一種在多孔材料表面進行表面增強拉曼光譜檢測的方法
2023-05-18 12:21:01 2
專利名稱：一種在多孔材料表面進行表面增強拉曼光譜檢測的方法
技術領域：
本發明屬於化學分析技術領域，特別涉及一種在多孔材料表面進行表面增強拉曼光譜檢測的方法。
背景技術：
自1974年Fleischmann, Van Duyne和Creighton等發現並確定表面增強拉曼散射(SERS)現象後，SERS技術經過幾十年的發展，因其快速、靈敏、對樣品需求量少的優勢，已逐漸成為一個非常活躍的研究領域，在化學、催化、高分子、表面科學、生命科學等領域得到廣泛應用。許多化合物都能產生SERS效應，既有無機分子，又有有機分子，甚至大分子。研究 的最多的是吡啶等雜環化合物，如甲基吡唆、甲基紫、聯吡唆、哌唆、吡嗪、氰基吡唆，它們一般都有較強的SERS效應。一些染料、金屬絡合物、生物分子和無機分子的SERS光譜也被廣泛研究。有些化合物，如水、氨和苯等在某種條件下也能觀察到它們的SERS光譜。SERS檢測中用到的增強基底對其增強因子的大小起到關鍵作用。現今已有關於利用SERS技術進行單分子檢測的報導。傳統的SERS技術採用金屬溶膠作為增強基底，SERS信號的強度和穩定性往往得不到保證。新的穩定的基底的研究是近年來SERS領域的重點，目前已經發展出很多具有良好增強作用的金屬納米顆粒和增強晶片，為低含量物質的快速分析檢測提供了保證。
發明內容
本發明要解決的技術問題就是針對表面增強拉曼光譜檢測的方法增強基底穩定性不高，檢測靈敏度較低的缺陷，提供一種改良的表面增強拉曼光譜檢測的方法，其增強基底穩定性好，檢測靈敏度大大提高，可檢測濃度低至l(T18mol/L的被測物。本發明人經過廣泛的研究和反覆的試驗，發現採用多孔材料和金屬納米顆粒結合作為增強基底，可以使被測物質的拉曼信號得到極大增強，從而提高拉曼分析的靈敏度，實現表面增強拉曼的超靈敏檢測，拓展了現有表面增強拉曼分析技術的檢測方法。本發明的技術方案如下一種在多孔材料表面進行表面增強拉曼光譜檢測的方法，其特徵在於，包括a)將被測物與金屬納米顆粒結合後附著於多孔材料表面，或b)將金屬納米顆粒先附著於多孔材料表面，再將被測物與附著於多孔材料表面的金屬納米顆粒結合；c)然後檢測步驟a)或步驟b)所得材料表面的表面增強拉曼信號。本發明中，所述的多孔材料包括無機多孔材料、有機多孔材料和有機無機雜化材料。所述的多孔材料是微孔(孔徑彡2nm)、介孔(2nm <孔徑< 50nm)或大孔(孔徑彡50nm)的結構，都可以適用於本發明。這些多孔材料可以包括矽膠類多孔材料、丙烯醯胺類多孔材料、甲基丙烯酸酯類多孔材料、聚苯乙烯類多孔材料、金屬多孔材料、陶瓷多孔材料、矽膠多孔材料、包裹式多孔材料、開孔型橡膠、塑料多孔材料。所述的多孔材料優選甲基丙烯酸酯類、矽膠類。本發明中，選擇的金屬納米顆粒應該具有良好的表面增強拉曼效果，可以選自金納米顆粒、銀納米顆粒、銅納米顆粒和過渡金屬納米顆粒。納米顆粒的粒徑為l_500nm。步驟a)中，被測物與金屬納米顆粒結合的方法可以是本領域常規，將被測物水溶液和金屬納米顆粒溶膠在一定條件下混合即可。被測物和金屬納米顆粒結合時可以採用化學或物理方法促進結合。步驟a)中，將被測物與金屬納米顆粒結合的產物附著於多孔材料表面的方法，較佳的包括將該產物溶液滴加加於多孔材料表面，滴加的速度較佳的為I滴/小時-30000滴/小時，以保證金屬納米顆粒能附著在多孔材料表面。步驟b)中，將金屬納米顆粒附著於多孔材料表面的方法較佳的包括將金屬納米 顆粒溶膠滴加於多孔材料表面，滴加的速度較佳的為I滴/小時-30000滴/小時，以保證金屬納米顆粒能附著在多孔材料表面。步驟b)中，將被測物與附著於多孔材料表面的金屬納米顆粒結合的方法，也是包括將被測物水溶液膠滴加於步驟a)所得的多孔材料表面，滴加的速度較佳的為I滴/小時-30000滴/小時。步驟c)中所述的檢測步驟a)或步驟b)所得材料表面的表面增強拉曼信號的方法是常規方法，將雷射聚焦到被測物表面，讀取光譜數據即可。本發明的被測物可以是水溶性的化學、生物樣品。本方法可以用於化學、生物樣品的檢測。本發明所用的原料或試劑除特別說明之外，均市售可得。相比於現有技術，本發明的有益效果如下(I)本發明採用多孔材料，利用多孔材料的表面形態及其特有的孔結構，使金屬納米顆粒和被測分子得以附著並產生SERS信號，實現對低濃度甚至單分子被測物質的檢測。(2)本發明能實現極低含量物質的快速檢測，在實施例I中所述的方法能夠檢測濃度低至10_18mol/L的羅丹明6G(R6G)。本發明在保持了表面增強拉曼光譜分析方法簡單快速和適合現場分析等優點的前提下，有效地提高了檢測靈敏度，達到對低含量物質進行表面增強拉曼光譜檢測的目的。(3)本發明採用的多孔材料來源廣泛、使用方便，能廣泛適用於化學及生物樣品的檢測。(4)本發明對被測物樣品的需求量少，可以低至微升級，能滿足微量物質的檢測。
以下結合
本發明的特徵和有益效果。圖I是在多孔材料表面進行表面增強拉曼光譜檢測的技術路線示意圖。圖2是R6G的SERS譜圖及聚甲基丙烯酸酯整體柱的拉曼光譜。其中a為10_9mOl/L的R6G溶液的SERS信號；b為10_18mOl/L的R6G結合銀溶膠後附著在整體柱上的SERS信號；c為整體柱的拉曼信號。圖3是R6G的SERS譜圖及矽膠整體柱的拉曼光譜。其中a為10_9mol/L的R6G溶液的SERS信號；b為10_14mOl/L的R6G結合金溶膠後附著在矽膠整體柱上的SERS信號；c為矽膠整體柱的拉曼信號。圖4是胸腺嘧啶的SERS譜圖及聚甲基丙烯酸酯整體柱的拉曼光譜。其中a為胸腺嘧啶固體的拉曼信號山為ΙΟΛιοΙ/Ι的胸腺嘧啶結合銀溶膠後附著在聚甲基丙烯酸酯整體柱上的SERS信號；c為聚甲基丙烯酸酯整體柱的拉曼信號。圖5是羅丹明6G的SERS譜圖及聚甲基丙烯酸酯整體柱的拉曼光譜。其中a為_9mol/L的R6G溶液的SERS信號；b為10_15mOl/L的R6G直接滴加在附著了銀溶膠的整體柱上的SERS信號；c為整體柱的拉曼信號。
具體實施例方式以下提供本發明一種在多孔材料表面低濃度羅丹明6G(R6G)的表面增強拉曼光譜檢測的具體實施方式
，用以進一步說明本發明，但本發明並不受其限制。其中未註明具體 條件的實驗方法，通常按照常規條件，或按照製造廠商所建議的條件。本發明中所述的「室溫」是指實驗操作間的溫度，一般為25 °C。實施例I在色譜分析中常用的整體柱是有機多孔材料的一種，具有一定表面形貌和孔徑，下面以聚甲基丙烯酸酯整體柱，結合納米銀溶膠，用於低濃度羅丹明6G(R6G)的表面增強拉曼檢測為例，並結合附圖對本發明作進一步說明。操作過程參見圖1，實驗結果參見圖2。(I)聚甲基丙烯酸酯整體柱聚甲基丙烯酸酯整體柱的合成稱取(單體)甲基丙烯酸縮水甘油酯GMAI. 2960g,(交聯劑)二甲基丙烯酸乙二酯EDMA O. 8640g,(引發劑)過氧化苯甲醯BPO
O.0216g，(致孔劑)十二醇O. 5184g和環己醇2. 7216g，倒入長8cm直徑I. 5cm的直型塑料模具中，通氮氣至BPO完全溶解。隔絕空氣放入60°C烘箱中，恆溫反應24h。從烘箱中取出 直型模具，用10倍柱體積的乙醇和10倍柱體積的超純水完全洗去致孔劑，即可得到整體柱材料。(2)納米銀溶膠取18mg的硝酸銀溶於IOOmL的超純水中，將其加熱至沸騰後不斷攪拌硝酸銀溶液，同時逐滴緩慢加入3mL檸檬酸鈉溶液(I % )，滴加完成後，繼續不斷攪拌並保持溶液沸騰10分鐘，之後停止加熱，自然冷卻至室溫，得到呈灰色的銀溶膠。保存於棕色廣口瓶中。該納米銀顆粒粒徑是50nm左右。(3)羅丹明6G(R6G)吸附於納米銀溶膠上取2mL濃度為10_18mOl/L的R6G水溶液，加入ImL上述步驟⑵所得的納米銀溶膠和500 μ L濃度為100mmol/L的NaCl溶液，混合均勻。(4)納米銀顆粒附著於整體柱材料上取2mL上述步驟(3)所得的吸附了 R6G的納米銀溶膠，滴加(滴加速度為60滴/小時)到上述步驟(I)所得的整體柱材料表面，納米銀顆粒會滯留在材料表面而其餘液體則順著整體柱材料中的孔洞流出。(5) SERS 檢測選用的拉曼激發波長為785nm，將雷射聚焦於上述步驟(4)所得的整體柱材料表面，採集時間15s，雷射強度lOOmW。最終可以得到清晰的R6G SERS譜峰。整體柱材料上R6G的SERS信號與R6G溶液的SERS信號能完全對應。雖然能觀察到整體柱材料的拉曼信號，但完全不幹擾R6G的譜峰識別，實驗結果參見圖2。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。實施例2在色譜分析中常用的整體柱是有機多孔材料的一種，具有一定表面形貌和孔徑，下面以矽膠整體柱，結合納米金溶膠，用於低濃度羅丹明6G(R6G)的表面增強拉曼檢測為例，並結合附圖對本發明作進一步說明。操作過程參見圖1，實驗結果參見圖3。(I)矽膠整體柱
將聚乙二醇(PEG)與四甲氧基矽烷(TMOS)以一定比例混合，溶於乙酸溶液中。在冰浴下攪拌40min，使其均勻混合。混合物經超聲脫氣後，注入長IOcm直徑I. Ocm的直型塑料模具中。於40°C下，靜置2hr凝膠化。同樣溫度下陳化24hr。然後用氨水熱處理。溼矽膠柱分別用6300. OOmg · T1HNO3、水和60% (體積比)的N，N- 二甲基甲醯胺水溶液浸泡。溼矽膠柱經60°C恆溫乾燥10hr，700°C灼燒2hr後，即得矽膠整體柱。(2)納米金溶膠在冰浴條件下，邊攪拌邊將IOOmL濃度為5X 10_3mol/L的HAuCl4溶液緩慢加入300mL濃度為2 X 10^3mol/L的NaBH4溶液中。之後逐滴加入50mLPVA溶液(I % )，滴加完成後，繼續不斷攪拌並保持溶液沸騰I小時，之後停止加熱，自然冷卻至室溫，得到呈紅色的金溶膠,粒徑在30nm左右。(3)羅丹明6G(R6G)吸附於納米金溶膠上取2mL濃度為10_14mOl/L的R6G水溶液，加入ImL上述步驟⑵所得的納米金溶膠和500 μ L濃度為100mmol/L的NaCl溶液，混合均勻。(4)納米金顆粒附著於整體柱材料上取2mL上述步驟(3)所得的吸附了 R6G的納米金溶膠，滴加(滴加速度為60滴/小時)到上述步驟(I)所得的矽膠整體柱材料表面，納米金顆粒會滯留在材料表面而其餘液體則順著整體柱材料中的孔洞流出。(5) SERS 檢測選用的拉曼激發波長為785nm，將雷射聚焦於上述步驟(4)所得的整體柱材料表面，採集時間10s，雷射強度200mW。最終可以得到清晰的R6G SERS譜峰。整體柱材料上R6G的SERS信號與R6G溶液的SERS信號能完全對應。矽膠整體柱材料幾乎沒有拉曼信號，不會干擾R6G的譜峰識別，實驗結果參見圖3。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。實施例3在色譜分析中常用的整體柱是有機多孔材料的一種，具有一定表面形貌和孔徑，下面以聚甲基丙烯酸酯整體柱，結合納米銀溶膠，用於低濃度胸腺嘧啶的表面增強拉曼檢測為例，並結合附圖對本發明作進一步說明。操作過程參見圖1，實驗結果參見圖4。(I)聚甲基丙烯酸酯整體柱聚甲基丙烯酸酯整體柱的合成稱取(單體)甲基丙烯酸縮水甘油酯GMAI. 2960g,(交聯劑)二甲基丙烯酸乙二酯EDMA O. 8640g,(引發劑)過氧化苯甲醯BPO
0.0216g，(致孔劑)十二醇O. 5184g和環己醇2. 7216g，倒入長8cm直徑I. 5cm的直型塑料模具中，通氮氣至BPO完全溶解。隔絕空氣放入60°C烘箱中，恆溫反應24h。從烘箱中取出直型模具，用10倍柱體積的乙醇和10倍柱體積的超純水完全洗去致孔劑，即可得到整體柱材料。(2)納米銀溶膠
取18mg的硝酸銀溶於IOOmL的超純水中，將其加熱至沸騰後不斷攪拌硝酸銀溶液，同時逐滴緩慢加入3mL檸檬酸鈉溶液(I % )，滴加完成後，繼續不斷攪拌並保持溶液沸騰10分鐘，之後停止加熱，自然冷卻至室溫，得到粒徑為50nm左右呈灰色的銀溶膠。(3)胸腺嘧啶吸附於納米銀溶膠上取2mL濃度為10_8mol/L的胸腺嘧啶水溶液，加入ImL上述步驟⑵所得的納米銀溶膠和500 μ L濃度為100mmol/L的NaCl溶液，混合均勻。(4)納米銀顆粒附著於整體柱材料上取2mL上述步驟(3)所得的吸附了胸腺嘧啶的納米銀溶膠，滴加(滴加速度為150滴/小時)到上述步驟(I)所得的整體柱材料表面，納米銀顆粒會滯留在材料表面而其餘液體則順著整體柱材料中的孔洞流出。(5) SERS 檢測選用的拉曼激發波長為785nm，將雷射聚焦於上述步驟(4)所得的整體柱材料表面，採集時間10s，雷射強度300mW。最終可以得到清晰的胸腺嘧啶SERS譜峰。整體柱材料上胸腺嘧啶的SERS信號與胸腺嘧啶固體的拉曼信號能基本對應。聚甲基丙烯酸酯整體柱材料的拉曼信號不會干擾胸腺嘧啶的譜峰識別，實驗結果參見圖4。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。實施例4在色譜分析中常用的整體柱是有機多孔材料的一種，具有一定表面形貌和孔徑，下面以聚甲基丙烯酸酯整體柱，結合納米銀溶膠，用於低濃度羅丹明6G(R6G)的表面增強拉曼檢測為例，並結合附圖對本發明作進一步說明。操作過程參見圖1，實驗結果參見圖5。(I)聚甲基丙烯酸酯整體柱聚甲基丙烯酸酯整體柱的合成稱取(單體)甲基丙烯酸縮水甘油酯GMA
1.2960g,(交聯劑)二甲基丙烯酸乙二酯EDMA O. 8640g,(引發劑)過氧化苯甲醯BPO
O.0216g，(致孔劑)十二醇O. 5184g和環己醇2. 7216g，倒入長8cm直徑I. 5cm的直型塑料模具中，通氮氣至BPO完全溶解。隔絕空氣放入60°C烘箱中，恆溫反應24h。從烘箱中取出直型模具，用10倍柱體積的乙醇和10倍柱體積的超純水完全洗去致孔劑，即可得到整體柱材料。(2)納米銀溶膠
取18mg的硝酸銀溶於IOOmL的超純水中，將其加熱至沸騰後不斷攪拌硝酸銀溶液，同時逐滴緩慢加入3mL檸檬酸鈉溶液(I % )，滴加完成後，繼續不斷攪拌並保持溶液沸騰10分鐘，之後停止加熱，自然冷卻至室溫，得到呈灰色的銀溶膠，粒徑為50nm左右。(3)納米銀溶膠附著在整體柱上將2mL上述步驟⑵所得的納米銀溶膠滴加(滴加速度為60滴/小時)到上述步驟(I)所得的整體柱上，納米銀顆粒會滯留在材料表面而其餘液體則順著整體柱材料中的孔洞流出。⑷R6G吸附在附著於整體柱材料表面的納米銀顆粒上取500 μ L濃度為10_15mol/L的R6G溶液，滴加(滴加速度為100滴/小時)到上述步驟(3)所得的附著了納米銀溶膠的整體柱材料表面，R6G分子會吸附在納米銀顆粒上。 (5) SERS 檢測選用的拉曼激發波長為785nm，將雷射聚焦於上述步驟(4)所得的整體柱材料表面，採集時間15s，雷射強度150mW。最終可以得到清晰的R6G SERS譜峰。整體柱材料上R6G的SERS信號與R6G溶液的SERS信號能完全對應。整體柱材料的拉曼信號完全不幹擾R6G的譜峰識別，實驗結果參見圖5。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種在多孔材料表面進行表面增強拉曼光譜檢測的方法，其特徵在於，包括 a)將被測物與金屬納米顆粒結合後附著於多孔材料表面，或 b)將金屬納米顆粒先附著於多孔材料表面，再將被測物與附著於多孔材料表面的金屬納米顆粒結合； c)然後檢測步驟a)或步驟b)所得材料表面的表面增強拉曼信號。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述的多孔材料是微孔、介孔或大孔結構的材料。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述的多孔材料選自矽膠多孔材料、丙烯醯胺多孔材料、甲基丙烯酸酯多孔材料、聚苯乙烯多孔材料、金屬多孔材料、陶瓷多孔材料、包裹式多孔材料、開孔型橡膠和塑料多孔材料。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述的金屬納米顆粒選自金納米顆粒、銀納米顆粒、銅納米顆粒和過渡金屬納米顆粒。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述的金屬納米顆粒的粒徑為l_500nm。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟a)中，被測物與金屬納米顆粒結合的方法包括將被測物水溶液和金屬納米顆粒溶膠在一定條件下混合即可。
7.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟a)中，將被測物與金屬納米顆粒結合的產物附著於多孔材料表面的方法包括將該產物溶液滴加加於多孔材料表面。
8.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟b)中，將金屬納米顆粒附著於多孔材料表面的方法包括將金屬納米顆粒溶膠滴加於多孔材料表面。
9.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟b)中，將被測物與附著於多孔材料表面的金屬納米顆粒結合的方法包括將被測物水溶液滴加於步驟a)所得的多孔材料表面。
10.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述的被測物是水溶性的化學、生物樣品。
全文摘要
本發明公開了一種在多孔材料表面進行表面增強拉曼光譜檢測的方法，包括a)將被測物與金屬納米顆粒結合後附著於多孔材料表面，或b)將金屬納米顆粒先附著於多孔材料表面，再將被測物與附著於多孔材料表面的金屬納米顆粒結合；c)然後檢測步驟a)或步驟b)所得材料表面的表面增強拉曼信號。本發明採用多孔材料和金屬納米顆粒結合作為增強基底，可以使被測物質的拉曼信號得到極大增強，實現表面增強拉曼的超靈敏檢測甚至單分子被測物質的檢測。檢測濃度低至10-18mol/L，對被測物樣品的需求量少，可以低至微升級，能滿足微量物質的檢測。
文檔編號G01N21/65GK102841085SQ20111017359
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者杜一平, 李青青, 唐慧容, 汪宣, 陳貴平, 吉布仁·伊克巴爾, 張維冰 申請人:華東理工大學