CN115825037B - 一种水凝胶负载金纳米粒子sers基底的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及拉曼光谱技术领域，尤其涉及一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法及应用，采用海藻酸钠水凝胶为外层基质，将金纳米粒子负载在其内部，通过优化前驱体与金纳米粒子的体积比，获得具有最佳拉曼增强效果的水凝胶SERS活性基底。本发明所用方法简单易操作、绿色环保、原料价格低廉；其制备获得的SERS基底具有高灵敏度、优异的重复性和稳定性，实现了福美双小分子的直接检测，最低检测限可达20nM。

Description

一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及拉曼光谱技术领域，尤其涉及一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法及应用。
背景技术
拉曼光谱作为一种指纹光谱，能够给出待测物的特定分子结构信息。自从拉曼散射现象被发现以来，便成为一种强大的分析技术，广泛用于污染物检测、珠宝鉴定、食品检测及生物医学领域。在生物医学应用中，已经采用拉曼光谱进行了体外和体内免标记组织诊断，以及体外药物与细胞之间相互作用的相关研究。但拉曼光谱信号非常弱，限制了对于低浓度分析物分子的检测。增强固有弱拉曼信号的方法之一是将目标分子引入金属纳米结构附近，即表面增强拉曼散射(SERS)现象。
SERS是一种常用的传感技术，当分子吸附在诸如金或银等贵金属纳米结构表面上时，分子的非弹性散射光强度会大大增强(增强因子可达108甚至更大，在一些特定的情况下可实现单分子检测)。获得可靠SERS测量结果的关键挑战是制备性能优异的等离子体SERS基底。纳米金和银是最常用的SERS活性基底，它们可以通过多种方式合成，如自下而上法，模板辅助法和自上而下法。虽然由此方法合成的SERS基底具有很好的增强效果，但它们存在一些固有的缺陷：(1)金属纳米颗粒的随机分布及待测分子在纳米粒子上的不规则排列导致了SERS检测的重复性较差。(2)裸漏的金属纳米颗粒易受周围环境的污染，造成基底的稳定性下降，导致测试结果不准确。因此，迫切需要发展具有高灵敏度、高重复性、稳定的SERS活性基底，实现对于生物小分子的可靠检测。
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负载金纳米粒子SERS基底的制备方法及应用，用于解决SERS检测重复性差、基底易受周围环境干扰的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法，具体步骤如下：
S1、配制海藻酸钠水凝胶前驱体溶液：将氯化钙(CaCl2)溶液和乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)溶液按摩尔比1：1混合，获得钙-乙二胺四乙酸(Ca-EDTA)复合物溶液；此时钙-乙二胺四乙酸(Ca-EDTA)复合物溶液呈强酸性，采用氢氧化钠(NaOH)将钙-乙二胺四乙酸(Ca-EDTA)复合物溶液的pH调至7.4后，与海藻酸钠溶液按摩尔比1：1混合得到前驱体溶液；
S2、水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备：采用加热还原法合成球形状金纳米粒子，将步骤S1中制备的50μL前驱体溶液与150μL金纳米粒子溶液混合，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，形成负载金纳米粒子的海藻酸钠水凝胶。
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0.5M，所用氢氧化钠的浓度是0.1M。
优选地，在步骤S1中，所用海藻酸钠溶液的质量分数是2％。
优选地，在步骤S2中，所用乙酸的体积是10μL。
优选地，在步骤S2中，交联时间是1min。
本发明还提供了一种采用上述的制备方法获得的水凝胶负载金纳米粒子SERS基底在福美双检测中的应用。
优选地，具体步骤为：将制备好的水凝胶负载金纳米粒子SERS基底分别平行浸泡在1.5mL不同浓度的福美双溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2.5h后进行SERS检测；所用激发波长是785nm，积分时间是15s，积分次数是1次；将1378cm-1处的SERS峰强值与福美双浓度建立关系，得到线性回归方程y＝22091+2556.8x，相关系数R2是0.987；然后，将待测福美双溶液按上述步骤操作，测定相应的SERS光谱；将SERS谱峰在1378cm-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。
通过采用上述技术方案：金纳米粒子被均匀负载在海藻酸钠水凝胶内部，获得了具有高重复性、高稳定性的SERS活性基底。置于福美双溶液中的水凝胶SERS基底由于内外环境的渗透压不同，使得小分子福美双能够自由扩散通过水凝胶表面的孔结构进入其内部，根据福美双本征SERS光谱中最强峰1378cm-1的强度值实现对不同浓度福美双的检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备水凝胶负载金纳米粒子SERS活性基底所用方法具有以下特点：简单易操作、省时、绿色环保；合成海藻酸钠水凝胶所用原材料的价格便宜、易获得，有利于后期大规模生成该SERS活性基底。
2、本发明制得的SERS活性基底具有高重复性和良好的稳定性。一方面，由于作为SERS增强基底的金纳米球在海藻酸钠水凝胶内部的均匀分布，提高了SERS检测的重复性。另一方面，海藻酸钠水凝胶基质保护金纳米粒子免受周围环境的污染，实现可靠SERS检测生物小分子。
附图说明
图1为本发明合成的金纳米粒子的紫外吸收光谱图；
图2为本发明合成的金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金纳米粒子的海藻酸钠水凝胶的光学照片；
图4为本发明实施例3中前驱体与金纳米粒子不同体积比形成的水凝胶SERS基底检测DTNB的SERS光谱图；
图5中(a)为该水凝胶SERS基底检测不同浓度福美双的SERS光谱图，(b)为福美双在1378cm-1处SERS强度值与其浓度的关系图；
图6为本发明制备的水凝胶负载金纳米粒子SERS基底上随机选取20个点测得的SERS光谱图；
图7为本发明制备的水凝胶负载金纳米粒子SERS基底放置不同时间后，测得的DTNB的SERS光谱图。
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：海藻酸钠水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备，步骤如下：
海藻酸钠水凝胶前驱体溶液的配制：(1)配制浓度是0.5M的乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)溶液，即称取3.72gEDTA粉末溶于20mL去离子水中，再加入0.4gNaOH粉末，直至EDTA粉末全部溶解，得到浓度是0.5M的EDTA溶液。(2)配制浓度是0.5M的Ca-EDTA溶液，取上述配制好的EDTA溶液10mL，在其中加入0.555g氯化钙粉末，待其全部溶解，即得0.5M的Ca-EDTA溶液。(3)前驱体溶液的配制，上述获得的Ca-EDTA复合物溶液呈强酸性，采用浓度是0.1M的NaOH将溶液的pH调至7.4后，与质量分数是2％的海藻酸钠溶液按摩尔比1：1混合得到前驱体溶液。
水凝胶负载金纳米粒子SERS活性基底的制备：采用柠檬酸钠热还原法合成金纳米粒子，即将2.0mL质量分数是1.04％的氯金酸HAuCl4加入到200mL去离子水中，在磁力搅拌下加热该溶液使其沸腾，之后，快速加入4.0mL质量分数是1％的柠檬酸钠溶液，将反应溶液冷凝回流40min，直至溶液颜色变为酒红色，获得金纳米粒子。然后，将50μL上述前驱体溶液与150μL金纳米粒子溶液混合，再在该混合溶液中逐滴加入10μL乙酸，交联1min后，形成负载金纳米粒子的海藻酸钠水凝胶。
实施例2：水凝胶SERS活性基底的表征
首先对制备的金纳米粒子(AuNPs)进行表征。通过加热还原法合成的AuNPs的紫外最大吸收波长是532nm(图1)。为了表征获得的AuNPs的形貌和尺寸，对其进行了透射电子显微镜(TEM)拍摄，TEM照片显示制备的金纳米粒子是球形状的(图2)，尺寸均一，其尺寸约为35nm。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SERS活性基底，拍摄了海藻酸钠水凝胶和负载金纳米粒子的海藻酸钠水凝胶的光学照片。如图3a所示，前驱体溶液在遇到乙酸之后，快速形成了透明块状的海藻酸钠水凝胶。在包裹金纳米粒子之后，依然能够形成水凝胶，此时的水凝胶呈现浅酒红色(图3b)，说明成功制备了负载金纳米粒子的水凝胶SERS活性基底。
实施例3：优化水凝胶SERS活性基底
为了使水凝胶SERS基底具有最佳的拉曼增强效果，调节前驱体溶液与金纳米粒子溶液的体积比(5：1、3：1、1：1、1：3、1：5)，获得不同比例的负载金纳米粒子的藻酸钠水凝胶。以SERS探针分子5,5'-二硫代双-2-硝基苯甲酸(DTNB)为目标物，测试DTNB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4所示。随着前驱体溶液与金纳米粒子溶液体积比的降低，DTNB的SERS信号逐渐增强，但当二者体积比是1：5时，探针分子的SERS信号反倒减弱，这可能是因为金纳米粒子浓度太高时发生了纳米粒子的聚集，导致其增强效果变弱。由上述数据得知，当前驱体溶液与金纳米粒子溶液的体积比是1：3时，形成的水凝胶SERS基底具有最强的拉曼增强效果。
实施例4：SERS检测不同浓度的福美双
首先，配制不同浓度的福美双溶液。将上述优化好的水凝胶负载金纳米粒子SERS基底分别平行浸泡在1.5mL不同浓度的福美双溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2.5h后进行SERS光谱采集。所用激光的波长是785nm，积分时间是15s，积分次数是1次。结果如图5a所示，随着福美双溶液浓度的升高，其在1378cm-1处的SERS强度逐渐增强，将1378cm-1处的SERS峰强值与福美双浓度建立关系，发现二者之间存在良好的线性关系(图5b)，线性回归方程是y＝22091+2556.8x，相关系数R2是0.987。当信噪比为3时，该方法检测福美双的检出限为20nM，表明该水凝胶SERS活性基底对小分子的定量检测具有很高的灵敏度。
实施例5：评价该水凝胶SERS活性基底的重复性和稳定性
为了验证该水凝胶SERS活性基底的检测重复性，将SERS基底浸泡在1mL浓度是1mM的DTNB溶液中，反应2h之后，在同一块水凝胶上不同位置处任取20个点，采集每个点的SERS光谱，将这些光谱统一作图。结果如图6所示，不同位置处SERS光谱的峰形和强度几乎没有变化，说明该水凝胶SERS活性基底具有很好的重复性。
进一步，将上述制备好的水凝胶SERS活性基底于室温下分别放置不同时间(0、7、14、21、28d)后，用其检测DTNB，如图7所示，随着放置时间的延长，DTNB的SERS信号并没有发生明显的减弱，这表明该水凝胶SERS活性基底具有很好的稳定性，这得益于外层海藻酸钠水凝胶基质对金纳米粒子的保护。
综上所述，本发明所用方法简单易操作、绿色环保、原料价格低廉；其制备获得的SERS基底具有高灵敏度、优异的重复性和稳定性，实现了福美双小分子的直接检测，最低检测限可达20nM。
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 (7)

1.一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、配制海藻酸钠水凝胶前驱体溶液：将氯化钙溶液和乙二胺四乙酸二钠盐溶液按摩尔比1：1混合，获得钙-乙二胺四乙酸复合物溶液；此时钙-乙二胺四乙酸复合物溶液呈强酸性，采用氢氧化钠将钙-乙二胺四乙酸复合物溶液的pH调至7.4后，与海藻酸钠溶液按摩尔比1：1混合得到前驱体溶液；
S2、水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备：采用加热还原法合成球形状金纳米粒子，将步骤S1中制备的50μL前驱体溶液与150μL金纳米粒子溶液混合，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，形成负载金纳米粒子的海藻酸钠水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种水凝胶负载金纳米粒子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0.5M，所用氢氧化钠的浓度是0.1M。
3.根据权利要求1所述的一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所用海藻酸钠溶液的质量分数是2％。
4.根据权利要求1所述的一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所用乙酸的体积是10μL。
5.根据权利要求1所述的一种水凝胶负载金纳米粒子SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，交联时间是1min。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的制备方法获得的水凝胶负载金纳米粒子SERS基底在福美双检测中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将制备好的水凝胶负载金纳米粒子SERS基底分别平行浸泡在1.5mL不同浓度的福美双溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2.5h后进行SERS检测；所用激发波长是785nm，积分时间是15s，积分次数是1次；将1378cm-1处的SERS峰强值与福美双浓度建立关系，得到线性回归方程；然后，将待测福美双溶液按上述步骤操作，测定相应的SERS光谱；将SERS谱峰在1378cm-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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