CN113499743A - 一种纳米微球七聚体及其制备方法、应用 - Google Patents

一种纳米微球七聚体及其制备方法、应用 Download PDF

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王桂林
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    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons

Abstract

本发明公开了一种纳米微球七聚体及其制备方法、应用，制备方法包括以下步骤：包括以下步骤：S1、将孔洞模板依次进行超声清洗和等离子体亲水处理，使模板表面具有亲水性；S2、将孔洞模板至于培养皿底部，依次加入纳米微球溶液和环己烷，再向水相中加入四甲基氯化铵溶液，有机相中加入十二烷硫醇，进行纳米微球的自组装过程；S3、静置蒸发，待液面没过孔洞模板，将孔洞模板垂直捞出，烘干后得到纳米微球薄膜；S4、移除孔洞模板上洞外的纳米微球，获纳米微球七聚体。通过本发明所述制备方法制备的纳米金七聚体能够产生Fano共振，获的金纳米颗粒相对致密，不仅能够用于SERS检测，且作为SERS基底对拉曼信号的增强效果比较好，进一步降低目标物的检测限。

Description

一种纳米微球七聚体及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及金属等离激元Fano结构制备技术领域，具体涉及一种纳米微球七聚体及其制备方法、应用。
背景技术
拉曼光谱分析法是对入射光激发后产生的非弹性散射光谱进行采集分析，通过散射光的频移以得到分子振动等方面信息，并将其应用于分子分析表征的一种研究方法。但由于拉曼散射的效率极低,导致大多数分子信号非常微弱，因此在应用上存在很大局限性。表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)主要来源于贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振特性，其出现有效地解决了拉曼光谱信号微弱的问题，使得SERS技术被广泛应用到化学检测、生物医学检测及痕量检测等多个领域。
在众多新颖的表面等离子体现象中，由等离子共振模式相消耦合产生的法诺(Fano)共振凭借其窄的非对称光谱线型和对结构、材料参数的灵敏性在表面增强拉曼散射中表现出了优异的性能。等离子体系中的Fano共振普遍来自于纳米结构中超辐射模式和亚辐射模式之间的相消耦合，这两种模式依赖于入射光和等离子体模式之间的耦合强度，可以通过改变纳米结构的尺寸、间距以及对称性的破坏来调节Fano共振的光谱位置和共振强度。这种明暗模式的耦合极大地降低了系统的辐射损耗，获得了较窄的光谱线宽，从而获得了极大的近场增强。目前大部分Fano共振结构都是由自上而下的方法制备而成，例如电子束光刻。然而，制备起来存在方法复杂，精度难控制等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米微球七聚体及其制备方法、应用，通过本发明所述制备方法制备的纳米微球七聚体作为SERS基底对拉曼信号的增强效果比较好，能够进一步降低SERS检测的检测限。
本发明通过下述技术方案实现：
一种纳米微球七聚体的制备方法，包括以下步骤：
S1、将具有对应七聚体尺寸的孔洞模板依次进行超声清洗和等离子体亲水处理，使模板表面具有亲水性；
S2、将孔洞模板至于培养皿底部，依次加入纳米微球溶液和环己烷，再向水相中加入四甲基氯化铵溶液，有机相中加入十二烷硫醇，进行纳米微球的自组装过程；
S3、静置蒸发，待液面没过孔洞模板，将孔洞模板垂直捞出，烘干后得到纳米微球薄膜；
S4、移除孔洞模板上洞外的纳米微球，获得纳米微球七聚体。
本发明所述孔洞模板优选为具有一定尺寸圆孔结构的硅片以及单通阳极氧化铝(AAO)。
本发明将孔洞模板作为辅助模板，通过自组装的方式使纳米微球紧密分布在模板上，在模板图形化的作用下，用胶带粘取表面的纳米微球后，就得到了位于圆孔中的七聚体阵列。
通过本发明所述制备方法制备的纳米微球七聚体能够产生Fano共振，获得的纳米微球相对致密，不仅能够用于SERS检测，将其作为SERS基底对拉曼信号的增强效果比较好，能够进一步降低目标物的检测限。
进一步地，步骤S1中，超声清洗为依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声；等离子体亲水处理为将超声清洗后的孔洞模板用等离子体清洗机处理。
进一步地，步骤S1中，孔洞模板上孔洞的尺寸为：直径＝纳米微球直径×3±20nm，深度＝纳米微球直径±20nm。
进一步地，步骤S2中，纳米微球溶液包括纳米金颗粒溶液、纳米银颗粒溶液和二氧化硅@金核壳颗粒溶液。
进一步地，步骤S2中，纳米微球溶液的浓度为0.05-0.1mg/ml，粒径为120-250nm。
进一步地，步骤S2中，纳米微球溶液与环己烷的体积比为3:1。
进一步地，步骤S2中，四甲基氯化铵溶液的浓度为3mol/L，与纳米微球溶液的体积比为4:30，十二烷硫醇与环己烷的体积比为3:10。
进一步地，步骤S3中，静置蒸发的温度为25-45℃，时间为1h-2h。
进一步地，步骤S3中，烘干的温度为35-50℃，时间为10-30分钟。
采用上述制备方法制备的纳米微球七聚体。
所述纳米微球七聚体包括纳米金七聚体、纳米银七聚体和二氧化硅镀金/银核壳结构七聚体。
采用上述制备方法制备的纳米微球七聚体在SERS检测中的应用。
具体地，将纳米微球七聚体作为SERS基底，将待测物滴在纳米微球七聚体上进行检测。
更进一步地，将纳米微球七聚体作为SERS基底，将待测物四氨基苯硫酚溶液滴在纳米微球七聚体上，干燥后使用激光拉曼光谱仪进行SERS测量。
进一步地，将纳米微球七聚体作为SERS基底，用于痕量分析物的检测。
以本发明制备的纳米微球七聚体作为SERS基底，能够显著提高拉曼信号的强度。实施例结果表明，用该基底检测四氨基苯硫酚(4-ATP)时，检测限低至0.1aM，说明本发明可作为SERS基底用于痕量分析物的检测。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述制备方法，相比现有的Fano共振结制备方法，操作简单，且过程易实现精准控制。
2、通过本发明所述制备方法制备的纳米微球七聚体具有较大的电磁近场增强。
3、通过本发明所述制备方法制备的一种纳米微球七聚体-纳米金七聚体对4-ATP的检测限为0.1amol/L，可作为SERS基底用于痕量分析物的检测。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明制备方法的原理图；
图2为实施例1所得硅基模板上金纳米颗粒薄膜的7300x SEM图；
图3为实施例2所得硅基模板上金纳米颗粒薄膜的30000x SEM图；
图4为实施例2所得硅基模板上纳米金七聚体的25000x SEM图；
图5为实施例3所得AAO基模板上纳米金七聚体的25000x SEM图；
图6为实施例6中100μmol/L4-ATP以Si基模板上纳米金七聚体为基底得到的拉曼强度光谱图；
图7为实施例6中100μmol/L 4-ATP以AAO基模板上纳米金七聚体为基底得到的拉曼强度光谱图；
图8为实施例7中0.1amol/L 4-ATP以AAO基模板上纳米金七聚体为基底得到的拉曼强度光谱图。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
以下实施例中使用到的试剂及仪器：
试剂：金纳米颗粒溶液，银纳米颗粒溶液，二氧化硅@纳米金核壳复合颗粒溶液，丙酮，环己烷，十二烷硫醇，四甲基氯化铵，去离子水，无水乙醇，四氨基苯硫酚。
仪器：移液枪，超声清洗仪，等离子体清洁机，热台，拉曼光谱仪，电子秤。
实施例1：
以纳米金七聚体为例，首先制备相对致密的金纳米颗粒薄膜：
(1)、先配制1ml 3mol/L的四甲基氯化铵溶液，将量程为2ml的试管置于电子秤上，去皮后，称量0.3288mg无水四甲基氯化铵结晶，然后加入1ml去离子水进行充分溶解制得；
(2)、将硅片以及直径3cm的玻璃培养皿依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗180s，去除表面有机溶剂与其他水溶性杂质。捞出后干燥处理。然后将其置于等离子体清洗机中处理90s，增加其亲水性。将处理过的硅片置于玻璃培养皿底部，使用移液枪依次取3ml粒径为200nm的纳米金胶体，1ml的环己烷加入到玻璃培养皿中，再分别取(2)所得的400μL浓度为3mol/L的四甲基氯化铵溶液以及300μL十二烷硫醇滴于有机-水界面交界处。纳米金颗粒表面带负电，而四甲基铵离子带正电，能够中和纳米金颗粒表面的电性从而减小纳米金颗粒之间的静电排斥作用。十二烷硫醇所带的巯基能够与金纳米颗粒形成硫金键，并且十二烷硫醇具有疏水性，所以能够将与其链接的纳米金颗粒维持在有机-水界面；
(3)、将底部有硅片，盛有以上溶液的玻璃培养皿于热台上静置蒸发1h30min，热台温度设置为40℃。经过1h30min，上层有机层环己烷已挥发完，液面刚好没过硅片，将沉积有金纳米颗粒薄膜的硅片垂直捞出，干燥；(2)、(3)的操作全程是在通风橱中进行的。
本实施例的测试结果：
通过扫描电子显微镜进行表征，所得结果如图2以及图3所示，能够形成较大面积的金纳米颗粒薄膜。
实施例2：
本实施例在在实例1所得的金纳米颗粒薄膜基础上，使用具有孔洞结构的硅基模板形成七聚体，具体地：
本实施例的步骤(1)～(3)和实施例1一致，仅把纯硅片替换为具有孔洞结构的硅基模板，制备金纳米颗粒薄膜。
(4)、使用透明胶带粘掉硅基模板表面多余的金纳米颗粒，仅留下孔洞内的低聚体。
本实施例的测试结果：
通过扫描电子显微镜进行表征，所得的七聚体如图4所示。硅基模板的孔径为600nm，周期为1μm，孔深为200nm。由于大面积金纳米颗粒薄膜在硅基模板上的位置是不确定的，而具有孔洞结构的区域只有100μm×100μm，所以得到的七聚体密集程度以及数目都有限。
实施例3：
本实施例与实施例2一致，仅将具有孔洞结构的硅基模板替换为具有孔洞结构的AAO模板，具体流程原理如图1所示。
本实施例的测试结果：
通过扫描电子显微镜进行表征，所得的七聚体如图5所示。AAO模板的孔径为480nm，周期为450nm，孔深为450nm。由于AAO模板的孔洞结构在基片上是连续分布的，所以形成的七聚体效果要比在硅基模板上更好。
实施例4：
本实施例与实施例3一致，仅将金纳米颗粒溶液换成银纳米颗粒溶液，依然能够形成被孔洞图案化的七聚体结构，为纳米银七聚体。
实施例5：
本实施例与实施例3一致，仅将金纳米颗粒溶液换成二氧化硅@纳米金核壳颗粒溶液，依然能够形成被孔洞图案化的七聚体结构，为二氧化硅镀金/银核壳结构七聚体。
实施例6：
实施例2和实施例3制备的七聚体在SERS检测中的应用：
首先配置一定浓度的四氨基苯硫酚(4-ATP)溶液，称量0.012519mg的4-ATP，添加1ml的无水乙醇作为溶剂，得到100μmol/L的4-ATP溶液。
以实施例2所制得的硅片上七聚体作为增强基底，用移液枪取10μL 100μmol/L的4-ATP溶液滴于基底上，干燥后测得的增强拉曼信号如图6所示。激光拉曼光谱仪的激发光的波长为785nm、输出功率为75mW、积分时间为1s、积分次数为1次。由于硅基片的背景拉曼信号十分强烈，并且激光光斑所覆盖的范围下七聚体数量有限，所以对4-ATP的增强效果有限，在强烈的硅信号下，特征峰存在但不是特别明显。
以实施例3所制得的AAO上七聚体作为增强基底，用移液枪取10μL 100μmol/L的4-ATP溶液滴于基底上，干燥后测得的增强拉曼信号如图7所示，在1090cm-1处有明显的特征峰。激光拉曼光谱仪的激发光的波长为785nm、输出功率为75mW、积分时间为1s、积分次数为1次。说明本发明的纳米金七聚体可作为SERS基底用于分析物检测。
实施例7：
将实施例3制备的七聚体作为SERS基底用于痕量分析物的检测：
取10μL浓度为100μmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到10μmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为10μmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到1μmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为1μmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.1μmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.1μmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.01μmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.01μmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到1nmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为1nmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.1nmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.1nmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.01nmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.01nmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到1pmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为1pmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.1pmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.1pmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.01pmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.01pmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到1fmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为1fmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.1fmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.1fmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.01fmol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.01fmol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到1amol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为1amol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.1amol/L的4-ATP溶液；
取10μL浓度为0.1amol/L的4-ATP溶液，用90μL无水乙醇稀释，得到0.01amol/L的4-ATP溶液。
以实施例3所述流程制备AAO基纳米金七聚体SERS增强基底，对10μmol/L～0.01amol/L一系列浓度梯度的4-ATP溶液进行检测。在每一个基底上都用移液枪取10μL不同浓度的4-ATP溶液，干燥后进行拉曼信号的检测。激光拉曼光谱仪的激发光的波长为785nm、输出功率为75mW、积分时间为1s、积分次数为1次。测得检测限为0.1ampl/L，对应拉曼光谱图为图8。说明本发明的纳米金七聚体可作为SERS基底用于痕量分析物的检测。
对比例1：
重新配置浓度为2mol/L、4mol/L的四甲基氯化铵溶液，将实施例1中3mol/L的四甲基氯化铵溶液进行替换，其他的实验参数和条件不变。当浓度为2mol/L时，由于带正电的四甲基铵离子不能完全中和掉纳米金颗粒表面的负电性，形成的金纳米颗粒薄膜不够致密，且面积非常小。当浓度为4mol/L时，金纳米颗粒容易产生团簇，且烘干片子后容易在芯片表面形成四甲基氯化铵白色结晶，难以挥发且易吸水污染芯片。
对比例2：
其他的实验参数和条件不变，增加或减少十二烷硫醇的体积。当体积增加到500μL，由于十二烷硫醇沸点较高(165℃)，捞出来的芯片上残余较多的十二烷硫醇难以干燥，需要处于大于沸点的温度才能烘干，这个过程使得金纳米颗粒薄膜有很多类似气泡破裂的环形结构分布，难以形成致密的薄膜。当体积减小到100μL，下层的金纳米颗粒溶液中的纳米金颗粒无法充分与十二烷硫醇形成硫金键，从而难以被携带到水-有机界面，严重影响了金纳米颗粒薄膜的面积和致密度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将具有对应七聚体尺寸的孔洞模板依次进行超声清洗和等离子体亲水处理，使模板表面具有亲水性；
S2、将孔洞模板至于培养皿底部，依次加入纳米微球溶液和环己烷，再向水相中加入四甲基氯化铵溶液，有机相中加入十二烷硫醇，进行纳米微球的自组装过程；
S3、静置蒸发，待液面没过孔洞模板，将孔洞模板垂直捞出，烘干后得到纳米微球薄膜；
S4、移除孔洞模板上洞外的纳米微球，获得纳米微球七聚体。
2.根据权利要求1所述的一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，步骤S1中，超声清洗为依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声；等离子体亲水处理为将超声清洗后的孔洞模板用等离子体清洗机处理。
3.根据权利要求1所述的一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，步骤S1中，孔洞模板上孔洞的尺寸为：直径＝纳米微球直径×3±20nm，深度＝纳米微球直径±20nm。
4.根据权利要求1所述的一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，步骤S2中，纳米微球溶液包括纳米金颗粒溶液、纳米银颗粒溶液和二氧化硅@金核壳颗粒溶液，纳米微球溶液的粒径为120-250nm。
5.根据权利要求1所述的一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，步骤S2中，纳米微球溶液与环己烷的体积比为3:1。
6.根据权利要求1所述的一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，步骤S2中，四甲基氯化铵溶液的浓度为3mol/L，与纳米微球溶液的体积比为4:30，十二烷硫醇与环己烷的体积比为3:10。
7.根据权利要求1所述的一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，步骤S3中，静置蒸发的温度为25-45℃，时间为1h-2h。
8.根据权利要求1所述的一种纳米微球七聚体的制备方法，其特征在于，步骤S3中，烘干的温度为35-50℃，时间为10-30分钟。
9.采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的纳米微球七聚体。
10.如权利要求9所述的纳米微球七聚体的应用，其特征在于，将纳米微球七聚体作为SERS基底，用于痕量分析物的检测。
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