CN113109319A

CN113109319A - 一种三维结构分子印迹拉曼传感器的制备及其在噻菌灵检测中的应用

Info

Publication number: CN113109319A
Application number: CN202110539667.9A
Authority: CN
Inventors: 修文莉; 赵珮妮; 于京华
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2021-07-13

Abstract

本发明制备了具有高效增强效应的表面增强拉曼散射（SERS）芯片，用于迅速精确检测食品和农产品中噻菌灵的残留量。采用分子印迹技术，选取ITO玻璃作为拉曼传感芯片基底，首先合成具有三维空间结构的雪花状银材料，对ITO玻璃进行修饰，随后利用聚合法在复合基底上聚合一层靶向识别的分子印迹聚合物膜，成功构建了一种表面增强的拉曼传感芯片，实现对噻菌灵的高选择性、高灵敏快速检测，克服了常规的拉曼信号比较弱和灵敏度低的缺点。雪花状银材料增大目标物分子与芯片间的接触面积，极大提升了拉曼信号的增强效应。同时借助分子印迹的目标识别作用，增强对目标物的专一性吸附，提高检测效率和检测灵敏度。

Description

一种三维结构分子印迹拉曼传感器的制备及其在噻菌灵检测中的应用

技术领域

本发明涉及一种三维结构的基于表面增强拉曼的芯片传感器，更具体地说是一种适合于噻菌灵检测的表面增强拉曼芯片的制备。

背景技术

苯并咪唑类杀菌剂是一种分子结构含苯并咪唑的吸性杀菌剂，它的杀菌效力高、毒性低，对由除卵菌导致的真菌类病害具有防治功能，在许多国家和地区的大田作物、果树、蔬菜等众多作物上登记使用。噻菌灵是一种效力非常高的广谱杀菌剂，它包含于苯并咪唑类化合物，是典型的苯并咪唑类杀菌剂。噻菌灵经常用于水果蔬菜的防腐剂和作物的除菌防害等。在水溶液中半衰期过长，当食用过量时，人体会产生眩晕恶心的恍惚感，严重刺激人体的皮肤，造成人体中毒，危害消费者的身心健康。目前，噻菌灵农药检测方法主要有液相色谱-质谱法（GC-MS）、气相色谱-质谱法（LC-MS）等，虽然这些化学方法已被广泛使用，但是其存在检测前预处理步骤复杂、对设备要求高、检测时间过长的缺点。

分子印迹技术是一种用于合成具有特定识别结合纳米腔的分子印迹聚合物的技术，是通过模拟生物实体分子之间相互作用机理，而制备具有特定功能聚合物的仿生技术。该技术在样品前处理、仿生传感、模拟酶催化等领域都显示出巨大的应用价值和发展前景。分子印迹聚合物能够根据特异性识别目标物的分子结构在酸、碱或有机环境中性能稳定而广泛适用，可根据不同目的进行大量制备，这些特征使分子印迹聚合物农药安全检测领域占有一席之地。另一方面，传统合成方法制备的分子印迹聚合物属于高分子交联合成体系，容易存在印迹容量低、识别位点分布不均匀、模板洗脱不彻底等缺点，导致传质速率慢、特异性不显著、模板泄露，制约了农药检测速度和精准度。

表面增强拉曼技术随社会科技发展趋于成熟，通过将目标物接近、吸附或者连接到增强基底上，从而放大反映目标物的分子构型、分子性质等一系列特征信息的拉曼信号，被放大后的拉曼信号可以更精确地分析目标物的各类检测性质。物质中的某些分子或者官能团极易被一些表面不够光滑的金属或者半导体吸引而吸附其表面，从而使得这些官能团或者分子的拉曼信号的强度会大大增强，这就是SERS。有报道显示，拉曼基底能够使10^14~10¹⁵的增强因子被增强，这种技术的优越性远大于常规的拉曼检测的技术。证明了SERS技术能够更灵敏、更精确地进行检测。SERS增强基底的物理化学性质、待测物质的浓度决定了SERS信号的产生。（比如：银或者金纳米颗粒的外表、空间构型、颗粒光滑程度与尺寸、微粒之间的聚集状态等）、光源所在位置和光源频率。所以，在SERS法检测中，SERS基底的存在与否、基底表面的粗糙程度、基底表面和其他共吸附物等与分析物分子的相互作用都能直接影响目标分析物拉曼信号的强度。

发明内容

本发明提供了一种三维结构修饰的表面增强拉曼芯片及其制备方法，并提供其在和在噻菌灵检测中的应用。该芯片是一种具有高效增强效应的基于表面拉曼增强芯片，用于食品和农产品中苯并咪唑类杀菌剂残留的高特异性、高效和多样本分析。选取ITO玻璃作为拉曼传感芯片基底，首先合成具有三维空间结构的雪花状银材料，对ITO基底进行修饰，之后采用聚合法在复合基底上聚合一层靶向识别的分子印迹聚合物膜，成功构建了一种表面增强拉曼传感芯片，实现对噻菌灵的高选择性、高灵敏快速检测。雪花状银基底可以增强噻菌灵的拉曼信号，并且采用分子印迹技术，在SERS基底表面聚合上一层分子印迹聚合物，移除模板分子后，留下的分子聚合物孔洞对待测物质噻菌灵分子具有高度的特异性识别吸附能力，可以实现对噻菌灵的富集，进一步增强拉曼信号。通过对比不同芯片的拉曼光谱，验证雪花状银材料对拉曼信号的增强效应。同时借助分子印迹的目标识别作用，增强对目标物的专一性吸附，提高检测效率和检测灵敏度。

本发明采取的技术方案为：

一种三维结构的基于表面增强拉曼芯片的制备方法，包括如下步骤：

（1）向装有水的小瓶中加入硝酸银溶液，然后立即加入抗坏血酸。离心，分离分支结构。随后用乙醇和水连续洗涤-离心；

步骤（1）中硝酸银的起始浓度是10 mM，硝酸银的最终浓度是0.23 mM，左旋氨基酸的最终浓度为4.6 mM；

步骤（1）中水的用量是10 mL，硝酸银溶液的用量为0.25 mL，抗坏血酸的用量为0.5 mL，硝酸银溶液和左旋氨基酸溶液的反应时间为20 min，离心机的转速为3900 r/min，离心时间为15 min；

（2）4-巯基苯甲酸对雪花银材料的功能化：用4-MBA对合成后的雪花状银材料进行功能化，从颗粒表面去除表面活性剂。将合成后的雪花状银材料浸入4-MBA的甲醇溶液中至少3 h；

（3）将氧化铟锡玻璃（ITO）导电面朝下，分别用丙酮、乙醇、二次水中数控超声波清洗器中清洗。将雪花状银材料的1-丙醇溶液滴在ITO玻璃上，室温下干燥，如此反复修饰三层。

步骤（3）中雪花银材料的1-丙醇溶液的浓度为0.5−20 mg/mL；

步骤（3）中雪花银材料溶液的用量为20 μL，超声清洗的时间为10 min；

（4）丙烯酰胺作为功能单体，安息香乙醚作为引发剂，噻菌灵（TBZ）为模板分子，乙二醇二甲基丙烯酸为交联剂，采用聚合法制备噻菌灵分子印迹膜。用乙醇洗涤聚合物表面，用甲醇-乙酸混合试剂去除模板分子。之后在不添加模板分子的情况下，以相似的方法制备非印迹膜。在此之后，将不同浓度的目标物溶液加入到芯片上，并在室温下孵育一定时间；

步骤（4）中噻菌灵溶液的浓度为0.1 mM，丙烯酰胺溶液的浓度为0.4 mM，安息香乙醚的浓度为0.03 mM；

步骤（4）中所述的乙二醇二甲基丙烯酸的用量为0.15 mL，甲醇-乙酸混合试剂中的甲醇和乙酸的体积比为9：1，甲醇和乙酸的用量分别为9 mL、1 mL；

（5）利用激发波长为633 nm的分辨功能较强的显微拉曼光谱仪的激光对芯片进行多处取点检测噻菌灵的浓度。绘制拉曼强度对吡虫啉浓度的标准曲线，实现农产品实际样品中噻菌灵浓度的测定。

本发明的突出特色是：1）本发明采用分子印迹技术，选取ITO玻璃作为拉曼传感芯片基底，首先合成具有三维空间结构的雪花状银材料，对ITO玻璃进行修饰，随后在复合基底上聚合一层靶向识别的分子印迹聚合物膜，成功构建了一种表面增强的拉曼传感芯片，实现对噻菌灵的高选择性、高灵敏快速检测，克服了常规的拉曼信号较弱和灵敏度低的缺点。2）雪花状银基底可以增强噻菌灵的拉曼信号，并且通过利用聚合法在基底上聚合一层分子印迹聚合物，这种分子印迹聚合物对噻菌灵具有高度特异性，可以增强拉曼信号。

附图说明

图1和图2为本发明中雪花银材料的SEM图。

具体实施方式

实施例一：

将100 mL的AgNO₃溶液（1 mM）剧烈搅拌且加热，等溶液沸腾后加入3 mL的质量分数为1%柠檬酸钠。持液体沸腾持续加热搅动60 分钟，最终得到黄绿色的银胶溶液。然后将新制得的银胶多次分步离心、分离重悬，最后置于4℃冰箱保存备用。把二氧化硅片裁剪成合适的大小，然后分别用丙酮、乙醇和超纯水超声清洗二氧化硅片，各10分钟左右。取出后干燥，将二氧化硅片进行表面羟基化和表面氨基化，再将上述二氧化硅片晾干后放入超纯水中浸泡8 h，完成硅烷偶联剂氨基基团的质子化。取新合成的雪花银材料，将质子化后的二氧化硅片浸泡在里面4 h，然后取出用超纯水清洗。丙烯酰胺作为功能单体，安息香乙醚作为引发剂，噻菌灵（TBZ）为模板分子，乙二醇二甲基丙烯酸作为交联剂，采用聚合法制备噻菌灵分子印迹膜。然后用乙醇洗涤聚合物表面，除去物理粘附在分子印迹膜表面的未反应试剂，用甲醇-乙酸（v/v=9：1）混合试剂去除模板分子。然后，将不同浓度的目标物溶液加入到芯片上，并在室温下孵育一定时间。随后，利用激发波长为633 nm的分辨功能较强的显微拉曼光谱仪的激光对芯片进行多处取点检测噻菌灵的浓度。

实施例二：

将10 mL的水添加到一个容器中。然后，加入0.25 mL的10 mM AgNO₃水溶液，然后立刻加入0.5 mL的100 mM抗坏血酸水溶液。AgNO₃和抗坏血酸最后的浓度分别为0.23和4.6mM。拿出一根微吸管，缓慢地加入试剂，该反应要保证温度为室温，不需要进行搅拌以及其它操作。最初无色AgNO₃溶液在添加抗坏血酸溶液后5s内变为淡灰色，随着反应时间的增加，其颜色不再变暗。反应20 min后，用3900 rpm离心15 min分离支化结构，再用乙醇和水连续洗涤-离心。用4-MBA对合成后的雪花状银材料进行功能化，从颗粒表面去除表面活性剂。将合成后的雪花状银材料浸入4-MBA的甲醇溶液（5 mM）中至少3 h。把二氧化硅片裁剪成合适的大小，然后分别用丙酮、乙醇和超纯水超声清洗二氧化硅片，各10分钟左右。取出后干燥，将二氧化硅片进行表面羟基化和表面氨基化，再将上述二氧化硅片晾干后放入超纯水中浸泡8 h，完成硅烷偶联剂氨基基团的质子化。取新合成的雪花银材料，将质子化后的二氧化硅片浸泡在里面4 h，然后取出用超纯水清洗。丙烯酰胺作为功能单体，安息香乙醚作为引发剂，噻菌灵（TBZ）为模板分子，乙二醇二甲基丙烯酸作为交联剂，采用聚合法制备噻菌灵分子印迹膜。然后用乙醇洗涤聚合物表面，除去物理粘附在分子印迹膜表面的未反应试剂，用甲醇-乙酸（v/v=9：1）混合试剂去除模板分子。然后，将不同浓度的目标物溶液加入到芯片上，并在室温下孵育一定时间。随后，利用激发波长为633 nm的分辨功能较强的显微拉曼光谱仪的激光对芯片进行多处取点检测噻菌灵的浓度。

实施例三：

将10 mL的水添加到一个容器中。然后，加入0.25 mL的10 mM AgNO₃水溶液，然后立刻加入0.5 mL的100 mM抗坏血酸水溶液。AgNO₃和抗坏血酸最后的浓度分别为0.23和4.6mM。拿出一根微吸管，缓慢地加入试剂，该反应要保证温度为室温，不需要进行搅拌以及其它操作。最初无色AgNO₃溶液在添加抗坏血酸溶液后5s内变为淡灰色，随着反应时间的增加，其颜色不再变暗。反应20 min后，用3900 rpm离心15 min分离支化结构，再用乙醇和水连续洗涤-离心。用4-MBA对合成后的雪花状银材料进行功能化，从颗粒表面去除表面活性剂。将合成后的雪花状银材料浸入4-MBA的甲醇溶液（5 mM）中至少3 h。将氧化铟锡玻璃（ITO）导电面朝下，分别用丙酮、乙醇、二次水中数控超声波清洗器中清洗10 min。将20 μL雪花状银材料的1-丙醇溶液（0.5-20 mg/mL）通过滴在ITO玻璃上，室温下干燥，如此反复修饰三层。取新合成的雪花银材料，将质子化后的二氧化硅片浸泡在里面4 h，然后取出用超纯水清洗。丙烯酰胺作为功能单体，安息香乙醚作为引发剂，噻菌灵（TBZ）为模板分子，乙二醇二甲基丙烯酸作为交联剂，采用聚合法制备噻菌灵分子印迹膜。然后用乙醇洗涤聚合物表面，除去物理粘附在分子印迹膜表面的未反应试剂，用甲醇-乙酸（v/v=9：1）混合试剂去除模板分子。然后，将不同浓度的目标物溶液加入到芯片上，并在室温下孵育一定时间。随后，利用激发波长为633 nm的分辨功能较强的显微拉曼光谱仪的激光对芯片进行多处取点检测噻菌灵的浓度。

Claims

1.一种三维结构的基于表面增强拉曼芯片的制备方法，包括如下步骤：

（1）向装有水的小瓶中加入硝酸银溶液，然后立即加入抗坏血酸；离心，分离分支结构。随后用乙醇和水连续洗涤-离心；

步骤（1）中水的用量是10 mL，硝酸银溶液的用量为0.25 mL，抗坏血酸的用量为0.5mL，硝酸银溶液和左旋氨基酸溶液的反应时间为20 min，离心机的转速为3900 r/min，离心时间为15 min；

（2）4-疏基本甲酸对雪花银材料的功能化：用4-MBA对合成后的雪花状银材料进行功能化，从颗粒表面去除表面活性剂；将合成后的雪花状银材料浸入4-MBA的甲醇溶液中至少3h；

（3）将氧化铟锡玻璃（ITO）导电面朝下，分别用丙酮、乙醇、二次水中数控超声波清洗器中清洗；将雪花状银材料的1-丙醇溶液滴在ITO玻璃上，室温下干燥，如此反复修饰三层；

步骤（3）中1-丙醇溶液的浓度为0.5−20 mg/mL；

步骤（3）中雪花银材料的用量为20 μL，超声清洗的时间为10 min；

（4）丙烯酰胺作为功能单体，安息香乙醚作为引发剂，噻菌灵（TBZ）为模板分子，乙二醇二甲基丙烯酸为交联剂，采用聚合法制备噻菌灵分子印迹膜；用乙醇洗涤聚合物表面，用甲醇-乙酸混合试剂去除模板分子；之后在不添加模板分子的情况下，以相似的方法制备非印迹膜；在此之后，将不同浓度的目标物溶液加入到芯片上，并在室温下孵育一定时间；

步骤（4）中所述的甲醇-乙酸的体积比为9：1；

（5）利用激发波长为633 nm的分辨功能较强的显微拉曼光谱仪的激光对芯片进行多处取点检测噻菌灵的浓度；绘制拉曼强度对吡虫啉浓度的标准曲线，实现农产品实际样品中噻菌灵浓度的测定。