本發(fā)明涉及納米材料、生化光譜分析檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)的磁性復(fù)合SERS基底及其制備方法。

背景技術(shù)：

1974年，F(xiàn)leischmann等人發(fā)現(xiàn)利用經(jīng)過粗糙的銀電極作為吡啶分子的載體，后者的拉曼信號(hào)得到了反常、極大的增強(qiáng)(約10⁶倍)。這種與粗糙貴金屬(金、銀及銅)表面有關(guān)的拉曼增強(qiáng)效應(yīng)被稱為表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)。SERS是一種強(qiáng)大的指紋振動(dòng)光譜，具有高靈敏度，高選擇性和快速無損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生化檢測(cè)，傳感器，分析化學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。但所有這些應(yīng)用均限制在金、銀等貴材料研制的SERS基底上才能完成，SERS基底的性能決定了檢測(cè)的靈敏度。目前已發(fā)現(xiàn)兩個(gè)緊鄰的金或銀納米粒子連接處的納米間隙可顯著放大位于納米間隙區(qū)的分析物信號(hào)，這種納米間隙稱為SERS“熱點(diǎn)”。

最近，金或銀修飾的磁性微/納米球作為活性SERS基底引起了大量關(guān)注。金、銀殼包裹的磁性微/納米球可在溶液體系中富集目標(biāo)化合物，并且在外部磁場(chǎng)作用下可迅速清洗、分離及直接用作SERS基底進(jìn)行檢測(cè)。然而，上述金、銀殼包裹的磁性微/納米球還有一些問題亟需解決。首先是在金/銀殼包覆過程中，由于磁性顆粒容易團(tuán)聚，難以獲得具有良好分散性和均勻包覆的核殼復(fù)合顆粒。其次，金/銀殼包覆會(huì)嚴(yán)重減弱磁性顆粒的磁感應(yīng)能力，對(duì)此富集時(shí)問有較大影響。最后，普通的金/銀殼包覆方法難以在磁珠表面形成均勻、穩(wěn)定的熱點(diǎn)，SERS性能不夠理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有磁性SERS基底分散性差，磁響應(yīng)性弱，SERS性能差等問題，提供一種制作簡(jiǎn)便、高分散性、高磁響應(yīng)性、具有多重?zé)狳c(diǎn)的核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)的磁性復(fù)合SERS基底制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：所述核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)的磁性復(fù)合SERS基底(Fe₃O₄@Ag-PEI-Au)納米粒子的核心采用磁性好，單分散的400nm銀殼磁珠，通過PEI自組裝反應(yīng)在銀殼表面形成1.5nm的帶隙，然后通過PEI的多氨基及正電性吸附大量50nm金納 米粒子來形成多重?zé)狳c(diǎn)效應(yīng)。

一種核殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)的磁性復(fù)合SERS基底的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)合成400nm Fe₃O₄磁性微球；

2)在步驟1)合成的400nm Fe₃O₄磁性微球表面修飾陽(yáng)離子多聚物PEI，合成400nm Fe₃O₄@PEI磁性微球；

3)在步驟2)合成的Fe₃O₄@PEI磁性微球表面吸附3nm膠體金，合成Fe₃O₄@PEI-Au磁性微球作為種子；

4)步驟3)合成的Fe₃O₄@PEI-Au磁性微球通過種子介導(dǎo)生長(zhǎng)方法合成Fe₃O₄@Ag磁性微球；

5)在步驟4)合成的Fe₃O₄@Ag磁性微球表面自組裝多聚物PEI，通過控制超聲時(shí)間控制PEI自主裝厚度，形成厚度為1.5nm的PEI多功能間隙層；

6)將50nm金納米顆粒吸附到步驟5)合成的Fe₃O₄@Ag-PEI磁性微球上，得Fe₃O₄@Ag-PEI-Au核-殼-衛(wèi)星三維磁性復(fù)合SERS基底。

步驟(1)所述Fe₃O₄微球的制備方法如下：將0.27g六水合三氯化鐵，2g聚乙二醇6000，5.4g無水乙酸鈉，溶解于80毫升乙二醇溶液中，攪拌直至完全溶解；將上述溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯內(nèi)膽的100mL高溫反應(yīng)釜中，密封后置于鼓風(fēng)恒溫烘箱內(nèi)，在200℃反應(yīng)12h；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫，用磁鐵收集黑色沉淀物，用去離子水和無水乙醇各洗3次，在真空干燥箱內(nèi)于60℃干燥6小時(shí)，得到粉末狀Fe₃O₄微球備用。

步驟(2)所述PEI多聚物溶液濃度為5mg/mL，超聲反應(yīng)時(shí)間為2小時(shí)。

步驟(3)所述3nm膠體金的制備方法如下：200mL含有0.25mM氯金酸及0.25mM檸檬酸鈉的水溶液中加入6mL 0.1M/L硼氫化鈉水溶液，快速攪拌4小時(shí)，即得3nm膠體金溶液。

步驟(3)所述的Fe₃O₄@PEI與3nm膠體金的體積比為1∶500混合，超聲反應(yīng)半小時(shí)，磁富集沉淀后，去離子水清洗3次，即得Fe₃O₄@PEI-Au seed微球。

步驟(4)所述的獲得Fe₃O₄@Ag的還原方法為種子生長(zhǎng)法，F(xiàn)e₃O₄@PEI-Au seed濃度為0.01mg/mL，還原劑為甲醛，催化劑為濃氨水，保護(hù)劑為聚乙烯吡咯烷酮(1mg/mL)，超聲條件下快速還原出銀殼完整、連續(xù)的Ag殼。反應(yīng)溫度為30℃。

步驟(4)所述聚乙烯吡咯烷酮是用來避免核-殼微球的聚集和控制銀殼的生長(zhǎng)，改善粒子分散性。

步驟(5)所述的在Fe₃O₄@Ag微球表面上形成1.5nm間隙的方法為陽(yáng)離子多聚物PEI在Fe3O4@Ag的銀殼表面自主裝反應(yīng)。在5mg/mL的PEI溶液中超聲反應(yīng)15分鐘，可獲得PEI自主裝層為1.5nm的Fe₃O₄@Ag-PEI微球。精確控制超聲時(shí)長(zhǎng)(15-90分鐘)，可使PEI自主裝形成可控的1.5-20nm納米間隙。

所述步驟(5)中，PEI自組裝在Fe₃O₄@Ag表面形成的1.5nmPEI間隙層為多功能結(jié)構(gòu)，陽(yáng)離子多聚物PEI的強(qiáng)正電性及多氨基結(jié)構(gòu)為金納米粒子提供連接位點(diǎn)的同時(shí)亦生成了多熱點(diǎn)的納米間隙。

步驟(6)所述的50nm金納米粒子合成方法為：100mL水溶液中加入1mL1％的氯金酸溶液，煮沸，劇烈攪拌條件下加入1mL1％的檸檬酸鈉溶液，繼續(xù)保存沸騰15分鐘，攪拌下冷卻至室溫。

步驟(6)所述的Fe₃O₄@Ag-PEI上吸附50nm金納米顆粒作為衛(wèi)星部件的實(shí)驗(yàn)條件為：10mL1mg/mL的Fe₃O₄@Ag-PEI溶液加入到200mL 50nm金納米溶液中，超聲反應(yīng)半小時(shí)。磁富集沉淀后，去離子水洗三次，即可得Fe₃O₄@Ag-PEI-Au核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性復(fù)合SERS微球。

所述步驟(6)中，50nm Au納米粒子是通過靜電作用和共價(jià)鍵牢固地組裝到PEI層上。

所述步驟(6)中，多重?zé)狳c(diǎn)主要穩(wěn)定產(chǎn)生于核心部件銀殼磁珠的銀殼與外接金納米粒子之間及金納米粒子與金納米粒子之間的縫隙內(nèi)。

有益效果

核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性復(fù)合SERS基底具有分散性好、磁響應(yīng)性強(qiáng)并且具有多重?zé)狳c(diǎn)效應(yīng)。在該磁性復(fù)合物組成部件中，400nm Fe₃O₄微球提供了足夠的磁性，在制備、洗滌時(shí)，可以方便的使用外加磁鐵收集，避免了使用離心、過濾等繁瑣耗時(shí)的方法。

本發(fā)明使用陽(yáng)離子多聚物PEI輔助制備銀殼磁珠，使用PEI在改善磁珠分散性的同時(shí)吸附3nm金納米粒子，在聚乙烯吡咯烷酮保護(hù)下制備出銀殼完整、連續(xù)的銀殼磁珠。

本發(fā)明充分利用了陽(yáng)離子多聚物PEI在銀殼表面的自組裝作用，銀殼外的PEI層既改善了銀殼磁珠的分散性，又可吸附大量的金納米粒子作為SERS增強(qiáng)熱點(diǎn)。

本發(fā)明通過控制超聲時(shí)間(15-90分鐘)可以精確控制陽(yáng)離子多聚物PEI在銀殼磁珠表面自主裝層的厚度(1.5-20nm)?，F(xiàn)有研究表面兩個(gè)納米球之間小于2nm的縫隙可以形成最強(qiáng)的表面拉曼增強(qiáng)效應(yīng)，PEI層是疏松多孔的多聚物間隙，可以允許小分子進(jìn)入，達(dá)到最強(qiáng)的增強(qiáng)作用。

本發(fā)明在銀殼磁珠外自主裝的1.5nmPEI層具有多氨基及正電性，可通過靜電作用及化學(xué)鍵牢固的將50nm金納米顆粒固定其表面。金納米粒子與銀殼之間及兩個(gè)金納米粒子的縫隙在SERS檢測(cè)中可形成多重?zé)狳c(diǎn)效應(yīng)，顯著提升SERS檢測(cè)的靈敏度。

本發(fā)明制備核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性復(fù)合SERS基底的方法簡(jiǎn)單，所需材料為常見的藥品、試劑，所需儀器為常用試驗(yàn)儀器，成本較低。

本發(fā)明制備的核-殼-衛(wèi)星三維磁性復(fù)合SERS基底作為一種有效的SERS基底在識(shí)別不同的 物質(zhì)和環(huán)境污染物的檢測(cè)初步表現(xiàn)出超強(qiáng)的靈敏性，在化學(xué)、生物等有害物質(zhì)的檢測(cè)上顯示出巨大的應(yīng)用潛力，尤其是配合便攜式拉曼光譜儀在現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為制備核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性復(fù)合SERS基底的實(shí)驗(yàn)流程圖。

圖2為核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性復(fù)合SERS基底制備過程中各階段產(chǎn)物的透射電子顯微鏡圖(TEM)。

圖3為核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性復(fù)合SERS基底的透射電子顯微鏡圖(TEM)和掃描電子顯微鏡圖(TEM)。

圖4為核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性復(fù)合SERS基底中銀殼與表面金納米顆粒間的PEI間隙厚度隨超聲時(shí)間的逐漸變厚的透射電子顯微鏡圖(TEM)。

圖5為銀殼磁珠表面自組裝不同厚度的PEI層對(duì)小分子物質(zhì)對(duì)氨基苯硫酚(PATP)檢測(cè)的SERS圖譜。

圖6為銀殼磁珠表面自組裝1.5nmPEI間隙后吸附不同粒徑衛(wèi)星金納米顆粒(50nm與25nm)對(duì)小分子物質(zhì)對(duì)氨基苯硫酚(PATP)檢測(cè)的SERS圖譜。

圖7為核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性SERS微球用于溶液體系富集/拉曼直接檢測(cè)的示意圖。

圖8為核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性SERS微球用于食品添加劑三聚氰胺檢測(cè)的拉曼光譜圖。

圖9為核-殼-衛(wèi)星三維復(fù)合磁性SERS微球用于污染物異硫氰酸羅丹明B的檢測(cè)的拉曼光譜圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

一種核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性表面拉曼增強(qiáng)微球的制備

圖1給出核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性表面拉曼增強(qiáng)微球的制備流程示意圖。其具體的制備方法分為以下六步：第一步，采用溶劑熱合成法合成400nm Fe₃O₄微球。取2.7g六水合三氯化鐵溶解在80ml乙二醇中，磁力攪拌30分鐘。接著，5.4g醋酸鈉和2g聚乙二醇6000加入到該溶液中并攪拌直至反應(yīng)物完全溶解，然后，將混合物轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)膽的高壓釜(100ml容量)中并加熱到200℃反應(yīng)10小時(shí)。將產(chǎn)物用磁鐵收集，分別用去離子水和乙醇各洗滌3次，最后將產(chǎn)物60℃真空干燥6h，得到400nm Fe₃O₄微球備用。

第二步，采用陽(yáng)離子多聚物PEI修飾400nm Fe3O4微球，使其帶上強(qiáng)正電性。取10mg 400nm Fe₃O₄微球溶解于15mL PEI溶液中(5mg/mL)，超聲反應(yīng)1小時(shí)。磁富集產(chǎn)物，用去離子水洗五遍，除去多余PEI。

第三步，將PEI修飾的400nm Fe₃O₄微球(Fe₃O₄@PEI)與100mL 3nm膠體金溶液混合超聲，3nm膠體金由于靜電作用快速吸附于Fe₃O₄@PEI表面，形成穩(wěn)定的Fe₃O₄@PEI-Au微球。磁富集產(chǎn)物，用去離子水洗兩遍，除去多余3nm膠體金顆粒。

第四步，采用種子生長(zhǎng)法將Fe₃O₄@PEI-Au還原成具有完整銀殼的銀殼磁珠(Fe₃O₄@Ag)。10mg Fe₃O₄@PEI-Au微球投入到200mL聚乙烯吡咯烷酮水溶液中(1mg/mL)，超聲10分鐘使聚乙烯吡咯烷酮充分吸附于Fe₃O₄@PEI-Au微球表面，依次加入6毫克硝酸銀、100微升甲醛溶液及200微升濃氨水，繼續(xù)超聲5分鐘可得銀殼完整、連續(xù)的銀殼磁珠(Fe₃O₄@Ag)。

第五步，利用陽(yáng)離子多聚物PEI在銀殼磁珠表面快速自主裝的特性，通過控制超聲時(shí)間來控制PEI間隙層的厚度。10毫克銀殼磁珠溶解于50毫升PEI溶液中(5mg/mL)，精確控制超聲時(shí)間(15-90分鐘)可控制多聚物PEI在銀殼磁珠表面的厚度(1.5-20nm)。磁富集產(chǎn)物，去離子水洗5遍，待用。

最后，將10毫升1.5nm PEI間隙層的銀殼磁珠加入到200毫升50納米金納米顆粒溶液中，PEI的多氨基及正電性在超聲輔助下快速將50納米金粒子固定在PEI層表面，最終形成核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS復(fù)合基底。

圖2a、2b、2c、2d分別是400nm Fe₃O₄微球、Fe₃O₄@PEI-Au微球、Fe₃O₄@Ag微球及Fe₃O₄@Ag-PEI-Au核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS復(fù)合微球的透射電子顯微鏡圖(TEM)。標(biāo)尺分別為100nm、100nm、500nm與500nm。

圖3(a-c)分別為PEI自主裝在銀殼磁珠表面形成間隙的厚度的高清透射電鏡圖(HRTEM)，標(biāo)尺為100nm。圖3(d-f)分別為圖3(a-c)的局部放大的高清透射電鏡圖，從高分辨透射電鏡中能非常清楚的看到金核表面包覆了一層多聚物外殼，多聚物層的厚度分別為1.5nm、8nm與18nm。

圖4為PEI多聚物層吸附衛(wèi)星納米金粒子的透射電子顯微鏡圖(TEM)與掃描電子顯微鏡圖(SEM)，標(biāo)尺分為500nm與1μm.

實(shí)施例2

檢測(cè)多聚物PEI形成的間隙是否為疏松多孔、能容納小分子進(jìn)入的結(jié)構(gòu)的SERS表征：

合成了PEI自主裝層厚度分別為1.5nm，8nm，18nm的Fe₃O₄@Ag-PEI微球與未修飾的Fe₃O₄@Ag進(jìn)行對(duì)比。選用PATP作為拉曼分子。PATP是常用的巰基拉曼標(biāo)志物，與金或銀結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的化學(xué)增強(qiáng)拉曼特征峰。將合成的四種粒子加入1ml濃度為10^-6M的PATP溶液中混合震蕩30分鐘，磁分離后將粒子濃縮液分散到干凈的硅片上，干燥后進(jìn)行拉曼檢測(cè)。

圖5是實(shí)施例2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖5中橫坐標(biāo)是拉曼位移。圖5中曲線a、b、c和d分別代表PEI自主裝層厚度分別為1.5nm，8nm，18nm的Fe₃O₄@Ag-PEI和未修飾的Fe₃O₄@Ag激發(fā)的PATP拉曼圖譜，PATP化學(xué)增強(qiáng)的特征峰為1142、1388及1432cm^-1，出圖中可以看出，PEI形成的多聚物間隙層不能阻止PATP接觸銀殼磁珠，且多聚物間隙層越厚，PATP分子與銀殼表面接觸的越少。在PEI厚度為1.5nm時(shí)，幾乎不影響PATP分子接觸銀殼。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PEI多聚物自主裝形成的間隙是疏松多孔的結(jié)構(gòu)，可供小分子進(jìn)入。

實(shí)施例3

利用表面衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金納米粒子修飾來提升銀殼磁珠的SERS活性：

將表面修飾了50nm和25nm金納米顆粒的核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS基底與未做修飾的銀殼磁珠進(jìn)行SERS活性的比較。圖6是實(shí)施例3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖6中，曲線b、c分別代表25nm金顆粒與50nm金顆粒修飾的核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)的SERS微球檢測(cè)PATP(10^-11M)的特征峰，曲線a代表普通銀殼磁珠檢測(cè)PATP(10^-9M)的特征峰。這一結(jié)果顯示，25nm金納米顆粒修飾的核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS微球檢測(cè)PATP的檢測(cè)靈敏度比普通銀殼磁珠提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，而50nm金納米顆粒具有最強(qiáng)的SERS活性。

實(shí)施例4

利用核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS基底的增強(qiáng)拉曼光譜方法檢測(cè)食品添加劑三聚氰胺：

將核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS微球加入到不同濃度的三聚氰胺水溶液中，超聲孵育15分鐘，磁富集粒子后直接用便攜式拉曼光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。

圖8是實(shí)施例4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖5中，曲線a、b、c、d、e分別代表核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS微球檢測(cè)濃度為1ppm、100ppb、10ppb、1ppb及0.1ppb三聚氰胺的拉曼圖譜，其中684cm^-1峰是三聚氰胺特征峰的主峰。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS微球檢測(cè)三聚氰胺的檢測(cè)限為0.1ppb，具有非常有效的表面增強(qiáng)拉曼功能。

實(shí)施例5

利用核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS基底的增強(qiáng)拉曼光譜方法檢測(cè)污染物異硫氰酸羅丹明B。

異硫氰酸羅丹明B是一種帶異硫氰鍵的熒光基團(tuán)，可與金、銀材料特異性結(jié)合。將異硫氰酸羅丹明B稀釋配成不同濃度的溶液后，核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS基底投入上述溶液后超聲反應(yīng)15分鐘，磁富集粒子后直接用便攜式拉曼光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。

圖9是實(shí)施例5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖9中可見，利用核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS基底對(duì)異硫氰酸羅丹明B拉曼檢測(cè)的檢測(cè)限為10^-11M。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明核-殼-衛(wèi)星三維結(jié)構(gòu)磁性SERS微球?qū)筛患男》肿泳哂蟹浅Ｓ行У谋砻嬖鰪?qiáng)拉曼活性。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能依此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。