CN114486848B - 一种基于sers机理实时原位监测还原反应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于SERS机理实时原位监测还原反应的方法，包括以下步骤：①制备1‑3nm金种子；②配置HAuCl4镀液；③用PS@Fe3O4分散液和步骤①得到的金种子制备PS@Fe3O4/Au；④用步骤③得到的PS@Fe3O4/Au和步骤②得到HAuCl4镀液制备PS@Fe3O4@Au；⑤用步骤④得到的PS@Fe3O4@Au制备PS@Fe3O4@Au/4‑NTP；⑥在超纯水中加入步骤⑤得到的PS@Fe3O4@Au/4‑NTP，加入适量NaBH4后进行拉曼检测。本发明的有益效果表现如下：①通过磁铁固定水溶液中的SERS材料，在单颗粒上进行拉曼检测，克服了常规SERS材料拉曼信号不稳定的缺点。②利用60x水镜实时监测反映水溶液中正在进行的催化还原反应，实现了真正意义上的原位监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种原位监测催化还原降解4-NTP的光谱分析检测方法，具体是涉及一种基于在水相中表面增强拉曼光谱技术实现在溶液中以PS@
Fe3O4@Au磁性单颗粒为化学平台实时原位监测催化还原降解4-硝基苯硫酚的分析化学检测方法。
背景技术
表面增强拉曼散射(SERS)是一种强大的分析技术，通过激光激发后金属表面产生的局域表面等离子体共振和显着增强的电磁场来获得目标分子的显着增强的拉曼信号，具有检测速度快、灵敏度高、选择性高等优点。近十年来，SERS以其独特的指纹振动信息、快速的数据采集能力、受到包括水在内的溶剂的干扰低和单分子灵敏度(据报道，单分子SERS的增强因子高达1014-1015)，被应用于多种场景，尤其是在环境分析与监测、生物检测、反应机理和生物成像等领域。
在众多纳米材料中，核壳纳米粒子由于其突出的特性而引起越来越多的研究关注。核壳纳米粒子是由不同材料的内核和外壳组成；因此，核壳材料能够集成不同材料的不同性质，从而扩展了它们在光电、磁性、医疗和催化方面的应用。在催化，SERS等方面而言，与单一的微纳材料相比，核壳微纳粒子只需要在壳层涂覆贵金属或者过渡金属用来进行催化反应或激发SERS，减少了贵金属或过渡金属的使用。并且可以通过改变核的大小、形状、形态和成分，以及壳材料的厚度、形状和成分来调节核壳微纳粒子的性质。稳定的外壳能够保护微纳粒子免受聚集、其他试剂或恶劣的外界环境所带来的影响。通过包覆生物相容性较好的材料如：二氧化硅(SiO2)、聚合物等可以降低实际生物应用中的毒性。
以PS@Fe3O4@Au核壳结构作为复合基底具有多种突出的特性，以聚苯乙烯(PS)为核能够轻松的调节纳米球的大小，通过调节PS核的大小，将整个核壳结构的大小确定在2μm左右，可以轻松的在显微镜下观察。Fe3O4具有顺磁性，在材料合成过程中，能够将所需的产物与反应液分离，不需要离心，也就避免了材料的团聚。并且在磁铁的作用下，即使在水中也能固定在同一个位置，不发生偏离，这对原位SERS检测具有重要的作用。同时最外层的Au壳提供了良好的SERS增强效果。4-NTP是一类不能生物降解的硝基苯类化合物。4-NTP作为催化反应的常用探针分子，本发明专利中利用NaBH4的还原4-NTP的实验作为案例来阐述整体的实验思路及过程，其它污染物如果能通过一定的方式降解，也可以利用我们的材料进行SERS增强及装置进行监测。本发明不仅是实时原位的检测还原反应，而且是在溶液中以单个颗粒作为化学反应平台进行SERS检测。这样进行SERS检测的显著优势是：一方面避免了不同颗粒之间因SERS增强效果不同而引发的数据波动，另一方由于可以长时间针对特定单颗粒进行检测，其可以降低人为操作，如显微聚焦面聚焦选择带来的SERS信号大小的改变，显著提高检测的准确性。由于检测位置的相对固定，该原位检测方案，可以为显微拉曼光谱仪长时间自动检测提供基础，减少人为操作步骤，降低人力成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题为提供一种基于表面增强拉曼光谱技术实现在反应液中固定SERS材料并且实时原位监测催化还原4-NTP的方法。
为了解决上述技术问题,本发明提供以下技术方案
一种基于SERS机理实时原位监测还原反应的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①合成1-3nm金种子；
②配置HAuCl4镀液；
③用PS@Fe3O4分散液和步骤①得到的金种子制备PS@Fe3O4/Au；
④用步骤③得到的PS@Fe3O4/Au和步骤②得到HAuCl4镀液制备PS@Fe3O4@Au；
⑤用步骤④得到的PS@Fe3O4@Au制备PS@Fe3O4@Au/4-NTP；
⑥在超纯水中加入步骤⑤得到的PS@Fe3O4@Au/4-NTP，加入适量NaBH4后进行拉曼检测。
优选的，步骤①中制备1-3nm金种子的方法为将NaOH加入超纯水中，在磁力搅拌下加入四羟甲基氯化磷THPC。之后再加入HAuCl4·3H2O，搅拌后陈化一周，得到金种子溶液。
优选的，步骤②中制备HAuCl4镀液的方法为将碳酸钾溶解在超纯水中，搅拌后，加入HAuCl4水溶液，4℃下陈化两天后，得到HAuCl4镀液。
优选的，步骤③中制备PS@Fe3O4/Au的方法为，将PS@Fe3O4分散液和步骤①得到的金种子加入超纯水中，反应过夜形成PS@Fe3O4/Au。然后用水洗涤后，得到PS@Fe3O4/Au。
优选的，步骤④中制备PS@Fe3O4@Au的方法为，在机械搅拌下将步骤③得到的PS@Fe3O4/Au分散液注入步骤②得到HAuCl4镀液中。超声后，加入甲醛以还原HAuCl4。当反应液变为紫红色时，停止反应，利用磁分离收集产物，水洗3次，得到三层核/壳PS@Fe3O4@Au磁性纳米复合材料。
优选的，步骤⑤中制备PS@Fe3O4@Au/4-NTP的方法为，步骤④得到的PS@Fe3O4@Au加入到4-NTP溶液中，孵育12h。孵育完成后通过磁分离，得到PS@Fe3O4@Au/4-NTP。
优选的，步骤⑥中原位监测4-NTP催化还原步骤为，取步骤⑤得到的复合材料加入到含有4mL超纯水的培养皿中，培养皿底部黏贴磁铁后，放置在拉曼仪的光学显微平台上，然后，设置积分时间、选择激发光波长、功率进行持续照射，并同时持续采集拉曼信号,得到4-NTP催化降还原过程的谱图。
本发明的一种基于SERS机理实时原位监测还原反应的方法，其科学原理分析：
①Fe3O4具有顺磁性，合成时可以通过磁分离分离产物与反应液，在拉曼测试时能够固定水溶液的SERS材料。解决了在水溶液中难易固定材料的问题。
②Au作为核壳材料的最外层，能够与4-NTP形成Au-S键，极大的增强了拉曼信号，而且能够保护内部的Fe3O4不被氧化，提高了SERS材料的稳定性。
相对于现有技术，本发明的有益效果表现如下：
①通过磁铁固定水溶液中的SERS材料，在单颗粒上进行拉曼检测，克服了常规SERS材料拉曼信号不稳定的缺点。
②利用60x水镜实时监测反映水溶液中正在进行的催化还原反应，实现了真正意义上的原位监测。
附图说明
图1本发明提供的液相原位SERS检测方法示意图；
图2为实施例合成的复合材料扫描电镜图；
图3为实施例合成的复合材料扫描电镜元素成像图；
图4为以PS@Fe3O4@Au为基底,对4-NTP进行催化还原的原位检测时间谱图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语，与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
步骤一、制备1-3nm金种子。
将5mL 1M NaOH加入450mL超纯水中，并在磁力搅拌下加入10mL 50mM THPC。10分钟后，加入0.36mL 1.0M HAuCl4·3H2O，搅拌30分钟后，将金种子溶液在4℃下陈化一周后使用。
步骤二、配置HAuCl4镀液。
在锥形瓶中，将0.1g碳酸钾溶解在400mL水中。搅拌15分钟后，加入6mL，质量浓度为1％HAuCl4水溶液，4℃下陈化两天后，得到HAuCl4镀液。
步骤三、制备PS@Fe3O4/Au分散液。
首先将10mL PS@Fe3O4和75mL金种子溶液加入75mL水中，反应过夜形成PS@Fe3O4/Au。然后用水洗涤3次，去除多余的未附着的小金纳米团簇，分散在10mL纯水中以得到PS@Fe3O4/Au分散液。
步骤四、制备PS@Fe3O4@Au。
在机械搅拌下将1mL PS@Fe3O4/Au分散液注入100mL HAuCl4镀液中。超声5分钟后，加入30μL甲醛以还原HAuCl4。当反应液变为紫红色时，停止反应，利用磁分离收集产物，水洗3次，得到三层核/壳PS@Fe3O4@Au磁性纳米复合材料并分散在1mL超纯水中。
步骤五、制备复合材料PS@Fe3O4@Au/4-NTP
在培养皿加入4mL超纯水，再加入100μL PS@Fe3O4@Au分散液孵育12h后得到的PS@Fe3O4@Au/4-NTP。
步骤六、SERS原位监测催化还原的谱图：
在培养皿下方黏贴磁铁后，放置在拉曼仪的光学显微平台上,通过水镜找到单颗粒的材料，加入100μL的NaBH4(10-2M)后进行观察,然后,在单颗粒上进行拉曼信号采集,积分时间为20s。所用激光波长为785nm，功率为0.75mW的激发光进行持续照射，并同时持续采集拉曼信号。通过图4可以看出，随着时间的推移。属于4-NTP的1081cm-1，1335cm-1，1572cm-1逐渐降低直至消失，属于4-ATP的1595cm-1出现并逐渐增强。检测结果显示复合材料在NaBH4的存在下实现了对4-NTP的催化还原。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰。这些改进和修饰也应当落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于SERS机理实时原位监测还原反应的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①制备1-3 nm 金种子：将 NaOH 加入超纯水中，在磁力搅拌下加入四羟甲基氯化磷，之后再加入HAuCl4•3H2O，搅拌后陈化一周，得到金种子溶液；
②配置HAuCl4镀液：将碳酸钾溶解在超纯水中，搅拌后，加入 HAuCl4水溶液，4℃下陈化两天后，得到 HAuCl4镀液；
③将PS@ Fe3O4分散液和步骤①得到的金种子溶液加入超纯水中，反应过夜形成PS@Fe3O4/Au，然后用水洗涤3次后，分散在10ml纯水中以得到PS@Fe3O4/Au的分散液；
④在搅拌下将步骤③得到的PS@Fe3O4/Au的分散液注入步骤②得到的HAuCl4 镀液中，超声后加入甲醛以还原HAuCl4，当反应液变为紫红色时，停止反应，利用磁分离收集产物，水洗得到三层核/壳PS@ Fe3O4@Au磁性纳米复合材料；
⑤将步骤④得到的PS@ Fe3O4@Au磁性纳米复合材料加入到浓度为10-5M的4-NTP溶液中，孵育12h，孵育完成后通过磁分离，得到PS@ Fe3O4@Au/4-NTP；
⑥取步骤⑤得到的PS@ Fe3O4@Au/4-NTP复合材料加入到含有超纯水的培养皿中，培养皿底部黏贴磁铁后，放置在拉曼仪的光学显微平台上，通过水镜找到单颗粒的材料，加入100μL的 10-2M 的 NaBH4后进行观察,然后,在单颗粒上进行拉曼信号采集，随后设置积分时间、选择激发光波长、功率进行持续照射，并同时持续采集拉曼信号，得到4-NTP催化降解还原过程的谱图。
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| CN202210069385.1A CN114486848B (zh) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 一种基于sers机理实时原位监测还原反应的方法 |
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| CN102423670A (zh) * | 2011-08-09 | 2012-04-25 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种拉曼编码微球及其制备方法 |
| CN102699321A (zh) * | 2012-06-11 | 2012-10-03 | 华东理工大学 | 一种表面增强拉曼用等离子耦合结构微球及其制备方法 |
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2022
- 2022-01-20 CN CN202210069385.1A patent/CN114486848B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 傅小奇 ; 章国林 ; .可循环使用表面增强拉曼散射基底研究进展.光谱学与光谱分析.2017,(第11期),全文. * |
Also Published As
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| CN114486848A (zh) | 2022-05-13 |
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