CN112285088B - 作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶及其制备方法和应用，微凝胶呈颗粒状，其颗粒包括内层的金纳米双锥粒子、包覆在金纳米双锥粒子表面的银纳米和外层的透明质酸水凝胶。其制备方法包括以下步骤：提供金纳米双锥粒子溶液，与还原剂和银离子溶液混合进行还原反应，分离获得沉淀物；将所述沉淀物复溶于水，与透明质酸钠混合进行缩合反应，制得所述微凝胶。所述微凝胶与待测样品直接混合，进行表面增强拉曼散射检测，无需对样品进行前处理。本申请的微凝胶的制备方法简单，易操作，适合大面积推广。

Description

作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶及其制备方法和用途
技术领域
本申请涉及表面增强拉曼散射检测领域，特别是涉及一种作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶及其制备方法和用途。
背景技术
表面增强拉曼散射(SERS)是一种高灵敏度的原位分析技术，当一些分子被吸附到粗糙的金属(Au、Ag、Cu等)表面时，其拉曼散射强度会显著提高。
纳米粒子如金纳米粒子已被用作传统的SERS基底，由于纳米粒子(NPs) 在复杂样品中分散性差，导致检测结果重复性较差，限制了它们的广泛应用。为解决此问题，Shin-Hyun Kim教授课题组利用毛细管微流控技术制备了微米级凝胶，可用于对复杂混合物的分析检测。Luis M.Liz-Marzán教授课题组在2010 年利用聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)对纳米棒和纳米球进行包裹制备得到微凝胶，但这些制备方法往往需要精密设备的调控以及较为复杂的操作。
发明内容
本申请针对微凝胶的制备方法较为繁琐，需要精密设备的调控，不合适广泛推广的问题，提供了一种作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶。
作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶，所述微凝胶呈颗粒状，微凝胶颗粒包括内层的金纳米双锥粒子、中间层的包覆在金纳米双锥粒子表面的银纳米和外层的透明质酸水凝胶。
金纳米双锥是一类具有优越光学性能的金纳米粒子，其结构由两个五棱锥组成，由于两端尖锐产生的“避雷针效应”，其电场强度和折射灵敏度优于金纳米棒和金纳米球。
银纳米是指纳米级的金属银单质，银纳米可以增强金纳米双锥的表面电场效应，提高其作为SERS基底用于定量分析的可行性。
透明质酸钠是一种富含羧基的聚合物，在经过活化剂活化后可以与金纳米双锥@银纳米粒子表面的氨基发生脱水缩合反应，进而获得具有分子选择功能的透明质酸水凝胶层，将大分子阻断在水凝胶之外，让目标小分子顺利进入水凝胶内部，到达金纳米双锥@银纳米粒子表面，具有直接检测复杂混合样品中小分子的潜力。
所述大分子物质是指流体力学直径大于7nm的物质，包括蛋白质等，所述小分子是指流体力学直径小于1nm的物质，包括罗丹明6G等。
所述的流体力学直径指与测定的不同分子的扩散系数相对应的运动颗粒的直径。在凝胶体系中，混合溶液中的大分子受凝胶孔径大小的限制，不能进入凝胶的内部，而小分子不受阻碍，能迅速到达凝胶内部。
可选的，所述微凝胶颗粒的粒径为300-330nm。
本发明还提供了一种所述微凝胶的制备方法，包括以下步骤：
提供金纳米双锥粒子溶液，与还原剂和银离子溶液混合进行原位还原反应，分离获得沉淀物；将所述沉淀物复溶于水，与透明质酸钠混合进行缩合反应，制得所述微凝胶。
所述还原剂为聚乙烯亚胺，由于聚乙烯亚胺分子结构上带有大量氨基(伯胺和仲胺)，具有很强的还原性，能够将银离子原位还原成纳米银单质。
所述聚乙烯亚胺具有螯和金纳米双锥@银纳米粒子的能力，其结构上还带有大量的氨基(-NH2)，能与透明质酸钠上的羧基(-COO-)在活化剂1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)的作用下，形成酰胺键，得到透明质酸水凝胶。因此，透明质酸水凝胶能够包裹在金纳米双锥@银纳米粒子的外层。
还原剂的用量不仅需要用于还原银离子，而且还需要和透明质酸钠发生交联反应，可选的，所述银离子与还原剂的重量比为0.8:1.0～1.0:1.0。
所述银离子与还原剂的重量比会影响金纳米双锥粒子表面的银层厚度，重量比越大，金纳米双锥表面银层的厚度越大，拉曼效应越好。
所述银离子溶液由可溶性银盐溶于水制得，所述可溶性盐为硝酸银。
银离子的用量是通过调节硝酸银的浓度来进行调控的。硝酸银易溶于水，是银离子的来源，作为一种强氧化剂，可被中强或强还原剂还原成单质银。
可选的，所述金纳米双锥粒子溶液具有表面活性剂，能够分散金纳米双锥粒子，形成稳定的溶液。
可选的，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵和吐温20中的一种或多种，优选地，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
可选的，所述透明质酸钠混合前经活化剂活化。
可选，所述活化剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)，其主要作用是在酰胺键形成时活化羰基基团。
可选的，金纳米双锥粒子和透明质酸钠的比值为1.0x10-8～1.0x10-7mol/mg。过量的透明质酸钠会导致相邻颗粒之间发生黏连，阻止待检测物质进入到基底微凝胶内部。
本发明还提供了一种所述的微凝胶作为表面增强拉曼散射基底的用途。
可选的，所述微凝胶与待测样品直接混合，进行表面增强拉曼散射检测。
所述直接混合是不需要对待测样品进行预处理，可以将待测样品直接添加到基底溶液中，基底微凝胶的用量可以参照一般拉曼散射检测方法。
在一实施例中，将牛血清白蛋白和罗丹明6G的混合样品直接与微凝胶混合，轻微震荡后，使用便携式拉曼仪检测混合样品中的罗丹明6G。
本申请至少具有以下技术效果之一：
本申请微凝胶的制备方法简单，无需精密仪器进行调控。
本申请的微凝胶能直接检测复杂混合样品，无需前处理。
附图说明
图1为微凝胶的制备过程示意图；
图2为微凝胶的表征图；
图3为微凝胶与金纳米双锥@银纳米粒子(Au NBP@Ag)的应用对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本申请所述的技术方案做进一步的说明，但本申请不仅限于此。
实施例1
金纳米双锥溶液的制备方法：
参考Luis M.Liz-Marzán教授课题组在2017发表在JACS上的文章进行合成金纳米双锥纳米粒子。合成过程分为两部分：
(1)金种的合成：0.25mL 25mM新制的冰冻的硼氢化钠溶液加入到10mL 混合溶液中(0.25mM氯金酸，50mM CTAC，5.0mM柠檬酸)在80℃下反应 90min。
(2)金纳米双锥纳米粒子的合成：将上述8.0mL金种溶液加入到含有200 mL 100mMCTAB，10mL,10mM氯金酸，2.0mL,10mM硝酸银，4.0mL,1.0 M盐酸，1.6mL,100mM抗坏血酸的混合溶液中，反应2小时。
实施例2
作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶的制备方法：
将0.50mL 1.0x10-8mol/L金纳米双锥溶液加入到10mL 0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵；然后依次加入0.50mL 10mg/mL聚乙烯亚胺，0.50mL 10 mg/mL硝酸银；混合均匀后，置于120℃下反应4小时；分离得到沉淀物，用 1.0mL超纯水溶解沉淀物。
将100μL 5.0mg/mL 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，100μL 1.0mg/mL N-羟基琥珀酰亚胺，依次加入到200μL 1.0mg/mL透明质酸钠溶液中，混合均匀，在室温下进行轻微振荡反应15分钟后，加入沉淀物溶解液200μL，在室温下轻微振荡反应6小时，获得微凝胶。
采用高分辨透射电子显微镜(STEM)对本申请的作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶进行表征。结果如图2(a)(b)所示，中心粒子为金纳米双锥@银纳米粒子(Au NBP@Ag)，外层由透明质酸水凝胶包裹，微凝胶颗粒的粒径为300–330nm。结合STEM的元素mapping图(图2(c))，可以发现该方法制备得到的微凝胶是一种具有三层核壳结构的纳米粒子，最内层为金纳米双锥层，在元素mapping图中表现为金元素的分布；中间层为银层，在元素mapping图中表现为银元素的分布，其主要分布在金纳米双锥表面；最外层为透明质酸水凝胶层，在元素mapping图中表现为碳与氧元素的分布，该层包裹着内部金层与银层。
实施例3
作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶检测罗丹明6G：
将含有60μL罗丹明6G(1.0x10-6M)加入到50μL微凝胶中，轻微振荡 30分钟后，使用便携式拉曼仪进行检测。
实施例4
作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶直接检测牛血清白蛋白和罗丹明6G 的混合样品：
将含有60μL罗丹明6G(1.0x10-6M)的牛血清白蛋白(30mg/mL)混合样品加入到50μL微凝胶中，轻微振荡30分钟后，使用便携式拉曼仪进行检测。
对比例1
金纳米双锥@银纳米粒子(Au NBP@Ag)检测罗丹明6G：
金纳米双锥@银纳米粒子是通过以金纳米双锥为核心，利用聚乙烯亚胺原位还原银离子得来。将60μL罗丹明6G(1.0x10-6M)加入到50μL金纳米双锥@银纳米粒子溶液中，轻微振荡30分钟后，使用便携式拉曼仪进行检测。
对比例2
金纳米双锥@银纳米粒子(Au NBP@Ag)检测牛血清白蛋白和罗丹明6G 的混合样品：
将含有60μL罗丹明6G(1.0x10-6M)的牛血清白蛋白(30mg/mL)混合样品加入到50μL金纳米双锥@银纳米粒子中，轻微振荡30分钟后，使用便携式拉曼仪进行检测。
对比例1和对比例2结果进行比较，对比例2检测到的拉曼信号强度明显减弱，说明大分子牛血清白蛋白会影响目标分子在纳米粒子的吸附。
实施例3和实施4中微凝胶分别检测罗丹明6G和牛血清白蛋白混合样品中的罗丹明6G，检测到的拉曼信号强度相近，说明本申请利用透明质酸钠与聚乙烯亚胺的缩合反应，得到金纳米双锥@银@透明质酸水凝胶，能够将蛋白大分子进行阻隔，让待测小分子到达金纳米双锥@银纳米粒子的表面。
实施例3和对比例1分别检测纯罗丹明6G，两者的检测到的拉曼信号强度相近，表明本申请的微凝胶外层的透明质酸水凝胶层不会减弱目标分子的拉曼信号。
上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明，本申请所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本申请的权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.作为表面增强拉曼散射基底的微凝胶，其特征在于，所述微凝胶呈颗粒状，微凝胶颗粒包括内层的金纳米双锥粒子、中间层的包覆在金纳米双锥粒子表面的银纳米和外层的透明质酸水凝胶；
所述微凝胶的制备方法，包括以下步骤：
提供金纳米双锥粒子溶液，与还原剂和银离子溶液混合进行原位还原反应，分离获得沉淀物；将所述沉淀物复溶于水，与透明质酸钠混合进行缩合反应，制得所述微凝胶；
所述还原剂为聚乙烯亚胺；
所述透明质酸钠混合前经1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺活化。
2.根据权利要求1所述微凝胶，其特征在于，所述微凝胶颗粒的粒径为300-330 nm。
3.根据权利要求1所述微凝胶，其特征在于，所述金纳米双锥粒子溶液具有表面活性剂。
4.根据权利要求3所述微凝胶，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
5.根据权利要求1所述微凝胶，其特征在于，所述金纳米双锥粒子和透明质酸钠的比值为1.0 x 10-8~1.0 x 10-7mol/mg。
6.根据权利要求1-2任一项所述的微凝胶作为表面增强拉曼散射基底的用途。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，包括将所述微凝胶与待测样品直接混合，进行表面增强拉曼散射检测。
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