CN114345251A - 一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球及其制备方法和应用。该复合微球是以四氧化三铁为内核，外表依次包裹聚乙烯亚胺层、分枝状纳米金层，二氧化硅层。本发明通过金种生长法在mSiO₂层中原位生长分枝状的纳米金，得到嵌入分枝状纳米金磁性复合微球。该微球具有优越性能：1)含有尖端结构的分枝状纳米金密集地嵌入mSiO₂中，产生大量“热点”强度高的区域，具有高SERS活性；2)mSiO₂层的介孔结构具有自过滤性能，可排除比介孔孔径大的物质的干扰；3)磁性内核使微球具有磁力可控性。由于上述微球的优越性能，可用于环境、生物样品中的小分子目标物的灵敏、快速SERS检测。

Description

一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光谱分析领域，具体涉及一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球及其制备方法，以及该材料作为基底材料用于环境、生物样品中的小分子目标物的灵敏、快速SERS检测。

背景技术

福美双是一种二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂，被广泛用作拌种剂以预防和治疗多种农作物病害。而福美双的过度使用则会造成土壤污染，可能会渗入地下水或者混入大气微尘中，而这些对人类皮肤和粘膜都会产生毒性。因此，建立一种便捷、灵敏、现场快速检测土壤中福美双残留的方法十分必要。SERS技术无需复杂、耗时的样品前处理、检测不受水干扰和数据采集快速，可满足现场快速检测的要求。关键就是要制备可适用土壤样品中福美双检测的SERS基底。

贵金属胶体基底稳定性差，对于样品的检测不具备普遍适用性。为解决这一问题，常用的方法就是将贵金属胶体粒子包裹于聚合物或氧化物壳层中来提高其稳定性。介孔二氧化硅(mSiO₂)具有独特介孔结构、低成本、制备简单、孔径可调(2-50nm)、生物相容性好、不引入拉曼信号干扰的光学透明等优点，是一种理想的包裹贵金属纳米粒子的基质材料。除此之外可通过调节壳层孔径的大小来选择性的检测比孔径小的目标分子，而排除比孔径大的分子的干扰。而将多颗金属纳米粒子包裹于单个mSiO₂基质中能促进目标分子-金属之间的相互作用，从而能提高SERS活性。同时带有尖端结构或纳米沟的各向异性金属纳米粒子“热点”强度高。因此，将多颗带有尖端和纳米沟的金属纳米粒子包裹于单个mSiO₂基质中有望制备一种SERS效率高、适用性强的基底。另一方面，由于被分析物浓度低，样品溶液基质复杂，使得在溶液中直接进行SERS检测困难。近年来，基于磁性微球的SERS基底由于其结合了光学和磁性特性而受到广泛关注，由于目标分子的富集和磁诱导聚集可产生的大量粒子间热点，从而可实现简单的分离并进一步增强拉曼信号。

针对上述问题，本发明研发了一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球作为SERS基底用于现场快速检测土壤中残留福美双的方法。

发明内容

本发明的首要目的是要解决现有SERS基底稳定性差、SERS效率低、适用性低、抗干扰能力弱、可控性差的问题，而提供一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球，并作为高性能的磁性SERS基底进行目标物的现场快速检测。

一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球，四氧化三铁为内核，外表依次包裹聚乙烯亚胺层、分枝状纳米金层，二氧化硅层。

所述的复合微球，四氧化三铁微球粒径为200-500纳米；聚乙烯亚胺层厚度1-2纳米，分枝状纳米金层厚度10-30纳米，二氧化硅层厚度20-50纳米。

本发明采用磁性纳米颗粒的原因是基于磁性微球的SERS基底结合了光学和磁性特性，进而使得目标分子的富集和磁诱导聚集产生大量粒子间热点，从而可实现简单的分离并进一步增强拉曼信号。

PEI在超声条件下自组装于Fe₃O₄微球表面(Fe₃O₄@PEI)。然后，负电性的金种才能通过静电作用以及和PEI上氨基共价键作用吸附于PEI壳层表面(Fe₃O₄@PEI-Au)聚乙烯亚胺层只要能通过自组装到Fe₃O₄上使Fe₃O₄@PEI带上正电，组装成功后再进行表征发现厚度为1-2纳米，这样有利于后续吸附负电性的金种。

本发明独创性的采用带有尖端结构或纳米沟的各向异性金属纳米粒子，其“热点”强度高。将这种多颗带有尖端和纳米沟的金属纳米粒子包裹于单个mSiO₂基质中能够进一步制备检测效率高、适用性强的基底。

本发明采用介孔二氧化硅(mSiO₂)具有独特介孔结构、低成本、制备简单、孔径可调(2-50nm)、生物相容性好、不引入拉曼信号干扰的光学透明等优点，是一种理想的包裹贵金属纳米粒子的基质材料。除此之外可通过调节壳层孔径的大小来体积选择性的检测目标分子，而排除比孔径大的分子的干扰。

本发明二氧化硅层厚度20-50纳米。厚度如果太薄，会导致金种生长时突刺会凸出二氧化硅层，如果厚度如果太厚会导致在后续检测土壤中目标分子时，目标分子很难扩散靠近纳米金表面，进而导致检测效果不好也就是SERS信号不好

本发明所述的复合微球：所述的二氧化硅层为介孔二氧化硅层。介孔孔径在2-50nm。

本发明所述的复合微球：分枝状纳米金层利用金种生长法于壳层内原位生长而成，进一步地，以聚乙烯亚胺壳层吸附纳米金为金种，包裹二氧化硅壳层后，利用金种生长法于壳层内原位生长分枝状纳米金。

本发明的第二个目的是提供所述的复合微球的制备方法，具体包括如下步骤：

1)在Fe₃O₄磁性微球表面修饰一层聚乙烯亚胺层，制备出单分散的Fe₃O₄@PEI磁性微球；

2)在Fe₃O₄@PEI磁性微球表面吸附金种，制备出Fe₃O₄@PEI-Au微球；

3)在Fe₃O₄@PEI-Au微球表面包裹上一层mSiO₂壳层，制备出Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球；

4)通过金种生长法在Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球内部生长分枝状纳米金，最终获得嵌入分枝状纳米金磁性复合微球。

所述的制备方法，

步骤1)中，PEI通过超声、搅拌自组装于Fe₃O₄微球表面，Fe₃O₄与PEI质量比例为1:5-1:15，PEI溶液浓度为7-13毫克/毫升，超声搅拌时间至少为1小时；反应完后磁分离收集产物Fe₃O₄@PEI微球，洗涤。

所述的制备方法，

步骤2)将金种加入到Fe₃O₄@PEI微球分散液中，超声反应即得Fe₃O₄@PEI-Au微球；金种和Fe₃O₄@PEI微球的体积比例为5:1-10:1，产生反应至少1小时，纳米金种粒径3-5nm，磁分离去除游离的金种，洗涤。

所述的制备方法，

步骤3)通过TEOS溶胶-凝胶反应在Fe₃O₄@PEI-Au微球表面包裹SiO₂壳层，去离子水反应体系中加入质量比为1:25-1:40的NaOH和CTAB搅拌至少30min，再加入TEOS和乙醇体积比1:2-1:10的混合溶液搅拌至少30min；去离子水与TEOS和乙醇混合溶液的体积比180-220：1，反应温度为30-120℃，静置反应，反应时间为12-15小时；磁分离收集产物，洗涤；再通过乙醇回流去模板法形成mSiO₂壳层，加热回流温度为30-120℃，时间为12-60小时。

可以在加入去离子水反应体系之前，配制浓度为0.2-1.2g/L的NaOH以及30-50g/L的CTAB。

步骤4)在含有Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球的溶液体系中，采用抗坏血酸作为还原剂，CTAB作为控制剂控制金种的生长，静置生长，通过磁分离终止反应；优选：去离子水反应体系中加入质量比为5:1-10:1的CTAB和抗坏血酸混匀，加入上述制备的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球分散液，随后加入HAuCl₄，Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂与HAuCl₄的质量比例为1:5-1:10，去离子水、Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球分散液与HAuCl₄溶液的体积比例为：480-520：8-10：0.8-1.2，混合均匀后将混合液室温静置反应至少2h。

可以在加入去离子水反应体系之前，配制浓度为1-2g/L的CTAB以及0.1-0.2g/L抗坏血酸。

步骤1)采用的Fe₃O₄微球的制备方法为溶剂热合成法，具体步骤如下：将1.35克六水合三氯化铁，1克聚乙二醇6000，3.60克无水乙酸钠，添加至40毫升无水乙二醇溶液中，边超声边搅拌直至完全溶解；将上述溶液转移到聚四氟乙烯内胆的50毫升高温反应釜中，密封后置于鼓风恒温烘箱内，在180-220℃温度下反应6-8小时。反应结束后自然冷却至室温，用磁铁富集后收集黑色沉淀。沉淀用去离子水和无水乙醇各洗3次，并置于真空干燥箱内于60℃干燥6小时，得到粉末状Fe₃O₄微球备用。

步骤2)采用的金种粒径为3-5纳米，以NaBH₄和柠檬酸三钠为共同还原剂，加入次序为先加入柠檬酸三钠溶液(w/v,1％)，随后快速注入NaBH₄溶液(w/v,0.075％)，搅拌反应10小时。

步骤4)在静置反应下生长出分枝状纳米金，分枝状纳米金密集地嵌入mSiO₂壳层中，但不伸出壳层。

本发明的第三个目的是提供所述的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球，或者上述的方法制备得到的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的应用，用于环境、生物样品中的小分子目标物的灵敏、快速SERS检测。

进一步地，本发明还提供上述磁性复合微球作为高性能SERS基底对土壤中福美双残留进行现场快速检测的应用，具体操作如下：

1)嵌入分枝状纳米金磁性复合微球分散于待测样品溶液中，超声使嵌入分枝状纳米金磁性复合微球在溶液中分散，其中待测溶液是含有福美双的土壤提取液。

2)外加磁场下将吸附了福美双分子的磁性复合微球分离，直接将激光束聚焦于被磁铁聚集的磁性复合微球上，采集SERS数据。

本发明的优点及有益效果为：

本发明的主要优点在于：1)本发明制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球具有分散性好、结构稳定、适用性强等优点，克服了金属纳米颗粒胶体本身的不稳定性，易受检测环境(pH、有机试剂、离子强度)的改变而团聚的缺点，可用做SERS基底对目标分子进行现场快速检测；2)含有尖端结构的分枝状纳米金密集地嵌入mSiO₂中，产生大量“热点”强度高的区域，具有高SERS活性；3)mSiO₂层的介孔结构具有自过滤性能，可排除比介孔孔径大的物质的干扰；4)磁性内核使微球具有磁力可控性，在外部磁场作用下能实现小分子目标物的快速富集与分离，避免了离心、过滤等复杂的操作。

附图说明

图1为实施例1制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的合成路线图。

图2a、b分别为实施例1制备的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球、嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的场发射扫描电子显微镜(SEM)图。

图3a、b为实施例1制备的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球的透射电子显微镜(TEM)图，图3c、d为实施例1制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球TEM图。

图4a为实施例1制备的未经乙醇处理的Fe₃O₄@PEI-Au@SiO₂微球(曲线I)和乙醇萃取48小时后Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球(曲线II)的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱图，图4b为实施例1制备的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球的X射线衍射(XRD)图。

图5为实施例1制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的孔径分布图。

图6为实施例1制备的Fe₃O₄微球(曲线a)及嵌入分枝状纳米金磁性复合微球(曲线b)的磁滞回线图。

图7为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球用作活性富集SERS基底检测目标分子的过程图。

图8为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球对常用的拉曼标记分子对巯基苯甲酸(4-MBA)检测的SERS谱图。图8A表示不同浓度4-MBA与嵌入分枝状纳米金磁性复合微球孵育反应后得到的SERS谱图：10^-8M(a)、10^-9M(b)、10^-10M(c)、10^-11M(d)、10^-12M(e)和空白(f)；图8B表示4-MBA位于1071cm^-1处峰强度对应浓度变化图，得到的回归方程为y＝5162.7+385.14x(x为4-MBA浓度的对数，y为拉曼强度，相关系数平方为0.9904)。

图9为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球自过滤性能考察图。

曲线a表示MTAHS混合溶液与嵌入分枝状纳米金磁性复合微球孵育反应后后得到的SERS谱图；曲线b表示MTAHS混合溶液与常规的AuNPs(50nm)胶体孵育反应后后得到的SERS谱图；曲线c表示HS与常规的AuNPs(50nm)胶体孵育反应后后得到的SERS谱图；曲线d表示MTA与常规的AuNPs(50nm)胶体孵育反应后后得到的SERS谱图。图10为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球与非分枝状纳米金磁性复合微球的场发射扫描电子显微镜(SEM)图。

图11为Fe₃O₄@mSiO₂微球(a)、Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球(b)、非分枝状纳米金磁性复合微球(c)和嵌入分枝状纳米金磁性复合微球(d)SERS性能对比图。

图12为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球检测土壤中福美双残留SERS谱图；图12A为不同浓度福美双溶液与嵌入分枝状纳米金磁性复合微球孵育反应后得到的SERS谱图：空白(a)、10^-9M(b)、10^-8M(c)、10^-7M(d)、10^-6M(e)和10^-5M(f)，图12B为福美双位于1380cm^-1处峰拉曼强度随浓度变化图，线性拟合曲线为y＝70530+7574.3x(x为福美双浓度的对数，y为拉曼强度，相关系数平方为0.990。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明，而不会对本发明形成限制。

实施例1

嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的制备:

图1给出嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的合成路线图。其具体的制备方法分为以下五步：

第一步,采用溶剂热合成法合成330纳米的Fe₃O₄磁性微球：取1.35克六水合三氯化铁，1克聚乙二醇6000，3.60克无水乙酸钠，添加至40毫升无水乙二醇溶液中，边超声边搅拌直至完全溶解。接着将反应混合物转移至聚四氟乙烯内胆的50毫升高温反应釜中，密封后置于鼓风恒温烘箱内，在200℃温度下反应7小时。反应结束后自然冷却至室温，用磁铁富集后收集黑色沉淀。沉淀用去离子水和无水乙醇各洗3次，并置于真空干燥箱内于60℃干燥6小时，得到粉末状Fe₃O₄微球备用。

第二步，通过超声、搅拌将PEI自组装于Fe₃O₄微球表面：Fe₃O₄的质量为0.05克，PEI溶液浓度为10毫克/毫升，体积为50毫升，超声搅拌2小时。反应完后磁分离收集产物Fe₃O₄@PEI微球，用水洗涤2-3次后重新分散于10毫升去离子水中。

第三步，将0.5毫升的HAuCl₄(w/v,1％)溶液加入到50毫升去离子水中，室温下磁力搅拌1分钟。接着加入1.5毫升的柠檬酸三钠溶液(w/v,1％)并继续搅拌1分钟，随后快速注入0.5毫升的NaBH₄(w/v,0.075％)溶液，继续搅拌反应10小时，得到金种溶液，纳米金粒径3-5nm。取50毫升上述制备的金种溶液加入到步骤二的Fe₃O₄@PEI微球分散液中，超声反应1小时即得Fe₃O₄@PEI-Au微球。磁分离去除游离的金种并用水洗涤三次后重新分散于10毫升去离子水中待用。

第四步，在上述Fe₃O₄@PEI-Au微球中加入500毫升去离子水，超声混合均匀后转移至圆底烧瓶中，加入0.5克CTAB，超声30分钟。接着加入19.8毫克NaOH并在60℃下搅拌30分钟。随后加入2.5mL的TEOS/C₂H₅OH体积比为1:4的混合液并继续搅拌30分钟。停止搅拌，将混合溶液在60℃下静置反应12小时。反应完后，磁分离收集产物，用水和乙醇各洗三次以去除非磁性的副产物。最后，将收集的微球分散于100毫升乙醇中，80℃加热回流反应48小时以去除模板CTAB，形成Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球。将得到的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球用水洗涤三次后分散于20毫升去离子水中。

第五步，将0.0683克CTAB和50毫升去离子水加入烧瓶中，超声溶解，接着加入0.0088克抗坏血酸和3毫克步骤四的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球，随后加入0.1286毫升的HAuCl₄(w/v,1％)溶液，超声混合均匀后将反应液在室温下静置反应2小时。磁分离终止反应，收集磁性产物，用水洗涤三次去除非磁性副产物，得到嵌入分枝状纳米金磁性复合微球。

图2a、b分别为Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球、嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的场发射扫描电子显微镜(SEM)图。由SEM图可知，合成的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球为均匀的球形，粒径约为460纳米。

图3a、b为Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球的透射电子显微镜(TEM)图，图3c、d为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球TEM图。从TEM图可以看到TEOS的溶胶-凝胶反应过程发生在Fe₃O₄@PEI-Au微球的表面，生成一层厚度约为50纳米的SiO₂壳层(图3a)，并且从放大图中可以明显观察到SiO₂层的介孔结构(图3b)，而且，从图中圈标出的区域可以看到密集的金种仍然均匀地分布在Fe₃O₄@PEI微球的表面，在包裹mSiO₂后没有泄漏(图3b)。将Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球生长2小时后，mSiO₂壳层内的金种生长成尺寸更大的颗粒，并且带有很多金尖端，形成分枝状金纳米结构(图3c)。从放大图中可以看到带有尖端结构的纳米金均匀、密集的分布在Fe₃O₄@PEI微球表面，尖端与尖端之间产生大量的纳米沟。此外，可清晰看到具有介孔结构的厚度约为20纳米的mSiO₂壳层。虽然金种生长成分枝状纳米金之后占据了mSiO₂壳层的空间而使壳层厚度变薄，但是仍然可以作为体积选择性壳层(图3d)。

图4a为未经乙醇处理的Fe₃O₄@PEI-Au@SiO₂微球(曲线I)和乙醇萃取48小时后Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球(曲线II)的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱图。FT-IR光谱分析证明SiO₂壳层的包裹及CTAB模板的去除过程。图4b为Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球的X射线衍射(XRD)图。XRD图谱220，311，400，422，511，440处的峰为Fe₃O₄的特征衍射峰，2θ位于23°处的宽峰归属为SiO₂，其他数字标记的峰(111，200，220，311)为金的特征衍射峰，进一步表明mSiO₂包裹的磁性Fe₃O₄微球内层嵌有金种。

图5为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的孔径分布图，分析可知嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的介孔平均孔径约为3.5纳米。

图6显示的是Fe₃O₄微球(曲线a)及本发明制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球(曲线b)的磁滞回线图。通过磁性分析可知嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的饱和磁强值为40.0emu/g，虽然磁力较原始Fe₃O₄纳米粒子有所下降，仍可用普通磁铁对其进行磁分离。

实施例2

嵌入分枝状纳米金磁性复合微球SERS性能考察：

选用常用的拉曼探针分子4-巯基苯甲酸(4-MBA)来表征嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的SERS性能。4-MBA含有巯基基团，可通过mSiO₂壳层而形成Au-S键吸附于内层金纳米结构的表面，与金或银结合后会产生显著SERS特征峰。先配置不同浓度的4-MBA溶液(10^-8-10^-12M)以及空白组，分别与嵌入分枝状纳米金磁性复合微球孵育反应后，采集其拉曼光谱并作出特征峰强度对应浓度变化图。

图7为嵌入分枝状纳米金磁性复合微球用作活性富集SERS基底检测目标分子的过程图。

图8是实施例2的实验结果。在图8中横坐标是拉曼位移。图8中曲线从上到下分别为高浓度到低浓度的4-MBA吸附在磁性复合微球上激发出的4-MBA拉曼图谱。激发波长为785纳米，激发时间10秒，激发功率10％。磁性复合微球检测4-MBA的拉曼信号表现出较好的浓度依耐性，且当4-MBA的浓度低至10^-12M时仍然可读出其主要拉曼特征峰。这一实验结果证明了嵌入分枝状纳米金磁性复合微球具有很强的表面拉曼增强能力，可作为磁性SERS基底使用。

实施例3

嵌入分枝状纳米金磁性复合微球自过滤性能考察：

为了考察嵌入分枝状纳米金磁性复合微球基底在复杂体系检测中的自过滤性能，选用甲氨蝶呤(MTA)作为拉曼探针分子，人血清(HS)作为基质溶液进行SERS检测。首先选用常规的AuNPs(50nm)胶体作为SERS基底分别和HS和MTA孵育反应后，采集SERS谱图。其次，将AuNPs(50nm)胶体SERS基底与MTA HS混合溶液孵育反应，采集SERS谱图。最后，用制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球用作SERS基底与MTA HS混合溶液孵育反应，采集SERS谱图。

图9是实施例3的实验结果。为了考察嵌入分枝状纳米金磁性复合微球在复杂体系检测中的自过滤性能，选用甲氨蝶呤(methotrexate,MTA)作为拉曼探针分子，人血清(HS)作为基质溶液进行SERS检测。各组样品孵育反应后采集SERS谱图，如图9所示，当用常规的AuNPs(50nm)胶体作为SERS基底分别和HS和MTA孵育反应后，可得HS(曲线c)和MTA(曲线d)的主要特征峰。当AuNPs(50nm)胶体SERS基底与MTAHS混合溶液孵育反应后，由于HS的基质干扰大，蛋白质等大分子物质会附着于胶体表面而阻止MTA分子与AuNPs的接触，因而只能检测到HS的SERS信号而无法检测到MTA的SERS信号(曲线b)。当用制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球替代常规的AuNPs胶体而用作SERS基底时，与MTAHS混合溶液孵育反应后能得到明显的MTA的SERS信号峰，且峰形与MTA水溶液中的几乎一致(曲线d)，而HS的基质干扰信号消失(曲线a)。以上结果表明mSiO₂壳层发挥了自过滤作用，即凭借介孔结构允许MTA小分子通过介孔到达内层纳米金的表面而被检测到，而HS中的大分子物质(蛋白质、核酸和脂质等)则无法进入介孔而被阻挡在外，从而可排除其产生的信号干扰。

实施例4

嵌入分枝状纳米金磁性复合微球与非分枝状纳米金磁性复合微球性能对比：

选用常用的拉曼探针分子4-巯基苯甲酸(4-MBA)来对比Fe₃O₄@mSiO₂微球、Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球、非分枝状纳米金磁性复合微球和嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的SERS性能。4-MBA含有巯基基团，可通过mSiO₂壳层而形成Au-S键吸附于内层金纳米结构的表面，与金或银结合后会产生显著SERS特征峰。配置10^-8M的4-MBA溶液，分别与Fe₃O₄@mSiO₂微球、Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球、非分枝状纳米金磁性复合微球和嵌入分枝状纳米金磁性复合微球孵育反应后，采集其拉曼光谱。

图10a、b分别为非分枝状纳米金磁性复合微球和嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的场发射扫描电子显微镜(SEM)图。其SERS性能分别对应图11中曲线c、d。

图11a-d分别为10^-8M的4-MBA溶液与Fe₃O₄@mSiO₂微球(曲线a)、Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球(曲线b)、非分枝状纳米金磁性复合微球(曲线c)和嵌入分枝状纳米金磁性复合微球(曲线d)孵育反应后采集得到的拉曼光谱。以上结果表明由于没有纳米金颗粒的电磁增强作用，Fe₃O₄@mSiO₂微球用作SERS基底时无法检测到4-MBA的信号(曲线a)。同时，用Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球作为SERS基底时也没有检测到明显的4-MBA的信号(曲线b)，说明微球中包裹的金种粒径太小而无法用作有效的SERS基底检测低浓度的4-MBA(10^-8M)。当用非分枝状纳米金磁性复合微球作为SERS基底时，能得到的4-MBA的SERS信号但SERS信号较弱(曲线c)。而当用分枝状纳米金磁性复合微球作为SERS基底时，能得到明显的4-MBA的SERS信号且SERS效率相当高(曲线d)，说明包裹的分枝状纳米金具有高效的等离激元响应。

嵌入分枝状纳米金磁性复合微球检测土壤中福美双残留：

为了考察嵌入分枝状纳米金磁性复合微球用作SERS基底定量检测福美双的性能，配制一系列不同浓度的福美双标准溶液，分别与嵌入分枝状纳米金磁性复合微球孵育反应后采集SERS谱图。

图12是实施例4的实验结果。从图12A中可见，在400至1800cm^-1内福美双的所有特征峰均能被检测到，位于1380cm^-1处的强度最强的峰为CN伸展和CH₃对称形变产生的峰。且由图明显可以看出福美双的SERS强度随其浓度增加而增加。为了获得更好的检测灵敏度，选用最强处的峰(1380cm^-1)作为福美双的拉曼信号峰。如图12B所示，福美双位于1380cm^-1处峰拉曼强度随浓度呈线性变化，线性拟合曲线为y＝70530+7574.3x，相关系数为0.990，线性范围为10^-9M至10^-5M，这一范围满足土壤中福美双残留的检测要求。制备的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球基底，多颗带有尖端结构的金纳米颗粒包裹于单个基质中使其具有显著的SERS增强性能，mSiO₂壳层的介孔结构使其具有自过滤功能，磁性内核的引入使其具有富集功能和可控性，集这些优越性能于一身，使嵌入分枝状纳米金磁性复合微球用于SERS检测具有明显优势，也可用于其它生物小分子的检测。

上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌入分枝状纳米金磁性复合微球，其特征在于：四氧化三铁为内核，外表依次包裹聚乙烯亚胺层、分枝状纳米金层，二氧化硅层。

2.根据权利要求1所述的复合微球，其特征在于：四氧化三铁微球粒径为200-500nm；聚乙烯亚胺层厚度1-2nm；分枝状纳米金层厚度10-30纳米，具有介孔结构的二氧化硅层厚度为20-50nm。

3.根据权利要求1所述的复合微球，其特征在于：所述的二氧化硅层为介孔二氧化硅层，介孔孔径在2-50nm。

4.根据权利要求1所述的复合微球，其特征在于：分枝状纳米金层利用金种生长法于壳层内原位生长而成，进一步地，以聚乙烯亚胺壳层吸附金种，包裹二氧化硅壳层后，利用金种生长法于壳层内原位生长分枝状纳米金。

5.权利要求1-4任一项所述的复合微球的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

1)在Fe₃O₄磁性微球表面修饰一层聚乙烯亚胺层，制备出单分散的Fe₃O₄@PEI磁性微球；

2)在Fe₃O₄@PEI磁性微球表面吸附金种，制备出Fe₃O₄@PEI-Au微球；

3)在Fe₃O₄@PEI-Au微球表面包裹上一层mSiO₂壳层，制备出Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球；

4)通过金种生长法在Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球内部生长分枝状纳米金，最终获得嵌入分枝状纳米金磁性复合微球。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

步骤1)中，PEI通过超声、搅拌自组装于Fe₃O₄微球表面，Fe₃O₄与PEI质量比例为1:5-1:15，PEI溶液浓度为7-13毫克/毫升，超声搅拌时间至少为1小时；反应完后磁分离收集产物Fe₃O₄@PEI微球，洗涤。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

步骤2)将金种加入到Fe₃O₄@PEI微球分散液中，超声反应即得Fe₃O₄@PEI-Au微球；金种和Fe₃O₄@PEI微球的体积比例为5:1-10:1，产生反应至少1小时，纳米金种粒径3-5nm，磁分离去除游离的金种，洗涤。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

步骤3)通过TEOS溶胶-凝胶反应在Fe₃O₄@PEI-Au微球表面包裹SiO₂壳层，去离子水反应体系中加入质量比为1:25-1:40的NaOH和CTAB搅拌至少30min，再加入TEOS和乙醇体积比1:2-1:10的混合溶液搅拌至少30min；去离子水与TEOS和乙醇混合溶液的体积比180-220：1，反应温度为30-120℃，静置反应，反应时间为12-15小时；磁分离收集产物，洗涤；再通过乙醇回流去模板法形成mSiO₂壳层，加热回流温度为30-120℃，时间为12-60小时。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

步骤4)在含有Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球的溶液体系中，采用抗坏血酸作为还原剂，CTAB作为控制剂控制金种的生长，静置生长，通过磁分离终止反应；优选：去离子水反应体系中加入质量比为5:1-10:1的CTAB和抗坏血酸混匀，加入上述制备的Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球分散液，随后加入HAuCl₄，Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂与HAuCl₄的质量比例为1:5-1:10，去离子水、Fe₃O₄@PEI-Au@mSiO₂微球分散液与HAuCl₄溶液的体积比例为：480-520：8-10：0.8-1.2，混合均匀后将混合液室温静置反应至少2h。

10.权利要求1-4任一项所述的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球，或者权利要求5-9任一项所述的方法制备得到的嵌入分枝状纳米金磁性复合微球的应用，其特征在于：用于环境、生物样品中的小分子目标物的灵敏、快速SERS检测。

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