CN104849258A - 一种柔性可擦拭的sers活性基底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SERS基底，包括柔性支撑层和附着在其上的金属纳米膜，所述柔性支撑层是具有多孔结构的柔性材料，所述金属纳米膜经过表面修饰处理。本发明制备的擦拭取样的柔性多孔SERS基底，该表面增强拉曼基底可实现对固体材料表面的有机化学物质，尤其是对2,4,6-***的快速检测。

Description

一种柔性可擦拭的SERS活性基底及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于表面增强拉曼检测（SERS）的基底材料，特别是一种用于实现固体表面微量物质快速检测的SERS基底。本发明的SERS基底可以用于固体表面痕量***物的快速检测，具有高灵敏度及高重现性。

背景技术

近年来，随着恐怖暴力、***的不断发生以及高技术***装置的使用等因素影响，导致国际国内安全形势趋于严峻。特别是公共场所旅客行李中隐藏的***严重威胁着旅客的生命安全。如何在安检过程中，快速检测出旅客是否携带、接触过***已成为目前亟待解决的问题。

表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering，下称SERS）技术，是在20世纪70年代发现，90年代后发展成熟起来的一种新型高灵敏度光谱分析技术。SERS技术的基础是物质分子的拉曼光谱信号在特定的金属纳米材料（如金、银、铜）表面可以得到极大的增强，其增强因子可达10⁶~10¹⁰倍。SERS的突出优点表现在三方面：1）具有极高的灵敏度；2）与红外光谱相似，可用于物质定性分析；3）可实现便携应用而不牺牲分析性能,应用于痕量***的检测。

SERS分析主要由两部分组成：拉曼光谱仪和SERS基底。其中，SERS基底的物理化学性能直接决定了样品的检出方式和浓度。基底的性能良好，则样品的检出浓度越低，越有利于实际应用。一般地，SERS基底大部分构建在玻璃、硅片等硬质材料上。这种类型的SERS基底主要用于溶液样品的检测。比如，F. A. Calzzani Jr.（Optics and Photonics in Global Homeland Security IV，2008，69451O1~9）等将PS纳米微球沉积于玻璃上并用金纳米粒子覆盖制备SERS基底，成功检测到10 ppm的2, 4, 6-***、100 ppm的三亚甲基三硝胺以及1, 3, 5, 7-四硝基-1, 3, 5, 7-四氮杂环辛烷。

尽管上述SERS基底具有较高的灵敏度，但用于实际检测还有一定的局限性。这是因为，在利用上述SERS基底进行分析之前，需要使用适当的溶剂将待检测样品从固体表面萃取下来，然后滴加在SERS基底上，待溶液完全干燥后再进行SERS测试。但是在安检过程中，时间和条件都不允许繁琐的样品制备过程和溶液干燥过程。Chang H. Lee（analytical chemistry，2011，8953~8958）等人以实验室常用滤纸为载体，组装三维立体结构的金纳米棒粒子构建SERS基底，通过擦拭取样的方式成功检测到1，4-BDT。

中国专利CN 103293142 A报道采用模板法及蒸镀法制备了柔性的拉曼光谱基底，并成功检测染料R6G水溶液。中国专利CN 103575720 A报道了一种具有柔韧性和透光性的拉曼基底，采用该基底可检测10^-5M的异硫氰酸孔雀石绿。但上述基底均存在检测能力低或不能检测***的缺点。这是由于上述基底在金属纳米颗粒吸附量方面存在较大的局限性，而且***分子也不能同金属纳米颗粒直接络合，导致上述基底不能检测***。因此，针对日益复杂的安检环境及表面增强拉曼技术面临的问题，有必要开发一种直接擦拭取样的SERS基底。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中SERS难以应用于需要快速检测情况的不足，提供一种SERS基底，该SERS基底是柔性的可擦拭取样的，能够用于***的快速、现场痕量检测。本发明同时还提供了一种制备该表面增强拉曼基底的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种SERS基底，包括柔性支撑层和附着在其上的金属纳米膜，所述柔性支撑层是具有多孔结构的柔性材料，所述金属纳米膜经过表面修饰处理。

本发明的表面增强拉曼基底是柔性的可擦拭取样的多孔SERS基底，由具有多孔结构的柔性支撑层、金属纳米膜和表面修饰层组成。多孔结构主要用于提高柔性支撑层的比表面积，进而提高表面增强拉曼基底的检测能力；柔性支撑层负载金属纳米膜形成可变形柔性层（状）材料方便擦拭取样检测；表面修饰层主要用于吸附***分子，以使表面增强拉曼基底适用于***检测。

进一步，所述柔性支撑层的材质是聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和壳聚糖中的至少一种。选用具备官能团的原料制备得到多孔柔性材料，有利于增加材料的比表面积，有利于后续工序中在其上结合更多的金属纳米膜。所述的多孔结构孔径大小为40~150μm，孔隙率为70~90%。

进一步，所述金属纳米膜是具有表面增强拉曼活性的材质制成的纳米材料层，优选为金、银、铜、镍中的至少一种形成的金属纳米结构。已知金、银、铜、镍等形成的纳米膜表面对于SERS检测过程中痕量物质的信号增强具有非常突出的促进作用。优选的，所述金属纳米膜中的单个金属纳米结构的大小为10~2000nm，筛选金属纳米结构的大小为10~200nm，对于拉曼信号的促进作用较为突出，所述金属纳米膜中单个纳米结构的形貌为纳米颗粒、纳米三角锥、纳米棒、纳米线中至少一种。

进一步，所述金属纳米膜用含有巯基或氨基的表面修饰剂进行改性处理。金属纳米膜负载在柔性支撑层上，增强了金属纳米膜对2,4,6-***的信号响应强度。优选的，所述表面修饰剂可为乙二胺、L-半胱氨酸、D-半胱氨酸、巯基丙酸、DL-甲硫氨酸中的至少一种。上述表面修饰剂具有很好的反应活性，其中巯基能够和金属纳米膜形成牢固的键合结构，氨基能够与待测分子2,4,6-***形成络合结构，从而保证拉曼方法能够检测2,4,6-***。

上述的表面增强拉曼基底用于拉曼法检测分析。优选为直接擦拭固体表面后，采用拉曼法直接检测分析。特别是用于检测***物2,4,6-***、染料等有机化合物。

上述拉曼基底在表面增强拉曼方法中可用于物质痕量检测，特别适用于擦拭取样的TNT检测。

本发明同时还提供了一种制备上述SERS基底的方法，包括以下步骤：

（1）通过冷冻干燥的方法制备得到具有多孔结构的柔性支撑层。

（2）将上述具有多孔结构的柔性支撑层浸没到金属纳米溶液中，并超声分散，得到负载金属纳米膜的柔性支撑层。

（3）将上述负载金属纳米膜的柔性支撑层浸泡到表面修饰剂溶液中，静置，取出后冷冻干燥，制得表面增强拉曼基底。

采用上述冷冻干燥技术制备SERS基底，制备过程简便，具有洁净无杂质的特点，可以很好地控制基底的洁净度，对于痕量物质检测过程中具有极其重要的意义。冷冻干燥的过程中形成的多孔结构非常细微，而柔性支撑层本身的良好的柔韧性在擦拭过程中可以触及复杂表面的残留物质，更好地应用于实际检测。

进一步，步骤（1）制备得到的多孔结构的柔性材料（即柔性支撑层）经过清洗，清洗至洗脱液呈中性，优选使用水清洗至水溶液pH=6~8。由于冷冻干燥通常只是对于水分能够很好的冷冻脱除，冷冻干燥得到的多孔结构的柔性支撑层中不挥发或难挥发组分通常会残留在多孔结构内，对其进行清洗除去未反应的原材料及其它可能干扰金属纳米膜层形成的物质，更有利于对于后续纳米溶液负载结合的效果稳定性可靠性的提升。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明制备的擦拭取样的柔性多孔SERS基底，该表面增强拉曼基底可实现对固体材料表面的有机化学物质，尤其是对2,4,6-***的快速检测。

与传统的硬质表面增强拉曼基底检测有机化学品相比，使用该基底的拉曼检测方法无需对样品进行萃取预处理，取样时间短，取样步骤简便。

附图说明：

图1为本发明实施例1多孔结构的柔性支撑层扫描电镜图；

图2为本发明实施例1柔性金球表面增强拉曼基底扫描电镜图；

图3为本发明实施例2柔性银球表面增强拉曼基底扫描电镜图；

图4为本发明实施例3柔性金棒表面增强拉曼基底扫描电镜图；

图5为本发明实施例4耐尔兰表面增强拉曼谱图；

图6为本发明实施例5擦拭取样耐尔兰的表面增强拉曼谱图；

图7为本发明实施例5擦拭取样耐尔兰的表面增强拉曼稳定性谱图；

图8为本发明实施例6擦拭取样2,4,6-***的表面增强拉曼谱图；

图9为对比例1未使用表面修饰层的柔性多孔SERS基底擦拭取样2,4,6-***的表面增强拉曼谱图。

具体实施方式

进一步具体的来说，本发明的柔性可擦拭的表面增强拉曼基底制备方法，包括以下步骤：

（1）选用聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和壳聚糖中至少一种作为基础原材料，将原材料溶解得到水溶液，如果使用的是壳聚糖则可以使用乙酸水溶液进行溶解。溶解过程中可以适当加热促进原材料的溶解速度、溶解率。完全溶解后的溶液于-20℃以下温度冷冻4~24小时，使其中的水分完全凝固成冰。冷冻完全的原料放入冷冻干燥机中真空冷冻干燥处理4~96小时，优选冷冻干燥24~72小时，制备成多孔结构的柔性支撑材料（柔性支撑层）。

（102）将上述多孔结构的柔性支撑层放入去离子水中超声清洗5~60分钟，优选10~30分钟，或者将上述柔性支撑层冲洗至水溶液pH=6~8，最好是pH≈7，备用。步骤（102）是步骤1、2之间的可选工序，主要是控制柔性支撑层的纯净度，利于后续金属纳米材料的负载，提高SERS信号增强响应的效果。

（2）将处理好的多孔结构的柔性支撑层浸没到金属纳米溶液中并超声处理5~60分钟，最好是10~30分钟。

（3）进一步，其中步骤（2）中所述的金属纳米溶液，浓度为0.1~10mM，优选为1~5mM；体积为0.5~20mL，优选为2~10mL，金属纳米溶液的浓度可以根据多孔柔性支撑层的体积孔隙率等进行相应的调整，以上可以作为较佳优选情况。

（4）配制浓度为0.005~5mg/mL的表面修饰剂水溶液，将负载金属纳米膜的多孔结构的柔性支撑层浸泡到表面修饰剂水溶液中，静置15~90分钟。取出后放入-20℃的冰箱中冷冻4~12小时，然后置于冷冻干燥机中处理24~72小时，制得表面增强拉曼基底。

进一步，其中步骤（1）中所述的水溶液，原料溶解得到溶液浓度为1~30重量%，优选为1~15重量%。

进一步，其中步骤（4）中所述的表面修饰剂为乙二胺、L-半胱氨酸、D-半胱氨酸、巯基丙酸、DL-甲硫氨酸中的至少一种。

优选的，其表面修饰剂溶液浓度为0.001~10 mg/mL，优选为0.005~5 mg/mL。

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所使用的材料、试剂，如无特殊说明，均可从商业途径得到。本发明中未特别说明的百分比均为重量百分比。

实施例1

制备柔性纳米金球表面增强拉曼基底：

1）多孔结构的柔性支撑层制备

将聚乙烯醇粉体溶于水溶液，置于水浴锅中加热搅拌至完全溶解，制得质量分数为8%的聚乙烯醇溶液。称取适量的聚乙烯醇溶液放入塑料材质的圆盘中，缓慢滴加浓度为4%的硼砂水溶液并不断搅拌，待聚乙烯醇溶液形成凝胶态后置于-20℃的冰箱中冷冻4小时。将冷冻完全的聚乙烯醇放入冷冻干燥机中处理24小时后，制备成多孔结构的柔性支撑材料。将上述多孔结构的柔性支撑层放入去离子水中超声清洗30分钟，至水溶液pH≈7，取出多孔结构的柔性支撑层，备用。将此多孔结构的柔性支撑层用扫描电镜检测分析，结果如图1所示，可见经过冷冻干燥得到的支撑层具有大量孔隙结构，且孔洞大小合适能够和各种不同的金属纳米结构体进行负载。

2）金纳米球溶液的制备

种子溶液的制备：配制浓度为0.1M（摩尔浓度，即0.1 mol/L，下同）的硼氢化钠水溶液，置于冰浴中。取上述溶液0.6mL快速加入到浓度为0.01M的氯金酸和0.1M的十六烷基三甲基溴化铵混合水溶液中，快速混合后静置1小时。

生长溶液的制备：分别配制0.1M的十六烷基三甲基溴化铵、0.01M的氯金酸、0.1M的抗坏血酸水溶液，将适量的上述三种水溶液加入水中混合均匀。

金纳米球的制备：用0.1M的十六烷基三甲基溴化铵溶液稀释种子溶液10倍后，加入到生长溶液中混合均匀，静置24小时。

3）       柔性拉曼基底的制备

取步骤2）中金纳米球溶液2mL于烧杯中，将步骤1）中处理好的聚乙烯醇多孔结构的柔性支撑层浸没到金纳米球溶液中并超声处理10分钟。

配制浓度为0.01mg/mL的L-半胱氨酸表面修饰剂水溶液。将负载有金纳米球的多孔结构的柔性支撑层浸泡到L-半胱氨酸表面修饰剂水溶液中，静置15分钟。取出后放入-20℃的冰箱中冷冻4小时，然后置于冷冻干燥机中处理24小时，制得柔性纳米金球表面增强拉曼基底。采用扫描电镜对所得SERS基底扫描观察，结果如图2所示，金属纳米结构在支撑层的孔隙中大量分布，呈现良好的纳米体系，作为SERS活性基底具有很好的信号增强潜力。

实施例2

制备柔性纳米银球表面增强拉曼基底：

1）多孔结构的柔性支撑层的制备

将壳聚糖粉体溶于水溶液，置于水浴锅中加热搅拌至完全溶解，制得质量分数为3%的壳聚糖溶液。称取适量的壳聚糖溶液放入塑料材质的圆盘中，然后置于-20℃的冰箱中冷冻12小时。将冷冻完全的壳聚糖放入冷冻干燥机中处理48小时后，制备成多孔结构的柔性支撑材料。将上述多孔结构的柔性支撑层放入去离子水中超声清洗10分钟，至水溶液pH≈7，取出多孔结构的柔性支撑层，备用。

2）银纳米球溶液的制备

称取0.2g硝酸银固体溶解于250mL的去离子水中，采用微波反应器加热溶液至98℃。配制质量分数10%的柠檬酸三钠水溶液，然后将柠檬酸三钠水溶液快速加入上述硝酸银溶液中，继续保持98℃反应30分钟，待溶液颜色变为银灰色后停止加热，制得银纳米球溶液。

3）柔性拉曼基底的制备

取10mL银纳米球溶液于烧杯中，将步骤1）中处理好的壳聚糖多孔结构的柔性支撑层浸没到银纳米溶液中并超声处理30分钟。

配制浓度为1mg/mL的巯基丙酸表面修饰剂溶液。将负载有银纳米球的多孔结构的柔性支撑层浸泡到巯基丙酸表面修饰剂溶液中，静置60分钟。取出后放入-20℃的冰箱中冷冻12小时，然后置于冷冻干燥机中处理48小时，制得柔性纳米银球表面增强拉曼基底。采用扫描电镜对所得SERS基底扫描观察，结果如图3所示。

实施例3

制备柔性纳米金棒表面增强拉曼基底

1）多孔结构的柔性支撑层的制备

将聚乙烯醇粉体溶于水溶液，置于水浴锅中加热搅拌至完全溶解，制得质量分数为10%的聚乙烯醇溶液。称取适量的聚乙烯醇溶液放入塑料材质的圆盘中，缓慢滴加浓度为4%的硼砂水溶液并不断搅拌，待聚乙烯醇溶液形成凝胶态后置于-20℃的冰箱中冷冻12小时。将冷冻完全的聚乙烯醇放入冷冻干燥机中处理72小时后，制备成多孔结构的柔性支撑材料。将上述多孔结构的柔性支撑层放入去离子水中超声清洗30分钟，至水溶液pH≈7，取出多孔结构的柔性支撑层，备用。

2）金纳米棒溶液的制备

种子溶液的制备：配制浓度为0.01M的硼氢化钠水溶液，置于冰浴中。取上述溶液0.6mL快速加入到浓度为0.01M的氯金酸和0.1M的十六烷基三甲基溴化铵混合水溶液中，快速混合后静置2小时。

生长溶液的制备：分别配制0.1M的十六烷基三甲基溴化铵、0.01M的氯金酸、0.01M的硝酸银水溶液，将适量的上述三种水溶液混合均匀后加入0.1M的抗坏血酸水溶液，然后加入适量1.0M的盐酸水溶液，混合均匀。

金纳米球的制备：将上述种子溶液快速加入到生长溶液中混合均匀，静置6小时。

3）柔性拉曼基底的制备

取6mL金纳米棒溶液于烧杯中，将步骤1）中处理好的聚乙烯醇多孔结构的柔性支撑层浸没到金纳米溶液中并超声处理10分钟。

配制浓度为0.01mg/mL的L-半胱氨酸表面修饰剂水溶液。将上述负载有纳米金棒的多孔结构的柔性支撑层浸泡到L-半胱氨酸表面修饰剂水溶液中，静置15分钟。取出后放入-20℃的冰箱中冷冻4小时，然后置于冷冻干燥机中处理24小时，制得柔性纳米金棒表面增强拉曼基底。采用扫描电镜对所得SERS基底扫描观察，结果如图4所示。

实施例4

柔性纳米金球表面增强拉曼基底用于耐尔兰染料检测

配制1mg/g耐尔兰的标准溶液，通过逐级稀释的方法配制一系列浓度的耐尔兰溶液。用移液枪吸取10μL浓度为100ppb的溶液滴加到实施例1制备的柔性纳米金表面增强拉曼基底上，使用显微拉曼光谱仪进行检测，检测结果如图5所示。拉曼激发光波长为633nm，激发光功率为500μW。

可见采用本发明的柔性可擦拭拉曼基底可以很好的应用于痕量物质的检测，拉曼检测过程中信号响应的强度。

实施例5

柔性纳米银球表面增强拉曼基底用于擦拭取样检测耐尔兰染料

配制1mg/g耐尔兰的标准溶液，通过逐级稀释的方法配制一系列浓度的耐尔兰溶液。用移液枪吸取20μL浓度位100ppb的溶液滴加到玻璃片上。待溶剂挥发完全后，在玻璃片上滴加20μL的去离子水，采用实施例2制备的柔性纳米银表面增强拉曼基底擦拭玻璃片。使用显微拉曼光谱仪进行检测，检测结果如图6、图7所示。图7中各个曲线是该基底不同位置处的耐尔兰拉曼信号，信号强度相近，表明该拉曼基底稳定性好。拉曼激发光波长为633nm，激发光功率为500μW。

实施例6

柔性纳米银球表面增强拉曼基底用于擦拭取样检测2,4,6-***

将1mM的2,4,6-***甲醇溶液通过逐级稀释的方法配制一系列浓度的溶液。用移液枪吸取20μL不同浓度的溶液滴加到玻璃片上。待溶剂挥发完全后，在玻璃片上滴加20μL的乙醇，采用实施例2制备的柔性纳米银表面增强拉曼基底擦拭玻璃片。使用显微拉曼光谱仪进行检测，检测结果如图8所示，图中曲线从上到下依次是浓度为1×10^-4 M、1×10^-5 M、1×10^-6 M、1×10^-7 M和0 M的2,4,6-***。拉曼激发光波长为633nm，激发光功率为500μW。

对比例1

未使用表面修饰层的柔性多孔SERS基底检测2,4,6-***

1）未使用表面修饰层的柔性多孔SERS基底的制备

按照实施例2中的步骤1）、步骤2）分别制备多孔结构的柔性支撑层和银纳米球溶液，取10mL银纳米球溶液于烧杯中，将处理好的壳聚糖多孔结构的柔性支撑层浸没到银纳米溶液中并超声处理30分钟。取出后放入-20℃的冰箱中冷冻12小时，然后置于冷冻干燥机中处理48小时，制得柔性纳米银球表面增强拉曼基底。

2）使用步骤1）制备的柔性多孔SERS基底检测2,4,6-***

用移液枪吸取100μL的2,4,6-***溶液滴加到玻璃片上。待溶剂挥发完全后，在玻璃片上滴加50μL的乙醇，采用步骤1）制备的柔性纳米银表面增强拉曼基底擦拭玻璃片。使用显微拉曼光谱仪进行检测，检测结果如图9所示，图中曲线从上到下依次是：有修饰层的SERS基底检测2,4,6-***，无修饰层的SERS基底检测2,4,6-***。拉曼激发光波长为633nm，激发光功率为500μW。

通过与实施例2对比，说明不使用表面修饰层的柔性擦拭多孔SERS基底无法检测2,4,6-***，而使用表面修饰层的柔性擦拭多孔SERS基底可以检测到2,4,6-***。

Claims (10)

1.一种SERS基底，包括柔性支撑层和附着在其上的金属纳米膜，所述柔性支撑层是具有多孔结构的柔性材料，所述金属纳米膜经过表面修饰。

2.根据权利要求1所述SERS基底，其特征在于，所述柔性支撑层的材质是聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和壳聚糖中的至少一种。

3.根据权利要求1所述SERS基底，其特征在于，所述金属纳米膜是具有表面增强拉曼活性的材质制成的纳米材料层。

4.根据权利要求3所述SERS基底，其特征在于，所述金属纳米膜为金、银、铜、镍中的至少一种形成的纳米膜层。

5.根据权利要求1所述SERS基底，其特征在于，所述金属纳米膜用含有巯基或氨基的表面修饰剂进行改性处理。

6.根据权利要求5所述SERS基底，其特征在于，所述表面修饰剂为乙二胺、L-半胱氨酸、D-半胱氨酸、巯基丙酸、DL-甲硫氨酸中的至少一种。

7.根据权利要求1-6任意一项所述SERS基底用于拉曼检测分析。

8.一种制备上述SERS基底的方法，包括以下步骤：

（1）通过冷冻干燥的方法制备得到具有多孔结构的柔性支撑层；

（2）将上述具有多孔结构的柔性支撑层浸没到金属纳米溶液中，并超声分散，得到负载金属纳米膜的支撑层；

（3）将负载金属纳米膜的支撑层浸泡到表面修饰剂溶液中，静置，取出后冷冻干燥，制得表面增强拉曼基底。

9.根据权利要求8所述制备SERS基底的方法，其特征在于，步骤（1）制备得到的多孔结构的柔性支撑层经过清洗处理，清洗至洗脱液pH=6~8。

10.根据权利要求8所述制备SERS基底的方法，其特征在于，步骤（1）选用聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和壳聚糖中至少一种作为基础原材料，将原材料溶解得到水溶液，如果是壳聚糖则使用乙酸水溶液进行溶解；完全溶解后的溶液于-20℃以下温度冷冻4~24小时，冷冻完全的原料放入冷冻干燥机中真空冷冻干燥处理4~96小时，制备成具有多孔结构的柔性支撑材料。