CN103411946A

CN103411946A - 一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法

Info

Publication number: CN103411946A
Application number: CN2013102542467A
Authority: CN
Inventors: 王旭; 李婷婷; 宋薇; 赵冰; 阮伟东
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2013-11-27

Abstract

一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，属于超灵敏检测技术领域。包括制备聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液；制备无机金属纳米种子与聚合物的静电纺丝混合溶液；制备聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜；用还原剂再次还原聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜；处理制备出来的纳米种子复合纤维膜，得到表面增强拉曼光谱基底；将表面增强拉曼光谱基底与待测分子溶液混合，进行表面增强拉曼检测，得到增强的待测分子的拉曼谱图等步骤。该基底的SERS信号较常规拉曼增强100万以上，并且该基底的制备可大规模生产，具有较高的商业价值。

Description

一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法

技术领域

本发明属于超灵敏检测技术领域，具体涉及一种利用静电纺丝技术制备超灵敏的表面增强拉曼光谱（Surface Enhance Raman Spectrum，SERS）基底的方法。

背景技术

进行分子水平检测是超灵敏检测的一个重要目标，也是人们认识物质世界的一个重要里程碑。拉曼光谱能够提供分子振动信息，是一种分子结构的全息指纹识别技术，已被广泛应用于各种生物、化学和材料体系的定性和定量分析中。

从SERS被发现以来，人们一直致力于制备高SERS活性的基底，同时寻找具有SERS重现性的基底并将其应用于定量分析中。研究人员将各种各样的基底应用于检测与分析领域，并且将其作为理论模型进行研究。由于高SERS活性的金属材料主要为银和金（银的活性最好，而且使用范围广），但这两种纳米材料的稳定性都不好。如银纳米粒子只能稳定存在几个小时，金纳米粒子只能稳定存在3～5天，由于表面氧化或纳米粒子之间聚集使之SERS活性急剧下降。目前唯一一种商业供应的SERS基底是表面活性剂稳定的金纳米粒子，并保存在氮气充填的密封袋内，价格约为100美元/袋，一个包装袋内有5片。

静电纺丝是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化***出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维。静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。在构筑一维纳米结构材料领域静电纺丝技术已发挥了非常重要的作用，已经成功的制备出了结构多样的纳米纤维材料。这种纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率，可增大传感材料与被检测物的作用区域，有望大幅度提高传感器性能。

与本发明相近的技术是2012年9月19日公开的中国专利“一种表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法”，公开号CN102677212。它公开了一种表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法。该方法在一定质量浓度的聚乙烯醇水溶液中加入HAuCl₄和AgNO₃溶液，再加入柠檬酸钠，充分反应后制得聚乙烯醇/Au-Ag合金纳米粒子纺丝液，再采用平行式的静电纺丝技术，得到一种结构为聚乙烯醇/Au-Ag合金纳米粒子复合纳米纤维的表面增强拉曼散射活性基底，由于金-银合金纳米粒子在蓝光到绿光范围内都会出现吸收，其等离子共振波长可在银和金之间进行可控调节，因此提供了表面增强拉曼散射活性基底材料，适用的波长范围比金、银单组分基底更广泛。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用静电纺丝技术制备聚合物/无机金属纳米纤维膜（作为超灵敏的表面增强拉曼光谱基底）的方法，并且这种纳米纤维膜与拉曼技术相结合，作为超灵敏的表面增强拉曼散射活性基底有很广泛的应用前景。将静电纺丝技术和表面增强拉曼光谱技术这两种技术结合到一起，可以提高拉曼基底的活性及灵敏度，克服了传统制备拉曼基底方法中存在的操作步骤复杂、纳米粒子易聚集、保存期限较短、检测效率低等局限性。

本发明利用二次还原与静电纺丝技术相结合，通过调节聚合物与溶剂的比例、纺丝过程中纺丝头的倾斜角、纺丝头与接收屏间距离可得到不同直径、不同厚度的纤维薄膜，加入无机盐并还原后可制备适合拉曼检测的无机金属纳米粒子，聚合物纤维表面和内部的无机金属纳米粒子的密度可调节。通过本发明所述的方法，调节不同的纳米粒子的密集程度，可构筑出具有较高的电磁场增强效果的特殊的“热”结构（高局域强电磁场的亚波长区域），而聚合物纤维内部的银纳米粒子可通过溶胀作用吸附更多的探针分子，提高拉曼检测的灵敏度以达到单分子水平的检测。

本发明所述利用静电纺丝技术制备超灵敏的表面增强拉曼光谱基底的方法，其步骤如下：(a)制备聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液；(b)制备无机金属纳米种子与聚合物的静电纺丝混合溶液；(c)制备聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜；(d)用还原剂再次还原聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜；(e)处理制备出来的纳米种子复合纤维膜，得到表面增强拉曼光谱基底；(f)将表面增强拉曼光谱基底与待测分子溶液混合，进行表面增强拉曼检测，得到待测分子的拉曼谱图。

制备聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液，是将聚合物溶于N,N-二甲基甲酰胺中，80～100摄氏度的水浴条件下快速搅拌，从而制备得到聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液，溶液浓度为5～15wt%。

上述方法中所说的聚合物主要包括可溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂的聚合物，如聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚交酯、聚环氧乙烷等，N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂的同时作为还原剂可以将无机盐还原为较小的无机金属纳米种子，无机金属纳米种子在聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液中均匀分散，在纺丝过程中也能够均匀分散在纺丝纤维中，使纤维内部包含大量的小的金属纳米种子，并且纤维外部被大量无机金属纳米种子和未被N,N-二甲基甲酰胺还原完全的无机盐占据，经过再次还原后，促进外部无机金属种子的某个晶面的生长，控制生长时间则可得到适合作为表面增强拉曼光谱基底的无机纳米粒子。得到的聚合物/无机纳米纤维膜可任意裁剪，将这样具有SERS活性的纤维膜直接浸泡在待测分子溶液中，然后进行拉曼检测即可得到待测分子的拉曼光谱。

无机金属纳米种子与聚合物的静电纺丝混合溶液的制备，是将无机盐（硝酸银或氯金酸等）以5～30wt%的浓度加入到聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24～48小时，从而得到静电纺丝混合溶液，其中无机盐被还原为无机金属纳米种子。

制备聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜，是将上述静电纺丝混合溶液装入静电纺丝设备的正极喷丝头中，在各种不同静电纺丝条件下可得到不同直径尺寸的复合纤维膜，例如，可改变纺丝头与接收板间距离(15～20cm)、纺丝头相对于水平面的角度(≦5°)以及纺丝电压(10～15kv)等，复合纤维膜被收集在负极铝箔接收屏上，复合纤维膜的直径为200～1000nm。

用还原剂再次还原聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜，是将复合纤维膜用体积浓度5%的还原剂的溶液进行二次还原，得到表面无机金属纳米粒子的粒径为20～100nm，内部无机金属纳米粒子的粒径为5～20nm的复合纤维膜。二次还原剂为水合肼、柠檬酸钠、抗坏血酸、硼氢化钠等。

处理制备出来的复合纤维膜，是将二次还原后的复合纤维膜用蒸馏水彻底冲洗，平铺在玻璃片上，置于真空干燥箱内60～80℃干燥6～10h。

将表面增强拉曼光谱基底与待测分子溶液混合，是将待测分子溶于乙醇或水配制成浓度为10^-3～10^-8mol/L的溶液，然后将表面增强拉曼光谱基底置于该溶液中浸泡30～60min，取出后用乙醇冲洗后干燥，待挥发掉乙醇后进行表面增强拉曼检测，得到待测分子的拉曼谱图。拉曼光谱仪是共聚焦拉曼光谱仪，检测采用的激发光源的波长范围为400～1000nm。待测分子为罗丹明6G、对巯基苯甲酸、对巯基苯胺、对氨基苯甲酸等。

本发明利用静电纺丝技术制备聚合物/无机金属纳米复合纤维膜，由于N,N-二甲基甲酰胺做为溶剂同时作为还原剂，可在溶解无机盐同时通过长时间温和搅拌使部分无机盐还原成为无机金属纳米种子，在进行静电纺丝过程使金属种子均匀分散在聚合物纤维中，并在用还原剂进行二次还原时使纤维外部的金属种子长大至70～100nm，此尺寸最适合拉曼检测，而纤维内部的无机金属纳米种子长大至5～20nm左右的纳米粒子。在作为表面增强拉曼散射活性基底时，纤维外部和内部共同吸附待检测分子，使检测限低于常规拉曼基底。同时，该基底可通过控制静电纺丝时间来调节基底的厚度，可通过裁剪来任意改变基底形状，并且在氮气保护下可长期保存。本发明为分子检测提供了更为灵活的、灵敏度更高的表面增强拉曼基底。

根据待测分子的拉曼指纹图谱，可检测出特定的待测分子。本发明在拉曼基底的研究的具有巨大的应用。本发明拉曼基底与待测分子作用机理方面也具有潜在研究价值，并且为痕量或单分子检测研究体系中的检测提供相当大的可能。

附图说明

图1：实施例1所述的具有纳米级复合结构的纤维膜的冷场发射扫描电镜图（右上角是比例尺为100nm的放大图）；

图2：实施例1所述的纳米复合纤维膜的紫外可见吸收光谱；

图3：实施例1所述的制备聚丙烯腈∕银纳米复合纤维作为表面增强拉曼光谱基底检测PATP溶液的拉曼光谱图；

图4：实施例2所述的聚丙烯腈∕银纳米复合纤维的冷场发射扫描电镜图；

图5：实施例3所述的聚丙烯腈∕银纳米复合纤维的透射电镜图。

具体实施方式

实施例1：

利用静电纺丝技术制备聚丙烯腈/银纳米复合纤维作为超灵敏表面增强拉曼光谱基底。

a)制备聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液是将0.3123g的聚丙烯腈加热溶于3mL DMF中，质量浓度为9wt%，磁力搅拌1h，完全溶解冷却后待用。

b)制备无机金属纳米种子与聚合物的静电纺丝混合溶液是硝酸银加入到上述的混合溶液中，硝酸银的质量浓度为30wt%，黑暗条件下磁力搅拌24h，溶液由微黄色变为黄色，说明有银种子生成。

c)将聚合物/银纳米粒子混合溶液吸入到纺丝注射器中，15KV高压纺丝，纺丝头与铝箔接收屏的距离为17cm，纺丝头倾斜角为5度，纺丝流速控制在0.1mL/h，纺丝时间为12h，得到的纳米复合纤维膜面积大约为100cm²，厚度可随纺丝时间的长短调节，纺丝12h的厚度约为0.5～0.8mm。

d)将得到的纳米复合纤维膜裁剪为1*1cm²浸泡在20mL、5%(v/v)的水合肼溶液中，冰水浴条件下还原2h，纤维膜颜色呈灰绿色。

e)用蒸馏水冲洗3次以除去多余的水合肼分子，将冲洗后的纤维膜置于玻片上，60℃、6h烘干。得到的纤维膜即表面增强拉曼基底进行冷场发射扫面电子显微镜和紫外可见分光光度计表征，如图1、图2所示，图1可得复合纤维的直径为680nm，纤维表面的纳米粒子的粒径分布在70～100nm，该尺寸分布与图2的紫外吸收光谱相对应，最大吸收峰位在420nm，而685nm处的吸收为纳米粒子的耦合产生的。

f)将制备好的表面增强拉曼基底置于不同浓度的对巯基苯胺的乙醇溶液中，冰水浴条件下反应30min，反应完全后将纤维膜捞出，用乙醇冲洗3次，除掉多余的探针分子，自然风干后用于拉曼检测，得到如图3所示的谱图。由此可见，目前我们制备的基底初步可以检测对巯基苯胺/乙醇溶液的1*10^-6mol/L，并且此浓度下具有非常高的相对强度。

实施例2

制备聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺溶液是将一定量的聚合物加热溶于3mLDMF中，制成质量比为9wt%的混合溶液，加入5wt%的硝酸银，黑暗条件下磁力搅拌24h，将聚合物/银纳米粒子混合溶液吸入到纺丝注射器中，15KV高压纺丝，纺丝头与铝箔接收屏的距离为17cm，纺丝头倾斜角为5度，纺丝流速控制在0.1mL/h，纺丝时间为12h，得到的纳米复合纤维膜面积大约为100cm²，纺丝12h的厚度约为0.5～0.8mm。将得到的纳米复合纤维膜裁剪为1*1cm²浸泡在20mL、5%(v/v)的水合肼溶液中，冰水浴条件下还原2h，纤维膜颜色呈灰绿色。用蒸馏水冲洗3次，将冲洗后的纤维膜置于玻片上，60℃烘干。得到的纤维膜进行冷场发射扫面电子显微镜如图4，可得复合纤维的平均直径为680nm，纤维表面的纳米粒子的粒径分布在70～100nm，但银纳米粒子较少，相对密度较低。

实施例3

制备聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺溶液是将一定量的聚合物加热溶于3mLDMF中，制成质量比为9wt%的混合溶液，加入30wt%的硝酸银，黑暗条件下磁力搅拌24h，将聚合物/银纳米粒子混合溶液吸入到纺丝注射器中，15KV高压纺丝，纺丝头与铝箔接收屏的距离为17cm，纺丝头倾斜角为5度，纺丝流速控制在0.1mL/h，纺丝时间为12h，得到的纳米复合纤维膜面积大约为100cm²，纺丝12h的厚度约为0.5～0.8mm。将得到的纳米复合纤维膜裁剪为1*1cm²浸泡在20mL、5%(v/v)的水合肼溶液中，冰水浴条件下还原5min，纤维膜颜色呈浅灰绿色。用蒸馏水冲洗3次，将冲洗后的纤维膜置于玻片上，60℃烘干。由图5的冷场发射透射电镜照片可得复合纤维的直径为607nm，纤维表面的纳米粒子的粒径分布在30～40nm。

Claims

1.一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其步骤如下：

(a)制备聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液；

(b)制备无机金属纳米种子与聚合物的静电纺丝混合溶液；

(c)制备聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜；

(d)用还原剂再次还原聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜；

(e)处理制备出来的纳米种子复合纤维膜，得到表面增强拉曼光谱基底；

(f)将表面增强拉曼光谱基底与待测分子溶液混合，进行表面增强拉曼检测，得到增强的待测分子的拉曼谱图。

2.如权利要求1所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：制备聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液，是将聚合物溶于N,N-二甲基甲酰胺中，80～100摄氏度的水浴条件下快速搅拌，从而制备得到聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液，溶液浓度为5～15wt%。

3.如权利要求1或2所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：聚合物为聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚交酯或聚环氧乙烷。

4.如权利要求1所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：制备无机金属纳米种子与聚合物的静电纺丝混合溶液，是将无机盐硝酸银或氯金酸以5～30wt%的浓度加入到聚合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24～48小时，从而得到静电纺丝混合溶液，其中无机盐被还原为无机金属纳米种子。

5.如权利要求1所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：制备聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜，是将上述静电纺丝混合溶液装入静电纺丝设备中进行纺丝，复合纤维膜被收集在负极铝箔接收屏上，复合纤维膜的直径为200～1000nm。

6.如权利要求1所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：用还原剂再次还原聚合物/无机金属纳米种子复合纤维膜，是将复合纤维膜用体积浓度5%的还原剂的溶液进行二次还原，得到表面无机金属纳米粒子的粒径为20～100nm，内部无机金属纳米粒子的粒径为5～20nm的复合纤维膜。

7.如权利要求6所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：二次还原剂为水合肼、柠檬酸钠、抗坏血酸或硼氢化钠。

8.如权利要求1所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：处理制备出来的复合纤维膜，是将二次还原后的复合纤维膜用蒸馏水彻底冲洗，平铺在玻璃片上，置于真空干燥箱内60～80℃干燥6～10h，从而得到表面增强拉曼光谱基底。

9.如权利要求1所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：将表面增强拉曼光谱基底与待测分子溶液混合，是将待测分子溶于乙醇或水配制成浓度为10^-3～10^-8mol/L的溶液，然后将表面增强拉曼光谱基底置于该溶液中浸泡30～60min，取出后用乙醇冲洗后干燥，待挥发掉乙醇后进行表面增强拉曼检测，得到增强的待测分子的拉曼谱图。

10.如权利要求1或9所述的一种利用静电纺丝技术制备表面增强拉曼光谱基底的方法，其特征在于：待测分子为罗丹明6G、对巯基苯甲酸、对巯基苯胺或对氨基苯甲酸。