一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底及其制備方法
【專利摘要】一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底及其制備方法，該基底為瓊脂糖凝膠與金屬納米粒子的復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬納米粒子沉積在瓊脂糖凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由1%~3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瓊脂糖溶液凝結(jié)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于膠體金溶液中，金納米粒子擴(kuò)散至瓊脂糖凝膠膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，制得基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)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(fù)載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學(xué)吸收特性。
【專利說明】一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料學(xué)和分子傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面增強(qiáng)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(jìn)行靈敏的檢測。第一次被應(yīng)用是在粗糙電極上檢測吡啶，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到傳感和成像，單分子檢測，并發(fā)展為超快無損傷檢測。SERS突破了傳統(tǒng)拉曼散射存在的散射截面低而帶來的瓶頸，避免了熒光光譜成像中存在的光漂白以及熒光標(biāo)記的毒性等問題，是當(dāng)前國際上備受矚目的研究焦點，已成功地應(yīng)用于材料分析、生物分子探測、蛋白質(zhì)相互作用研究等領(lǐng)域。SERS技術(shù)由于具有可以避免熒光標(biāo)記中的光漂白，降低對細(xì)胞的毒性，提供豐富的光譜信息等優(yōu)勢，成為人們研究的熱點。
[0003]SERS研究的重點在于增強(qiáng)拉曼效率的增加，因此拉曼增強(qiáng)基質(zhì)的研究具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用意義。增強(qiáng)基質(zhì)一般為電子漿材料(金、銀、銅)，研究主要集中在發(fā)展可以應(yīng)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(qiáng)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(tuán)聚、模板法制備的納米顆粒、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復(fù)合功能材料，這種復(fù)合材料兼有納米和聚合物的雙重優(yōu)異性能。常用的制備方法有:直接分散法(共混法)、原位合成法、聚合物原位聚合法、模板法。這種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以綜合材料自身的特性、納米尺度效應(yīng)以及由于組合效應(yīng)所引起的新功能于一身，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(jié)構(gòu)是1，3連結(jié)的β -D半乳呋喃糖和1，4連結(jié)的3，6-脫水a(chǎn) -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征和基礎(chǔ)。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(dǎo)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，正是由于瓊脂糖這種特殊的膠凝性質(zhì)，尤其有顯著的穩(wěn)固性、滯度和滯后性，并且易吸收水分，有特殊的穩(wěn)定效應(yīng)，已經(jīng)廣泛使用于食用、醫(yī)藥、化工、紡織、國防等領(lǐng)域。近來，以瓊脂糖凝膠為模板來制備多孔的無機(jī)復(fù)合材料成為新的研究熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于利用上述復(fù)合材料的優(yōu)勢以及瓊脂糖凝膠特性，提供一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底及其制備方法，在傳統(tǒng)SERS基底的基礎(chǔ)上提供一種新型固相基底，并根據(jù)納米金顆粒濃度、尺寸、形貌，適當(dāng)調(diào)節(jié)瓊脂糖凝膠的含水量，使電場增強(qiáng)因子達(dá)到一定的增大，制備方法簡便，條件易控制。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底，該基底為瓊脂糖凝膠與金屬納米粒子的復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬納米粒子沉積在瓊脂糖凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由1%~3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瓊脂糖溶液凝結(jié)而成，凝膠厚度為3 mm。
[0008]所述金納米顆粒的直徑為2nnT5nm。
[0009]上述基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底的制備方法，包括如下步驟:
1)制備膠體金溶液:將金屬納米粒子溶于超純水中，得到濃度為5μM的膠體金溶液；
2)制備瓊脂糖凝膠膜:將瓊脂糖粉末加入超純水中，加熱至99°C，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~3%的瓊脂糖溶液，冷卻到25°C，凝結(jié)為f 3mm厚的瓊脂糖凝膠，然后制成直徑為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于膠體金溶液中，浸泡時間36-50h，金納米顆粒擴(kuò)散至瓊脂糖凝膠膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合膜，即制得基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)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。金屬納米粒子的制備，利用膠體還原化學(xué)的方法，利用NaBH4還原HAuCl4制備GNPs,反應(yīng)體系中加入K2CO3作為穩(wěn)定劑和保護(hù)劑，使得GNPs能夠均勻分散并穩(wěn)定存在于水溶液中。
[0011]瓊脂糖凝膠的網(wǎng)孔大小和機(jī)械強(qiáng)度可通過調(diào)節(jié)瓊脂糖濃度獲得，當(dāng)瓊脂糖溶液的質(zhì)量濃度在1%~3%范圍時，瓊脂糖凝膠的網(wǎng)孔隨著濃度的增加，網(wǎng)孔密度、空隙變小。金屬納米粒子在瓊脂糖凝膠上的負(fù)載主要依靠載體流質(zhì)的運(yùn)動。根據(jù)納米金顆粒、形態(tài)的不同，可選用合適濃度的瓊脂糖凝膠進(jìn)行負(fù)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(fù)載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學(xué)吸收特性。`
[0012]有益效果:在傳統(tǒng)的SERS固相基底的基礎(chǔ)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。由于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(yīng)”逐漸增強(qiáng)，拉曼吸收峰也逐漸增強(qiáng)。金納米顆粒和負(fù)載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學(xué)吸收特性(如強(qiáng)的共振吸收、同樣的光譜區(qū)域)。瓊脂糖方便易得，進(jìn)一步提高了 SERS的實用性，并為SERS增強(qiáng)機(jī)理的研究提供了技術(shù)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/納米金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成過程示意圖；
圖3:(a)瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)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是失水干燥的瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合膜的拉曼光譜及其浸泡10_6 M NBA溶液后失水干燥后的拉曼光譜圖；
圖5:(a)瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)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 處特征峰強(qiáng)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(fā)明提供的基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底，采用瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合膜作為表面增強(qiáng)基底，實現(xiàn)方法簡述如:采用膠體還原化學(xué)的方法利用NaBH4還原HAuCl4制備
GNPs (金納米粒子)，反應(yīng)體系中加AK2CO3作為穩(wěn)定劑和保護(hù)劑，使得GNPs能夠均勻分散并穩(wěn)定存在于水溶液中。制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)19T3%，f 3mm厚Icm直徑的瓊脂糖凝膠膜，浸泡于金納米顆粒溶膠中，然后浸泡于拉曼信號分子溶液中，與復(fù)合材料結(jié)合，形成SERS探針。
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0024]實施例1
一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底(瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合膜)的制備方法，包括如下步驟:
I)制備膠體金溶液:利用NaBH4還原HAuCl4的方法，參考文獻(xiàn):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。制備2 nm-5 nm的金納米顆粒,具體步驟如下:將I g HAuCl4溶于100 mL純水中配成1%的HAuCl4溶液，4 °C避光保存。取200 mL 4 °C預(yù)冷的純水置于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后再加入I mL 0.2 M的K2CO3水溶液，最后快速加入新鮮配制的0.5 mg/mL NaBH4溶液9 mL。溶液由亮黃色變?yōu)樽睾稚僮優(yōu)榫萍t色。繼續(xù)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,重分散于超純水中。(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)，置于4 1:冰箱陳化一到兩周保存?zhèn)溆谩?br> [0025]2)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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于膠體金溶液中，浸泡時間48h，金屬納米粒子擴(kuò)散至瓊脂糖凝膠膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合膜，每隔6^8h取出測其紫外-可見-近紅外吸收峰，并記錄峰位置及峰強(qiáng)度(圖3b)。從圖中可看出納米金顆粒均勻的分布于瓊脂糖凝膠膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，金納米顆粒和負(fù)載了金納米顆粒的瓊脂糖凝膠膜顯示了相似的光學(xué)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(qiáng)拉曼檢測:將上述制備得到的瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合膜浸泡于NBA (拉曼探針分子尼羅藍(lán)A)溶液中，以便探針分子充分吸附(圖4)。取出后置于拉曼光譜儀中測其拉曼吸收峰，并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/納米金顆粒復(fù)合膜放置在空氣中，隨著時間的延長出現(xiàn)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(chǎn)生“動態(tài)熱點效應(yīng)”?！皠討B(tài)熱點效應(yīng)”的增強(qiáng)，拉曼吸收峰也逐漸增強(qiáng)。對于拉曼吸收峰較弱的樣品進(jìn)行分析，拉曼吸收峰的放大，可實現(xiàn)低濃度物質(zhì)的拉曼光譜檢測。對于混合物樣品的分析，拉曼吸收峰的放大可以對單個峰位進(jìn)行分析，判斷吸收峰所對應(yīng)的化學(xué)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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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)制備得到的瓊脂糖凝膠/納米金顆粒復(fù)合膜浸泡于NBA溶液中，以便探針分子充分吸附。取出后于空氣`中自然吹干后置于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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I Cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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)制備瓊脂糖凝膠膜: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(jié)成板狀凝膠，再用打孔器制成直徑為I cm的圓片，即瓊脂糖凝膠膜，浸泡于超純水中恒溫振蕩，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(quán)利要求】
1.一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底，其特征在于:該基底為瓊脂糖凝膠與金屬納米粒子的復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬納米粒子沉積在瓊脂糖凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，所述金屬納米粒子為金納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底，其特征在于:所述瓊脂糖凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由1%~3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瓊脂糖溶液凝結(jié)而成，凝膠厚度為廣3_。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底，其特征在于:所述金納米顆粒的直徑為2nnT5nm。
4.權(quán)利要求1或2所述的一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底的制備方法，其特征在于包括如下步驟: 1)制備膠體金溶液:將金屬納米粒子溶于超純水中，得到濃度為5μM的膠體金溶液； 2)制備瓊脂糖凝膠膜:將瓊脂糖粉末加入超純水中，加熱，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~3%的瓊脂糖溶液，冷卻，凝結(jié)為13πιπι厚的瓊脂糖凝膠，然后制成直徑為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于膠體金溶液中，浸泡時間36-50h，金納米粒子擴(kuò)散至瓊脂糖凝膠膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，制得基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于瓊脂糖凝膠的表面增強(qiáng)拉曼基底的制備方法，其特征在于: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(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】馬小媛, 劉穎, 王周平, 夏雨 申請人:江南大學(xué), 東南大學(xué)