CN116874820A - 一种复合型水凝胶-sers基底的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面增强拉曼基底制备技术领域，尤其涉及一种复合型水凝胶‑SERS基底的制备方法及应用，包括：以聚N‑异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇二丙烯酸酯形成的p(NIPAm‑co‑PEGDA)复合型水凝胶为载体，将金纳米棒均匀负载在水凝胶内部，形成兼具高灵敏度、高重复性及优异稳定性的SERS基底。本发明制备的复合型水凝胶‑SERS基底可实现免标记检测布洛芬，克服了标记抗体易受温度和酸碱性影响而造成测试结果不准确的问题；且能够直接检测污水中的布洛芬，无需复杂耗时的预处理步骤。此外，该水凝胶SERS基底具有良好的稳定性，在长时间放置后仍表现出良好的传感能力；金纳米棒可以被均匀地分散在水凝胶基质中，从而提高了SERS检测布洛芬的重复性和可靠性。

Description

一种复合型水凝胶-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，尤其涉及一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法及应用。
背景技术
拉曼光谱能够提供由成分、对称性和环境决定的样品的原始指纹振动信息，已被成功用于确定化学成分、分子结构、构象和分子间的相互作用。拉曼光谱可以采用从紫外到近红外的光作为激发源。紫外光到近红外光作为激发源，能够提供较高的空间分辨率。此外，水的拉曼信号非常弱，因此拉曼光谱特别适用于水溶液体系中生物分子的测定。然而，拉曼散射的灵敏度非常低，这限制了它在生物医学领域的广泛应用。
20世纪70年代，在粗糙的银电极表面发现了表面增强拉曼散射(SERS)效应，大大改善了拉曼光谱的检测灵敏度。百万倍信号增强的提升使得在金属表面观察单分子层的信号成为可能，而最新发展的SERS技术也证明了它具有单分子灵敏度。在过去的40多年里，SERS已经在化学、材料科学、分析科学、表面科学、生物医学研究等领域发挥了重要的应用。与传统的生物分析方法相比，SERS在生物分析方面显示出独特的优势。
拉曼信号的增强主要源自SERS基底的贡献。作为常用的SERS基底之一，金属纳米颗粒已被广泛用于SERS生物分析。目前，研究者们已经开发了各种各样具有SERS活性的金属纳米颗粒用于增强拉曼信号。为了获得最佳的增强效果，人们构建了其等离子体吸收带接近激发波长的金属纳米颗粒。例如，金纳米粒子与红色激光相匹配，而银纳米粒子更适合于绿色激发光。金属纳米颗粒用于增强基底时往往不稳定，需要开发通用的载体，将不同大小或形状的金属纳米颗粒封装其中。到目前为止，许多聚合物微球和二氧化硅已经被用作金属纳米颗粒的封装基质。在这些设计中，大多数方法都需要在聚合前在金属纳米颗粒上预先修饰单体，或者在金属纳米颗粒表面修饰连接剂分子，以使金属纳米颗粒固定在支撑基质上。这样一来金属纳米颗粒的表面已被大量占用，导致在实际的SERS检测中被测分子在金属纳米颗粒表面的吸附率下降，降低了检测的灵敏度。因此，迫切需要发展同时具备高灵敏度和优异稳定性的SERS活性基底，进一步拓展SERS技术在生物医学领域的应用。
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，而提出的一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法及应用，用于解决SERS检测灵敏度低、基底易受周围环境干扰造成其不稳定的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法，具体步骤如下：
S1、金纳米棒的合成：将120μL氯金酸和CTAB溶液混合，并在搅拌下将500μL冰冷状态的硼氢化钠加入到上述混合溶液中，搅拌反应3min；再将该混合溶液在30℃下老化一段时间，获得金种子；将500μL金种子溶液加入到含有44.38mL CTAB水溶液、2.5mL HAuCl4、2.0mL 4.0mM AgNO3和600μL 78.8mM抗坏血酸的混合物中，使该混合物在室温下搅拌反应12h，然后以8000转/min的速度进行离心三次，以去除多余的CTAB；将沉淀物重新分散在水中，获得所需的金纳米棒溶液；
S2、负载金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底的制备：将N-异丙基丙烯酰胺NIPAm单体溶液和乙二醇二丙烯酸酯PEGDA单体溶液按一定质量比混合得到前驱体溶液；然后，将前驱体溶液与上述合成的金纳米棒按一定体积比混合，再在该混合溶液中加入光引发剂Irgacure 2959；最后，采用波长是365nm的紫外光连续照射上述混合溶液3min，使单体发生交联，获得负载金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底。
优选地，在步骤S1中，所用CTAB的浓度是0.11M，HAuCl4的浓度是15mM。
优选地，在步骤S2中，NIPAm和PEGDA单体溶液的质量比是2：1。
优选地，在步骤S2中，前驱体溶液与金纳米棒的体积比是1：3。
优选地，在步骤S2中，所用光引发剂Irgacure 2959的质量浓度是0.2％w/v。
本发明还提供了一种采用上述的制备方法获得的负载金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底在检测布洛芬中的应用。
优选地，具体步骤为：将制备好的水凝胶SERS基底分别平行浸泡在1.0mL不同浓度的布洛芬溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2.0h后进行SERS检测；所用激发波长是785nm，积分时间是10s，积分次数是1次；将821cm-1处的SERS峰强值与布洛芬浓度建立关系，得到线性回归方程y＝6669.07+507.31x，相关系数R2是0.9978；然后，将待测布洛芬溶液按上述步骤操作，测定相应的SERS光谱；将SERS谱峰在821cm-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：作为SERS增强基底的金纳米棒被均匀负载在p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶内部，获得了同时具备高重复性、高灵敏度和优异稳定性的SERS活性基底。置于布洛芬溶液中的水凝胶SERS基底由于内外环境的渗透压不同，使得小分子布洛芬能够通过水凝胶表面的孔结构自由扩散进入其内部，根据其本征SERS光谱中最强峰821cm-1的强度值实现布洛芬浓度的检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的金纳米棒可以被均匀地分散在水凝胶基质中，从而提高了SERS检测的重复性和可靠性。
2、本发明制得的水凝胶SERS基底具有良好的稳定性，在长时间放置后仍表现出良好的传感能力。
3、本发明制备的复合型水凝胶-SERS基底可实现免标记检测布洛芬，避免了标记抗体易受温度和酸碱性影响而造成测试结果不准确的问题；且能够直接检测污水中的布洛芬，无需复杂耗时的预处理步骤。
附图说明
图1(a)为本发明合成的金纳米棒的透射电子显微镜图，(b)为负载金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底的扫描电子显微镜图；
图2(a)为本发明制备的复合型水凝胶-SERS基底上随机选取26个点测得的SERS光谱图，(b)为26个点处的布洛芬821cm-1峰强度的变化图；
图3(a)为本发明制备的复合型水凝胶-SERS基底放置不同时间后，测得布洛芬的SERS光谱图，(b)为布洛芬在821cm-1处的峰强度随放置时间的变化图；
图4(a)为本发明实施例5中不同浓度布洛芬的SERS光谱图，(b)为布洛芬在821cm-1处峰强度与其浓度的线性关系图。
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：
一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法，具体步骤如下：
金纳米棒的合成：首先，将120μL的15mM氯金酸(HAuCl4)和0.24MCTAB溶液混合。然后，在搅拌下将500μL 0.01M冰冷状态的硼氢化钠(NaBH4)加入到上述混合溶液中，搅拌反应3min。再将该混合溶液在30℃下老化1.5h，获得金种子。接着，将500μL金种子溶液加入到含有44.38mL 0.11MCTAB水溶液、2.5mL 15.0mM HAuCl4、2.0mL 4.0mM AgNO3和600μL78.8mM抗坏血酸的混合物中。使该混合物在室温下搅拌反应12h，然后以8000转/min的速度进行两次离心，每次离心8min，以去除多余的CTAB。将沉淀物重新分散在水中，获得所需的金纳米棒溶液。
负载金纳米棒的水凝胶SERS基底的制备：将N-异丙基丙烯酰胺NIPAm单体溶液和乙二醇二丙烯酸酯PEGDA单体溶液按质量比2：1混合得到前驱体溶液。然后，将前驱体溶液与上述合成的金纳米棒按体积比1：3混合，再在该混合溶液中加入质量浓度是0.2％w/v光引发剂Irgacure 2959。最后，采用波长是365nm的紫外光连续照射上述混合溶液3min，使单体发生交联，获得负载金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底。
实施例2：
负载金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底的表征：
首先，对所制备的金纳米棒进行形貌表征。如图1a所示，采用种子生长法制备的金纳米棒的尺寸均一，其长径比约为3.2(64nm×20nm)。采用p(NIPAm-co-PEGDA)复合水凝胶包覆金纳米棒后，形貌如图1b所示，水凝胶呈现层状结构，金纳米棒均匀分散在层状的水凝胶结构中。这种均匀分布的金属基底有助于提高SERS检测的重复性。
实施例3：
复合型水凝胶SERS基底的重复性评价：
为了证明所制备的复合型水凝胶SERS基底的检测重复性，本发明在同一个传感器上随机选择了26个位置进行SERS测量。结果如图2所示，信号最强的位于821cm-1处的谱峰被选作评估该SERS基底的重复性(图2b)。拉曼信号的相对标准偏差(RSD)为2.54％，该值满足RSD小于20％的要求。上述数据表明，负载金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底具有良好的重现性，可用于准确检测实际样品中的布洛芬。
实施例4：
评价该复合型水凝胶SERS基底的稳定性：
将上述制备好的金纳米棒的p(NIPAm-co-PEGDA)复合型水凝胶SERS基底于室温下分别放置不同时间(0、7、14、21、28、35、42、49d)后，用于检测浓度是10-10M布洛芬，如图3所示，随着放置时间的延长，布洛芬的SERS信号并没有发生明显的减弱，这表明该复合型水凝胶SERS基底具有很好的稳定性，这得益于外层p(NIPAm-co-PEGDA)基质对金属纳米粒子的保护。
实施例5：
SERS测定不同浓度的布洛芬：
首先，配制不同浓度的布洛芬水溶液。如图4a所示，本发明测定了位于所制备的复合型水凝胶SERS基底上的不同浓度的布洛芬。实验结果表明布洛芬的SERS信号强度随其浓度的增加而逐渐增强。将821cm-1处的SERS峰强值与布洛芬浓度建立关系，发现二者之间存在良好的线性关系(图4b)，线性回归方程是y＝6669.07+507.31x，相关系数R2是0.9978。当信噪比为3时，该方法检测布洛芬的检出限为1.0×10-11M，表明该复合型水凝胶SERS基底对布洛芬的定量检测具有很高的灵敏度。
综上所述，本发明制备的复合型水凝胶-SERS基底可实现免标记检测布洛芬，克服了标记抗体易受温度和酸碱性影响而造成测试结果不准确的问题；且能够直接检测污水中的布洛芬，无需复杂耗时的预处理步骤。此外，该水凝胶SERS基底具有良好的稳定性，在长时间放置后仍表现出良好的传感能力；金纳米棒可以被均匀地分散在水凝胶基质中，从而提高了SERS检测布洛芬的重复性和可靠性。
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)

1.一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、金纳米棒的合成：将120μL氯金酸和CTAB溶液混合，并在搅拌下将500μL冰冷状态的硼氢化钠加入到上述混合溶液中，搅拌反应3min；再将该混合溶液在30℃下老化一段时间，获得金种子；将500μL金种子溶液加入到含有44.38mL CTAB水溶液、2.5mL HAuCl4、2.0mL4.0mM AgNO3和600μL 78.8mM抗坏血酸的混合物中，使该混合物在室温下搅拌反应12h，然后以8000转/min的速度进行离心三次，以去除多余的CTAB；将沉淀物重新分散在水中，获得所需的金纳米棒溶液；
S2、负载金纳米棒的p复合型水凝胶SERS基底的制备：将N-异丙基丙烯酰胺NIPAm单体溶液和乙二醇二丙烯酸酯PEGDA单体溶液按一定质量比混合得到前驱体溶液；然后，将前驱体溶液与上述合成的金纳米棒按一定体积比混合，再在该混合溶液中加入光引发剂Irgacure 2959；最后，采用波长是365nm的紫外光连续照射上述混合溶液3min，使单体发生交联，获得负载金纳米棒的p复合型水凝胶SERS基底。
2.根据权利要求1所述的一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所用CTAB的浓度是0.11M，HAuCl4的浓度是15mM。
3.根据权利要求1所述的一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，NIPAm和PEGDA单体溶液的质量比是2：1。
4.根据权利要求1所述的一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，前驱体溶液与金纳米棒的体积比是1：3。
5.根据权利要求1所述的一种复合型水凝胶-SERS基底的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所用光引发剂Irgacure 2959的质量浓度是0.2％w/v。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的制备方法获得的复合型水凝胶-SERS基底在检测布洛芬中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将制备好的复合型水凝胶-SERS基底分别平行浸泡在1.0mL不同浓度的布洛芬溶液中，于室温下在涡旋振动器中反应2.0h后进行SERS检测；所用激发波长是785nm，积分时间是10s，积分次数是1次；将821cm-1处的SERS峰强值与布洛芬浓度建立关系，得到线性回归方程；然后，将待测布洛芬溶液按上述步骤操作，测定相应的SERS光谱；将SERS谱峰在821cm-1处的强度值代入对应的线性回归方程中，即可得到待测样品的浓度。
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