀，得到丙醇锆的乙醇溶液；
(52)在500rpm搅拌条件下将0.4mL丙醇锆乙醇溶液加入至上述20mL改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液中；然后在500rpm搅拌条件下反应30min；
(53)反应结束后产物在6000rpm转速条件下离心8min，分离除去液体后得到沉淀；将沉淀分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩3次、得到乙醇悬浮液；
(54)先将乙醇悬浮液浓缩得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒，再将其分散至10mL去离子水中。
实施例3
本发明实施例3提供了一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备SiO2微球：
(11)将1.5mLTEOS加入至16mL乙醇中制得A溶液，备用；将3mL质量浓度为的28％氨水加入至14mL乙醇中制得B溶液，备用；
(12)将上述A溶液和B溶液在转速≥10000rpm搅拌条件下混合均匀，在25℃、300rpm条件下搅拌反应2h，产物在8000rpm条件下离心洗涤，接着溶解至15ml乙醇中，超声30min得到单分散SiO2纳米颗粒；
(13)将单分散的SiO2纳米颗粒进行离心，在70℃真空条件下干燥2h，即可得到SiO2微球。
(2)制备改性SiO2微球
(21)将0.4g上述SiO2微球加入至20mL去离子水中搅拌15min，得到2wt％的SiO2微球溶液；
(22)在600rpm搅拌下将3-氨丙基三甲氧基硅烷按照体积比为60ul：20ml逐滴加入至上述SiO2微球溶液中，在600rpm搅拌下反应2h，接着在82℃水浴以及搅拌条件下加热1h；
(23)反应结束后将产物溶解在无水乙醇中，然后放在离心管中、置于在离心机中以8000rpm进行离心洗涤，洗涤次数在5次；然后在70℃真空条件下干燥2h得到改性SiO2微球。
(3)制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒
(31)将改性SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的改性SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(32)将2mL上述改性SiO2微球溶液、2mL聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和11mL银氨溶液混合后在600rpm条件下搅拌30min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(33)反应结束将产物溶解在15ml的乙醇中，然后放在离心机内以8000rpm离心5次，得到的固体产物溶解至去10ml离子水中超声30min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
(4)制备改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液
(41)将5mg上述单分散SiO2@Ag纳米颗粒干燥后溶解至20mL去离子水中，得到浓度为0.25mg/mL的SiO2@Ag纳米颗粒水溶液；配置浓度为0.02mol/L的L-精氨酸溶液，备用；分别量取20mL上述SiO2@Ag纳米颗粒水溶液、10mLL-精氨酸溶液、12mL环己烷和12μL(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；
(42)将L-精氨酸溶液加入至SiO2@Ag纳米颗粒水溶液中，在600rpm搅拌条件下加入环己烷，再加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；接着在600rpm搅拌条件下反应2h；
(43)反应结束后经过分液处理将有机相从水相中分离，将有机相在8000rpm条件下离心10min，重复进行5次在乙醇中浓缩、离心洗涤操作，分离去除液体后得到沉淀物；将沉淀物分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩、在乙醇中分散的操作2次，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液。
(5)制备SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒
(51)按照体积比为1μL:1mL将丙醇锆加入乙醇中搅拌均匀，得到丙醇锆的乙醇溶液；
(52)在600rpm搅拌条件下将0.8mL丙醇锆乙醇溶液加入至上述20mL改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液中；然后在600rpm搅拌条件下反应30min；
(53)反应结束后产物在8000rpm转速条件下离心10min，分离除去液体后得到沉淀；将沉淀分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩4次、得到乙醇悬浮液；
(54)先将乙醇悬浮液浓缩得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒，再将其分散至10mL去离子水中。
实施例4
本发明实施例4提供了一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备SiO2微球：
(11)将1.5mLTEOS加入至15.16mL乙醇中制得A溶液，备用；将3mL质量浓度为的27％氨水加入至13.4mL乙醇中制得B溶液，备用；
(12)将上述A溶液和B溶液在转速≥10000rpm搅拌条件下混合均匀，在20℃、280rpm条件下搅拌反应2h，产物在7000rpm条件下离心洗涤，接着溶解至13ml乙醇中，超声26min得到单分散SiO2纳米颗粒；
(13)将单分散的SiO2纳米颗粒进行离心，在67℃真空条件下干燥1.8h，即可得到SiO2微球。
(2)制备改性SiO2微球
(21)将0.4g上述SiO2微球加入至20mL去离子水中搅拌13min，得到2wt％的SiO2微球溶液；
(22)在560rpm搅拌下将3-氨丙基三甲氧基硅烷按照体积比为60ul：20ml逐滴加入至上述SiO2微球溶液中，在560rpm搅拌下反应2h，接着在78～82℃水浴以及搅拌条件下加热1h；
(23)反应结束后将产物溶解在无水乙醇中，然后放在离心管中、置于在离心机中以7000rpm进行离心洗涤，洗涤次数在5次；然后在67℃真空条件下干燥2h得到改性SiO2微球。
(3)制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒
(31)将改性SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的改性SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(32)将2mL上述改性SiO2微球溶液、2mL聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和11mL银氨溶液混合后在560rpm条件下搅拌28min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(33)反应结束将产物溶解在14ml的乙醇中，然后放在离心机内以7离心5次，得到的固体产物溶解至去9ml离子水中超声25min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
(4)制备改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液
(41)将5mg上述单分散SiO2@Ag纳米颗粒干燥后溶解至20mL去离子水中，得到浓度为0.25mg/mL的SiO2@Ag纳米颗粒水溶液；配置浓度为0.02mol/L的L-精氨酸溶液，备用；分别量取20mL上述SiO2@Ag纳米颗粒水溶液、10mLL-精氨酸溶液、12mL环己烷和12μL(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；
(42)将L-精氨酸溶液加入至SiO2@Ag纳米颗粒水溶液中，在500～600rpm搅拌条件下加入环己烷，再加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；接着在560rpm搅拌条件下反应2h；
(43)反应结束后经过分液处理将有机相从水相中分离，将有机相在6000～8000rpm条件下离心10min，重复进行5次在乙醇中浓缩、离心洗涤操作，分离去除液体后得到沉淀物；将沉淀物分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩、在乙醇中分散的操作2次，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液。
(5)制备SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒
(51)按照体积比为1μL:1mL将丙醇锆加入乙醇中搅拌均匀，得到丙醇锆的乙醇溶液；
(52)在560rpm搅拌条件下将0.6mL丙醇锆乙醇溶液加入至上述20mL改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液中；然后在500～600rpm搅拌条件下反应30min；
(53)反应结束后产物在7000rpm转速条件下离心9min，分离除去液体后得到沉淀；将沉淀分散至20mL乙醇中，然后重复进行浓缩4次、得到乙醇悬浮液；
(54)先将乙醇悬浮液浓缩得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒，再将其分散至10mL去离子水中。
对比例1
制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒
(1)将SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(2)将2mL上述SiO2微球溶液、2mL聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和11mL银氨溶液混合后在500rpm条件下搅拌20min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(3)反应结束将产物溶解在10ml的乙醇中，然后放在离心机内以6000rpm离心4次，得到的固体产物溶解至去8ml离子水中超声20min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
实施例5
对上述实施例1～4制备得到的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒进行性能表征。
1、对比本发明实施例1～3制备得到的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒进行扫描电镜(SEM)检测，结果如图2所示；
图2中A为实施例2、B为实施例1、C为实施例3制备得到的多层SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒扫描电镜(SEM)检测图。
对实施例1步骤(1)制备得到的SiO2纳米微球进行扫描电镜(SEM)检测，结果如图3所示，由图3中的结果可以得知，本发明制备得到一种尺寸均一性高的SiO2纳米微球，制备方法简单，形貌尺寸可控，纳米微球尺寸在280～330nm。
对实施例1步骤(2)制备得到的改性SiO2纳米微球进行扫描电镜(SEM)检测，结果如图4所示，将实施例1步骤(3)单分散SiO2@Ag纳米颗粒进行扫描电镜(SEM)检测，结果图5所示。
同时将对比例1制备得到的单分散SiO2@Ag纳米颗粒进行扫描电镜(SEM)检测，结果图6所示。
对比图5和图6可知，通过SiO2微球的改性实验可以调控Ag纳米颗粒在SiO2表面的覆盖程度，达到较好的拉曼增强效果。
2、将本发明实施例1～3制备得到的SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒进行SERS表面增强拉曼散射。
首先将实施例1～3制备好的纳米颗粒水溶液，然后将2ml溶液滴加在1cm*1cm的硅片上，在真空干燥箱中60℃下干燥6h，然后取出；再向上面滴加2ml的R6G样品，再次放在真空干燥箱中60℃下干燥6h，取出硅片基底进行拉曼检测。
a为A为实施例2、B为实施例1、C为实施例3制备得到的纳米颗粒水溶液按照上述方法进行SERS检测结果图，随着丙醇锆量的增加，壳层厚度随之增厚拉曼信号也随着减弱。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料，其特征在于，所述纳米材料由SiO2内核、包裹在所述SiO2内核表面的银纳米层和包裹于所述银纳米层表面的ZrO2壳层；所述SiO2内核的粒径为375nm～425nm，所述银纳米层的厚度为20nm～30nm，所述ZrO2壳层的厚度为3～5nm。
2.一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备SiO2微球：将正硅酸乙酯与氨水在乙醇溶剂中反应；然后经过分离、纯化制备得到SiO2微球；
(2)制备改性SiO2微球：将3-氨丙基三甲氧基硅烷加入至上述SiO2微球的溶液中进行反应；依次经过分离、纯化制备得到改性SiO2微球；
(3)制备单分散SiO2@Ag纳米颗粒：将上述改性SiO2微球的溶液、聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和银氨溶液混合反应；依次经过离心洗涤、超声分散制备得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒；
(4)制备改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液：将上述SiO2@Ag纳米颗粒的水溶液与L-精氨酸、环己烷和(3-巯基丙基)三甲氧基硅反应，重复进行离心、分离去除液体、再分散至乙醇操作，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液；
(5)制备SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒：将改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液与丙醇锆乙醇溶液反应，经过离心分离除去液体得到浓缩的SiO2@Ag@ZrO2纳米颗粒，分散至乙醇中形成乙醇悬浮液，将乙醇悬浮液重复进行离心、分离和分散的操作，经过浓缩、分散至去离子水中，得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括如下步骤：
(11)将TEOS按照1.5：15～16的体积比加入至乙醇中制得A溶液，备用；将质量浓度为的25％～28％氨水按照3：(13～14)的体积比加入至乙醇中制得B溶液，备用；
(12)将上述A溶液和B溶液按照体积比为(16.7～17)：(16.7～17)在转速≥10000rpm搅拌条件下混合均匀，在15～25℃、250～300rpm条件下搅拌反应2h，产物在6000～8000rpm条件下离心洗涤，接着溶解至乙醇中，超声20min～30min得到单分散SiO2纳米颗粒；
(13)将单分散的SiO2纳米颗粒进行离心，在60～70℃真空条件下干燥1.5～2h，即可得到SiO2微球。
4.根据权利要求2所述的一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括如下步骤：
(21)将上述SiO2微球加入至去离子水中搅拌10～15min，得到2wt％的SiO2微球溶液；
(22)在搅拌下将3-氨丙基三甲氧基硅烷按照体积比为60ul：20ml逐滴加入至上述SiO2微球溶液中，搅拌下反应2h，接着在78～82℃水浴以及搅拌条件下加热1h；
(23)反应结束后将产物溶解在无水乙醇中，然后放在离心管中、置于在离心机中以6000～8000rpm进行离心洗涤，洗涤次数在4～5次；然后在60～70℃真空条件下干燥2h得到改性SiO2微球。
5.根据权利要求2所述的一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(22)中所述的搅拌条件为500～600rpm。
6.根据权利要求2所述的一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括如下步骤：
(31)将改性SiO2微球溶解于蒸馏水中得到0.4mol/L的改性SiO2微球溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙醇中得到浓度为0.09g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液；将氨水按照体积比为0.2:2滴加至1wt％硝酸银中制得银氨溶液；
(32)将上述改性SiO2微球溶液、聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液和银氨溶液按照体积比为2:2:11混合后在500～600rpm条件下搅拌20～30min；然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，并控制在120℃条件下反应12h；
(33)反应结束将产物溶解在的乙醇中，然后放在离心机内以6000～8000rpm离心4～5次，得到的固体产物溶解至去离子水中超声20～30min，得到单分散SiO2@Ag纳米颗粒。
7.根据权利要求2所述的一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括如下步骤：
(41)将上述单分散SiO2@Ag纳米颗粒干燥后溶解至去离子水中，得到浓度为0.25mg/mL的SiO2@Ag纳米颗粒水溶液；配置浓度为0.02mol/L的L-精氨酸溶液，备用；按照体积比为20mL:10mL:12mL：12μL分别量取上述SiO2@Ag纳米颗粒水溶液、L-精氨酸溶液、环己烷和(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；
(42)将L-精氨酸溶液加入至SiO2@Ag纳米颗粒水溶液中，在搅拌条件下加入环己烷，再加入(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；接着在搅拌条件下反应2h；
(43)反应结束后经过分液处理将有机相从水相中分离，将有机相在6000～8000rpm条件下离心10min，重复进行4～5次在乙醇中浓缩、离心洗涤操作，分离去除液体后得到沉淀物；将沉淀物分散至乙醇中，然后重复进行浓缩、在乙醇中分散的操作2次，得到改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液。
8.根据权利要求7所述的一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(42)中所述的搅拌条件为500～600rpm。
9.根据权利要求2所述的一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括如下步骤：
(51)按照体积比为1μL:1mL将丙醇锆加入乙醇中搅拌均匀，得到丙醇锆的乙醇溶液；
(52)在搅拌条件下将丙醇锆乙醇溶液按照体积比为0.6:20加入至上述改性SiO2@Ag纳米颗粒悬浮液中；然后在搅拌条件下反应30min；
(53)反应结束后产物在6000～8000rpm转速条件下离心8～10min，分离除去液体后得到沉淀；将沉淀分散至乙醇中，然后重复进行浓缩3～4次、得到乙醇悬浮液；
(54)先将乙醇悬浮液浓缩得到SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米颗粒，再将其分散至去离子水中。
10.一种SiO2@Ag@ZrO2多层核壳结构纳米材料在SERS检测中的应用。
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