CN110333225A - 一种用于tnt检测的立方形纳米金sers探针的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，包括晶种金的制备、进一步生长、硅片的功能化修饰和自组装。制备过程如下：首先，是晶种金的制备和进一步生长，其次，通过种子生长机制严格控制其生长环境使其生长为立方形结构，然后，在打磨1×1cm²硅片上修饰巯基，使得金粒子单层自组装在硅片的表面，最后，在硅片的表面修饰上富电子的氨基，进一步与TNT目标分子中的三个缺电子硝基通过静电相互作用，实现对TNT选择性识别，利用纳米金表面的局域等离子共振场，将TNT分子的常规拉曼信号放大增强，实现对TNT的痕量检测，检测限为10^{‑ 9}mol·L^‑1。本发明制备简单，操作方便，成本低廉，选择性好，灵敏度高。

Description

一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法

技术领域

本发明涉及材料科学领域，特别涉及一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法。

背景技术

三硝基甲苯（TNT）是用途最广的军用炸药，被广泛用于民用、矿山等爆破行业，TNT具有烈性爆炸危险，对环境安全造成重要威胁，生产、制造及运输中经常会遗留在自然环境中，由于其生物持久性、毒性和致突变性，使之对土壤和水环境造成污染，人们直接或者间接饮用这种受TNT污染的水后，会对生命健康造成不可逆转的危害，除了造成广泛损害之外，源自爆炸物的有害物质在使用、处理、储存和倾倒过程中还会长期积累在环境中，当前已经证实TNT能够引起贫血症，肝功能失常，引发致癌，因此，发展一种对TNT具有高选择性、高敏感性、痕量的探测方法，显得尤为重要。

目前，国家安全和公共安全意识的提高增加了人们对开发选择性、灵敏和快速检测硝基芳香族爆炸物的广泛兴趣，许多检测TNT的技术应运而生，如固相微萃取技术，这种技术比传统的提取方法更具优势，特别是在分析少量气态物质时。样品制备非常方便，因为不需要额外的溶剂，可以使用涂有吸附材料的熔融石英纤维在样品中或样品上方的顶部空间进行提取。样品基质中杂质的干扰可以通过顶部空间取样最小化，提取的化合物从纤维中热解，直接进入色谱系统的界面进行检测和分析。Furton KG等人已成功将此技术应用于爆炸物的回收（J. Chromatogr. A，2000，885，419-432），Jonsson S等人进一步将其用于爆炸物的检测（J. Chromatogr. A，2007，1164，65-73.)。然而，该方法在灵敏度、选择性、速度、多功能性和动态范围方面均有欠缺和不足。检测爆炸物的另一种方法为气相色谱法，气相色谱中的分离发生在移动相和固定相之间的柱中，由包含分离的目标物质的气流组成，每种洗脱物质都会产生特征的保留时间信号，该信号可进一步用于数据分析。BowerbankCR等人成功应用气相色谱法对爆炸物进行了检测（J. Chromatogr. A，2000，902，413-419.），不过其它具有与爆炸物特性相似的化合物可能会对其产生干扰，这些干扰化合物包括带负电荷的卤化物、有机硫或有机磷化合物，洗脱和热解也会对其产生影响。此外，液相色谱法也被应用于爆炸物的检测，液体样品被注入液体流动相流中，以通过含有固体固定相的柱，目标化合物在流动相和固定相之间被分离。Monteil-Rivera F等人用该方法对水样中的爆炸物进行了检测（J. Chromatogr. A， 2004，1048，213-221.），不过分析前，样品通常需要超声处理、提取和预浓缩。另外由于硝基爆炸物本身的氧化还原性质，即硝基容易被还原的性质，有助于电化学检测使得电化学法在爆炸物的检测中日新月异，包括在汞膜电极（Anal. Chim. Acta，1981，130，295-311；Talanta，2002，58，919-926；Talanta，2006，69，984-987.），玻碳电极（Talanta，2006，69，656-662；Electroanalysis，2012，24，1811-1816.）和碳纤维电极（Anal. Chim. Acta，2003，485，139-144；Sensors and Actuators B: Chemical，2005，106，296-301；Electroanalysis，2006，18，971-975.）上的爆炸物检测，这些技术虽然能够实现检测的目的，不过依赖性强且耗时，因此，这些方法难以应用于爆炸物的现场和实时检测。为此，许多科研工作者开发了各种简单的发光化学传感器用于TNT的检测（Anal. Chem.，2008，80，8545-8553；Trends Anal. Chem.，2014，62，123-134；Anal. Chim. Acta.，2013，802，89-94；Nature Comm.，2015，6，1-7；US20040101900A1）以及通过将发光量子点与抗体片段结合，开发了一种基于荧光共振能量转移的特异性检测TNT的免疫测定法（J. Am. Chem. Soc.，2005，127，6744-6751.）。尽管这些方法具有较高的灵敏度，但很难控制合成，而且过于繁琐，所得效果也并不理想，背景值限制较大，现场检测的适用性仍然有限。综上所述，以上方法虽然在一定程度上能够实现对TNT的检测，但在选择性、灵敏度、尺寸和成本方面都有其相应的局限性，因此，迫切的需要发展具一种具有更高灵敏度，更加快速准确的痕量检测方法，本发明基于纳米金表面拉曼增强（SERS）探针制备的发明，可以弥补上述技术和实际中不足。

SERS是光和物质间相互作用的结果，这种表面增强拉曼散射现象迄今为止已被多篇论提及，重金属纳米粒子中的表面等离子激元，尤其是金、银和铜，可以通过在可见区自由传播的电磁辐射直接激发，在纳米结构周围产生强电磁场。当两个或多个等离子体纳米结构放置在非常接近的位置时，光谱信号发生显著增强，由于粗糙的纳米级材料表面提供了大量增强效果，使这种光谱技术已经不再局限于强散射目标或高浓度系统，等离子体纳米结构的振荡电场结合处具有被称为热点的放大的电场，组织良好的等离子体结构阵列可以产生多个热点，由于分子本身内的共振或分子与金属基底导带之间的电荷转移，以及源自金属基底中表面等离子共振的电磁效应存在，通过将分子固定在特定的纳米材料表面或附近，捕获在热点分子的拉曼信号与结合在分离粒子表面的分子相比显示出极大的增强。这使得SERS在物理化学领域中得到广泛关注，在各种光谱技术中，拉曼光谱被认为是快速识别和量化各种生物和环境分子的重要工具。这主要是因为拉曼光谱可看作是分子光谱的指纹区，分子振动或弛豫产生的独特但微弱的拉曼散射可用于识别和表征分子，并被提议作为SERS基底，用于检测和量化各种分析物。

近年来，凭借优异的局域表面等离子体共振效应，金、银等重金属被广泛的应用于SERS基底研究，众所周知，由于SERS具有低成本、操作简单、移动性好、灵敏性高、选择性好及指纹光谱等特点已被广泛应用于表面科学、材料科学、生物医学、药物分析、食品安全、环境检测等领域，是一种极具潜力的痕量分析技术，该技术在爆炸物的检测中也发挥着积极的作用，2011年杨良保等人公开了发明专利（CN102183503A）“一种表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法”。具体实施步骤为首先将银纳米颗粒沉积到DNA的表面，然后再利用银作为成核位点将金组装到银上。随后，再次利用太阳光将小的金颗粒沉积到银－DNA的纳米结构上。这种银核金壳或银－金合金纳米DNA网络结构作为表面增强拉曼散射活性基底，实现了对TNT的检测。2013年刘洪林等人公开了发明专利（CN103091300A）“一种基于表面增强共振拉曼光谱的TNT检测方法”该发明提供了一种新型的基于SERS的TNT检测方法，首先合成银纳米颗粒作为SERS基底并对TNT进行磺化和增敏，具体实施步骤为把100mL物质的量浓度为1mM的硝酸银溶液加热回流至沸腾，然后向其加入体积为4mL质量分数为1%的柠檬酸钠溶液共煮沸1小时，得到银纳米颗粒，将其作为SERS基底待用然后把1mL物质量浓度为0.1mM的TNT水溶液与1mL物质量浓度为0.1M磺化试剂亚硫酸钠溶液混合，以保证TNT被完全磺化，然后把磺化后的TNT溶液与1mL物质量浓度为0.1M的氯代十六烷基吡啶溶液混合对TNT进行磺化和增敏，最后取步骤（2）混合溶液10μL，均匀的滴加在步骤（1）得到的银纳米颗粒作为基底的硅片上，即可得到TNT的SERS特征指纹信号，可以实现对痕量TNT的选择性检测。2015年Samuel P等人公开了发明专利（US08932384B1）“Surface enhanced Ramanspectroscopy gold nanorods substrates for detection of 2,4,6-trinitrotouleneand 3,5-dinitro-4-methylbenzoic acid explosives”该方法首先合成出金溶胶种子，然后通过其进一步生长及自组装得到SERS基底，具体实施方法为： 首先将0.1M HAuCl₄·3H₂O水溶液250uL加入到0.1M CTAB溶液7.5mL中，然后加入0.01M NaBH₄ 600uL得到金溶胶种子，然后进一步在AgNO₃、CTAB、及抗坏血酸中加入金溶胶种子，让其进一步生长为棒状结构，该结构对爆炸物具有SERS效果。2016年何璇等人公开了发明专利（CN104297224B）“一种SERS基底材料及其热点激发方法与表征”通过在镀锌硅片上原位生长ZnO纳米棒状阵列后蒸镀Ag的方法得到能产生增强拉曼效应热点的表面结构，然后通过特定溶剂与其表面结构效应激发出增强拉曼效应热点，具体实施步骤为首先将清洗干净的硅片切割成条用磁控溅射仪以纯度为99.99％的金属锌为靶材对放入其中的中的硅片进行蒸镀，得到镀锌硅片，并将上述硅片侵入硝酸锌与六甲基四胺混合液中取出后再次放入磁控溅射仪中镀银，得到所需材料。2017年何耀等人公开了发明专利（CN107144557A）“一种硅基SERS芯片及其制备方法以及TNT的检测方法”。其步骤为将表面有Si-H键的硅晶片在银粒子的环境下进行还原反应，得到纳米银修饰的硅晶片，再与能够与TNT反应的修饰化合物反应，得到硅基芯片。2018年李剑锋等人公开了发明专利（CN108827941A）“一种基于表面增强拉曼光谱快速检测水中TNT的方法”，该方法通过合成金纳米粒子，然后对TNT分子进行修饰的方法实现了对TNT的检测，具体实施方法为，首先将200mL质量百分浓度为0.01％的氯金酸溶液煮沸，然后加入1.5mL体积百分浓度为1％的柠檬酸钠溶液，溶液变为红棕色后保持煮沸30min，得到金纳米粒子，然后利用TNT与修饰剂之间的Meisenheimer络合反应，即供电子的氨基作为配体与缺电子的芳香环之间存在着很强的供体-受体相互作用，通过纳米粒子溶胶的增强效应对Meisenheimer络合物进行检测，从而实现水中的TNT检测。

上述SERS基底虽然能够实现对TNT的检测但也有需要改进之处，许多在传感器制造中利用纳米材料的现有技术在控制材料生长、颗粒尺寸或材料结构的操作方面都存在困难，并且金属纳米粒子的形貌、尺寸等与其光学性质有密切关系，如纳米球、纳米棒等，由于局部电荷极化效应使其在近红外区域产生多个吸收峰，而如何控制这些金属纳米粒子的形貌、尺寸将成为推动SERS的一大因素。综上所述，有必要寻求一种制备过程简单，重现性好，选择性高，灵敏度高的纳米结构作为SERS基底，本发明创造性的制备出一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针。

由于金纳米粒子在可见光及近红外区内有更大的消光波长，致使其具有比其他重金属更好的SERS效应，而立方形纳米金可以使粒子表面及内部的电磁力大大增强，通过立方形纳米金粒子复杂的局部等离子体效应，使光子有相当多的一部分发生非弹性衰减进而使其波长发生变化。在本发明中，我们报道了基于表面增强拉曼原理，用制备的立方形纳米金在表面修饰的巯基的硅片表面进行单层自组装，然后，再对硅片表面氨基后功能化修饰，得到用于TNT检测的纳米金SERS探针，实现对TNT的高选择性、高敏感性痕量检测。

发明内容

发明目的：针对目前现有技术存在的不足之处，本发明用制备一种在表面修饰了官能基团的硅片上对TNT高选择性、高敏感性痕量检测的立方形纳米金SERS探针。首先，用柠檬酸钠还原氯金酸法合成金溶胶晶种，然后在盐酸羟基氨及硝酸银存在下进行晶种的生长得到立方形纳米金，随后在表面修饰巯基的硅片上完成立方形纳米金的单层自组装，形成紧密而又有序的阵列，最后，再在硅片表面修饰上氨丙基，得到对TNT具有检测功能的纳米金SERS探针，实现对TNT具有更高选择性、高敏感性检测作用的立方形纳米金SERS探针。

本发明的技术方案是：一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征在于：所述SERS探针是通过立方形纳米金粒子在表面修饰巯基的硅片上自组装，硅片表面的氨基功能化修饰，使得硅片表面富电子氨基与TNT分子中的三个缺电子硝基通过静电相互作用，使得TNT分子粘附在方形纳米金粒子表面，利用立方形纳米金粒子的局域表面等离子共振场，将TNT分子的常规拉曼信号放大增强，实现对TNT的检测，上述的SERS探针制备过程包括如下三个步骤：

第一步是晶种金溶胶的制备：首先，量取1 ~ 15mL的HAuCl₄溶液加入到盛有50mL去离子水的250mL的三口烧瓶中，然后，将此置于带有回流装置的恒温油浴槽中，以转速为400 ~600rpm进行磁力搅拌，温度加热至150 ~ 170℃范围内，随后加入3 ~ 5mL的还原剂甲，反应混合溶液的颜色从浅黄色变成橙色，最后变成酒红色，停止加热和搅拌，冷却至室温，静置避光放于冰箱中保存；

第二步是立方形纳米金粒子的制备：首先，量取0.2 ~ 1.0mL HAuCl₄溶液和0.2 ~1.0mL还原剂乙置于50mL的三口烧杯中，将此三口烧瓶放置于往复式振荡器中，以转速为250 ~ 350rpm，震荡5 ~ 10min后，再用稳定剂将上述混合溶液稀释至10mL，继续震荡9 ~11min使其充分混合，然后，向上述混合溶液中加入0.2 ~ 1mL还原剂丙，随后用量程范围为100~1000uL的微量进样器注入100uL的上述第一步合成的晶种金溶胶，随后，以240 ~260rpm室温震荡反应2 ~ 6h，取该反应混合物2mL置于15mL的离心管中，以7000 ~ 9000rpm的离心分离10min后，去除上清液，为了提高15mL的离心管中金溶胶中金粒子的浓度，重复上述步骤，反复5次，得到的沉积的溶胶，再将其重新分散于体积比为1：1的10mL乙醇与水的混合溶液，制备得到立方形纳米金溶胶；

第三步是立方形纳米金SERS探针的制备：首先，将用3000目砂纸打磨1×1cm²硅片，然后，分别用体积比1:4的浓硫酸-双氧水混合液、丙酮、去离子水超声洗涤4~6min，再放置1~3周，让其表面慢慢氧化，将上述硅片的打磨面朝上放入含有粘合剂的乙醇溶液中，再加入100μL的催化剂，静置反应11 ~ 13h，然后将硅片取出，用无水乙醇反复冲洗后自然风干，再将其打磨面朝上放入立方形纳米金溶胶溶液中静置约5 ~ 7h，在硅片表面形成自组装纳米金阵列，最后，再将其放入含有功能单体的乙醇溶液中，加入100μL的催化剂，静置反应11 ~13h，制备得到硅片表面带有氨基的立方形纳米金自组装阵列，其对TNT具有检测功能的SERS探针。

作为对现有技术的进一步改进，所述的立方形纳米金SERS探针的制备中还原剂甲、乙、丙分别为硝酸银、盐酸羟基胺、硼氢化钠、氢化铝锂、柠檬酸钠、硼氢化钾中的一种，本发明优化选择还原剂甲为柠檬酸钠、还原剂乙为盐酸羟基胺、还原剂丙为硝酸银；所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的稳定剂为质量浓度为20%的聚乙二醇2000水溶液；所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的粘合剂为3-巯丙基三乙氧基硅烷；所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的功能单体是3-氨丙基三乙氧基硅烷；所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的立方形纳米金尺寸可以通过反应物的量和反应时间加以控制；所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的自组装结构是指具有空间结构的单层立方形纳米金。

相对于现有技术的有益效果

近年来，凭借优异的局域表面等离子体共振效应，金、银等重金属被广泛的应用于SERS基底研究，众所周知，由于SERS具有低成本、操作简单、移动性好、灵敏性高、选择性好及指纹光谱等特点已被广泛应用于表面科学、材料科学、生物医学、药物分析、食品安全、环境检测等领域，是一种极具潜力的痕量分析技术，该技术在爆炸物的检测中也发挥着积极的作用，2011年杨良保等人公开了发明专利（CN102183503A）“一种表面增强拉曼散射活性基底的光辐照制备方法”。具体实施步骤为：首先，将银纳米颗粒沉积到DNA的表面，然后，再利用银作为成核位点将金组装到银上，随后，再次利用太阳光将小的金颗粒沉积到银－DNA的纳米结构上，这种银核金壳或银－金合金纳米DNA网络结构作为表面增强拉曼散射活性基底，实现了对TNT的检测。2013年刘洪林等人公开了发明专利（CN103091300A）“一种基于表面增强共振拉曼光谱的TNT检测方法”，该发明提供了一种新型的基于SERS的TNT检测方法，首先合成银纳米颗粒作为SERS基底并对TNT进行磺化和增敏，具体实施步骤为：把100mL物质的量浓度为1mM的硝酸银溶液加热回流至沸腾，然后向其加入体积为4mL质量分数为1%的柠檬酸钠溶液共煮沸1小时，得到银纳米颗粒，将其作为SERS基底待用然后把1mL物质量浓度为0.1mM的TNT水溶液与1mL物质量浓度为0.1M磺化试剂亚硫酸钠溶液混合，以保证TNT被完全磺化，然后把磺化后的TNT溶液与1mL物质量浓度为0.1M的氯代十六烷基吡啶溶液混合对TNT进行磺化和增敏，最后取步骤（2）混合溶液10μL，均匀的滴加在步骤（1）得到的银纳米颗粒作为基底的硅片上，即可得到TNT的SERRS特征指纹信号，可以实现对痕量TNT的选择性检测。2015年Samuel P等人公开了发明专利（US08932384B1）“Surface enhanced ramanspectroscopy gold nanorods substrates for detection of 2,4,6-trinitrotouleneand 3,5-dinitro-4-methylbenzoic acid explosives”，该方法首先合成出金溶胶种子，然后通过其进一步生长及自组装得到SERS基底，具体实施方法为：首先将0.1M HAuCl₄·3H₂O水溶液250uL加入到0.1M CTAB溶液7.5mL中，然后加入0.01M NaBH₄ 600uL得到金溶胶种子，然后进一步在AgNO₃、CTAB、及抗坏血酸中加入金溶胶种子，让其进一步生长为棒状结构，该结构对爆炸物具有SERS效果。2016年何璇等人公开了发明专利（CN104297224B）“一种SERS基底材料及其热点激发方法与表征”，通过在镀锌硅片上原位生长ZnO纳米棒状阵列后蒸镀Ag的方法得到能产生增强拉曼效应热点的表面结构，然后通过特定溶剂与其表面结构效应激发出增强拉曼效应热点，具体实施步骤为：首先将清洗干净的硅片切割成条用磁控溅射仪以纯度为99.99％的金属锌为靶材，对放入其中的中的硅片进行蒸镀，得到镀锌硅片，并将上述硅片侵入硝酸锌与六次甲基四胺混合液中取出后再次放入磁控溅射仪中镀银，得到所需材料。2017年何耀等人公开了发明专利（CN107144557A）“一种硅基SERS芯片及其制备方法以及TNT的检测方法”，其步骤为将表面有Si-H键的硅晶片在银粒子的环境下进行还原反应，得到纳米银修饰的硅晶片，再与能够与TNT反应的修饰化合物反应，得到硅基芯片。2018年李剑锋等人公开了发明专利（CN108827941A）“一种基于表面增强拉曼光谱快速检测水中TNT的方法”，该方法通过合成金纳米粒子，然后对TNT分子进行修饰的方法实现了对TNT的检测，具体实施方法为，首先，将200mL质量百分浓度为0.01%的氯金酸溶液煮沸，然后加入1.5mL体积百分浓度为1%的柠檬酸钠溶液，溶液变为红棕色后保持煮沸30min，得到金纳米粒子，然后利用TNT与修饰剂之间的Meisenheimer络合反应，即供电子的氨基作为配体与缺电子的芳香环之间存在着很强的供体-受体相互作用，通过纳米粒子溶胶的增强效应对Meisenheimer络合物进行检测，从而实现水中的TNT检测。

上述SERS基底虽然能够实现对TNT的检测但也有很多不足之处，如选择性差，灵敏度低，检测繁琐等缺点。并且金属纳米粒子的形貌、尺寸等与其光学性质有密切关系，如纳米球、纳米棒等，由于局部电荷极化效应使其在近红外区域产生多个吸收峰，而如何控制这些金属纳米粒子的形貌、尺寸将成为推动SERS的一大因素。综上所述，有必要寻求一种制备过程简单，重现性好，高选择性，高敏感性的纳米金结构作为表面拉曼增强基底，本发明创造性的制备出一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针。

本发明首先是晶种金溶胶的制备：量取1～15mL的HAuCl₄溶液加入到盛有50mL去离子水的250mL的三口烧瓶中，然后，将此置于带有回流装置的恒温油浴槽中，以转速为400～600rpm进行磁力搅拌，温度加热至150～170℃范围内，随后加入3～5mL的还原剂甲，反应混合溶液的颜色从浅黄色变成橙色，最后变成酒红色，停止加热和搅拌，冷却至室温，静置避光放于冰箱中保存；

其次是立方形纳米金粒子的制备：量取0.2 ~ 1.0mL HAuCl₄溶液和0.2 ~ 1.0mL还原剂乙置于50mL的三口烧杯中，将此三口烧瓶放置于往复式振荡器中，以转速为250 ~350rpm，震荡5 ~ 10min后，再用稳定剂将上述混合溶液稀释至10mL，继续震荡9 ~ 11min使其充分混合，然后，向上述混合溶液中加入0.2 ~ 1mL还原剂丙，随后用量程范围为100~1000μL的微量进样器注入100μL的上述第一步合成的晶种金溶胶，随后，以240 ~ 260rpm室温震荡反应2 ~ 6h，取该反应混合物2mL置于15mL的离心管中，以7000 ~ 9000rpm的离心分离10min后，去除上清液，为了提高15mL的离心管中金溶胶中金粒子的浓度，重复上述步骤，反复5次，得到的沉积的溶胶，再将其重新分散于体积比为1：1的10mL乙醇与水的混合溶液，制备得到立方形纳米金溶胶；

最后是立方形纳米金SERS探针的制备：将用3000目砂纸打磨1×1cm²硅片，然后，分别用体积比1:4的浓硫酸-双氧水混合液、丙酮、去离子水超声洗涤4~6min，再放置1~3周，让其表面慢慢氧化，将上述硅片的打磨面朝上放入含有粘合剂的乙醇溶液中，再加入100μL的催化剂，静置反应11 ~ 13h，然后将硅片取出，用无水乙醇反复冲洗后自然风干，再将其打磨面朝上放入立方形纳米金溶胶溶液中静置约5 ~ 7h，在硅片表面形成自组装立方形纳米金阵列，最后，再将其放入含有功能单体的乙醇溶液中，加入100μL的催化剂，静置反应11 ~13h，制备得到硅片表面带有氨基的立方形纳米金自组装阵列，其对TNT具有检测功能的SERS探针。

综上所述，本发明是在表面修饰官能基团的硅片上以立方形纳米金单层自组装结构为基底的SERS探针，实现了对TNT检测。

其一：打磨过的硅片，易被氧化，生成二氧化硅，３－巯丙基三乙氧基硅烷水解在硅片表面修饰了官能基团巯丙基，能够使纳米金粒子单层自组装在硅片的表面。

其二：同时，３－氨丙基三乙氧基硅烷水解在硅片表面修饰上富电子官能基团氨丙基，与TNT分子中的三个缺电子的硝基通过静电相互作用，实现对TNT高选择性识别，使得TNT分子粘附在单层方形纳米金表面，利用金属表面的局域表面等离子共振场，将TNT分子的常规拉曼信号增强，实现对痕量TNT高灵敏检测。

其三：本发明中立方形纳米金具有优异的SERS效果，在硅片上的SERS探针具有成本低，便于操作等优点。

其四：修饰了巯基的硅片使得纳米金自组装在硅片的表面，形成阵列，便于形成SERS信号。

附图说明

图1是本发明用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针制备的示意图。

图2是本发明所制备的不同粒径的晶种纳米金溶胶。

图3是本发明所制备的不同粒径的立方形纳米金溶胶。

图4是本发明所制备的晶种金溶胶紫外可见光谱。

图5是本发明所制备的立方形纳米金SEM。

图6是本发明所制备的立方形纳米金紫外可见光谱。

图7是TNT未放置在本发明所制备的立方形纳米金SERS探针上拉曼光谱。

图8是TNT放置在本发明所制备的立方形纳米金SERS探针上拉曼光谱。

图9是本发明所用的硅片（A）和制备的立方形纳米金SERS探针（B）的实物。

根据附图进一步解释具体实施方式

图1是本发明用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针制备的示意图。首先用3000目砂纸打磨1×1cm²硅片，然后，分别用体积比1:4的浓硫酸-双氧水混合液、丙酮、去离子水超声洗涤，再放置2周，让其表面缓慢氧化，富含羟基，将上述硅片的打磨面朝上放入含有粘合剂的乙醇溶液中，再加入催化剂，静置反应12h，由于粘合剂一端硅氧烷的水解使粘合剂分子与硅片表面形成较强的氢键作用，粘附在其表面，然后将硅片取出，用无水乙醇反复冲洗后自然风干，再将其打磨面朝上放入立方形纳米金溶胶溶液中静置约6h，使粘合剂另一端的巯基与金属金形成稳定的S-Au键，进而在硅片表面形成自组装纳米金阵列，最后，再将其放入含有功能单体的乙醇溶液中，在催化剂在下，静置反应12h，制备得到硅片表面带有氨基的立方形纳米金自组装阵列，当加入TNT时，硅片表面富电子氨基与TNT分子中的三个缺电子硝基通过静电相存互作用，使得TNT分子粘附在立方形纳米金粒子表面，利用金属表面的局域表面等离子共振场，将TNT分子的常规拉曼信号放大增强，实现对TNT的检测。

图2是本发明所制备的不同粒径的晶种纳米金溶胶。分别将质量浓度为0.05%的HAuCl₄ 1mL、5mL、10mL、15mL溶液加入到盛有50mL水溶液的烧瓶中，然后，将此置于带有回流装置的恒温油浴槽中，以转速为500 rpm进行磁力搅拌，温度加热至160℃，随后加入4mL的还原剂，继续加热15min，其他条件不变，随着HAuCl₄量增加，所制备的晶种金颜色逐渐变深，说明粒径在不断增加，由此得到不同粒径的晶种金溶胶。

图3是本发明所制备的不同粒径的立方形纳米金溶胶。在50mL的三口烧瓶中将质量分数0.05%的HAuCl₄溶液1mL和0.04mol·L^-1的NH₂OH·HCl溶液1.0 mL在往复式振荡器中，以300r/min震荡均匀8min后，用稳定剂将上述混合溶液稀释至10 mL，持续震荡10min使溶液充分混合，再分别注入还原剂（0，0.2，0.4，0.6，0.8，1mL）溶液，随后用量程范围为100~1000μL的微量进样器注入100μL合成的晶种金溶胶，以250r/min在室温下震荡反应4h，取该反应混合物2mL置于15mL的离心管中，以8000rpm的离心分离10min后，去除上清液，为了提高15mL的离心管中金溶胶中金粒子的浓度，重复上述步骤，反复5次，得到的沉积的溶胶，再将其重新分散于体积比为1：1的10mL乙醇与水的混合溶液，制备得到立方形纳米金溶胶。图中从左往右依次是去离子水及加入0，0.2，0.4，0.6，0.8，1mLAgNO₃溶液反应生成的金溶胶，颜色从无色到蓝色再到蓝紫色最后为浅棕色变化。

图4是本发明所制备的晶种金溶胶紫外可见光谱。分别取自用0.05%的HAuCl₄1mL、5mL、10mL、15mL溶液制备的晶种金溶胶3mL置于比色皿中，其紫外可见光谱中可看出不同样品的吸收强度发生明显增强现象，说明其形成晶种金溶胶的浓度在逐渐变大，即小颗粒的金纳米种子的直径正在逐级增长。

图5是本发明所制备的立方形纳米金SEM。立方形纳米金本身的形状较为规则，分散效果好，为进一步制备立方形纳米金SERS探针奠定了基础。

图6是本发明所制备的立方形纳米金紫外可见光谱。在晶种金溶胶中分别加入0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL以及1mL的还原剂，得到的立方形纳米金，其紫外可见光谱中可看出不同样品的吸收强度发生红移现象，说明其形成立方形纳米金的三维尺寸在逐渐增大。

图7是TNT未放置在本发明所制备的立方形纳米金SERS探针上拉曼光谱。首先，将乙醇与乙腈体积比4:1作为溶剂分别配置浓度为10^-9-10^-4molL^-1的TNT溶液，分别取20uL滴加在空白的硅片上，其拉曼图谱中主要的三个吸收峰位分别为562、790、1094 cm^-1，强度分别为102、30、145、20，从下至上TNT的浓度分别为10^-9-10^-4molL^-1，TNT拉曼峰相对较弱。

图8是TNT放置在本发明所制备的立方形纳米金SERS探针上拉曼光谱。首先，将乙醇与乙腈体积比4:1作为溶剂分别配置浓度为10^-9-10^-4molL^-1的TNT溶液，分别取20uL滴加在立方形纳米金SERS探针的硅片上，从图中可以看出，拉曼图谱中主要的四个吸收峰位分别为238、1371、1585、2932 cm^-1，拉曼强度分别为14147、13545、21238、3592，从下至上TNT的浓度分别为10^-9-10^-4molL^-1，与图7相比，立方形纳米金SERS探针对TNT的拉曼峰光学信号有明显的增强效果，从而实现对痕量TNT的探测。

图9是本发明所用的硅片（A）和制备的立方形纳米金SERS探针（B）的实物。首先，对直径为150mm圆形硅片进行裁剪，得到1×1cm²硅片如图9（A）所示，再用3000目砂纸打磨1×1cm²硅片，然后，分别用体积比1:4的浓硫酸-双氧水混合液、丙酮、去离子水超声洗涤4~6min，再放置1~3周，让其表面慢慢氧化，将上述硅片的打磨面朝上放入含有粘合剂的乙醇溶液中，再加入100μL的催化剂，静置反应11 ~ 13h，将硅片取出，用无水乙醇反复冲洗后自然风干，再将其打磨面朝上放入立方形纳米金溶胶溶液中静置约5 ~ 7h，在硅片表面形成自组装纳米金阵列，最后，再将其放入含有功能单体的乙醇溶液中，加入100μL的催化剂，静置反应11 ~ 13h，制备得到硅片表面带有氨基的立方形纳米金自组装阵列，具有对TNT检测的立方形纳米金SERS探针，如图9（B）所示。

具体实施方式

一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征在于：所述SERS探针是通过立方形纳米金粒子在表面修饰巯基的硅片上自组装，硅片表面富电子氨基与TNT分子中的三个缺电子硝基通过静电相互作用，使得TNT分子粘附在立方形纳米金粒子表面，利用立方形纳米金粒子的局域表面等离子共振场，将TNT分子的常规拉曼信号放大增强，实现对TNT的检测，上述的SERS探针制备过程包括如下三个步骤：

第一步是晶种金溶胶的制备：首先，量取1 ~ 15mL的HAuCl₄溶液加入到盛有50mL去离子水的250mL的三口烧瓶中，然后，将此置于带有回流装置的恒温油浴槽中，以转速为400 ~600rpm进行磁力搅拌，温度加热至150 ~ 170℃范围内，随后加入3 ~ 5mL的还原剂甲，反应混合溶液的颜色从浅黄色变成橙色，最后变成酒红色，停止加热和搅拌，冷却至室温，静置避光放于冰箱中保存；

第二步是立方形纳米金粒子的制备：首先，量取0.2 ~ 1.0mL HAuCl₄溶液和0.2 ~1.0mL还原剂乙置于50mL的三口烧杯中，将此三口烧瓶放置于往复式振荡器中，以转速为250 ~ 350rpm，震荡5 ~ 10min后，再用稳定剂将上述混合溶液稀释至10mL，继续震荡9 ~11min使其充分混合，然后，向上述混合溶液中加入0.2 ~ 1mL还原剂丙，随后用量程范围为100~1000μL的微量进样器注入100μL的上述第一步合成的晶种金溶胶，随后，以240 ~260rpm室温震荡反应2 ~ 6h，取该反应混合物2mL置于15mL的离心管中，以7000 ~ 9000rpm的离心分离10min后，去除上清液，为了提高15mL的离心管中金溶胶中金粒子的浓度，重复上述步骤，反复5次，得到的沉积的溶胶，再将其重新分散于体积比为1：1的10mL乙醇与水的混合溶液，制备得到立方形纳米金溶胶；

第三步是立方形纳米金SERS探针的制备：首先，将用3000目砂纸打磨1×1cm²硅片，然后，分别用体积比1:4的浓硫酸-双氧水混合液、丙酮、去离子水超声洗涤4~6min，再放置1~3周，让其表面慢慢氧化，将上述硅片的打磨面朝上放入含有粘合剂的乙醇溶液中，再加入100μL的催化剂，静置反应11 ~ 13h，然后将硅片取出，用无水乙醇反复冲洗后自然风干，再将其打磨面朝上放入立方形纳米金溶胶溶液中静置约5 ~ 7h，在硅片表面形成自组装纳米金阵列，最后，再将其放入含有功能单体的乙醇溶液中，加入100μL的催化剂，静置反应11 ~13h，制备得到硅片表面带有氨基的立方形纳米金自组装阵列，其对TNT具有检测功能的SERS探针。

具体实施例

首先，制备金溶胶、立方形纳米金粒子，其次，将打磨过的1×1cm²硅片表面先修饰上巯基，然后，立方形纳米金单层自组装在硅片的表面，最后，在硅片的表面修饰上氨基，富电子氨基与TNT分子中的三个缺电子硝基通过静电相互作用，使得TNT分子粘附在立方形纳米金粒子表面，利用立方形纳米金粒子的的局域表面等离子共振场，将TNT分子的常规拉曼信号放大增强，实现对TNT的检测，上述的SERS探针制备过程包括如下三个步骤：

第一步是晶种金溶胶的制备：首先，量取８mL的HAuCl₄溶液加入到盛有50mL去离子水的250mL的三口烧瓶中，然后，将此置于带有回流装置的恒温油浴槽中，以转速为500 rpm进行磁力搅拌，温度加热至160℃，随后加入4mL的还原剂甲，反应混合溶液的颜色从浅黄色变成橙色，最后变成酒红色，停止加热和搅拌，冷却至室温，静置避光放于冰箱中保存；

第二步是立方形纳米金粒子的制备：首先，量取1.0mL HAuCl₄溶液和1.0mL还原剂乙置于50mL的三口烧杯中，将此三口烧瓶放置于往复式振荡器中，以转速为300rpm，震荡8min后，再用稳定剂将上述混合溶液稀释至10mL，继续震荡10min使其充分混合，然后，向上述混合溶液中加入1mL还原剂丙，随后用量程范围为100~1000μL的微量进样器注入100μL的上述第一步合成的晶种金溶胶，随后，以250rpm室温震荡反应4h，取该反应混合物2mL置于15mL的离心管中，以8000rpm的离心分离10min后，去除上清液，为了提高15mL的离心管中金溶胶中金粒子的浓度，重复上述步骤，反复5次，得到的沉积的溶胶，再将其重新分散于体积比为1：1的10mL乙醇与水的混合溶液，制备得到立方形纳米金溶胶；

第三步是立方形纳米金SERS探针的制备：首先，将用3000目砂纸打磨1×1cm²硅片，然后，分别用体积比1:4的浓硫酸-双氧水混合液、丙酮、去离子水超声洗涤5min，再放置2周，让其表面慢慢氧化，将上述硅片的打磨面朝上放入含有粘合剂的乙醇溶液中，再加入100μL的催化剂，静置反应12h，然后将硅片取出，用无水乙醇反复冲洗后自然风干，再将其打磨面朝上放入立方形纳米金溶胶溶液中静置约6h，在硅片表面形成自组装纳米金阵列，最后，再将其放入含有功能单体的乙醇溶液中，加入100μL的催化剂，静置反应12h，制备得到硅片表面带有氨基的立方形纳米金自组装阵列，其对TNT具有检测功能的SERS探针。

Claims (8)

1.一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征在于：所述SERS探针是通过立方形纳米金粒子在表面修饰巯基的硅片上自组装，硅片表面富电子氨基与TNT分子中的三个缺电子硝基通过静电相互作用，使得TNT分子粘附在立方形纳米金粒子表面，利用立方形纳米金粒子的局域表面等离子共振场，将TNT分子的常规拉曼信号放大增强，实现对TNT的检测，上述的SERS探针制备过程包括如下三个步骤：

1.1 第一步是晶种金溶胶的制备：首先，量取1 ~ 15mL的HAuCl₄溶液加入到盛有50mL去离子水的250mL的三口烧瓶中，然后，将此置于带有回流装置的恒温油浴槽中，以转速为400~ 600rpm进行磁力搅拌，温度加热至150 ~ 170℃范围内，随后加入3 ~ 5mL的还原剂甲，反应混合溶液的颜色从浅黄色变成橙色，最后变成酒红色，停止加热和搅拌，冷却至室温，静置避光放于冰箱中保存；

1.2 第二步是立方形纳米金粒子的制备：首先，量取0.2 ~ 1.0mL HAuCl₄溶液和0.2 ~1.0mL还原剂乙置于50mL的三口烧杯中，将此三口烧瓶放置于往复式振荡器中，以转速为250 ~ 350rpm，震荡5 ~ 10min后，再用稳定剂将上述混合溶液稀释至10mL，继续震荡9 ~11min使其充分混合，然后，向上述混合溶液中加入0.2 ~ 1mL还原剂丙，随后用量程范围为100~1000μL的微量进样器注入100μL的上述第一步合成的晶种金溶胶，随后，以240 ~260rpm室温震荡反应2 ~ 6h，取该反应混合物2mL置于15mL的离心管中，以7000 ~ 9000rpm的离心分离10min后，去除上清液，为了提高15mL的离心管中金溶胶中金粒子的浓度，重复上述步骤，反复5次，得到的沉积的溶胶，再将其重新分散于体积比为1：1的10mL乙醇与水的混合溶液，制备得到立方形纳米金溶胶；

1.3 第三步是立方形纳米金SERS探针的制备：首先，将用3000目砂纸打磨1×1cm²硅片，然后，分别用体积比1:4的浓硫酸-双氧水混合液、丙酮、去离子水超声洗涤4~6min，再放置1~3周，让其表面慢慢氧化，将上述硅片的打磨面朝上放入含有粘合剂的乙醇溶液中，再加入100μL的催化剂，静置反应11 ~ 13h，然后将硅片取出，用无水乙醇反复冲洗后自然风干，再将其打磨面朝上放入立方形纳米金溶胶溶液中静置约5 ~ 7h，在硅片表面形成自组装纳米金阵列，最后，再将其放入含有功能单体的乙醇溶液中，加入100μL的催化剂，静置反应11 ~13h，制备得到硅片表面带有氨基的立方形纳米金自组装阵列，其对TNT具有检测功能的SERS探针。

2.根据权利要求1所述的一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征是：所述的立方形纳米金SERS探针的制备中还原剂甲、乙、丙分别为硝酸银、盐酸羟基胺、硼氢化钠、氢化铝锂、柠檬酸钠、硼氢化钾中的一种，本发明优化选择还原剂甲为柠檬酸钠、还原剂乙为盐酸羟基胺、还原剂丙为硝酸银。

3.根据权利要求1所述的一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征是：所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的稳定剂为质量浓度为20%的聚乙二醇2000水溶液。

4.根据权利要求1所述的一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征是：所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的粘合剂为3-巯丙基三乙氧基硅烷。

5.根据权利要求1所述的一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征是：所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的功能单体是3-氨丙基三乙氧基硅烷。

6.根据权利要求1所述的一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征是：所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的催化剂为质量浓度为25%的氨水。

7.根据权利要求1所述的一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征是：所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的立方形纳米金尺寸可以通过反应物的量和反应时间加以控制。

8.根据权利要求1所述的一种用于TNT检测的立方形纳米金SERS探针的制备方法，其特征是：所述的立方形纳米金SERS探针的制备中的自组装阵列是指具有空间结构的单层立方形纳米金。