CN106997799A - 一种高性能金壳磁性微球的制备方法及其sers应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能金壳磁性微球的制备方法及其SERS应用，该基底是以100-1000纳米Fe3O4微球为核心提供磁性，以多聚物聚乙烯亚胺(PEI)为多功能夹层改善磁性微球的分散性并吸附3-5纳米金种子，最后以种子还原法制备出均一稳定的金壳。制备方法如下：将Fe3O4微球用多聚物聚乙烯亚胺修饰形成多聚物保护层，利用聚乙酰亚胺的强正电性吸附3-5纳米金种子；利用种子生长法，还原剂为盐酸羟胺，在超声条件下快速还原出均一稳定的金壳，然后加入高浓度的聚乙烯比咯烷酮(PVP)改善粒子的分散性，最终获得高性能的金壳磁性微球。本发明还公开了由上述方法制备的金壳磁性微球在SERS检测中的应用。由于上述金壳磁性微球磁响应性强、分散性好、结构稳定并具有优异的SERS性能，可用于溶液中的各种污染物、农药残留、病原微生物等的SERS检测分析。

Description

一种高性能金壳磁性微球的制备方法及其SERS应用
技术领域
本发明涉及磁性功能材料制备和生化光谱分析领域，具体涉及一种高性能金壳磁性微球的制备方法及其在SERS检测中的应用。
背景技术
金纳米材料具有优异的导电能力、催化活性及独特的光学性质，长期以来受到广泛的研究与关注。金壳磁性微/纳米颗粒既具有磁珠可快速富集样本、使用简单快捷的特点，又保持了金纳米材料的优异性能，是一种非常具有前景的多功能纳米材料。
表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)是一种重要的痕量分析检测方法，而金纳米材料作为一种有效的SERS基底材料被广泛用于SERS检测领域。最近，一些文献报道金壳磁性微/纳米粒子修饰上抗体或适配体后可适用于各类SERS免疫检测实验。免疫修饰的金壳磁性微/纳粒子在溶液中快速捕获目标物，在外部磁场作用下可方便的进行分离与清洗，并可以作为SERS基底直接进行SERS检测。同时，磁吸引作用使金壳磁性粒子团聚，形成大量的粒子间热点，极大的增强待测物质的拉曼信号。因此金壳磁性微/纳粒子是一种高性能的磁性SERS基底。
虽然现有研究已经报道了一些金壳磁性微/纳颗粒的制备方法，但由于磁性微/纳颗粒易团聚易沉淀的性质，制备分散性好的金壳磁性微/纳颗粒非常困难。而且团聚的磁性颗粒会严重影响金壳包覆的均一性，过厚的外壳还会严重削弱磁性粒子的磁响应能力，不利于实际使用。现有方法不能制备既具有单分散性又具有强磁响应性，且金壳均一可控的高性能金壳磁性微/纳粒子。
发明内容
本发明的目的在于克服现有金壳磁性微球分散性差，磁响应能力弱，制备过程繁琐，金壳包覆不均匀等问题，提供一种合成简便、单分散性、高磁响应性、结构均一的金壳磁性微球的制备方法，并作为高性能的磁性SERS基底进行溶液中目标物的快速检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述金壳磁性微球(Fe3O4@PEI@Au)核心采用具有强磁性的100-1000纳米Fe3O4微球，通过多聚物PEI的包覆使磁性粒子具有良好的分散性和强正电性，然后通过超声作用使PEI层均匀的吸附极微小的纳米金种子，最后通过种子生长法在磁性颗粒表面包覆一层完整、均一的金壳。
一种高性能金壳磁性微球的制备方法及其在SERS检测中的应用，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
1)合成100-1000纳米Fe3O4磁性微球；
2)在步骤1)合成的100-1000纳米Fe3O4磁性微球表面通过超声作用修饰上阳离子多聚物PEI，合成Fe3O4@PEI磁性微球；
3)在步骤2)合成的Fe3O4@PEI磁性微球表面吸附3-5纳米胶体金，合成Fe3O4@PEI-Au磁性微球作为下步反应的种子；
4)步骤3)合成的Fe3O4@PEI-Au磁性微球通过种子生长方法快速合成出Fe3O4@PEI@Au金壳磁性微球，待反应完成后加入高浓度的聚乙烯吡咯烷酮继续超声10分钟以上，获得单分散的金壳磁性微球。
步骤(1)所述Fe3O4微球的制备方法为溶剂热合成法，具体步骤如下：将0.135克六水合三氯化铁，1克聚乙二醇8000，2.7克无水乙酸钠，溶解于40毫升无水乙二醇溶液中，搅拌直至完全溶解；将上述溶液转移到聚四氟乙烯内胆的50毫升高温反应釜中，密封后置于鼓风恒温烘箱内，在200℃温度下反应8-48小时。反应结束后自然冷却至室温，用磁铁富集后收集黑色沉淀。沉淀用去离子水和无水乙醇各洗3次，并置于真空干燥箱内于60℃干燥6小时，得到粉末状Fe3O4微球备用。
步骤(2)所述PEI多聚物溶液浓度为1-10毫克/毫升，超声反应时间为15-30分钟。
步骤(3)所述3-5纳米胶体金的制备方法如下：100毫升含有0.25毫摩尔氯金酸及0.25毫摩尔柠檬酸钠的水溶液中加入3毫升0.1摩尔/升硼氢化钠水溶液，快速搅拌4小时，即得3-5纳米胶体金溶液。
步骤(3)所述的Fe3O4@PEI磁性微球与3-5纳米胶体金的体积比为1∶100以上混合，超声反应半小时，磁富集沉淀后，用去离子水清洗3次除去未吸附的胶体金，即得Fe3O4@PEI-Auseed微球。
步骤(4)所述的获得Fe3O4@PEI@Au金壳磁性微球的还原方法为种子生长法，Fe3O4@PEI-Auseed浓度为0.01毫克/毫升，还原剂为盐酸羟胺，保护剂为聚乙烯吡咯烷酮，加入氯金酸溶液后在超声条件下可快速实现均一的金壳包覆。反应温度为室温。
步骤(4)所述聚乙烯吡咯烷酮是用来避免磁性微球的团聚，可以显著改善粒子的分散性。
本发明还提供上述高性能金壳磁性微球在SERS检测中的应用方法。
所制备的单分散金壳磁性微球用作磁性SERS基底进行SERS直接检测或免疫检测的方法为：将所制备的金壳磁性微球修饰上抗体、适配体或抗生素等后加入到待测溶液(包括血清、体液、组织液等)中，震荡孵育一段时间使修饰的磁性粒子充分捕获目标物质，然后利用外部磁铁快速分离出金壳磁性微球(若进行SERS标记检测可加入二抗修饰的SERS-tag)。最后将金壳磁性微球转移至干净的硅片上，利用拉曼光谱仪直接进行SERS检测。
本发明的优点及有益效果为：
本发明的主要优点在于：(1)采用本发明制备的金壳磁性微球既具有单分散性，又具有强磁响应性。在制备、使用、洗涤时，可以方便的使用外加磁铁收集，避免了使用离心、过滤等繁琐耗时的方法。(2)本发明制备的金壳磁性微球结构均一，性质稳定，金壳完整、表面粗糙，可作为一种高性能的SERS基底。(3)本发明合成步骤简单，重复性好，便于大规模生产。(4)本发明制备的高性能金壳磁性微球用作SERS基底时，可快速富集溶液中目标物，磁分离后可直接用于SERS检测。特别适合于溶液体系中痕量物质的检测，包括农药残留、病原微生物、血清及组织液等的直接检测或SERS免疫检测。在生化检测领域显示出巨大的应用潜力，尤其是配合便携式拉曼光谱仪可进行现场快速检测。
附图说明
图1为实施例1制备的高性能金壳磁性微球的合成路线图。
图2为实施例1制备的高性能金壳磁性微球制备过程中各阶段产物的透射电子显微镜图(TEM)及最终产物的扫描电子显微镜图(SEM)。
图3为实施例1制备的高性能金壳磁性微球(300纳米Fe3O4内核)的磁滞曲线。
图4为实施例1制备的高性能金壳磁性微球的X射线衍射(XRD)结果。
图5为高性能金壳磁性微球作为SERS基底检测拉曼分子对氨基苯硫酚(PATP)的SERS图谱。
图6为万古霉素修饰的金壳磁性微球富集检测细菌的应用原理图。
图7为万古霉素修饰的金壳磁性微球在溶液中捕获大肠杆菌的电子显微镜图谱。
图8为万古霉素修饰的金壳磁性微球应用于溶液中大肠杆菌检测的SERS图谱。
具体实施方式
以下实施将结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
一种高性能金壳磁性微球的制备：
图1给出高性能金壳磁性微球的制备流程示意图。其具体的制备方法分为以下四步：第一步，采用溶剂热合成法合成Fe3O4微球。取1.35克六水合三氯化铁溶解在40毫升乙二醇中，磁力搅拌30分钟。然后加入2.7克无水醋酸钠和1克聚乙二醇8000到该溶液中并搅拌直至反应物完全溶解。然后，将混合物转移至聚四氟乙烯内胆的高压釜(50毫升容量)中并加热到200℃反应8-48小时。反应结束后磁收集产物，分别用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后将产物60℃真空干燥6小时，得到Fe3O4微球干粉备用。
第二步，合成的Fe3O4磁性微球表面修饰一层PEI保护层，形成单分散的Fe3O4@PEI磁性微球。具体操作是将Fe3O4磁性微球投入到PEI水溶液中，超声反应15-30分钟。反应完成后磁富集产物，用去离子水洗五遍除去多余PEI。
第三步，将Fe3O4@PEI磁性微球投入到3-5纳米胶体金溶液中，由于PEI带强正电荷可均匀的吸附纳米金颗粒使其固定于磁性粒子表面，形成Fe3O4@PEI-Au seed微球。
第四步，采用种子生长法将Fe3O4@PEI-Au seed微球还原成具有完整金壳的金壳磁性微球(Fe3O4@PEI@Au)。10毫克Fe3O4@PEI-Au seed微球投入到100毫升水溶液中，加入还原剂盐酸羟胺和一定量的1％氯金酸溶液，继续超声5分钟后加入300毫克PVP。磁富集产物，去离子水洗5遍除去PVP，即可获得高质量的金壳磁性微球。
图2A、B、C分别是300纳米Fe3O4磁性微球、Fe3O4@PEI-Au seed磁性微球及Fe3O4@PEI@Au金壳磁性微球的透射电子显微镜图(TEM)，图2D为Fe3O4@PEI@Au金壳磁性微球的扫描电子显微镜图(SEM)，标尺为500纳米。从透射电子显微镜图中可见金壳磁性微球呈单分散状态，金壳均一、连续及表面具有纳米级粗糙。从扫描电子显微镜图中可以清楚的看到金壳是由许多纳米金颗粒堆积而成。
图3显示的是金壳磁性微球的磁滞曲线结果，300纳米Fe3O4磁性内核的饱和磁化强度为73.7emu/g，采用本发明方法制备的金壳磁性微球的饱和磁化强度为42.4emu/g，表明该方法合成的样品具有较好的磁响应能力及超顺磁性。
图4显示的是金壳磁性微球合成过程中各阶段产物的X射线衍射结果，证明了样品的晶型结构是由Fe3O4和Au组成，合成过程中不产生其他杂质。
实施例2
高性能金壳磁性微球的SERS性能表征：
选用常用的拉曼分子对巯基苯甲酸(PATP)来表征金壳磁性微球的SERS性能。PATP具有巯基，与金或银结合后会产生显著的拉曼特征峰。先配置不同浓度的PATP溶液(10-5-10-11M/L)，然后投入合成的金壳磁性微球并混合震荡30分钟，磁分离后将金壳磁性微球浓缩液分散到干净的硅片上，干燥后进行拉曼检测。
图5是实施例2的实验结果。在图5中横坐标是拉曼位移。图5中曲线从上到下分别为高浓度到低浓度的PATP吸附在金壳磁珠上激发出的PATP拉曼图谱。激发波长为785纳米，激发时间20秒，激发功率20％。金壳磁性微球检测PATP的拉曼信号表现出较好的浓度依耐性，且当PATP的浓度低至5×10-11M时仍然可读出其主要拉曼特征峰。这一实验结果证明了金壳磁性微球具有很强的表面拉曼增强能力，可作为磁性SERS基底使用。
实施例3
万古霉素修饰的高性能金壳磁性微球检测溶液中的大肠杆菌：
多肽类抗生素万古霉素与细菌细胞壁作用形成氢键(革兰阳性菌及革兰阴性菌都可以)，因此万古霉素修饰的磁珠可以在溶液中捕获各类细菌。我们将万古霉素修饰的金壳磁性微球投入到含有不同浓度大肠杆菌的溶液中，混合后震荡孵育20分钟，使金壳磁珠充分捕获大肠杆菌，磁富集粒子后直接用拉曼光谱仪进行SERS检测。图6为万古霉素修饰的金壳磁性微球富集检测细菌的应用原理图。
图7是实施例3的透射电镜观察结果，图8是实施例3的实验结果。从图7中可见，利用万古霉素修饰的金壳磁性微球在溶液中可快速捕获大肠杆菌。从图8中可见，万古霉素修饰的金壳磁珠捕获大肠杆菌后作为SERS基底可以激发出明显的大肠杆菌拉曼信号，通过谱峰分析，大肠杆菌在569、655、722、779、869、956、1205、1242、1320、1370、1463、1576、1697cm-1处有拉曼振动峰，与文献报道的基本一致。当大肠杆菌浓度低至106cfu/mL时仍可检测出拉曼信号。该实验结果表明本发明制备的金壳磁性微球可作为高效的磁性SERS基底使用，修饰的金壳磁性微球在溶液中可轻松捕获目标物并作为SERS基底直接检测。
上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高性能金壳磁性微球的制备方法及其SERS应用，其特征在于：所述金壳磁性微球以100-1000纳米四氧化三铁(Fe3O4)微球为核心，以超薄的聚乙烯亚胺(PEI)为多功能夹层，吸附3-5纳米胶体金为种子，并利用种子生长法制备高性能的金壳磁性微球。所述金壳磁性微球同时具有较强的磁响应性、单分散性及均一稳定的金壳，可作为一种高性能的SERS基底进行目标物质的快速检测。
2.根据权利要求1所述的高性能金壳磁性微球的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
1)通过溶剂热合成法合成100-1000纳米Fe3O4磁性微球；
2)在步骤1)合成的Fe3O4磁性微球表面修饰一层阳离子多聚物PEI，制备出单分散的Fe3O4@PEI磁性微球；
3)在步骤2)合成的Fe3O4@PEI磁性微球表面吸附3-5纳米胶体金作为种子，制备出Fe3O4@PEI-Au seed磁性微球；
4)步骤3)合成的Fe3O4@PEI-Au seed复合微球通过“种子生长法”合成出均一稳定的金壳，然后加入高浓度的聚乙烯比咯烷酮(PVP)改善磁性粒子的分散性，最终获得高性能的金壳磁性微球。
3.根据权利要求2所述的高性能金壳磁性微球的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的阳离子多聚物PEI通过超声或机械搅拌自组装在Fe3O4磁性微球表面，PEI溶液浓度为1-10毫克/毫升。
4.根据权利要求2所述的单分散金壳磁性微球的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述Fe3O4@PEI-Au seed磁性微球通过“种子生长法”合成Fe3O4@Au金壳磁性微球时，Fe3O4@PEI-Auseed浓度为0.01-1毫克/毫升，还原剂为盐酸羟胺，在超声条件下快速还原出完整、连续的金壳。
5.根据权利要求1所述的高性能金壳磁性微球的SERS应用，其特征在于：所述金壳磁性微球具有较强的磁响应性、单分散性、均一稳定的金壳和优异的SERS性能，修饰后可在溶液中捕获目标物质，在外部磁场作用下实现目标物的快速富集和分离，并可作为高性能的磁性SERS基底直接进行目标物的痕量检测。
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