CN114062347A

CN114062347A - 一种聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶sers芯片

Info

Publication number: CN114062347A
Application number: CN202111337281.6A
Authority: CN
Inventors: 董永强; 陈明明; 张佳欣; 林振宇
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2041-11-12
Also published as: CN114062347B

Abstract

本发明属于表面增强拉曼基底制备领域，具体涉及一种聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片，其是由单层碳基点包裹的银纳米颗粒聚集成聚集形态银纳米材料（a‑AgNPs/CDs），随后将其嵌入聚乙烯醇溶液（PVA）中，通过物理交联的方法使其成胶。本发明制备方法简单便捷，无污染，且技术要求低，具有很强可操作性，该柔性水凝胶表面增强拉曼散射芯片可以应用于实际样品，无需任何复杂的预处理，具有良好的表面增强拉曼活性，可用于某些环境污染物、非法食品添加剂的检测。

Description

一种聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片

技术领域

本发明属于表面增强拉曼基底制备领域，具体涉及一种单层碳基点覆盖的聚集银纳米粒子，并与水凝胶杂交以制备新型水凝胶表面增强拉曼散射芯片的制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射是一种发展中的分析技术，可以极大地放大吸收在某些特殊基底材料上的分析物的拉曼光谱信号。表面增强拉曼散射分析具有响应快、指纹信息丰富、灵敏度高、检测范围广、前处理简单等优点，在生物组织、食品安全、环境检测、药物分析等诸多领域显示出巨大的应用潜力。然而，由于表面增强拉曼散射基底的限制，距离这种新型传感技术的广泛普及还有一定距离。总的来说，目前大多数表面增强拉曼散射基底都存在以下问题：1) 难以兼顾高灵敏度和长期稳定性。新鲜银纳米结构通常表现出比金纳米材料更好的表面增强拉曼散射活性，但稳定性较差，限制了它们作为表面增强拉曼散射基底的应用。2) 目前的表面增强拉曼散射基底是在固态或液态下制造的。通常，固态表面增强拉曼散射基板由于易于操作而比液态更受欢迎。然而，由于表面增强拉曼散射活性纳米粒子的均匀分布和众所周知的“咖啡环”效应，大多数固态表面增强拉曼散射基底显示出较差的重复性。3）更糟糕的是，目前的表面增强拉曼散射基底克服来自真实样品的干扰是一个很大的挑战。因此，开发新的、更合理的表面增强拉曼散射基底对于促进表面增强拉曼散射的应用是非常紧迫的。

水凝胶作为一种新型的包封材料，是具有三维层次结构的交联聚合物网络，能够保留大量水分。在众多水凝胶中，聚乙烯醇是一种柔韧且稳定的有机聚合物，用于医药、水净化和储能等领域。最近，水凝胶也被应用于表面增强拉曼散射基底以提高稳定性和可重复性。受此启发，我们通过在聚乙烯醇水凝胶中嵌入单层碳基点覆盖聚集的银纳米粒子开发了一种新型水凝胶表面增强拉曼散射芯片。所获得的水凝胶表面增强拉曼散射芯片与传统的表面增强拉曼散射基底相比具有许多明显的优势：这些显着优势为水凝胶表面增强拉曼散射芯片在表面增强拉曼散射传感中提供了巨大的应用潜力。例如，我们使用水凝胶表面增强拉曼散射芯片检测了包括豆浆在内的各种真实样品中的痕量福美双和2-(4-噻唑基)苯并咪唑 (TBZ)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有材料的不足，提供一种水凝胶表面增强拉曼散射芯片及其制备方法，该方法操作简单、成本低廉，所获得的水凝胶表面增强拉曼散射芯片材料具有良好的表面增强拉曼活性，可用于某些环境污染物、非法食品添加剂的检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片，其是由单层碳基点包裹的银纳米颗粒聚集成聚集形态银纳米材料（a-AgNPs/CDs），随后将其嵌入聚乙烯醇溶液（PVA）中，通过物理交联的方法使其成胶。

其制备方法包括以下步骤：

1）将聚乙烯醇分散在去离子水中，并在90℃水浴下搅拌，得均匀的聚乙烯醇溶液；

2）再向步骤1）所得聚乙烯醇溶液中加入单层碳基点覆盖的聚集态银纳米材料a-AgNPs/CDs，并在室温下搅拌30 min；

3）将步骤2）所得混合溶液转移到以0.1- 100 mm厚度为介质的玻璃模具中，并在-24℃和室温下循环冷冻解冻；

4）将步骤3）所得模具解冻后既得水凝胶表面增强拉曼散射芯片。

步骤1）中所述加入聚乙烯醇的质量为1.0 g~2.2 g，所述去离子水的体积为8.8mL~10.8 mL；聚乙烯醇的浓度为83 mg/mL~183 mg/mL。

步骤2）中所述a-AgNPs/CDs是由粒径为20±3 nm的碳基点包裹的银纳米颗粒聚集成的多维聚集态纳米银；具体合成方法参考文献Tuning the aggregation of silvernanoparticles with carbon dots for the surface-enhanced Raman scatteringapplication DOI:10.1016/j.carbon.2021.09.039。

步骤2）中所用a-AgNPs/CDs溶液的体积为0.21mL~1.05 mL。

步骤2）中所用a-AgNPs/CDs浓度为3 mg/mL，水凝胶表面增强拉曼散射芯片中a-AgNPs/CDs浓度为90 µg/mL~450 µg/mL。

步骤3）中循环冷冻解冻次数为3~5次。

本发明所制备的合成了具有高表面增强拉曼散射（SERS）活性的单层碳基点覆盖的聚集银纳米粒子（a-AgNPs/CDs），并与水凝胶杂交以制备新型水凝胶SERS芯片。本发明制备方法简单便捷，无污染，且技术要求低，具有很强可操作性。受益于a-AgNPs/CDs材料和水凝胶的独特特性，构建的水凝胶SERS芯片表现出优异的性能。以结晶紫为目标分子，检出限低至1×10^-16 mol/L，水凝胶表面增强拉曼散射芯片的表面增强拉曼散射活性在14周后仍保持在96.40%以上，单个芯片的点对点相对标准偏差低至1.43%，不同芯片的相对标准偏差低至2.75%。

本发明的显著优点在于：

1）灵敏度高。该芯片不仅继承了聚集态银纳米材料的高表面增强拉曼散射活性，而且由于水凝胶的预渗透性，可以通过适当延长浸泡时间来富集目标分子。

2）长期稳定性。聚乙烯醇水凝胶可以有效地防止嵌入的聚集态银纳米材料被氧化。因此，聚集态银纳米材料的高表面增强拉曼散射活性在长期观察中没有明显下降（超过14周）。

3) 优良的重复性。表面增强拉曼散射活性聚集态银纳米材料均匀分布在聚乙烯醇水凝胶中，表现得像液态表面增强拉曼散射基底，因此有效地消除了“咖啡环”效应。因此，水凝胶表面增强拉曼散射芯片显示出优异的重复性，相对标准偏差非常低，仅为1.43%。

4）抗干扰性强。聚乙烯醇水凝胶可以有效地使聚集态银纳米材料远离样品中存在的许多干扰物，如色素、大分子和油。因此，水凝胶表面增强拉曼散射芯片在实际样品的检测中具有很高的可靠性。

5) 出色的用户友好性。由于抗干扰能力强，水凝胶表面增强拉曼散射芯片可直接应用于多种液体样品的表面增强拉曼散射检测，无需任何复杂的样品前处理。此外，灵活性允许水凝胶表面增强拉曼散射芯片通过简单的“粘贴和剥离”方法直接检测水果和蔬菜上的农药残留。

附图说明

图1为实施例1-4所制备的水凝胶SERS芯片的透射电镜图；

图2为实施例1-4不同PVA浓度的水凝胶SERS芯片的紫外-可见光谱；

图3为应用实施例1 PVA含量和储存时间对水凝胶SERS芯片对结晶紫 (1×10^-11mol/L)在1623 cm^-1处的SERS响应的影响；

图4为应用实施例2利用不同a-AgNPs/CDs浓度的水凝胶SERS芯片作为拉曼基底用于检测结晶紫(1×10^-11 mol/L的拉曼信号谱图（a）及在1623 cm^-1处拉曼强度柱状图（b）；

图5为应用实施例3中利用水凝胶SERS芯片作为拉曼基底用于检测结晶紫的拉曼信号强度，插图中显示了1623 cm^-1处的峰值强度与结晶紫的对数浓度之间的线性关系；

图6为应用实施例4利用水凝胶SERS芯片作为拉曼基底用于收集400个SERS光谱的光学图像区域用于拉曼的映射(a)，水凝胶SERS芯片上400个点采集到1×10^-11 mol/L 结晶紫的SERS光谱（b），从采集到的400个SERS光谱中，针对结晶紫在1623 cm^-1处的SERS信号进行拉曼映射成像(c)，随机抽取5批水凝胶SERS芯片100个点，在1623 cm^-1处的结晶紫的SERS强度分布(d)；

图7为应用实施例5中在水凝胶SERS芯片上采集到的(a)苹果汁、(b)葡萄汁、(c)桃汁和(d)豆浆中浓度为1 ~ 10000 ppb的福美双SERS光谱，对应的1384 cm^-1的SERS强度是福美双浓度对数的函数(e-h)；

图8为应用实施例6中在水凝胶SERS芯片上采集到的(a)橙汁、(b)梨汁、(c)香蕉汁中2-(4-噻唑基)苯并咪唑浓度在5 ~ 10000 ppb范围内的SERS光谱，对应的1575 cm^-1的SERS强度是浓度的对数函数(d-f)；

图9为应用实施例7、8中在水凝胶SERS芯片用于现场检测的示意图说明果皮表面残留农药(a)，在1 ~ 1000 ng/cm²范围内，水凝胶SERS芯片在苹果皮表面采集到不同的福美双SERS光谱(b)，1385 cm^-1处的SERS强度与福美双的浓度的对数关系图(c)，在2.5 ~1000 ng/cm²范围内，水凝胶SERS芯片在橙子皮表面采集到不同的2-(4-噻唑基)苯并咪唑SERS光谱(d)，1575 cm^-1处的SERS强度与2-(4-噻唑基)苯并咪唑的浓度的对数关系图(e)。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

将1 g PVA颗粒和10 mL DI水在90℃下搅拌1.5 h，使PVA完全溶解。然后在制备的溶液中加入1 mL a-AgNPs/CDs溶液(3 mg/mL)，室温搅拌30 min。然后将混合物转入厚度为1 mm的玻璃模具中作为介质，在-24℃和室温下循环冻融5次获得PVA浓度为83 mg/cm³的水凝胶SERS芯片。

实施例2

将1.4 g PVA颗粒和9.6 mL DI水在90℃下搅拌1.5 h，使PVA完全溶解。然后在制备的溶液中加入1 mL a-AgNPs/CDs溶液(3 mg/mL)，室温搅拌30 min。然后将混合物转入厚度为1 mm的玻璃模具中作为介质，在-24℃和室温下循环冻融5次获得PVA浓度为116 mg/cm³的水凝胶SERS芯片。

实施例3

将1.8 g PVA颗粒和9.2 mL DI水在90℃下搅拌1.5 h，使PVA完全溶解。然后在制备的溶液中加入1 mL a-AgNPs/CDs溶液(3 mg/mL)，室温搅拌30 min。然后将混合物转入厚度为1 mm的玻璃模具中作为介质，在-24℃和室温下循环冻融5次获得PVA浓度为150 mg/cm³的水凝胶SERS芯片。

实施例4

将2.2 g PVA颗粒和8.8 mL DI水在90℃下搅拌1.5 h，使PVA完全溶解。然后在制备的溶液中加入1 mL a-AgNPs/CDs溶液(3 mg/mL)，室温搅拌30 min。然后将混合物转入厚度为1 mm的玻璃模具中作为介质，在-24℃和室温下循环冻融5次获得PVA浓度为183 mg/cm³的水凝胶SERS芯片。

实施例5

将1.4 g PVA粉和不同体积的去离子水（9.6 mL~10.4 mL）在90℃下搅拌1.5 h，使PVA完全溶解。然后在制备的溶液中加入不同体积的 a-AgNPs/CDs溶液(3 mg/mL)（0.21 mL~1.05 mL），室温搅拌30 min。然后将混合物转入厚度为1 mm的玻璃模具中作为介质，在-24℃和室温下循环冻融5次获得PVA浓度为116 mg/cm³、不同a-AgNPs/CDs浓度（90 µg/cm³~450µg/cm³）的水凝胶SERS芯片。

图1为实施例1-4制备的不同PVA浓度的水凝胶SERS芯片的冷冻透射电镜图。由图1中可见，随着PVA含量的增加，a-AgNPs/CDs在一定程度下分解。

图2为实施例1-4制备的不同PVA浓度的水凝胶SERS芯片的紫外-可见吸收光谱图。如图2的插图所示，随着PVA含量的增加，分布在PVA溶液中的a-AgNPs/CDs的颜色逐渐变淡。所得水凝胶SERS芯片的紫外-可见光谱表明，随着PVA含量的增加，以605 nm为中心的 a-AgNPs/CDs的独特SPR吸收明显降低。

应用实例1

将以实施例1-4所得水凝胶SERS芯片作为表面增强拉曼基底材料，以结晶紫(1.0×10^-11mol/L)作为探针分子进行拉曼增强测试实验。其具体操作为：首先将水凝胶SERS芯片切成1.0 cm×1.0 cm大小的芯片，随后将其芯片浸泡在200 µL结晶紫溶液中20 min，再用拉曼仪测定其拉曼增强效果。

应用实施例2

以实施例5所得PVA浓度为116 mg/cm³、a-AgNPs/CDs浓度270 µg/cm³的水凝胶SERS作为表面增强拉曼基底材料，以结晶紫(1.0×10^-11mol/L)作为探针分子进行拉曼增强测试实验。其具体操作同应用实施例1。

应用实施例3

以实施例5所得PVA浓度为116 mg/cm³、a-AgNPs/CDs浓度270 µg/cm³的水凝胶SERS芯片作为表面增强拉曼基底材料，以结晶紫作为探针分子进行拉曼增强测试实验。其具体操作同应用实施例1。

应用实施例4

以实施例5所得PVA浓度为116 mg/cm³、a-AgNPs/CDs浓度270 µg/cm³的水凝胶SERS芯片作为表面增强拉曼基底材料，以结晶紫作为探针分子进行拉曼增强测试实验。为了验证水凝胶SERS芯片的重现性，在水凝胶SERS芯片上采集结晶紫（1×10^-11 mol/L）在40×40μm²范围内的400个拉曼光谱进行拉曼映射。随后对5个批次的水凝胶SERS芯片随机选取100个位点(每个芯片20个位点)的结晶紫（1×10^-11 mol/L）的SERS光谱进行测试。其具体操作同应用实施例1。

应用实施例5

为了评估真实样品对水凝胶SERS芯片的干扰，我们检测了不同果汁中的福美双和2-(噻唑-4基)苯并咪唑。一般情况下，将50克果肉（苹果、葡萄、桃子）或大豆与50毫升去离子水混合，挤压成果汁或豆浆。8000 rpm离心10 min，得到上清液。然后，在果汁或豆浆中加入不同浓度的福美双。最后，将水凝胶SERS芯片浸泡在1mL添加的果汁或豆浆中30分钟，进行后续的SERS检测。

应用实施例6

为了评估真实样品对水凝胶SERS芯片的干扰，我们检测了不同果汁中的2-(噻唑-4基)苯并咪唑。一般情况下，将50克果肉（橘子、梨、香蕉）50毫升去离子水混合，挤压成果汁或豆浆。8000 rpm离心10 min，得到上清液。然后，在果汁中加入不同浓度的2-(噻唑-4基)苯并咪唑。最后，将水凝胶SERS芯片浸泡在1ml添加的果汁或豆浆中30分钟，进行后续的SERS检测。

应用实施例7

首先，苹果皮被切成1×1 cm²。将配制好的农药溶液福美双滴于果皮上，室温自然蒸发。然后，将20 µL的乙醇滴入果皮。最后，立即将1×1 cm²水凝胶SERS芯片贴在果皮上，孵育10分钟，进行后续的SERS检测。

应用实施例8

首先，橙子皮被切成1×1 cm²。将配制好的农药溶液2-(4-噻唑基) 苯并咪唑滴于果皮上，室温自然蒸发。然后，将20 µL的乙醇滴入果皮。最后，立即将1×1 cm²水凝胶SERS芯片贴在果皮上，孵育10分钟，进行后续的SERS检测。

图3为应用实施实例1中利用制备的不同PVA浓度的水凝胶SERS芯片检测结晶紫的拉曼信号强度图。可以清楚地发现，当PVA含量从83mg/cm³增加到183mg/cm³时，所得水凝胶SERS芯片的SERS活性明显下降。SERS活性的降低主要与PVA溶液中a-AgNPs/CDs 的分解有关。在PVA含量较低（83 mg/cm³）的情况下，所得水凝胶SERS芯片的SERS活性随着储存时间的增加而逐渐降低。这是因为低PVA含量不能很好地防止嵌入的a-AgNPs/CDs被氧气氧化，在三种高PVA含量的情况下，所获得的水凝胶SERS芯片的SERS活性即使在储存10周后也显示出强大的稳定性。

图4为应用实施例2中利用制备的不同a-AgNPs/CDs浓度的水凝胶SERS芯片检测结晶紫的拉曼信号强度图。为了获得高活性和长期稳定的水凝胶SERS芯片，在接下来的研究中使用了116 mg/cm³ 的PVA含量。通过将a-AgNPs/CDs的含量从90μg/cm³~450μg/cm³，所得水凝胶SERS芯片的 SERS活性在a-AgNPs/CDs含量在270μg/cm³左右时达到最大值，因此，选择270μg/cm³的 a-AgNPs/CDs用于制备高性能水凝胶SERS芯片。

图5为应用实施例3中所得PVA浓度为116 mg/cm³、a-AgNPs/CDs浓度270 µg/cm³的水凝胶SERS芯片作为表面增强拉曼基底材料检测结晶紫的拉曼信号强度（a）及其线性关系图（b）。从图中可以看出，检测范围为1×10^-12-1×10^-16 M的水凝胶SERS芯片表现出良好的线性。

图6为应用实施例4中所得PVA浓度为116 mg/cm³、a-AgNPs/CDs浓度270 µg/cm³的水凝胶SERS芯片作为表面增强拉曼基底材料验证其重复性。如图6中的a-b所示，拉曼映射是通过在水凝胶SERS芯片上收集400×400μm²范围内结晶紫的400个拉曼光谱来进行的（图a）。可以清楚地发现，400个拉曼光谱在每个区域没有显着差异（图b）。此外，基于1623 cm^-1处峰值强度的相应拉曼映射是均匀的，没有明显的波动（图e）。计算得出的相对标准偏差(RSD) 为 1.43%，远低于大多数报道的SERS底物。超低的点对点RSD表明水凝胶 SERS 芯片具有出色的重复性。此外，测试了来自5个不同批次水凝胶SERS芯片的100个随机位点的结晶紫的SERS 光谱（每个芯片20个位点）。 SERS强度在1623 cm^-1处的RSD低至2.75%（图d）。

图7为应用实施例5中考察了真实样品的基质干扰对水凝胶SERS芯片。选用豆浆、苹果桃子汁和葡萄汁作为四种模型检测福美双。从水凝胶SERS芯片收集的 (a) 苹果汁、(b) 葡萄汁、(c)桃汁和 (d)豆浆中福美双的SERS光谱，其浓度范围为1~10000 ppb。1384cm^-1处的相应SERS强度作为福美双浓度对数的函数(e-h)。实验结果表明，样品基质包括大豆中的蛋白质和油，水果中的糖和来自葡萄的色素，对水凝胶SERS芯片对福美双的SERS响应几乎没有干扰。

图8为应用实施例6中考察了真实样品的基质干扰对水凝胶SERS芯片。选用橙子汁、梨汁和香蕉汁作为三种模型检测福美双。从水凝胶SERS芯片收集的 (a) 橙子汁、(b)梨汁和(c) 香蕉汁中2-(4-噻唑基) 苯并咪唑的SERS光谱，其浓度范围为5~10000 ppb。1575 cm^-1处的相应SERS强度作为2-(4-噻唑基) 苯并咪唑浓度对数的函数(d-f)。实验结果表明，样品基质水果中的糖和来自葡萄的色素，对水凝胶SERS芯片对2-(4-噻唑基)苯并咪唑的SERS响应几乎没有干扰。

图9为应用实施例7、8中利用水凝胶SERS芯片为基底材料用于果皮表面残留农药“现场”检测。图（a）果皮表面残留农药“现场”检测示意图，（b）为1~1000 ng/cm²范围内不同含量的苹果皮上福美双的SERS光谱。1385 cm^-1处的SERS强度与对数福美双量的关系图(c)。橙皮上2-(4-噻唑基)苯并咪唑的SERS光谱，范围从2.5~1000 ng/cm² (d)。1575 cm^-1处的SERS强度与对数2-(4-噻唑基)苯并咪唑量的关系图(e)。

本发明采用的原料廉价易得，实验操作简单便捷，无需特别的实验仪器，反应过程无污染，且成品分散性良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2）再向步骤1）所得聚乙烯醇溶液中加入单层碳基点覆盖的聚集态银纳米材料，并在室温下搅拌30 min；

3）将步骤2）所得混合溶液转移到玻璃模具中，并在-24℃和室温下循环冷冻解冻；

4）将步骤3）所得模具解冻后既得所述柔性水凝胶SERS芯片。

2.根据权利要求1所述的聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述加入聚乙烯醇的质量为1.0 g~2.2 g，聚乙烯醇的浓度为83 mg/mL~183 mg/mL。

3.根据权利要求1所述的聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述去离子水的体积为8.8 mL~10.8 mL。

4.根据权利要求1所述的聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片的制备方法，其特征在于：步骤2）中所用所述a-AgNPs/CDs是由粒径为20~60 nm的碳基点包裹的银纳米颗粒聚集成的多维聚集态纳米银。

5.根据权利要求1所述的聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片的制备方法，其特征在于：步骤2）所用a-AgNPs/CDs溶液的体积为0.21mL~1.05 mL。

6.根据权利要求1所述的聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片的制备方法，其特征在于：步骤2）中所用a-AgNPs/CDs浓度为3 mg/mL，柔性水凝胶SERS芯片中a-AgNPs/CDs浓度为90 µg/mL~450 µg/mL。

7.根据权利要求1所述的聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片的制备方法，其特征在于：步骤3）中循环冷冻解冻次数为3~5次。

8.一种如权利要求1-7任一所述方法制得的聚集态银纳米颗粒的柔性水凝胶SERS芯片。