一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底及其製備方法
2023-04-30 20:41:36
一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底及其製備方法
【專利摘要】一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底及其製備方法，該基底為瓊脂糖凝膠與金屬納米粒子的複合結構，金屬納米粒子沉積在瓊脂糖凝膠的網狀結構中，所述金屬納米粒子為金納米顆粒，直徑為2nm~5nm；所述瓊脂糖凝膠的網狀結構是由1%~3%質量分數的瓊脂糖溶液凝結而成，凝膠厚度為1~3mm。配置濃度為5μm的膠體金溶液；將瓊脂糖凝膠膜浸泡於膠體金溶液中，金納米粒子擴散至瓊脂糖凝膠膜的網狀結構內，製得基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底。瓊脂糖凝膠為膠體金顆粒的富集提供了一個天然的多孔模板，金納米顆粒和負載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學吸收特性。
【專利說明】一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米材料學和分子傳感【技術領域】，具體涉及一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底及其製備方法。
【背景技術】
[0002]表面增強拉曼光譜是一種方便的振動光譜方法，可對低含量分析物進行靈敏的檢測。第一次被應用是在粗糙電極上檢測吡啶，現在已經發展到傳感和成像，單分子檢測，並發展為超快無損傷檢測。SERS突破了傳統拉曼散射存在的散射截面低而帶來的瓶頸，避免了螢光光譜成像中存在的光漂白以及螢光標記的毒性等問題，是當前國際上備受矚目的研究焦點，已成功地應用於材料分析、生物分子探測、蛋白質相互作用研究等領域。SERS技術由於具有可以避免螢光標記中的光漂白，降低對細胞的毒性，提供豐富的光譜信息等優勢，成為人們研究的熱點。
[0003]SERS研究的重點在於增強拉曼效率的增加，因此拉曼增強基質的研究具有深遠的應用意義。增強基質一般為電子漿材料(金、銀、銅)，研究主要集中在發展可以應用在SERS中的新的電子漿材料，研究已有電子漿材料形貌、尺寸、組裝等方面對拉曼增強效率的影響，如:固相基底表面納米顆粒的組裝、溶液中納米顆粒的團聚、模板法製備的納米顆粒、納米顆粒陣列等，將納米材料引入到高分子聚合物中可得到新型的複合功能材料，這種複合材料兼有納米和聚合物的雙重優異性能。常用的製備方法有:直接分散法(共混法)、原位合成法、聚合物原位聚合法、模板法。這種納米複合結構可以綜合材料自身的特性、納米尺度效應以及由於組合效應所引起的新功能於一身，從而能夠具有單一納米材料所不具備的特殊性能。
[0004]瓊脂糖是從石花菜、江蘺菜及紫菜等海藻類植物中提取出來的直鏈多糖，基本結構是1，3連結的β -D半乳呋喃糖和1，4連結的3，6-脫水a -L-半乳呋喃糖。瓊脂糖在水中一般加熱到90°C以上溶解，溫度下降到35V -40°C時形成良好的半固體狀的凝膠，這是它具有多種用途的主要特徵和基礎。瓊脂糖的凝膠性是由存在的氫鍵所致，凡是能破壞氫鍵的因素都能導致凝膠性的破壞。通過改變瓊脂糖的濃度可控制瓊脂糖凝膠的孔徑大小，正是由於瓊脂糖這種特殊的膠凝性質，尤其有顯著的穩固性、滯度和滯後性，並且易吸收水分，有特殊的穩定效應，已經廣泛使用於食用、醫藥、化工、紡織、國防等領域。近來，以瓊脂糖凝膠為模板來製備多孔的無機複合材料成為新的研究熱點。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於利用上述複合材料的優勢以及瓊脂糖凝膠特性，提供一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底及其製備方法，在傳統SERS基底的基礎上提供一種新型固相基底，並根據納米金顆粒濃度、尺寸、形貌，適當調節瓊脂糖凝膠的含水量，使電場增強因子達到一定的增大，製備方法簡便，條件易控制。
[0006]為了達到上述目的，本發明採用的技術方案為:一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底，該基底為瓊脂糖凝膠與金屬納米粒子的複合結構，金屬納米粒子沉積在瓊脂糖凝膠的網狀結構中，所述金屬納米粒子為金納米顆粒。
[0007]所述瓊脂糖凝膠的網狀結構是由1%~3%質量分數的瓊脂糖溶液凝結而成，凝膠厚度為3 mm。
[0008]所述金納米顆粒的直徑為2nnT5nm。
[0009]上述基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底的製備方法，包括如下步驟:
1)製備膠體金溶液:將金屬納米粒子溶於超純水中，得到濃度為5μM的膠體金溶液；
2)製備瓊脂糖凝膠膜:將瓊脂糖粉末加入超純水中，加熱至99°C，配成質量分數1%~3%的瓊脂糖溶液，冷卻到25°C，凝結為f 3mm厚的瓊脂糖凝膠，然後製成直徑為Icm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜；
3)將步驟2)得到的瓊脂糖凝膠膜浸泡於膠體金溶液中，浸泡時間36-50h，金納米顆粒擴散至瓊脂糖凝膠膜的網狀結構內，形成瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜，即製得基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底。
[0010]步驟I)中的金屬納米粒子為金納米顆粒,金納米顆粒的直徑為2nnT5nm。金屬納米粒子的製備，利用膠體還原化學的方法，利用NaBH4還原HAuCl4製備GNPs,反應體系中加入K2CO3作為穩定劑和保護劑，使得GNPs能夠均勻分散並穩定存在於水溶液中。
[0011]瓊脂糖凝膠的網孔大小和機械強度可通過調節瓊脂糖濃度獲得，當瓊脂糖溶液的質量濃度在1%~3%範圍時，瓊脂糖凝膠的網孔隨著濃度的增加，網孔密度、空隙變小。金屬納米粒子在瓊脂糖凝膠上的負載主要依靠載體流質的運動。根據納米金顆粒、形態的不同，可選用合適濃度的瓊脂糖凝膠進行負載。瓊脂糖凝膠為膠體金顆粒的富集提供了一個天然的多孔模板，金納米顆粒和負載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學吸收特性。`
[0012]有益效果:在傳統的SERS固相基底的基礎上，提出了瓊脂糖凝膠作為固相基底，可通過改變瓊脂糖的濃度控制瓊脂糖凝膠的孔徑大小。由於瓊脂糖凝膠的溶脹特性，隨著瓊脂糖凝膠在空氣中失水收縮，拉曼「熱點效應」逐漸增強，拉曼吸收峰也逐漸增強。金納米顆粒和負載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學吸收特性(如強的共振吸收、同樣的光譜區域)。瓊脂糖方便易得，進一步提高了 SERS的實用性，並為SERS增強機理的研究提供了技術參考。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1: (a)納米金顆粒的電鏡圖，(b)納米金膠體溶液的紫外-可見-近紅外光譜圖；
圖2是瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合結構的形成過程示意圖；
圖3:(a)瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合結構的電鏡圖，(b)瓊脂糖凝膠在膠體金溶液中浸泡不同時間的紫外-可見-近紅外光譜圖(0-24 h)；
圖4是失水乾燥的瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜的拉曼光譜及其浸泡10_6 M NBA溶液後失水乾燥後的拉曼光譜圖；
圖5:(a)瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜基底檢測10_6 M的NBA隨時間變化的拉曼光譜圖，a.0 min; b.30 min; c.60 min; d.120 min.(b) 592 cnT1 處特徵峰強度隨著時間的變化曲線。
[0014]圖6是以濃度為1%，厚度為2 mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例2)。
[0015]圖7是以濃度為3%，厚度為2 mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例3)。
[0016]圖8是以濃度為2%，厚度為I mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例4)。
[0017]圖9是以濃度為2%，厚度為3 mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例5)。
[0018]圖10是以濃度為1%，厚度為I mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例6)。
[0019]圖11是以濃度為1%，厚度為3 mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例7)。
[0020]圖12是以濃度為3%，厚度為I mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例8)。
[0021]圖13是以濃度為3%，厚度為3 mm的瓊脂糖膜為基底的拉曼光譜圖(實施例9)。
【具體實施方式】
[0022]本發明提供的基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底，採用瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜作為表面增強基底，實現方法簡述如:採用膠體還原化學的方法利用NaBH4還原HAuCl4製備
GNPs (金納米粒子)，反應體系中加AK2CO3作為穩定劑和保護劑，使得GNPs能夠均勻分散並穩定存在於水溶液中。製備質量分數19T3%，f 3mm厚Icm直徑的瓊脂糖凝膠膜，浸泡於金納米顆粒溶膠中，然後浸泡於拉曼信號分子溶液中，與複合材料結合，形成SERS探針。
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明作更進一步的說明。
[0024]實施例1
一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底(瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜)的製備方法，包括如下步驟:
I)製備膠體金溶液:利用NaBH4還原HAuCl4的方法，參考文獻:Ma，Xiaoyuan; Liu,Liangliang; Liu, Fangjing; Qian, ffeiping.Biocatalytically Induced Growth ofGold Nanoshells: Using Enzyme Reaction for the Controllable Fabrication ofNanomaterials.Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2012, 12 (2):870-878。製備2 nm-5 nm的金納米顆粒,具體步驟如下:將I g HAuCl4溶於100 mL純水中配成1%的HAuCl4溶液，4 °C避光保存。取200 mL 4 °C預冷的純水置於磁力攪拌器上不斷攪拌，首先加入3 mL I % HAuCl4溶液，待其在溶液中分散均勻後再加入I mL 0.2 M的K2CO3水溶液，最後快速加入新鮮配製的0.5 mg/mL NaBH4溶液9 mL。溶液由亮黃色變為棕褐色再變為酒紅色。繼續攪拌5 min,得到直徑為2 nm-5 nm的金納米顆粒。離心,清洗,富集,重分散於超純水中。(圖1 (a)納米金顆粒的電鏡圖和(b)納米金膠體溶液的紫外-可見-近紅外光譜圖)，置於4 1:冰箱陳化一到兩周保存備用。
[0025]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.2 g瓊脂糖粉末加入10 mL超純水中(2%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入2 _厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0026]3)將步驟2)得到的瓊脂糖凝膠膜浸泡於膠體金溶液中，浸泡時間48h，金屬納米粒子擴散至瓊脂糖凝膠膜的網狀結構內，形成瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜，每隔6^8h取出測其紫外-可見-近紅外吸收峰，並記錄峰位置及峰強度(圖3b)。從圖中可看出納米金顆粒均勻的分布於瓊脂糖凝膠膜網狀結構中，金納米顆粒和負載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學吸收特性，但金納米顆粒吸收峰位置向長波長方向稍許紅移。
[0027]4)表面增強拉曼檢測:將上述製備得到的瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜浸泡於NBA (拉曼探針分子尼羅藍A)溶液中，以便探針分子充分吸附(圖4)。取出後置於拉曼光譜儀中測其拉曼吸收峰，並記錄隨時間變化所得吸收峰的變化情況(圖5)。由圖4和圖5可看出，瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜放置在空氣中，隨著時間的延長出現一定程度的失水，伴隨著瓊脂糖凝膠的收縮，其體積的縮小使得金納米顆粒之間的距離減小，從而產生「動態熱點效應」。「動態熱點效應」的增強，拉曼吸收峰也逐漸增強。對於拉曼吸收峰較弱的樣品進行分析，拉曼吸收峰的放大，可實現低濃度物質的拉曼光譜檢測。對於混合物樣品的分析，拉曼吸收峰的放大可以對單個峰位進行分析，判斷吸收峰所對應的化學鍵，從而實驗多樣品分析的精確度。
[0028]實施例2
I)同實施例1步驟I。
[0029]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.1 g瓊脂糖粉末加入IOmL超純水中(1%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入2 _厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0030]3)同實施例1步驟3。
[0031]4)將步驟3)製備得到的瓊脂糖凝膠/納米金顆粒複合膜浸泡於NBA溶液中，以便探針分子充分吸附。取出後於空氣`中自然吹乾後置於拉曼光譜儀中測其拉曼吸收峰(圖6)。
[0032]實施例3
I)同實施例1步驟I。
[0033]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.3 g瓊脂糖粉末加入IOmL超純水中(3%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入2 _厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0034]3)同實施例1步驟3。
[0035]4)同實施例2步驟4 (圖7)。
[0036]實施例4
I)同實施例1步驟I。
[0037]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.2 g瓊脂糖粉末加入10 mL超純水中(2%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入Imm厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0038]3)同實施例1步驟3。
[0039]4)同實施例2步驟4 (圖8)。[0040]實施例5
I)同實施例1步驟I。
[0041]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.2 g瓊脂糖粉末加入10 mL超純水中(2%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入3 _厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0042]3)同實施例1步驟3。
[0043]4)同實施例2步驟4 (圖9)。
[0044]實施例6
I)同實施例1步驟I。
[0045]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.1 g瓊脂糖粉末加入IOmL超純水中(1%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入Imm厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0046]3)同實施例1步驟3。
[0047]4)同實施例2步驟4 (圖10)。
[0048]實施例7
I)同實施例1步驟I。
[0049]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.1 g瓊脂糖粉末加入10 mL超純水中(1%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入3 _厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0050]3)同實施例1步驟3。
[0051]4)同實施例2步驟4 (圖11)。
[0052]實施例8
I)同實施例1步驟I。
[0053]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.3g瓊脂糖粉末加入IOmL超純水中(3%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入I _厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I Cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0054]3)同實施例1步驟3。
[0055]4)同實施例2步驟4 (圖12)。
[0056]實施例9
I)同實施例1步驟I。
[0057]2)製備瓊脂糖凝膠膜:稱0.3g瓊脂糖粉末加入10 mL超純水中(3%)，微波爐加熱至完全溶解呈透明狀，趁熱加入3 _厚制膠板中，待冷卻凝結成板狀凝膠，再用打孔器製成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡於超純水中恆溫振蕩，去除膜孔徑中分散的凝膠碎片，每3 h換一次水，備用。
[0058]3)同實施例1步驟3。 [0059] 4)同實施例2步驟4 (圖13)。
【權利要求】
1.一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底，其特徵在於:該基底為瓊脂糖凝膠與金屬納米粒子的複合結構，金屬納米粒子沉積在瓊脂糖凝膠的網狀結構中，所述金屬納米粒子為金納米顆粒。
2.根據權利要求1所述的一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底，其特徵在於:所述瓊脂糖凝膠的網狀結構是由1%~3%質量分數的瓊脂糖溶液凝結而成，凝膠厚度為廣3_。
3.根據權利要求1所述的一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底，其特徵在於:所述金納米顆粒的直徑為2nnT5nm。
4.權利要求1或2所述的一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底的製備方法，其特徵在於包括如下步驟: 1)製備膠體金溶液:將金屬納米粒子溶於超純水中，得到濃度為5μM的膠體金溶液； 2)製備瓊脂糖凝膠膜:將瓊脂糖粉末加入超純水中，加熱，配成質量分數1%~3%的瓊脂糖溶液，冷卻，凝結為13πιπι厚的瓊脂糖凝膠，然後製成直徑為Icm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜； 3)將步驟2)得到的瓊脂糖凝膠膜浸泡於膠體金溶液中，浸泡時間36-50h，金納米粒子擴散至瓊脂糖凝膠膜的網狀結構內，製得基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底。
5.根據權利要求4所述的一種基於瓊脂糖凝膠的表面增強拉曼基底的製備方法，其特徵在於:步驟I)所述 所述金屬納米粒子為金納米顆粒，直徑為2nnT5nm。
【文檔編號】G01N21/65GK103868908SQ201410067782
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】馬小媛, 劉穎, 王周平, 夏雨 申請人:江南大學, 東南大學