CN115791750A - 一种水凝胶柔性sers基底的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面增强拉曼基底制备技术领域，尤其涉及一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法及应用，其是由海藻酸钠水凝胶包覆银纳米粒子形成的柔性SERS基底。本发明由乙酸触发钙‑乙二胺四乙酸络合物缓慢释放的钙离子能够使海藻酸钠均匀交联形成稳定的水凝胶，且该交联方法无需用到“油相”，避免了有机试剂对SERS检测目标物的干扰；覆盖在银纳米粒子外周的海藻酸钠水凝胶表面具有可调节大小的孔状结构，可以排除复杂样本中大分子蛋白等杂质的通过，选择性地只允许待测小分子进入水凝胶内部，在无需任何复杂前处理的情况下实现牛奶中三聚氰胺的直接快速检测。

Description

一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及表面增强拉曼基底制备技术领域，尤其涉及一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法及应用。

背景技术

拉曼光谱是一种基于光子的非弹性散射现象，由于其具有独特的光谱指纹性、原位、无损、实时监测的特点，近些年来，拉曼光谱被广泛用于化学反应的动态监测、农残的高灵敏鉴别、生物医学领域中疾病标志物的检测等领域。但目标物的拉曼散射截面通常比较小，导致其拉曼信号非常弱。表面增强拉曼散射(SERS)使位于金属表面附近分子的拉曼强度显著增加，由于表面等离子体激元的集体振荡在金属表面产生增强的局域电磁场，分子的非弹性拉曼散射效应可被显著放大。为了实现拉曼信号的高度增强和提高分析灵敏度，已经开发出多种SERS活性基底和纳米颗粒，以提供更高的增强因子。

尽管SERS技术是检测小分子结构的一种良好策略，但现有的SERS活性基底不能直接、选择性地获取复杂样品(如生物体液、食品、药品和环境液体)中目标物的拉曼信号。主要原因如下：(1)作为拉曼增强基底的贵金属表面容易受到各种蛋白质或细胞的污染，因此使用SERS活性基底直接检测血液或唾液中低浓度的目标物是非常困难的。(2)未知材料的不可逆吸附限制了目标小分子与金属表面的接触，从而导致拉曼信号的增强效应微乎其微。为了有选择地允许待测小分子到达金属表面，同时排除大分子蛋白质和细胞，金属表面通常采用具有选择透过性的膜进行屏蔽。虽然膜在一定程度上能够控制待测分子的选择性渗透，但低效率的原位粒子形成和低均匀性的包覆导致较差的SERS活性和检测重复性。

近些年来，含有金纳米颗粒的水凝胶由于具有均一的网状结构，可以用来排除大分子蛋白和细胞杂质等，实现复杂样本中目标小分子的直接检测。例如，Shin-HyunKim团队发展了一种微流控方法制备基于水凝胶微球的SERS活性基底，实现了尺寸选择功能。东北大学的徐教授等人采用离心微流体方法合成了含有金纳米颗粒的水凝胶微粒子，该微粒子尺寸均一，可以阻止大分子的进入，能够实现对于生物体液中小分子的直接检测。然而，这些方法需要使用精密仪器进行复杂操作，此外，还涉及有机试剂冲洗残余油的过程。由于油相和有机试剂的潜在污染，可能会造成SERS检测的干扰，影响目标物的准确测定。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法及应用，该制备方法具有简单省时、经济易得、“无油”干扰的特点，无需繁杂的样品前处理步骤，能够实现牛奶中三聚氰胺的直接、可靠检测。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法，具体步骤如下：

S1、海藻酸钠水凝胶的快速均匀合成：将氯化钙(CaCl₂)溶液和乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)溶液按等摩尔比混合，得到钙-乙二胺四乙酸(Ca-EDTA)复合溶液；接着，采用浓度是0.05M的氢氧化钠溶液将钙-乙二胺四乙酸复合溶液的pH调至中性后，与海藻酸钠溶液按等摩尔比混合得到前体溶液，在前体溶液中逐滴加入乙酸，交联一段时间后，形成均匀的海藻酸钠水凝胶。

S2、负载银纳米粒子的海藻酸钠水凝胶柔性SERS基底的制备方法：采用柠檬酸钠加热还原法合成银纳米粒子，将步骤S1中得到的海藻酸钠水凝胶前体溶液与银纳米粒子溶液按一定比例混合，得到混合溶液，再在该混合溶液中逐滴加入6μL乙酸，交联50s后，形成负载银纳米粒子的海藻酸钠水凝胶柔性SERS基底。

优选地，在步骤S1中，氯化钙溶液和钙-乙二胺四乙酸复合物溶液的浓度均是0.3M，所用海藻酸钠溶液的质量分数是1％。

优选地，在步骤S1中，所用乙酸的体积是6μL，交联时间是50s

优选地，在步骤S2中，海藻酸钠水凝胶前体溶液与银纳米粒子溶液的体积比是1：4。

本发明还提供了一种采用上述的制备方法获得的水凝胶柔性SERS基底在三聚氰胺检测中的应用。

优选地，具体步骤为：将制备好的水凝胶柔性SERS基底分别平行浸泡在1mL不同浓度的三聚氰胺溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2h后进行SERS检测；所用激发波长是633nm，积分时间是10s，积分次数是1次；将682cm^-1处的SERS峰强值与三聚氰胺浓度建立关系，得到线性回归方程y＝3973.7+450.3x，相关系数R²是0.948；然后，将待测三聚氰胺溶液按上述步骤操作，测定相应的SERS光谱，将SERS谱峰在682cm^-1处的强度值代入上述线性回归方程中，即可得到待测样品的浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用乙酸触发海藻酸钠交联方法得到的水凝胶均匀且坚实，克服了钙离子与海藻酸钠直接接触导致水凝胶交联不均匀的问题。

2、本发明制备水凝胶SERS基底的方法无需采用“油相”，避免了油相或有机试剂对SERS检测目标小分子的干扰。

3、本发明制备的水凝胶SERS基底，由于水凝胶表面具有均一的、可调节尺寸的孔结构，能够选择性地只允许待测小分子通过，排除大分子蛋白和其他杂质，实现牛奶中三聚氰胺的直接检测。

附图说明

图1为本发明合成的银纳米粒子的紫外吸收光谱图；

图2为本发明合成的银纳米粒子的透射电子显微镜照片；

图3为本发明制备的海藻酸钠水凝胶及负载银纳米粒子的水凝胶柔性SERS基底的光学照片；

图4为本发明实施例3中前体溶液与银纳米粒子不同体积比形成的水凝胶的光学照片；

图5为本发明实施例3中前体溶液与银纳米粒子不同体积比形成的水凝胶柔性SERS基底检测4-MBN的SERS光谱图；

图6本发明实施例4中单纯的水凝胶基底(1)、基底置于水溶液中三聚氰胺(2)、基底置于牛奶中三聚氰胺(3)的SERS光谱图；

图7中(a)为该水凝胶SERS基底检测不同浓度三聚氰胺的SERS光谱图，(b)为三聚氰胺在682cm^-1处SERS强度值与其浓度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：海藻酸钠水凝胶柔性SERS基底的制备，步骤如下：

前体溶液的配制：首先，称取1.116gEDTA粉末溶于10mL去离子水中，再加入0.25～0.3g氢氧化钠粉末，直至EDTA固体粉末全部溶解，得到浓度是0.3M的EDTA溶液；在上述配制好的10mLEDTA溶液中加入0.333g氯化钙，待其全部溶解，得到0.3M的Ca-EDTA溶液；接着，利用浓度是0.05M的NaOH溶液将Ca-EDTA复合溶液的pH调至7.2后，与质量分数是1％的海藻酸钠溶液按等摩尔比混合得到前体溶液。

负载银纳米粒子的水凝胶柔性SERS基底的制备：首先，采用柠檬酸钠加热还原法合成银纳米粒子，然后，将40μL上述前体溶液与160μL银纳米粒子溶液混合，再在该混合溶液中逐滴加入6μL乙酸，交联50s后，形成负载银纳米粒子的水凝胶柔性SERS基底。

实施例2：水凝胶柔性SERS基底的表征

首先对制备的银纳米粒子(AgNPs)进行表征。通过加热还原法合成的AgNPs的紫外最大吸收波长是439nm(图1)。为了表征获得的AgNPs的形貌和尺寸，对其进行了透射电子显微镜(TEM)拍摄，TEM照片显示制备的银纳米粒子是球形状的(图2)，其尺寸约为50nm。该尺寸有利于增强待测物的SERS信号。

为了表征制备的水凝胶柔性SERS基底，拍摄了海藻酸钠水凝胶和负载银纳米粒子的海藻酸钠水凝胶的光学照片。如图3a所示，前体溶液在遇到乙酸之后，快速形成了透明状的海藻酸钠水凝胶。在包裹银纳米粒子之后，依然能够形成水凝胶，此时的水凝胶呈现灰绿色(图3b)，说明成功制备了负载银纳米粒子的水凝胶柔性SERS基底。

实施例3：优化水凝胶柔性SERS基底

为了使水凝胶柔性SERS基底具有最佳的拉曼增强效果，调节前体溶液与银纳米粒子溶液的体积比(1：1、1：2、1：4)，获得不同比例的负载银纳米粒子的藻酸钠水凝胶。结果如图4所示，a表示不加银纳米粒子的海藻酸钠水凝胶(作为对照组)，随着银纳米粒子溶液与前体溶液体积比的增加，水凝胶的颜色逐渐变深，证明了水凝胶内部负载了越来越多的银纳米粒子。进一步，为了测试不同体积比形成的水凝胶柔性SERS基底的拉曼增强效果，以SERS探针分子对巯基苯腈(4-MBN)为目标物，测试4-MBN在上述不同水凝胶SERS基底上的SERS信号，得到的一系列光谱如图5所示。随着银纳米粒子溶液与前体溶液体积比的增加，4-MBN的SERS信号逐渐增强，当二者体积比是4：1时，探针分子的SERS信号最强。由上述数据得知，当前体溶液与银纳米粒子溶液的体积比是1：4时，形成的水凝胶柔性SERS基底具有最佳的拉曼增强效果。

实施例4：评价柔性SERS基底直接检测牛奶中三聚氰胺的可行性

为了验证本发明中制备的柔性SERS基底能否用于直接检测牛奶中的三聚氰胺，本申请对比了单纯的水凝胶基底、基底置于水溶液中的三聚氰胺、基底置于牛奶中三聚氰胺的SERS光谱图。如图6(1)所示，水凝胶基底自身几乎没有拉曼谱峰出现，表明水凝胶并不会影响目标物的测定；当水凝胶基底置于溶解在水溶液中的三聚氰胺时，出现了很强的三聚氰胺的SERS特征峰；将水溶液换成牛奶时，同样能够观察到较强的SERS谱峰，证明牛奶中的大分子蛋白并不干扰三聚氰胺的测定，该发明中制备的柔性SERS基底能够用于牛奶中三聚氰胺的直接检测。

实施例5：SERS检测牛奶中不同浓度的三聚氰胺

首先，配制不同浓度的三聚氰胺溶液。将上述优化好的水凝胶柔性SERS基底分别平行浸泡在1mL不同浓度的三聚氰胺溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2h后进行SERS光谱采集。所用激光的波长是633nm，积分时间是10s，积分次数是1次。结果如图7a所示，随着三聚氰胺溶液浓度的升高，其在682cm^-1处的SERS强度逐渐增强，将682cm^-1处的SERS峰强值与三聚氰胺浓度建立关系，发现二者之间呈现良好的线性关系(图7b)，线性回归方程是y＝3973.7+450.3x，相关系数R²是0.948。当信噪比为3时，该方法检测三聚氰胺的检出限为4nM，表明该柔性SERS基底对小分子的定量检测具有很高的灵敏度。

综上所述，本发明制备方法无需用到“油相”，避免了有机试剂对SERS检测目标物的干扰，其覆盖在银纳米粒子外周的海藻酸钠水凝胶表面具有可调节大小的孔状结构，可以排除复杂样本中大分子蛋白等杂质的通过，选择性地只允许待测小分子进入水凝胶内部，在无需任何复杂前处理的情况下实现牛奶中三聚氰胺的直接快速检测。

本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、海藻酸钠水凝胶的快速均匀合成：将氯化钙溶液和乙二胺四乙酸二钠盐溶液按等摩尔比混合，得到钙-乙二胺四乙酸复合溶液；接着，采用浓度是0.05M的氢氧化钠溶液将钙-乙二胺四乙酸复合溶液的pH调至中性后，与海藻酸钠溶液按等摩尔比混合得到前体溶液，在前体溶液中逐滴加入乙酸，交联一段时间后，形成均匀的海藻酸钠水凝胶。

S2、负载银纳米粒子的海藻酸钠水凝胶柔性SERS基底的制备方法：采用柠檬酸钠加热还原法合成银纳米粒子，将步骤S1中得到的海藻酸钠水凝胶前体溶液与银纳米粒子溶液按一定比例混合，得到混合溶液，再在该混合溶液中逐滴加入乙酸，交联一段时间后，形成负载银纳米粒子的海藻酸钠水凝胶柔性SERS基底。

2.根据权利要求1所述的一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，氯化钙溶液和钙-乙二胺四乙酸复合物溶液的浓度均是0.3M，所用海藻酸钠溶液的质量分数是1％。

3.根据权利要求1所述的一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所用乙酸的体积是6μL，交联时间是50s。

4.根据权利要求1所述的一种水凝胶柔性SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，海藻酸钠水凝胶前体溶液与银纳米粒子溶液的体积比是1：4。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的制备方法获得的水凝胶柔性SERS基底在三聚氰胺检测中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，将制备好的水凝胶柔性SERS基底分别平行浸泡在1mL不同浓度的三聚氰胺溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2h后进行SERS检测；所用激发波长是633nm，积分时间是10s，积分次数是1次；将682cm^-1处的SERS峰强值与三聚氰胺浓度建立关系，得到线性回归方程y＝3973.7+450.3x，相关系数R²是0.948；然后，将待测三聚氰胺溶液按上述步骤操作，测定相应的SERS光谱，将SERS谱峰在682cm^-1处的强度值代入上述线性回归方程中，即可得到待测样品的浓度。

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