CN111289493A - 一种表面增强拉曼基底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于拉曼检测领域，具体涉及一种基于金属‑介电纳米材料复合结构表面增强拉曼基底及其制备方法。本发明拉曼增强基底通过将具有高Q值的介电微球沉积到单层贵金属纳米颗粒上形成金属‑介电纳米材料复合结构，并结合捕获法，即使用偶联剂将二氧化硅表面官能化，表面接枝官能团的介电微球可以与待测溶液中的目标分子有效结合，在介电微球自组装到单层金纳米颗粒表面构成复合结构，在增强电场定位的强度的同时并使目标分子靠近电磁“热点”，从而获得较强的SERS信号，实现对待测物质的快速高灵敏度的检测。

Description

一种表面增强拉曼基底及其制备方法

技术领域

本发明属于拉曼检测领域，具体涉及一种基于金属-介电纳米材料复合结构表面增强拉曼基底及其制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman scattering，SERS)，是指当检测分子吸附到金、银等贵金属良导体表面时，其拉曼信号远高于普通拉曼信号的现象。SERS是一种高灵敏度、高选择性、非破坏性的快速检测手段，己被广泛应用到生物、表面化学、环境检测、食品安全等领域。高性能的SERS光谱离不开性能良好的SERS基底做支撑，基底材料的种类、形貌以及结构都会强烈地影响SERS性能。目前仅有金、银、铜三种金属和少数极不常用的碱金属(如锂、钠等)具有较高强度SERS效应，并且金、银、铜等金属尚需表面粗糙化处理之后才具有高SERS活性，因此制备新型SERS活性基底迫在眉睫。

贵金属纳米颗粒具有局部表面等离振子共振效应(LSPR)，且通过调控贵金属纳米结构的尺寸、形状、材质以及周围介质的环境参数等因素可以控制其LSPR的共振峰位、共振峰的半宽、共振时的吸收效率以及消光效应，这使得贵金属纳米结构的LSPR效应吸引了越来越多的研究者的兴趣。基于贵金属纳米颗粒的表面限域和近场增强两大基本特性，结合其在紫外至红外光频段广泛可调的LSPR光学性能，使贵金属纳米颗粒在SERS上具有很大应用潜力。但是贵金属纳米颗粒由于电子阻尼产生的耗散损耗并且其低Q值限制了其发展。介电微粒是一种具有回音壁模型结构的光子谐振器，可以产生低阻尼的光学共振，且具有高Q值以及较大的模式体积，但是其峰值电场增强远低于金属纳米颗粒。因此，高场局域化及高峰电场的等离子体贵金属纳米结构和高Q因子的介电微球光学谐振器的互补性使人们对其“光等离子体”混合簇产生了兴趣。

另一方面，在SERS测试中，除了SERS基底外，还面临另外一个挑战，即杂质分子的存在会对SERS光谱产生干扰。所以，实验过程中需要去除溶液中的杂质，常用的方法有离心，膜渗透法等，但是这些方法都存在着弊端，采用离心的方法只能去除部分大分子悬浮物，对于小分子杂质无法充分去除；采用膜渗透过滤法可以有效分离大分子与小分子物质，但是该方法太过于耗时，通过膜渗透法需要的时间均大于1天。

因此，如何基于拉曼基底实现待测物质的高灵敏度、快速、准确检测的检测就成为了亟待解决的问题。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种表面增强拉曼基底及其制备方法。本发明拉曼增强基底通过将具有高Q值的介电微球沉积到单层贵金属纳米颗粒上形成金属-介电纳米材料复合结构，并结合捕获法，即使用偶联剂将二氧化硅表面官能化，表面接枝官能团的介电微球可以与待测溶液中的目标分子有效结合，在介电微球自组装到单层金纳米颗粒表面构成复合结构，增强电场定位的强度的同时并使目标分子靠近电磁“热点”，从而获得较强的SERS信号，实现对待测物质的快速高灵敏度的检测。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种表面增强拉曼基底，其特征在于，从下至上依次为衬底、单层贵金属纳米颗粒、表面改性后的介电微球。

进一步地，所述表面改性后的介电微球先吸附目标分子，再沉积到单层贵金属纳米颗粒表面。

进一步地，所述吸附目标分子的方法为静电吸附或化学反应吸附。

进一步地，所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒，这两种金属d电子和s电子的能隙较大，从而避免因发生带间跃迁而将吸收光的能量转化为热，可实现高效LSPR散射过程，直径为10nm～100nm；所述表面改性后的介电微球为二氧化硅微球、二氧化钛微球、聚苯乙烯微球中任意一种，直径为500nm～6μm。

一种表面增强拉曼基底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.在衬底上沉积制备单层贵金属纳米颗粒；

步骤2.使用硅烷偶联剂对介电微球进行表面改性处理，具体过程为：在硅烷偶联剂的无水乙醇溶液中，加入100～300μL去离子水，然后加入冰醋酸调节pH至3～4，在55～75℃温度下进行水解反应得到溶液A，将介电微球的乙醇悬浊液a加入到溶液A中，在30～50℃温度下进行表面改性处理，离心、洗涤，得到表面接枝官能团的介电微球；

步骤3.将步骤2得到的表面接枝官能团的介电微球加入到待测溶液中，在室温下搅拌，使目标分子吸附到改性后的介电微球上，然后离心分离得到捕获了目标分子的改性介电微球；

步骤4.将步骤1得到的衬底倾斜，然后在单层贵金属纳米颗粒表面滴加捕获有目标分子的改性介电微球乙醇悬浊液，即可得到所需的金属-介电纳米复合结构表面增强拉曼基底。

进一步地，步骤1所述衬底为硅片，石英、玻璃等；所述沉积的方法为界面法或静电吸附法。

进一步地，步骤2中所述的硅烷偶联剂，具体为KH550、KH560、KH580、硅烷-聚乙二醇-羧基(分子发量＝2000Da)中的一种，所述硅烷偶联剂在乙醇中的浓度为1％w/v，介电微球在乙醇中的浓度为2.5％w/v。

进一步地，步骤3中所述目标分子与介电微球修饰的官能团能形成静电吸附或化学反应吸附。

进一步地，所述目标分子具体为甲基苯丙胺、吗啡、可卡因、黄樟素、海洛因、大麻、甲苯胺蓝、对氨基苯硫酚中其中一种。

进一步地，步骤4中倾斜目的是为了避免介电微球产生多层结构或形成团簇，使其在金纳米表面呈随机单层分布，倾斜角度5°～10°。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.基底中的金属纳米颗粒与介电微球复合形成金属-介电纳米结构，由于球形电介质在纳米簇中定位，促进等离子体与光子共振之间的耦合，可以在贵金属纳米颗粒之间以及贵金属与介电微球接触的区域产生强烈的电磁场增强效应，其对检测物拉曼信号的放大效果比单层金纳米颗粒结构高出5倍，增强效果可达10^7，该特性使得金属-介电复合纳米结构在传感上具有很大的研究价值；且该结构制备方法简便易行。

2.传统的SERS测试采用直接将含有被分析物的溶液滴加到基底表面进行测试，与直接滴加分析物的方法相比，“捕获法”策略具有独特的优势：一方面，被检测物溶液中可能含有其他杂质，若直接将其滴加到基底上其产生的背景SERS信号会干扰所需的SERS光谱；而采用捕获的方法则可以在一定程度上规避这种有害背景SERS信号的干扰。介电微球表面的基团为硅烷接枝官能团提供不同选择，因此可以选择性的捕获被检测物分子，例如可以使用含羧基的偶联剂修饰二氧化硅微球，表面修饰-COOH的二氧化硅微粒在碱性条件下带上负电，可以通过静电吸附法捕获在水溶液中带正电的检测物，同时，也可通过表面-COOH与反应物分子官能团之间的化学反应特异性捕获检测物分子，如-COOH与-OH在碱性条件下的酯化反应。即使是在人的体液(尿液、唾液)等复杂环境中，该基底依然可以达到10nM(尿液)和5nM(唾液)的检出限；另一方面，被检目标分子被捕获到介电微球表面后，可以在介电微球自组装过程被主动带到介电微球和贵金属纳米阵列之间的“热点”区域，从而提供更强的拉曼信号灵敏度。

附图说明

图1为本发明所制备的金纳米颗粒-介电微球复合结构表面增强拉曼基底模型示意图。

图2为表面修饰后介电微球捕获待测分子的原理示意图。

图3为本发明金纳米颗粒-介电微球复合结构表面增强拉曼基底的制备流程图。

图4为本发明实施例1所制备的表面增强拉曼基底用于检测水溶液中甲基苯丙胺的结果图。

图5为本发明对比例1所制备的表面增强拉曼基底用于检测水溶液中甲基苯丙胺的结果图。

图6为本发明实施例3和对比例2所制备的表面增强拉曼基底用于检测水溶液中对氨基苯硫酚的结果图。

图7为本发明实施例4所制备的表面增强拉曼基底用于检测尿液中甲基苯丙胺的SERS结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种表面增强拉曼基底，其特征在于，从下至上依次为衬底、单层贵金属纳米颗粒、表面改性后的介电微球，结构示意图如图1所示。

实施例1

一种表面增强拉曼基底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.采用种子溶液生长法制备金纳米颗粒(AuNPs)，具体过程为：

步骤1.1.通过柠檬酸盐还原法合成粒径为10nm的纳米金种子：将2.5mL HAuCl4·3H₂O溶液(0.2％w/v，1L中2g)加入到50ml去离子水中，加热至沸腾，再加入2mL柠檬酸钠溶液(1％w/v，含有0.05％w/v柠檬酸)，反应5min，然后冷却至室温，得到种子溶液；

步骤1.2.取步骤1.1制备的种子溶液3mL，加入去离子水稀释至20mL，采用两个特氟龙管将10mL溶液A和10mL溶液B缓慢滴入种子溶液中，得到混合溶液，其中，溶液A为将2mLHAuCl₄·3H₂O溶液(0.2％w/v)稀释至10mL得到，溶液B为将0.5mL的抗坏血酸溶液(1％w/v)和0.25mL柠檬酸三钠溶液(1％w/v)的混合物稀释至10mL得到；

步骤1.3.将步骤1.2得到的混合溶液加热至沸腾，并在该温度下反应20min，采用去离子水离心洗涤两次，得到平均直径为70nm的AuNPs胶体；

步骤2.采用界面法在硅衬底上制备单层金纳米颗粒，具体过程如图3所示，为：

步骤2.1.取10mL步骤1得到的AuNPs胶体，以4500rpm的速度离心5min，浓缩0.5mL；

步骤2.2.将浓缩后的胶体分散到装有2mL去离子水的烧杯中，加入2mL环己烷以产生有机-水界面，然后加入1mL乙醇，在乙醇的诱导下，单层纳米金颗粒薄膜立即在有机-水界面形成；

步骤2.3.待环己烷完全挥发后，将液面倾斜45°，然后将硅片水平浸入液体中，使其平行于界面的单层金纳米颗粒，接着垂直于界面将硅片从液体中缓慢向上移出，从而使单层纳米金颗粒转移到硅片上，放入真空烘箱中在40℃下干燥，即可在硅衬底表面得到单层纳米金颗粒；

步骤3.使用硅烷偶联剂对二氧化硅微球进行表面改性处理，具体过程为：在1ml1％w/v的硅烷偶联剂Silane-PEG-COOH的乙醇溶液中加入300μL去离子水，然后加入冰醋酸调节pH至为3.5，在55℃温度下进行水解反应1h，得到溶液A，将0.5g、直径为5μm的二氧化硅微球悬浊液加入到溶液A中，在50℃温度下，搅拌反应4小时，得到修饰后的SiO₂-g-COOH；

步骤4.将步骤3得到的改性后的二氧化硅微球用去离子水离心洗涤两次，然后再分散在5mL去离子水中，得到改性后的二氧化硅微球悬浊液，在悬浊液中加入100μL的甲基苯丙胺待测水溶液，在室温下搅拌，使水溶液中的甲基苯丙胺目标分子附着到改性后的二氧化硅微球上，然后离心分离得到捕获了目标分子的改性二氧化硅微球，其中，水溶液待测的甲基苯丙胺浓度分别为10nM、100nM、1μM、10μM和100μM；捕获目标分子的原理示意图如图2所示；

步骤5.将步骤1得到的衬底倾斜10°，然后将捕获有目标分子的改性二氧化硅微球自组装到步骤1得到的单层贵金属纳米颗粒阵列表面，即可得到所需的金属-介电纳米复合结构表面增强拉曼基底。

其中，w为质量，单位为kg；v为体积，单位为L。

拉曼测试：将含有被检测物甲基苯丙胺(METH)的单层金-二氧化硅微球SERS基底进行SERS测试。通过二极管激光器激发样品进行SERS信号采集，为了保证结果的准确可靠，对于每个SERS样品进行5个不同区域信号采集，本专利中拉曼图谱均为对应SERS基底拉曼光谱强度的平均水平。SERS光谱经过了背景和基线校正，并通过洛伦兹拟合确定了1070cm^-1处的峰高。

本实施例测试得到的SERS光谱如图4所示。

对比例1

按照实施例1的步骤制备拉曼增强基底，不进行步骤3二氧化硅表面修饰处理，直接将二氧化硅与待测溶液混合，然后滴加到单层金纳米颗粒表面制备SERS基底，其他步骤不变。

本对比例制备的拉曼增强基底进行拉曼测试的结果如图5所示。

实施例2

按照实施例1的步骤制备拉曼增强基底，将步骤2中在硅衬底上制备单层金纳米颗粒的方法调整为静电吸附法，具体过程为：将硅片在浓度为1％的聚赖氨酸溶液中浸泡过夜，用乙醇洗涤干燥，此时硅片表面附着上一层-NH₃ ⁺基团。在步骤1制备的纳米金溶胶中加入稳定剂巯基乙二醇丙酸酯(1％w/v)，孵化过夜，使纳米金颗粒表面带上负电；将10mL表面改性后的纳米金离心浓缩至0.5mL，将其滴加到多聚赖氨酸浸泡过的硅片上，孵化过夜，由于静电吸附作用，会在硅片上形成单层纳米金颗粒；

其他步骤不变制备表面增强拉曼基底。

实施例3

按照实施例1的步骤制备拉曼增强基底，将步骤3中二氧化硅微球的直径调整为500nm、1μm、2μm、3μm和4μm，将步骤4中的甲基苯丙胺水溶液换成对氨基苯硫酚水溶液，其他步骤不变。

本实施例制备的拉曼增强基底进行拉曼测试的结果如图6所示。

对比例2

按照实施例3步骤制备拉曼增强基底，在步骤2制备的具有单层纳米金颗粒阵列的拉曼基底上滴加待测溶液对氨基苯硫酚水溶液，即制备单层金纳米颗粒拉曼增强基底，然后进行拉曼测试。

本对比例的测试结果如图6所示。

实施例4

按照实施例1的步骤制备拉曼增强基底，仅将步骤4中的甲基苯丙胺待测水溶液调整为含有甲基苯丙胺的尿液，其他步骤不变，制备拉曼增强基底。

本实施例进行拉曼测试的结果如图7所示。

图4和图5分别是实施例1和对比例1的甲基苯丙胺SERS光谱结果图，两者对比可以得到，实施例1采用表面修饰后的二氧化硅微球去捕获检测物分子得到的检出限为1nM，比对比例1的检出极限高出1个数量级，证明了捕获法在SERS检测中的高灵敏度。

图6为本发明实施例3和对比例2所制备的表面增强拉曼基底用于检测水溶液中对氨基苯硫酚的结果图。从图中可以看出，不同粒径的二氧化硅与金纳米颗粒形成的复合结构作为拉曼基底时，含有不同粒径二氧化硅的拉曼基底所产生的增强效应均强于对比例2制备的单层纳米金阵列(无微球)，证明该复合结构具有高SERS活性；另一方面，从图中可以得知，在500nm～5μm介电微球直径变化范围内，随着微球粒径的增加，所构成的拉曼基底的SERS增强效应越强。

图7为本发明实施例4所制备的表面增强拉曼基底用于检测唾液中甲基苯丙胺(METH)的SERS结果图。在人的体液(尿液)等复杂环境中，检测到了METH在1001cm^-1和1030cm^-1处具有代表性的SERS峰，且该复合结构对甲基苯丙胺的检出极限即使在唾液中也可以达到5nM，进一步证明捕获策略的可行性以及该金属-介电纳米复合结构作为高性能SERS基底的优势，在实际生活中可以实现对违禁化学品，如甲基苯丙胺、吗啡、可卡因、黄樟素、海洛因、大麻等的快速高灵敏度的检测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种表面增强拉曼基底，其特征在于，从下至上依次为衬底、单层贵金属纳米颗粒、表面改性后的介电微球。

2.如权利要求1所述表面增强拉曼基底，其特征在于，所述表面改性后的介电微球先吸附目标分子，再沉积到单层贵金属纳米颗粒表面。

3.如权利要求2所述表面增强拉曼基底，其特征在于，所述吸附目标分子的方法为静电吸附或化学反应吸附。

4.如权利要求1所述表面增强拉曼基底，其特征在于，所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒，直径为10nm～100nm；所述介电微球为二氧化硅微球、二氧化钛微球、聚苯乙烯微球中任意一种，直径为500nm～6μm。

5.一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在衬底上沉积制备单层贵金属纳米颗粒；

步骤2.使用硅烷偶联剂对介电微球进行表面改性处理，具体过程为：在硅烷偶联剂的无水乙醇溶液中，加入去离子水，然后加入冰醋酸调节pH至3～4，在55～75℃温度下进行水解反应得到溶液A，将介电微球的乙醇悬浊液a加入到溶液A中，在30～50℃温度下进行表面改性处理，离心、洗涤，得到表面接枝官能团的介电微球；

步骤3.将步骤2得到的表面接枝官能团的介电微球加入到待测溶液中，室温下搅拌，使目标分子吸附到改性后的介电微球上，然后离心分离得到捕获了目标分子的改性介电微球；

步骤4.将步骤1得到的衬底倾斜，然后在单层贵金属纳米颗粒表面滴加捕获有目标分子的改性介电微球乙醇悬浊液，即可得到所需的金属-介电纳米复合结构表面增强拉曼基底。

6.如权利要求5所述表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，步骤1所述衬底为硅片、石英或玻璃；所述沉积的方法为界面法或静电吸附法。

7.如权利要求5所述表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的硅烷偶联剂具体为KH550、KH560、KH580、硅烷-聚乙二醇-羧基中的一种。

8.如权利要求5所述表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，步骤3中所述待测分子与介电微球修饰的官能团能形成静电吸附或化学反应吸附。

9.如权利要求8所述表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，所述待测分子具体为甲基苯丙胺、吗啡、可卡因、黄樟素、海洛因、大麻、甲苯胺蓝、对氨基苯硫酚中其中一种。

10.如权利要求5所述表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，步骤4中倾斜目的是为了避免介电微球产生多层结构或形成团簇，倾斜角度为5°～10°。

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