一种具有表面增强拉曼效应的活性基底及其制备方法和应用与流程

本发明涉及表面增强拉曼光谱技术领域，特别涉及一种具有表面增强拉曼效应的活性基底及其制备方法和应用。

背景技术：

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,SERS)光谱具有选择性好，高灵敏度，对某些分子的灵敏度比常规拉曼光谱高数百万倍的优点，已经在化学、生物学、药理学等各个领域得到广泛的应用。SERS主要是纳米尺度的粗糙表面或颗粒体系所具有的异常光学增强现象，它可以将吸附在材料表面的分子的拉曼信号放大10⁶-10¹⁴倍。因此，对SERS检测分析技术而言，性能良好的SERS活性基底的制备是获得SERS信号的前提。然而，如何简单地制备出增强效果好且具有高度一致性和重复性的活性基底却成为限制SERS发展的主要原因。

目前，通过电化学活化、化学合成、分子组装、真空蒸镀、纳米平板印刷、电子束光刻法等技术，研究者们已经制备出多种类型的SERS活性基底材料。但是，电化学活化、化学合成及分子组装等简便方法制备的表面增强拉曼活性基底重复性较差，难以获得大面积的有序基底，影响检测结果的一致性及有效性；而真空蒸镀、纳米平板印刷、电子束光刻法等技术制备的SERS活性基底通常需要昂贵的仪器设备且制备过程耗时费力。这些SERS活性基底的制备技术存在的问题阻碍了SERS检测分析技术从科学研究到实际应用的快速转化。

基于印刷原理的印刷电子技术被称为一种可以实现大面积和柔性器件制造的重要技术，它可以将一些无机或有机材料进行印刷图案化处理而实现高度有序结构的制造，现有技术如CN 104128615 A中，先引入碳酸盐到Ag纳米颗粒的制备过程中，使获得的银纳米颗粒不规则化，有利于SERS热点的产生，再运用丝网印刷的方式将合成的银纳米颗粒印刷成SERS基底。但是银是一种极容易氧化和硫化的SERS基底，不能长时间保存，而且该专利中制作印刷油墨的方法复杂，还需要加入葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮及乙二醇等来调节油墨的粘度等性质，制备方法较繁琐，基底的化学稳定性不好。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种具有表面增强拉曼效应(SERS)的活性基底及其制备方法和应用，本发明将高浓度金纳米棒溶胶作为印刷表面增强效应的拉曼基底的油墨，它比传统的银溶胶有更好的稳定性，且无需添加其他试剂对金纳米棒的粘度进行调节；再运用丝网印刷技术将高浓度金纳米棒溶胶印刷在带负电的承载材料上制备形成SERS活性基底。该制备方法操作简单，利于SERS活性基底的批量生产，SERS基底的化学稳定性高、结构规整，价格低廉，在应用到SERS检测中时，对待测物的增强能力高，检测重现性好。

第一方面，本发明提供了一种具有表面增强拉曼效应的活性基底(简写为SERS活性基底)的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备十六烷基三甲基溴化铵修饰(简写为CTAB)的金纳米棒的水溶液，并通过离心、去上清液，再用纯水分散，得到浓度为0.2-0.6nmol/L的金纳米棒一次分散液；

(2)对所述金纳米棒一次分散液进行离心浓缩，移除80-99％的上层清液，取下层高浓度金纳米棒分散到适量去离子水中，得到浓度为6-30nmol/L的金纳米棒溶胶，即高浓度金纳米棒印刷油墨；

(3)取具有大小一致的镂空网孔构成的丝网印刷网版，将所述丝网印刷网 版放置于承载材料之上，在所述丝网印刷网版上加入上述高浓度金纳米棒印刷油墨，将所述高浓度金纳米棒印刷油墨印刷在所述承载基材料上，重复上述过程，得到印制有不同层数金纳米棒印刷油墨的基底；之后经自然干燥得到SERS活性基底，其中，所述承载材料为带负电性的薄膜。

优选地，所述带负电性的薄膜包括聚乳酸(或称聚丙交酯)薄膜。

进一步优选地，所述带负电性的薄膜包括左旋聚乳酸(L-PLA，PLLA，聚L-丙交酯)、右旋聚乳酸(PDLA)或外消旋聚乳酸(D,L-PLA)静电纺丝薄膜。

如本发明所述的，步骤(1)中，所述制备十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的金纳米棒的水溶液的方法，可以采用本领域的常规方法进行，例如可以是湿化学合成的晶种生长法，或无晶种生长法等。

优选地，步骤(1)中，所述制备十六烷基三甲基溴化铵修饰的金纳米棒的水溶液的方法为种子生长法。

优选地，步骤(1)中，所述离心的转速为8000-12000r/min。

优选地，步骤(1)中，所述金纳米棒的棒长为30-70nm，其长径比为3-5。

优选地，步骤(1)中，所述离心的转速8000-12000rpm。

优选地，步骤(2)中，所述离心浓缩中，离心的转速为8000-10000rpm。

优选地，步骤(2)中，所述离心浓缩为将所述金纳米棒一次分散液进行离心浓缩10-50倍。即，高浓度金纳米棒印刷油墨的浓度为所述金纳米棒一次分散液的10-50倍。

所述金纳米棒阵列的形状取决于丝网印刷网版上网孔的大小及分布状况所决定，所述金纳米棒通过所述丝网印刷网版的网孔的限制作用分布在圆孔中。网孔的大小控制着金纳米棒的聚集状态和均匀程度，从而控制SERS活性基底的结构规整性。

优选地，步骤(3)中，所述丝网印刷网版中，所述镂空网孔为镂空圆孔，所述镂空圆孔的直径为1-3mm，以n行×m列的方式均匀分布。

进一步优选地，所述n为1-100的整数，所述m为1-100的整数，m和n 取值可以不一样。

在本发明一实施例中，所述n＝4，m＝4。

优选地，所述将所述高浓度金纳米棒印刷油墨印刷在所述承载基材料上，是通过手动或自动丝网印刷设备将所述高浓度金纳米棒印刷油墨印刷在所述承载基材料上。

在本发明一实施例中，所述将所述高浓度金纳米棒印刷油墨印刷在所述承载基材料上，具体为：放下并移动刮墨刀，通过刮墨刀的压力使所述高浓度金纳米棒油墨透过网版圆孔印刷在所述承载材料上。此实施例中，采用的是手动丝网印刷设备。

优选地，所述承载材料上，印制的金纳米棒的层数为3-10层。

优选地，步骤(3)中，所述自然干燥的温度为20-40℃。

本发明第一方面所述的制备方法中，将金纳米棒加工成丝网印刷油墨，再利用丝网印刷技术大批量制备高重复性的SERS活性基底。采用高浓度金纳米棒溶胶作为表面增强效应的SERS增强基底的印刷油墨，它比传统的银溶胶有更好的稳定性，且在油墨的制备中，无需采用乙二醇、羧甲基纤维素钠等额外添加试剂对金纳米棒的粘度进行调节；再运用丝网印刷技术将高浓度金纳米棒溶胶印刷在带负电性的薄膜薄膜上，制备形成SERS活性基底；另外，本发明采用带负电性的薄膜(如聚乳酸PLA静电纺丝薄膜等)作为丝网印刷的承载材料，该承载材料表面带负电性，能与带正电的十六烷基三甲基溴化铵修饰的金纳米棒实现高效结合，也可能是因为静电作用，所以不用调节印刷油墨的粘稠度，也能使带正电的油墨和带负电的承载材料紧密结合，形成稳定性好的、密度高、分布均匀的SERS活性“热点”，形成SERS活性基底。

该制备方法操作简单，无需对高浓度金纳米棒溶胶进行粘度调节等，反应时间短，有利于SERS活性基底的简单、快速、批量生产，同时丝网印刷中所用承载材料的价格低廉，对高浓度金纳米棒溶胶的结合力强，利于形成化学稳定性高、结构规整，价格低廉的SERS基底，实现对传统价格高昂的硅基底的取代 和补充。

第二方面，本发明提供了一种SERS活性基底，所述SERS活性基底是采用本发明第一方面所述的制备方法制得。

优选地，所述SERS活性基底包括带负电性的薄膜和平铺在带负电性的薄膜表面的纵向紧密排列的金纳米棒构成金纳米棒阵列，所述金纳米棒阵列中，金纳米棒的棒长为30-70nm，其长径比为3-5。

优选地，所述带负电性的薄膜包括聚乳酸薄膜。

进一步优选地，所述带负电性的薄膜包括左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和外消旋聚乳酸静电纺丝薄膜中的一种。所述金纳米棒阵列的形状取决于丝网印刷中所用网版上网孔的大小及分布状况所决定，网孔的大小控制着金纳米棒的聚集状态和均匀程度，从而控制SERS活性基底的结构规整性。

本发明中所述带负电性的薄膜表面为疏水，当亲水性的十六烷基三甲基溴化铵修饰的金纳米棒和疏水性的承载材料表面通过正负电荷结合后，由于承载材料表面的电性发生改变，使得承载材料表面的SERS活性位点处变为亲水性，从而使得该SERS活性基底对水溶性待测物具有一定的汇聚效应，以利于低浓度的水溶性分析物的检测。

本发明一实施例中，采用PLLA静电纺丝薄膜作为承载材料，它具有独特的三维纳米纤维结构，所述PLLA静电纺丝薄膜表面为疏水，当亲水性的十六烷基三甲基溴化铵修饰的金纳米棒和疏水性的PLLA纤维表面通过正负电荷结合后，可使得PLLA静电纺丝薄膜表面上的SERS活性位点处变为亲水性，从而使得该SERS活性基底更利于对水溶性待测物的拉曼光谱检测。

本发明第二方面所述的SERS活性基底，其化学稳定性高，该基底上的金纳米棒的排列规则、均一性好。可以将其应用于食品分析、环境分析、药物分析、化学分析和生物分析等领域的表面增强拉曼光谱测试，尤其是水溶性分析物的检测，对待测物的增强能力高，检测重现性好。

第三方面，本发明提供了第一方面制备方法所制得的或第二方面提供的 SERS活性基底在表面增强拉曼散射(SERS)检测中的应用。

所述应用方式具体为：取5-10μl的待测样品，将其滴加到所述SERS活性基底的表面，采用拉曼光谱仪器进行检测，获得待测样品的SERS谱图。

如本发明所述的，所述待测物溶液的浓度无特别限制。

优选地，所述待测样品为水溶性分析物，例如可以是结晶紫、罗丹明6G、孔雀石绿等物质的水溶液。

优选地，所述进行拉曼光谱测试时，使用的激发波长为633nm或785nm。

本发明制备得到的SERS活性基底，其化学稳定性高，该基底上的金纳米棒的排列规则、均一性好，即其表面具有均匀分布的SERS“热点”。当将所述SERS活性基底应用于食品分析、环境分析、药物分析、化学分析和生物分析等领域的表面增强拉曼光谱测试时，对待测物(尤其是水溶性分析物)的增强能力高，检测重现性好。

本发明的有益效果：

1、本发明方法引入了高浓度金纳米棒溶胶作为表面增强效应的拉曼基底，它比传统的银溶胶有更好的稳定性，同时棒状结构有利于表面增强拉曼效应热点的产生，大大提高了传统表面增强拉曼效应的基底的活性和检测限；

2、运用丝网印刷的方式将高浓度金纳米棒溶胶印刷在带负电性的薄膜上形成SERS活性基底。有利于SERS活性基底，该制备方法操作简单、反应时间短，无需采用昂贵设备，利于SERS活性基底的的简单、快速、批量生产；

3、本发明采用带负电性的薄膜(如PLA静电纺丝薄膜)作用丝网印刷的承载材料，能与带正电的十六烷基三甲基溴化铵修饰的金纳米棒实现高效结合，形成稳定性好的、密度高、活性“热点”分布均匀的SERS活性基底；

4、本发明所述SERS活性基底，其化学稳定性高，该基底上的金纳米棒的排列规则、均一性好，可以将其应用于各领域的表面增强拉曼光谱测试中，；

5、本发明所述SERS活性基底在用于表面增强拉曼光谱测试时，表面具有均匀分布的SERS活性位点，对待测物的增强能力高，检测重现性好，尤其是对 水溶性待测物有汇聚效应，提高了检测灵敏度，如对染料结晶紫和兽药孔雀石绿的检测限可达10^-7mol/L。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例中具有表面增强拉曼效应的活性基底(SERS活性基底)的制备方法流程图；

图2是实施例1中六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的金纳米棒的透射电子显微镜(TEM)照片；

图3是实施例1中制得的金纳米棒一次分散液的紫外可见吸收光谱；

图4是实施例1制得的SERS活性基底的实物照片；

图5是实施例1制得的SERS活性基底用于检测结晶紫的拉曼检测结果；

图6是实施例2制得的SERS活性基底用于检测罗丹明6G的拉曼检测结果；

图7是实施例3制得的SERS活性基底用于检测孔雀石绿的拉曼检测结果；

图8为实施例3制得的SERS活性基底对10^-5mol/L的孔雀石绿的检测信号的重复性的考察结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种具有表面增强拉曼效应的活性基底(简写为SERS活性基底)的制备方 法(该方法的制备流程图如图1所示)，包括以下步骤：

(1)利用种子生长法制备十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的金纳米棒的水溶液，具体如下：

a、金种子的合成：将5mL的0.5M的氯金酸溶于5mL的0.2M的阳离子表面活性剂CTAB溶液中，混合均匀，将0.6mL新配置、预冷的0.01M的硼氢化钠溶液快速加到上述溶液中，并强力混合2min，然后室温25℃放置2h，得到金种子溶液；

b、金纳米棒的生长溶液的配置：将0.225mL、0.1M的硝酸银，18mL、5mM的氯金酸溶液加到90mL、0.2M的CTAB溶液中，然后加入10.5mL、10mM的抗坏血酸溶液，充分还原2min，得到金纳米棒的生长溶液；

往上述生长溶液中加入120μL上述步骤(a)配置的金种子，充分搅拌20s后，并于25℃静置12h；12000rpm离心15min，除去上清液，再用10ml纯水分散，得到浓度为0.3nmol/L的金纳米棒一次分散液；

(2)将所述金纳米棒一次分散液进行离心浓缩，所述离心的转速为8000rpm，离心时间15min，移除99％的上层清液，取下层高浓度金纳米棒分散到适量体积的去离子水中，得到浓缩的浓度为30nmol/L金纳米棒溶胶，即高浓度金纳米棒印刷油墨；

(3)制作由大小一致的镂空圆孔构成的丝网印刷网版，所述圆孔的直径为1mm，以4行×4列的方式均匀分布；

将上述丝网印刷网版放置于承载材料(具体为PLLA静电纺丝薄膜)之上，调整网版和承载基底的位置并固定；在丝网印刷网版上加入上述高浓度金纳米棒印刷油墨，放下并移动刮墨刀，通过刮墨刀的压力迫使金纳米棒油墨透过网版印刷在PLLA静电纺丝薄膜上；重复上述过程，在PLLA静电纺丝薄膜上印刷有5层金纳米棒油墨的基底；将印刷好的基底于25℃下自然干燥，得到SERS活性基底。

图2为本发明实施例1中步骤(1)制得的CTAB修饰的金纳米棒一次分散 液的透射电镜图(TEM)，从图2可以看出，所述金纳米棒的粒径比较均一，单分散性良好，棒长为65nm，其长径比为3。图3为CTAB修饰的金纳米棒一次分散液的紫外-可见吸收光谱，从图3可以看出，所制得的金纳米棒的吸收峰主要集中在以810nm为中心的峰，这属于金纳米棒的纵向表面等离子体波长。

图4为本发明实施例1制得的SERS活性基底的实物照片，图4反映了该SERS活性基底的宏观形貌，金纳米棒位于图3中的每个孔内，所述SERS活性基底包括PLLA静电纺丝薄膜和平铺在PLLA静电纺丝薄膜表面的纵向紧密排列的金纳米棒构成的金纳米棒阵列。

实施例2

一种SERS活性基底的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用金种子生长法制备十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的金纳米棒的水溶液，具体操作步骤同实施例1，经离心到浓度为0.3nmol/L的金纳米棒一次分散液；

(2)将所述金纳米棒一次分散液进行离心浓缩，所述离心的转速为9000rpm，离心时间10min，移除80％的上层清液，取下层高浓度金纳米棒分散到适量体积的去离子水中，得到浓缩的浓度为6nmol/L金纳米棒溶胶，即高浓度金纳米棒印刷油墨；

(3)其余操作步骤基本同实施例1，只是丝网印刷网版的圆孔直径为3mm，以5行×5列的方式均匀分布，在在PLLA静电纺丝薄膜上印刷有3层金纳米棒油墨的基底；将印刷好的基底于30℃下自然干燥，得到SERS活性基底。

实施例3

一种SERS活性基底的制备方法，包括以下步骤：

(1)金纳米棒一次分散液的制备同实施例1，得到浓度为0.3nmol/L的金纳米棒一次分散液；

(2)将所述金纳米棒一次分散液进行离心浓缩，所述离心的转速为 10000rpm，离心时间7min，移除90％的上层清液，取下层高浓度金纳米棒分散到适量体积的去离子水中，得到浓缩的浓度为15nmol/L金纳米棒溶胶，即高浓度金纳米棒印刷油墨；

(3)其余操作步骤基本同实施例1，只是丝网印刷网版的圆孔直径为2mm，以4行×5列的方式均匀分布，在在PLLA静电纺丝薄膜上印刷有7层金纳米棒油墨的基底；将印刷好的基底于40℃下自然干燥，得到SERS活性基底。

实施例4

(1)利用金种子生长法制备十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的金纳米棒的水溶液，具体如下：

在50mL的试管或烧杯中加入1mL、5mM的氯金酸溶液，取5mL、0.2M的CTAB水溶液加入其中，轻微搅拌，加入4.5mL超纯水，500μL、0.1M的油酸钠溶液，250μL、4mM的硝酸银溶液，轻微搅拌，加入8μL、37％的浓盐酸，轻微搅拌，加入0.1M的抗环血酸56μL，轻微搅拌，待溶液变至无色，快速加入15μL、0.01M的硼氢化钠溶液，在35℃恒温箱中静置2～3h，得到混合溶液；

并将上述混合溶液通过在12000rpm/min的转速下离心重悬2-3次(即离心、去上清液，再用10ml纯水分散)，除去多余的反应残留物，得到浓度为0.6nmol/L的金纳米棒一次分散液；

(2)将所述金纳米棒一次分散液进行离心浓缩，所述离心的转速为10000rpm，离心时间10min，移除90％的上层清液，取下层高浓度金纳米棒分散到适量体积的去离子水中，得到浓缩的浓度为30nmol/L金纳米棒溶胶，即高浓度金纳米棒印刷油墨；

(3)操作步骤基本同实施例1，得到SERS活性基底，所述SERS活性基底包括PLLA静电纺丝薄膜和平铺在PLLA静电纺丝薄膜表面的纵向紧密排列的金纳米棒构成的金纳米棒阵列，所述金纳米棒阵列中，金纳米棒的棒长为30nm，其长径比为3。

实施例5

一种金纳米棒阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用金种子生长法制备十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的金纳米棒的水溶液，具体如下：

a、金种子的合成：将2.5mL的0.0005M的氯金酸溶于2.5mL的0.2mol/L的CTAB溶液中，混合均匀，将0.3mL新配置、预冷的0.01M的硼氢化钠溶液快速加到上述溶液中，强力混合2min，在室温25℃下放置2h，得金种子；

b、金纳米棒的生长溶液的配置：将0.10mL、0.004mol/L的硝酸银、5mL、0.001M的氯金酸溶液加到5mL、0.2mol/L的CTAB中，然后加入70μL的0.0788M的抗坏血酸钠，充分还原2min，加入10μL上述步骤(a)配置的金种子，充分搅拌20s后，得到混合溶液，并于25℃静置待用；

并将上述混合溶液通过在8000rpm/min的转速下离心重悬2-3次(即离心、去上清液，再用10ml纯水分散)，除去多余的反应残留物，得到浓度为0.2nmol/L的金纳米棒一次分散液；

(2)将所述金纳米棒一次分散液进行离心浓缩，所述离心的转速为10000rpm，离心时间10min，移除99％的上层清液，取下层高浓度金纳米棒分散到适量体积的去离子水中，得到浓缩的浓度为20nmol/L金纳米棒溶胶，即高浓度金纳米棒印刷油墨；

(3)操作步骤基本同实施例1，得到SERS活性基底，所述SERS活性基底包括PLLA静电纺丝薄膜和平铺在PLLA静电纺丝薄膜表面的纵向紧密排列的金纳米棒构成的金纳米棒阵列，所述金纳米棒阵列中，金纳米棒的棒长为70nm，其长径比5。

应用实施例1

将上述实施例1制得的SERS活性基底，用于检测结晶紫，具体为：

在实施例1制得的SERS活性基底表面分别滴加5μL的结晶紫水溶液(浓 度分别为10^-5、10^-6、10^-7、10^-8mol/L)，待其干燥后，采用便携式拉曼光谱仪进行测试，拉曼测试所使用的激光波长为633nm，积分次数为1次，所得到的表面增强拉曼谱图如图5所示。

从图5可明显看出，当实施例的SERS活性基底用于检测结晶紫时，对浓度为10^-8-10^-5mol/L的结晶紫有较高的检测灵敏度。

应用实施例2

将上述实施例2制得的SERS活性基底，用于检测罗丹明6G，具体为：

在实施例2制得的SERS活性基底表面分别滴加5μL的罗丹明6G水溶液(浓度分别为10^-5、10^-6、10^-7mol/L)，待其干燥后，采用便携式拉曼光谱仪进行测试，拉曼测试所使用的激光波长为633nm，积分次数为1次，所得到的表面增强拉曼谱图如图6所示。

应用实施例3

将上述实施例3制得的SERS活性基底，用于检测孔雀石绿，具体为：

在实施例2制得的SERS活性基底表面分别滴加5μL的孔雀石绿水溶液(浓度分别为10^-5、10^-6、10^-7mol/L)，待其干燥后，采用便携式拉曼光谱仪进行测试，拉曼测试所使用的激光波长为633nm，积分次数为1次，所得到的表面增强拉曼谱图如图7所示。

由图6、图7可以看出，本发明制得的SERS活性基底在用于水溶性待测物(罗丹明6G、孔雀石绿)的拉曼测试时，具有很高的SERS活性，对染料罗丹明6G和兽药孔雀石绿的检测限可达10^-7mol/L；对待测物的增强能力高，检测重现性好(如图8所示)。可以将其应用于传统染料检测和食品中有害添加物的检测中，也可用于食品分析、环境分析、药物分析、化学分析和生物分析等各个领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。