CN105223183A - 一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底 - Google Patents

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景传勇
孙振丽
杜晶晶
田中群
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Abstract

本发明合成了Fe3O4/SiO2/Au磁性颗粒，利用在磁性颗粒表面修饰阳离子聚电解质和阴离子聚电解质的方法，使得阴离子色素日落黄和阳离子色素孔雀石绿选择性富集在磁性基底的表面，并通过便携式拉曼光谱仪分别观察到了阴阳离子色素的拉曼特征峰。通过一系列实验证明本发明采用的样品制备方法及目标物分析方法操作简便，可以实现色素的选择性检测。

Description

一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底
技术领域
本发明涉及利用磁性基底选择性检测阴阳离子色素的方法，尤其是利用聚电解质修饰的Fe3O4/SiO2/Au磁性基底选择性检测阴离子色素日落黄和阳离子色素孔雀石绿的方法。
技术背景
1928年印度物理学家Raman发现了拉曼散射效应，以此为基础建立起来的拉曼光谱(RS)技术在分子结构和分析化学等领域有着广泛的应用。1974年Fleischmann等第一次在粗糙银电极上观察到吡啶的表面增强拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering)，简称SERS现象，到1997年SERS效应实现了单分子检测，随后由于纳米技术的飞速发展，对SERS的研究也取得了一定的成果。作为一种高探测灵敏度、高分辨率、对水惰性、可猝灭荧光、稳定性好的技术，SERS被广泛应用于吸附物界面取向及构型、构象研究和结构分析等方向。
基底的制备是实现优异SERS信号的关键，也是SERS领域的研究热点之一。当前，制备出符合要求的具有纳米结构表面的SERS基底在实验上仍然是一个挑战。纳米表面结构的最大优势是：(1)可获得形貌及粒径基本可控的纳米尺度颗粒；(2)可通过各种有序纳米结构模拟“粗糙表面”来定量研究SERS增强机理；(3)便于优化并得到强SERS效应的实验条件。金、银等贵金属纳米颗粒是目前表面增强拉曼光谱中最常用的SERS活性基底，可以获得直径在20nm～100nm范围内形貌均一的颗粒，而且性质稳定，适用范围广泛。
食品的安全问题由于关系到人类健康和社会进步而受到人们的重视。日落黄是一种人工合成着色剂，有改变食品外观颜色的作用，如果消费者长期或一次性大量食用日落黄含量超标的食品，可能会引起过敏、腹泻等症状，当摄入量过大，超过肝脏负荷时，会在体内蓄积，对肾脏、肝脏产生一定伤害。孔雀石绿是一种三苯甲烷类化工染料，被广泛应用于预防与治疗各类水产动物的水霉病和对原虫的控制。但孔雀石绿因潜在的致畸、致癌、致突变等副作用，成为许多国家水产养殖的禁用药物之一。目前常用的色素检测方法有高效液相色谱法，气相色谱法以及色质联用分析法，这些方法所用仪器价格昂贵，并且对样品前处理要求较高。因此，探索简便经济、快速高效的食品色素检测方法已成为当今环境分析领域的重要研究方向之一。从理论上讲，将SERS活性基底用于食品色素的监测分析是可行的，但是限制其应用的一个主要问题是实际食品体系中的复杂基质会干扰到SERS信号的检出。因此制备价格低廉，性质稳定，可应用于食品色素选择性检测的新型SERS基底对环境分析领域具备重要意义。
发明内容
本发明合成了一种Fe3O4/SiO2/Au磁性纳米颗粒，利用阴阳聚电解质对磁性颗粒表面进行修饰。将修饰后的磁性纳米颗粒用于色素的富集，并通过便携式拉曼光谱仪观察到了色素的拉曼特征峰。通过一系列实验证明本发明采用的样品制备方法及目标污染物分析方法操作简便，不仅可以实现单一色素的选择性检测，还可以用于多色素混合溶液的检测。
本发明首先合成了Fe3O4/SiO2磁性颗粒，利用聚电解质修饰Fe3O4/SiO2表面后，将其分散Au溶胶中，制备得到Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性纳米颗粒，这种颗粒兼具Fe3O4的磁性与纳米金颗粒的拉曼增强性能。将制备出的Fe3O4/SiO2/Au磁性颗粒分散到一定浓度阳离子聚电解质溶液后，由于静电吸引作用使得带负电的磁性颗粒表面迅速包覆了一层带正电的聚电解质，该磁性基底可选择性吸附带负电阴离子的色素。将制备出的正电Fe3O4/SiO2/Au磁性颗粒分散到一定浓度阴离子聚电解质溶液后，由于静电吸引作用使得带正电的磁性颗粒表面迅速包覆了一层带负电的聚电解质，该磁性基底可选择性吸附带正电的阳离子色素。此时用外加磁场对吸附了色素的磁性颗粒进行收集后，利用便携式拉曼光谱仪可以在5s内检测到色素的拉曼特征峰。
通过下面的描述来阐明本发明的具体内容：
(1)用高温分解法得到Fe3O4颗粒：将2.7gFeCl3·6H2O与7.2g醋酸钠与100mL乙二醇混合并磁力搅拌1h，放入聚四氟反应釜200℃反应12h，加热结束后冷却至室温用乙醇清洗3次，去离子水清洗3遍，真空干燥箱50℃干燥2h得到Fe3O4磁性纳米颗粒。
(2)核壳式Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：取0.2g步骤(1)中制备的纳米Fe3O4分散于硝酸溶液中，超声10min，用去离子水清洗6次，分散于20mL乙醇和4mL去离子水的混合液中，超声10min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下连续向其中滴加1mL氨水及0.8mL硅酸四乙酯(TEOS)，反应进行3h后，将生成的沉淀物于真空60℃干燥1h得到Fe3O4/SiO2纳米颗粒。
(3)聚电解质修饰Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：配制100mL2％的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)溶液，磁力搅拌0.5h，将溶液转移到三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下加入0.1g步骤(2)中制备的Fe3O4/SiO2磁性颗粒，反应进行3h后，将生成的沉淀物去离子水清洗6次，得到聚电解质修饰的Fe3O4/SiO2磁性颗粒。
(4)用高温还原法合成Au纳米颗粒：将2mL2％的HAuCl4溶液加入到46mL去离子水中，在油浴锅内机械搅拌的条件下加热上述溶液，当温度升至100℃时，向上述溶液内加入2mL含114mg柠檬酸钠的水溶液，反应20min停止加热，将产物继续搅拌冷却至室温，得到Au纳米颗粒。
(5)Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：将0.02g步骤(3)得到的Fe3O4/SiO2磁性颗粒分散于40mL步骤(4)制得的Au溶胶内，放入摇床，30℃下以150转/分反应20min，将生成物用去离子水清洗6次，得到Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性颗粒。
(6)阳性聚电解质修饰的SERS基底的制备：将0.02g步骤(5)得到的Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性颗粒分散于10mL2％的PDDA溶液中，放入摇床30℃下以150转/分反应20min，将生成物用去离子水清洗6次后制得PDDA修饰的阳性磁性SERS基底PDDA-Fe3O4/SiO2/Au(FSPAP)。
(7)阴性聚电解质修饰的SERS基底的制备：将0.01g步骤(6)得到的FSPAP磁性颗粒分散于10mL3％的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液中，放入摇床30℃下以150转/分反应20min。将生成物用去离子水清洗6次后制得PSS修饰的阴性磁性SERS基底PSS-Fe3O4/SiO2/Au(FSPAPP)。
(8)色素的富集与检测：将0.2mg步骤(7)得到的磁性SERS基底分散于色素溶液中混合一定时间后用外加磁场对磁性颗粒进行收集，使用拉曼光谱仪进行信号采集，得到色素的SERS谱图。
附图说明
下面通过图例说明本发明的主要特征。
附图1为本发明制备的选择性基底的透射电镜照片，图1实验结果表明制备出的Fe3O4/SiO2/Au颗粒大小均匀，基底表面的Au纳米颗粒包覆均匀。
附图2为本发明中得到阳离子磁性基底FSPAP对阴离子染料刚果红选择性检测的拉曼谱图。检测结果充分说明本发明得到的阳性FSPAP仅对阴性刚果红有拉曼响应，可选择性检测阴性染料。
附图3为本发明中得到阴离子基底FSPAPP对阳离子染料结晶紫选择性检测的拉曼谱图，检测结果充分说明本发明得到的阴性基底可选择性检测阳性染料。
附图4是阳性基底FSPAP对阴性色素日落黄检测的拉曼谱图，结果表明，可检测到浓度为5x10-8mol/L的阴性日落黄。
附图5是阴性基底FSPAPP对阳性色素孔雀石绿检测的拉曼谱图，结果表明，可检测到浓度为5x10-8mol/L的阳性孔雀石绿。
附图6是FSPAP及FSPAPP对混合色素(日落黄+孔雀石绿)检测的拉曼普图。结果表明，阳性FSPAP仅可检测阴性孔雀石绿，阴性FSPAPP仅可检测阳性孔雀石绿，实验结果充分验证了本发明检测方法的可行性，说明本方法具备应用于食品色素选择性检测的潜力。
发明实施例
下面进一步通过实施例来阐述本发明。
实施例1Fe3O4纳米颗粒的制备：将2.7gFeCl3·6H2O与7.2g醋酸钠与100mL乙二醇混合并磁力搅拌1h，高温200℃反应12h，将生成物50℃真空干燥2h，收集得到Fe3O4磁性纳米颗粒；Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：取0.2g步骤(1)中制备的纳米Fe3O4分散于20mL硝酸溶液中(0.1mol/L)，超声10min，用去离子水清洗6次，分散于混合液中(20mL乙醇+4mL去离子水)，超声10min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下连续向其中滴加1mL氨水及0.8mLTEOS，反应进行3h后，将生成的沉淀物于真空60℃干燥1h得到Fe3O4/SiO2纳米颗粒。取0.1mgFe3O4/SiO2磁性颗粒分散到100mL2％的PDDA溶液中(10mL20％PDDA+90mL去离子水+88.2mg氯化钠+11.5mg柠檬酸钠)，机械搅拌3h后，将生成的沉淀物去离子水清洗6次，得到聚电解质修饰的Fe3O4/SiO2磁性颗粒；Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：将2mL2％的HAuCl4溶液加入到46mL去离子水中，在油浴锅内机械搅拌的条件下加热上述溶液，当温度升至100℃时，向上述溶液内加入2mL含114mg柠檬酸钠的水溶液。反应20min，停止加热，将产物继续搅拌冷却至室温，得到Au纳米颗粒。将0.02g的PDDA修饰的Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备分散于40mLAu溶胶内，摇床(30℃，150转/分)反应20min。将生成物用去离子水清洗6次，得到Fe3O4/SiO2/Au磁性颗粒；阳性聚电解质修饰的SERS基底的制备：将0.02gFe3O4/SiO2/Au分散于10mL2％的PDDA溶液中(1mL20％的PDDA+9mL去离子水+8.82mg氯化钠+1.15mg柠檬酸钠)，放入摇床(30℃，150转/分)反应20min。将生成物用去离子水清洗6次后制得PDDA修饰的阳性磁性SERS基底FSPAP；阴性聚电解质修饰的SERS基底的制备：将0.01gFSPAP磁性颗粒分散于10mL3％的PSS溶液中(1mL30％的PSS溶液+9mLDI+3mgNaCl)，放入摇床(30℃，150转/分)反应20min。将生成物用去离子水清洗6次后制得PSS修饰的阴性磁性SERS基底FSPAPP；色素的富集与检测：将0.2mg磁性SERS基底分散于1mL色素溶液中，混合1h后用外加磁场对磁性颗粒进行收集，将富集了色素的磁性颗粒置于硅片上，使用ENWAVE便携式拉曼光谱仪进行信号采集，仪器型号为EZRaman-ISeries，产地美国，激光波长785nm，扫描时间5s，得到色素的SERS谱图。
实施例2聚电解修饰的选择性检测SERS基底的制备方法同实施例1。色素混合溶液的富集与检测：将0.2mg聚电解质修饰的磁性纳米颗粒分散于1mL色素混合溶液中，两种色素各自浓度为1x10-4mol/L。1h后用外加磁场对磁性颗粒进行收集，将富集了色素的磁性颗粒置于硅片上，使用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，扫描时间为5s，得到色素混合物的SERS谱图。

Claims (10)

1.一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，其合成步骤如下：
(1)用高温分解法得到Fe3O4颗粒：将2.7gFeCl3·6H2O与7.2g醋酸钠与100mL乙二醇混合并磁力搅拌1h，放入聚四氟反应釜200℃反应12h，加热结束后冷却至室温用乙醇清洗3次，去离子水清洗3遍，真空干燥箱50℃干燥2h得到Fe3O4磁性纳米颗粒；
(2)核壳式Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：取0.2g步骤(1)中制备的纳米Fe3O4分散于硝酸溶液中，超声10min，用去离子水清洗6次，分散于20mL乙醇和4mL去离子水的混合液中，超声10min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下连续向其中滴加1mL氨水及0.8mL硅酸四乙酯(TEOS)，反应进行3h后，将生成的沉淀物于真空60℃干燥1h得到Fe3O4/SiO2纳米颗粒；
(3)聚电解质修饰Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：配制100mL2％的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)溶液，磁力搅拌0.5h，将溶液转移到三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下加入0.1g步骤(2)中制备的Fe3O4/SiO2磁性颗粒，反应进行3h后，将生成的沉淀物用去离子水清洗6次，得到聚电解质修饰的Fe3O4/SiO2磁性颗粒；
(4)用高温还原法合成Au纳米颗粒：将2mL2％的HAuCl4溶液加入到46mL去离子水中，在油浴锅内机械搅拌的条件下加热上述溶液，当温度升至100℃时，向上述溶液内加入2mL含114mg柠檬酸钠的水溶液，反应20min停止加热，将产物继续搅拌冷却至室温，得到Au纳米颗粒；
(5)Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性颗粒的制备：将0.02g步骤(3)得到的Fe3O4/SiO2磁性颗粒分散于40mL步骤(4)制得的Au溶胶内，放入摇床，30℃下以150转/分反应20min，将生成物用去离子水清洗6次，得到Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性颗粒；
(6)阳性聚电解质修饰的表面增强拉曼(SERS)基底的制备：将0.02g步骤(5)得到的Au包覆的Fe3O4/SiO2磁性颗粒分散于10mL2％的PDDA溶液中，放入摇床30℃下以150转/分反应20min，将生成物用去离子水清洗6次后制得PDDA修饰的阳性磁性SERS基底PDDA-Fe3O4/SiO2/Au(FSPAP)；
(7)阴性聚电解质修饰的SERS基底的制备：将0.01g步骤(6)得到的FSPAP磁性颗粒分散于10mL聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液中，放入摇床30℃下以150转/分反应20min，将生成物用去离子水清洗6次后制得PSS修饰的阴性磁性SERS基底PSS-Fe3O4/SiO2/Au(FSPAPP)；
(8)色素的富集与检测：将0.2mg步骤(7)得到的磁性SERS基底分散于色素溶液中混合一定时间后用外加磁场对磁性颗粒进行收集，使用拉曼光谱仪进行信号采集，得到色素的SERS谱图。
2.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(2)中，硝酸浓度0.1mol/L，用量为20mL。
3.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(3)中，PDDA溶液配制方法为：向10mL20％的PDDA溶液中加入90mL去离子水、88.2mg柠檬酸钠、11.5mg氯化钠。
4.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(6)中，PDDA溶液配制方法为：向1mL20％的PDDA溶液中加入9mL去离子水、8.82mg柠檬酸钠、1.15mg氯化钠。
5.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(7)中，聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液配制方法为：向1mL30％的PSS溶液中加入9mL去离子水、3mg氯化钠。
6.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(8)中检测的阳离子色素为结晶紫和孔雀石绿，阴离子色素为刚果红和日落黄。
7.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(8)中阴离子色素的富集方法如下：将0.2mg阳离子基底FSPAP置于1.5mL离心管内，加入1mL阴离子色素，混合1h，用外加磁场对富集了阴离子色素的磁性颗粒进行回收。
8.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(8)中阳离子色素的富集方法如下：将0.2mg阴离子基底FSPAPP置于1.5mL离心管内，加入1mL阳离子色素，混合时间1h，用外加磁场对富集了阳离子色素的磁性颗粒进行回收。
9.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(8)中混合色素溶液的富集方法如下：将0.2mg阴离子基底FSPAP和0.2mg阴离子基底FSPAPP分别置于1.5mL离心管内，各加入1mL混合色素，混合时间1h，用外加磁场对富集了色素的磁性颗粒进行回收。
10.如权利要求1所述的一种可用于阴阳离子色素选择性检测的基底，步骤(8)中色素的检测方法如下：将富集了色素的磁性颗粒置于硅片上，利用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，激光波长785nm，扫描时间5s。
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