一種金納米棒薄膜的製備方法及其傳感應用與流程

2024-03-29 02:02:05 1

本發明屬於材料化學和分析化學領域，具體涉及一種金納米棒薄膜的製備方法及其傳感應用。

背景技術：

金納米棒是一種尺度從幾納米到上百納米的棒狀金納米顆粒。金納米顆粒具有非常豐富的物理化學性質。金納米棒的表面等離子體共振波長可以隨棒的長徑比變化而發生位移，從可見到近紅外區域連續可調，同時具有極高的表面電場強度增強效應，極大的光學吸收、散射截面，以及從50%到100%連續可調的光熱轉換效率。由於它獨特的光學、光電、光熱、光化學、以及分子生物學性質，金納米棒在材料科學界正受到強烈的關注，並引發眾多材料學家、生物化學家、醫學家、物理學家、微電子工程師等科研工作者對之進行廣泛和深入的研究。

在分析化學領域，金納米棒在DNA分子檢測、可視化傳感、癌症治療和醫學成像中得到廣泛應用。比如，在DNA分子檢測方面，人們發現長徑比大於13的金納米棒有兩個特徵螢光發射帶：較強的743 nln和較弱的793 nm。因為長徑比大的金納米棒比長徑比小的金納米棒有更高的螢光效率，將大長徑比的金納米棒用DNA分子標記，通過測量這種標記金納米棒溶液的螢光強度變化來觀察金納米棒上DNA探針分子與 目標DNA分子的雜交情況，從而實現對DNA雜交的檢測。在癌症治療方面， Li 等人在體外利用兩種不同長徑比的金納米棒探針同時對兩個待測癌細胞進行了檢測和光熱治療。Durr等人利用雙光子發光成像技術，用金納米棒作造影劑來探測癌細胞。在可視化傳感方面，Guo等人利用金納米棒的獨特光學性質構建了一系列能產生多色變化的可視化傳感器。

需要指出的是，上述金納米棒的應用大部分是在溶液中進行的。利用固定在固相基質中的金納米棒來進行分析傳感的報導相對較少。其中最大的一個問題之一就是如何獲得高密度同時又能保持金納米棒優異物理化學性質的固相材料。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術不足，提供一種金納米棒薄膜的製備方法及其傳感應用，該金納米棒薄膜製備包括以下步驟：

（1）合成均一性好的金納米棒水溶液；

（2）瓊脂糖水溶液的配製：稱取瓊脂糖放入二次蒸餾水中，加熱至90℃使之全部溶解，得到瓊脂糖水溶液；

（3）金納米棒-瓊脂糖水凝膠的製備：將步驟（2）中配製的瓊脂糖水溶液冷卻至50±10℃，在攪拌下加入步驟（1）製備的金納米棒水溶液，充分混勻後停止攪拌，隨後立即倒入一個平底容器中，控制溶液厚度在1.0±0.5釐米，放置冷卻至室溫後形成金納米棒-瓊脂糖水凝膠；

（4）金納米棒薄膜的形成：將步驟（3）製備的金納米棒-瓊脂糖水凝膠放入真空乾燥箱中，真空度控制在0.1±0.05 Mpa，溫度控制在25±10℃，乾燥48小時，得到厚度小於100微米的金納米棒薄膜。

所述的金納米棒水溶液包括長徑比為1~10的金納米棒。

所述的金納米棒水溶液的濃度為0.5-2 mM（以初始溶液中的氯金酸濃度計）；所述的瓊脂糖水溶液的濃度為0.02g/ml。

步驟（3）中金納米棒水溶液與瓊脂糖水溶液的體積比介於1:10至1:1之間。

上述所製得的金納米棒薄膜的可視化傳感應用包括以下步驟：

（A）製備過氧化氫酶修飾的抗體；

（B）目標物的捕獲：採用抗體-抗原-二抗（過氧化氫酶修飾的抗體）的經典免疫分析方法捕獲目標分子；

（C）酶促反應：加入含有過氧化氫的酶反應底物，在37℃下反應15分鐘；

（D）顯色反應：在步驟（C）中酶反應後的溶液在加入顯色劑和經過切片得到的直徑為3毫米的金納米棒薄膜，室溫反應15分鐘；觀察反應後金納米棒薄膜的顏色，與標準比色卡進行對比，從而確定溶液中目標分子的濃度。

由於金納米棒是在溶液狀態下與瓊脂糖混合，因此當形成瓊脂糖水凝膠時，金納米棒能夠均勻分散在瓊脂糖水凝膠中。在乾燥過程中，由於樣品始終處於凝膠狀態，從而限制了金納米棒的聚集，因此最終得到的金納米棒薄膜具有非常好的均一性，並且由於水凝膠乾燥過程中的收縮作用，金棒的密度可以達到金納米棒溶液中密度的近百倍。同時，由於薄膜中瓊脂糖線性高分子的存在，金棒之間具有很好的單分散性。

本發明的有益效果在於：

（1）製備的金納米棒薄膜均一性好。由於金納米棒是在水溶液中與瓊脂糖水溶液充分混合，而在乾燥過程中由於水凝膠的形成，限制了金納米棒的團聚，因此本方法製備的金納米棒薄膜中金納米棒之間有瓊脂糖分子作為間隔，能夠很好地保持金納米棒單體的物理光學性質；

（2）金納米棒薄膜中金納米棒的密度可調。可以通過調節原始金納米棒溶液的濃度和金納米棒與瓊脂糖用量的配比來控制薄膜中金納米棒的密度；

（3）金納米棒薄膜的厚度可調。可以通過製備水凝膠的厚度來調控最後形成的金納米棒薄膜的厚度；

（4）採用金納米棒薄膜替代傳統比色方法中用到的金納米棒溶液作為顯色底物，可以極大地提高顯色的穩定性，同時也為金納米棒的儲存和運輸帶來便利。

附圖說明

圖1是應用本發明所述方法製備得到的金納米棒的吸收光譜(A)和TEM (B)圖；

圖2是應用本發明所述方法製備得到的金納米棒薄膜照片及其與空白水凝膠、列印紙的對比圖；

圖3是應用本發明所述方法製備得到的納米金棒薄膜檢測癌胚抗原的標準比色圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本發明做進一步說明，但本發明不僅僅限於這些實施例。

實施例1：金納米棒薄膜的製備

以下以製備縱向吸收峰位於750 nm的金納米棒薄膜為例，來闡述本發明的具體實施方法：

1.金納米棒的製備：縱向吸收峰位於750 nm 的金納米棒溶液的製備具體分為以下兩個步驟：

1) 金核的合成：將CTAB溶液（5ml, 0.2M）加入15ml 的玻璃瓶中，放在30℃的水浴鍋中，磁力攪拌。往玻璃瓶中加入4.75ml的水和0.25ml 0.01M的 HAuCl4 溶液。調節磁力攪拌機轉速為1200r/min，將新製冷凍的0.6ml NaBH4加入到上述溶液中，溶液呈棕黃色。持續攪拌兩分鐘後，停止攪拌，將磁力攪棒子從溶液中取出，將此反應液靜置於30℃水浴中30min備用。（製備得到的金核溶液必須在2h使用）

2)納米金棒生長: 將CTAB溶液（125ml, 0.2M）加入250ml的圓底燒瓶中，再加入96.75ml的水。往上述溶液中加入1.5 ml 0.01 M AgNO3溶液,混合均勻，靜置5min，隨後加入10.0 ml 10mM的HAuCl4溶液。劇烈上下振搖反應液後，並加入16 ml 0.01M 的抗壞血酸，混合均勻後，加入500 μL的金核。劇烈震蕩20 s後，室溫靜置8 h，得到縱向吸收峰為750nm的金納米棒，其吸收光譜與透射電鏡圖如附圖1所示。

2.瓊脂糖溶液的配製：稱量1.0g瓊脂糖至50mL水中，加熱至90℃使之全部溶解。

3.金納米棒-瓊脂糖水凝膠的製備：將步驟2中配製的瓊脂糖溶液冷卻至50℃，在攪拌下加入50 mL步驟1製備的金納米棒溶液，充分混勻後停止攪拌，趁熱將溶液倒入一個直徑為15cm的細胞培養皿中，控制溶液厚度為0.8釐米，放置冷卻至室溫後形成金納米棒-瓊脂糖水凝膠；

4.金納米棒薄膜的形成：將步驟3製備的金納米棒-瓊脂糖水凝膠放入真空乾燥箱中，真空度控制在0.05 Mpa，溫度控制在20℃，乾燥48小 時，得到厚度約為70微米的金納米棒薄膜（如圖2所示）。

實施例2：金納米棒薄膜在可視化免疫分析中的應用

以下應用實例以應用本發明所述方法製備的金納米棒薄膜來對血清中癌胚抗原進行可視化檢測，實驗步驟如下：

1.過氧化氫酶修飾的抗體製備：將5mg多克隆抗癌胚抗原抗體與10mg過氧化氫酶在總體積為1ml的0.1 mol/L磷酸鉀緩衝液（pH6.8）中混合；在4℃下對0.1 mol/L磷酸鉀緩衝液（pH6.8）透析過夜；向透析混合液中加入50μl用0.1 mol/L磷酸鉀緩衝液（pH6.8）稀釋的戊二醛溶液（1% m/v），在室溫下輕輕攪拌三小時；加入2 mol/L甘氨酸液使最終濃度達到0.1 mol/L，混合液室溫放置2小時，以封閉殘存的醛基; 混合液在4℃對PBS透析過夜；在4℃下10000 ×g離心30分；將上清移入另一管中，按體積1：1加入甘油，使溶液中甘油的終濃度為50%；製備好的過氧化氫酶修飾的抗體置於-20℃條件下保存備用；

2.目標物的捕獲：以商品化ELISA試劑盒為基礎（abcam, ab183365），從室溫平衡20min後的鋁箔袋中取出所需板條，設置標準品孔和樣本孔，標準品孔各加不同濃度的標準品50μL；待測樣本孔先加待測樣本10μL，再加樣本稀釋液40μL；隨後標準品孔和樣本孔中每孔加入過氧化氫酶（CAT）標記的檢測抗體100μL，用封板膜封住反應孔，37℃水浴溫育60min。棄去液體，吸水紙上拍幹，每孔加滿洗滌液，靜置1min，甩去洗滌液，吸水紙上拍幹，如此重複洗板5次；

3.酶促反應：每孔加入酶反應底物100μL（8.5 mM H2O2， 0.1 M pH 7.8的磷酸鹽緩衝液），37℃避光孵育15min，每孔加入50μL 2M HCl終止液終止酶反應；

4.顯色反應：將金納米棒薄膜切片成直徑為3毫米的圓片，往每個孔中加入一片，另外每孔中加入15 μL 20 mM FeSO4，室溫反應15分鐘。觀察反應後金納米棒薄膜的顏色，與標準比色卡進行對比（附圖3），從而確定溶液中目標分子的濃度。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。