CN112697769A - 一种基于离心自组装技术实现现场快速sers检测的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于离心自组装技术实现现场快速SERS检测的方法，涉及表面增强拉曼检测技术领域，在透明离心管壁上组装贵金属纳米颗粒阵列膜，利用贵金属纳米颗粒之间的相互耦合增大SERS信号，构筑了一种便携式SERS基底，实现了现场原位便携检测。离心管可采用一次性试管等常用的具有较好的光学透明性，价格低廉，工业化程度高的容器。可以在环境中直接取样，同时在试管上直接进行测试，简化了检测流程，达到了取样检测一体化，有效的推动SERS检测技术的实用化。由于贵金属纳米颗粒在试管内壁自组装，减少了人为因素对组装效果的影响，所得到的样品具有较高的一致性，保证了SERS信号的可重复性。
Description
技术领域
本发明涉及表面增强拉曼检测技术领域，具体是涉及一种基于离心自组装技术实现现场快速SERS检测的方法。
背景技术
工农业生产中的使用的农药、添加剂等泄露和残留，严重威胁人类生存环境与健康，对这些有毒污染物快速精确监测和预警至关重要。目前实验室识别检测技术种类繁多，但是不能实现快速、高效、实时、原位在线监测和检测，因此针对性的提高污染物的检测分析技术是一项极其重要的研究课题。
表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术，不仅具有响应速度快、灵敏度高等优势，而且还可以在分子水平上给出物质结构的指纹特征信息，在实现痕量环境及食品污染物的快速、实时检测方面具有潜在的应用前景。传统的SERS检测方法是将贵金属纳米颗粒与待测分子混合后滴在硅片上，静置干燥后进行SERS检测。该方法虽然简单，但会因为干燥过程中的“咖啡环”效应导致SERS信号严重不均匀。通过光刻技术可以解决干燥过程中的均匀性问题，但会导致衬底制备工艺难度增加、成本升高、检测效率降低等新问题。另外，在实际检测环境中，待测分子往往存在于复杂的环境体系中，传统的SERS固相检测方法无法满足复杂环境中SERS检测所需要简单、快速、准确、原位的分析要求。
固相检测方法中由于待测分子分布浓度和增强基底结构不均匀导致SERS信号不均匀，而在液相体系中的金属纳米颗粒和待测分子是均匀分布的，尤其是水的拉曼散射信号非常弱，对检测信号的识别几乎无干扰。
另外，目前现场检测中使用的是成熟的便携式拉曼检测仪器，需要快速、高效、准确、操作简单的SERS检测方法。因此，就需要改进在液相现场检测过程中SERS衬底结构，使得激发光能有效的作用在活性基底上，实现对待测污染物分子的稳定检测。因此，在现有设备条件下实现液相中快速、高灵敏现场检测待测分子对推动SERS检测技术实用性具有十分重要的意义。
相对于无序分布的溶胶颗粒而言，周期性纳米结构阵列同时拥有纳米尺度的粗糙度作为SERS增强“热点”和微米尺度的周期性提升信号的均匀性和可重复性成为了研究方向。利用界面自组装的方法，即保持了贵金属纳米颗粒之间的表面等离子体耦合放大SERS信号，又由于双相界面应力获得了稳定排列的纳米结构。然而，界面SERS性能严重依赖贵金属纳米粒子的组装结构，而外界条件稍微变动便会破坏原有的规整结构。同时，这种界面组装的方式需要将贵金属纳米颗粒在两相界面之间自组装成膜，就需要考虑有机溶液的选择，引发剂的量和滴加速度，以及环境温湿度，可操作性等问题。总而言之，SERS技术实用化的研究关键是构筑工序简单易行，使用步骤简洁，活性和灵敏度高，稳定性和重现性良好的理想SERS活性基底。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于离心自组装技术实现现场快速SERS检测的方法，从方法学角度出发，利用离心法在透明离心管壁上组装贵金属纳米颗粒阵列膜，利用贵金属纳米颗粒之间的相互耦合增大SERS信号，构筑了一种便携式SERS基底，实现了现场原位便携检测。
具体地，本发明所采用的技术方案是：一种基于离心自组装技术实现现场快速SERS检测的方法，检测步骤如下：
(1)在透明离心管中加入一定浓度的贵金属纳米颗粒溶液；
(2)离心过程，在试管内壁固液界面自组装贵金属纳米颗粒，离心后溶液分散相弃去；
(3)加入待测分子溶液，激发光直接从离心管透明壁外侧入射，实现待测分子的原位检测。
作为本发明所提供的另一种技术方案，一种基于离心自组装技术实现现场快速SERS检测的方法，检测步骤如下：
(1)在透明离心管中加入一定浓度的贵金属纳米颗粒溶液以及待测分子溶液；
(2)离心过程，在试管内壁固液界面自组装贵金属纳米颗粒，同时捕获待测分子，离心后溶液分散相弃去；
(3)激发光直接从离心管透明壁外侧入射，实现待测分子的原位检测。
作为本发明的优选技术方案，在上述检测步骤中：
步骤(1)中透明离心管的材质选自聚乙烯、聚丙烯、玻璃、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰胺中的一种。
步骤(1)中贵金属采用具有SERS活性的金、银、铜纳米颗粒材料，贵金属纳米颗粒直径为10～500nm，贵金属纳米颗粒溶液浓度为0.01～5mg/mL。
步骤(1)或(3)中待测分子溶液的分散相为透明或不透明的有机、无机溶剂，例如水、牛奶等等。
步骤(2)中离心过程时间为1～10min，转速为2000～14000r/min。
步骤(1)或(3)中添加的待测分子溶液是含有罗丹明、福美双、甲基对硫磷、三聚氰胺、多氯联苯中的一种或几种的溶液。
步骤(3)中所采用的激光拉曼光谱仪的激发光波长为532nm、633nm或785nm，功率为0.05～0.25mW、积分时间为5～20s。
本发明提出了一种简单、快速、绿色的构筑方法，获取了高灵敏、可重复性、高稳定性的SERS液相检测衬底，可实现现场便携SERS检测。主要包括如下步骤：在离心管中加入贵金属纳米颗粒溶液；固液界面离心自组装纳米颗粒；加入待测分子溶液，激发光直接从透明壁外侧入射，实现待测分子的原位检测。也可直接在加入贵金属纳米颗粒时，同步加入待测分子溶液，在离心过程捕获待测分子。与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
(1)离心管可采用一次性试管等常用的具有较好的光学透明性，价格低廉，工业化程度高的容器。可以在环境中直接取样，同时在试管上直接进行测试，简化了检测流程，达到了取样检测一体化，有效的推动SERS检测技术的实用化。
(2)由于贵金属纳米颗粒在试管内壁自组装，减少了人为因素对组装效果的影响，所得到的样品具有较高的一致性，保证了SERS信号的可重复性。
(3)真实的污染物溶液往往是透明度较差或者含有杂质，需要对待检样品进行前处理，如在检测牛奶或婴儿食品中的三聚氰胺时，为了排除牛奶本身所含成分(蛋白质、脂肪等)的干扰往往在检测之前要将待测溶液进行透析、凝胶、过滤等预处理，整个过程繁琐耗时。而本发明所制备的SERS衬底，负载在试管壁表面的贵金属纳米颗粒膜不受溶液透明度的影响，可以与牛奶溶液的直接接触，三聚氰胺由于是小分子能通过毛细作用进入到自组装的贵金属纳米颗粒阵列的间隙中(即“热点”位置)，从试管外测的入射激发光能直接作用到SERS基底活性单元上，避免牛奶对SERS信号的削弱作用，对于现场检测具有十分重要的意义。
(4)本发明为纳米材料SERS技术现场快速检测痕量分子提供一定的实验和理论基础，具有重要的科学和工程价值。
附图说明
图1为贵金属纳米颗粒有序阵列修饰离心管SERS衬底制备流程示意图(图中：1为透明离心管，2为加入贵金属纳米颗粒溶液，3为离心自组装后获得贵金属纳米颗粒阵列膜)。
图2为离心自组装后获得贵金属纳米颗粒阵列膜的SEM照片。
图3为背入式原位拉曼检测离心自组装技术实施后效果。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步的详述。
请结合图1所示，本发明的基于离心自组装技术实现现场快速SERS检测的方法主要包括如下步骤：在离心管中加入贵金属纳米颗粒溶液；在试管内壁固液界面离心自组装纳米颗粒；加入待测分子溶液，激发光直接从透明壁外侧入射，实现待测分子的原位检测。也可直接在加入贵金属纳米颗粒时，同步加入待测分子溶液，在离心过程捕获待测分子。
实施例1
在10mL聚丙烯离心管中加入5mL、0.1mg/mL的银纳米颗粒水溶液；采用6000r/min，时间8min进行离心(离心后倒去分散相)，可观察到在试管壁固液界面处自组装一层单分散银纳米颗粒膜(图2所示)。加入含一定浓度三聚氰胺的牛奶溶液，静置一段时间后，使用激光拉曼光谱仪的激发光波长为532nm、633nm或785nm，功率为0.05～0.25mW，积分时间为5～20s对离心管外壁进行检测，获得如图3所示效果。通过图3可以看出，这种离心自组装后获得贵金属纳米颗粒阵列膜，利用贵金属纳米颗粒之间的相互耦合增大SERS信号，构筑了一种便携式SERS基底，从而实现了现场原位便携检测。同时，检测限可以达到1nM。
实施例2
在10mL聚苯乙烯离心管中加入6mL、0.01mg/mL的铜纳米颗粒水溶液；采用8000r/min，时间5min进行离心(离心后倒去分散相)，可观察到在试管壁固液界面处自组装一层单分散铜纳米颗粒膜；加入一定浓度的福美双水溶液，静置一段时间后，使用激光拉曼光谱仪的激发光波长为532nm、633nm或785nm，功率为0.05～0.25mW，积分时间为5～20s对离心管外壁进行检测。
实施例3
在10mL聚乙烯离心管中加入8mL、5mg/mL的金纳米颗粒水溶液、一定浓度的多氯联苯PCB-3水溶液；采用10000r/min，时间3min进行离心，弃去分散相后，可观察到在试管壁固液界面处自组装一层单分散金纳米颗粒膜，使用激光拉曼光谱仪的激发光波长为532nm、633nm或785nm，功率为0.05～0.25mW，积分时间为5～20s对离心管外壁进行检测。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于离心自组装技术实现现场快速SERS检测的方法，其特征在于，在透明离心管壁上组装贵金属纳米颗粒阵列膜，利用贵金属纳米颗粒之间的相互耦合增大SERS信号，构筑了一种便携式SERS基底，实现了现场原位便携检测。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测步骤如下：
(1)在透明离心管中加入一定浓度的贵金属纳米颗粒溶液；
(2)离心过程，在试管内壁固液界面自组装贵金属纳米颗粒，离心后溶液分散相弃去；
(3)加入待测分子溶液，激发光直接从离心管透明壁外侧入射，实现待测分子的原位检测。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测步骤如下：
(1)在透明离心管中加入一定浓度的贵金属纳米颗粒溶液以及待测分子溶液；
(2)离心过程，在试管内壁固液界面自组装贵金属纳米颗粒，同时捕获待测分子，离心后溶液分散相弃去；
(3)激发光直接从离心管透明壁外侧入射，实现待测分子的原位检测。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中透明离心管的材质选自聚乙烯、聚丙烯、玻璃、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰胺中的一种。
5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中贵金属采用具有SERS活性的金、银、铜纳米颗粒材料，贵金属纳米颗粒直径为10～500nm，贵金属纳米颗粒溶液浓度为0.01～5mg/mL。
6.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)或(3)中待测分子溶液的分散相为透明或不透明的有机、无机溶剂。
7.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中离心过程时间为1～10min，转速为2000～14000r/min。
8.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)或(3)中添加的待测分子溶液是含有罗丹明、福美双、甲基对硫磷、三聚氰胺、多氯联苯中的一种或几种的溶液。
9.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所采用的激光拉曼光谱仪的激发光波长为532nm、633nm或785nm，功率为0.05～0.25mW、积分时间为5～20s。
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