一种自组装三维铜拉曼增强基底及其制备方法与应用与流程

本发明属于拉曼光谱分析领域，涉及一种拉曼增强基底的制备，具体涉及一种自组装三维铜拉曼增强基底及其制备方法与应用。

背景技术：

表面增强拉曼散射(SERS)光谱克服了普通拉曼散射光谱信号弱的劣势，又具有普通拉曼光谱操作简单、特异性强、周期短等优点，因此在痕量生化物质传感器的开发和单分子检测方面有着巨大的发展潜力。实验证明，具有纳米尺寸的缝隙、尖端或者边界结构的等离子金属，能将有机分子的拉曼信号增加百亿倍，因而被称为拉曼“热点”结构。制备具有拉曼“热点”结构的基底，是构建高灵敏度和特异性的表面拉曼检测体系的关键。

目前，高活性SERS基底材料主要是不同形貌的银金贵金属纳米溶胶，但是这些溶胶容易团聚，使用时前处理复杂，基底上信号的重复性差，而且成本较高，限制了其实际应用。铜虽然便宜，但是化学和热力学稳定性较差。受生物矿化的启发，研究者发现纳米材料在杂化的有机分子作用下，会互相识别，进而自发的形成一种稳定的组装结构。具有组装结构的拉曼增强基底，具有以下优势：1.由于自组装结构是堆积产生的，因而具有丰富的堆积孔；2.组装单体被有机分子稳定，在堆积时不会相互溶解结晶，能部分保留纳米颗粒的活性表面；3.相较于普通块状纳米颗粒，组装体由于聚集导致表面能降低，因而能够保持长期稳定。

然而，杂化的有机分子会影响拉曼光谱的准确性和灵敏度，普通的自组装结构作为拉曼增强基底需要复杂的前处理过程。碳点是新型的“0”维碳纳米结构，具有有机物外壳，与无机纳米颗粒具有很强的相互作用，能够引导纳米颗粒的自组装，并且具有特殊的量子点内核，可以作为有效的光转化和电子转移界面，因而不会对组装体的活性产生影响。因此，利用碳点引导铜纳米自组装，制备具有三维“热点”结构的铜SERS基底，将具有高的SERS活性、稳定性、可重复性以及经济性，有利于表面增强拉曼光谱的进一步推广和应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种自组装三维铜拉曼(SERS)增强基底的制备方法。该方法操作简单，制备的基底可以直接使用，避免了复杂的前处理，成本低廉。而且在空气中可以常温放置一个月，仍保持较强活性，能满足一般检测的需求。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制得的自组装三维铜拉曼增强基底。

本发明的再一目的在于提供上述自组装三维铜拉曼增强基底的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种自组装三维铜拉曼增强基底的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳源和改性剂混合，反应，制备碳点溶液；

(2)向铜离子前驱体中加入铜离子配体，以控制溶液中游离铜离子的浓度，然后加入步骤(1)中制备的碳点溶液，得到混合溶液；

(3)将还原剂加入到步骤(2)制备的混合溶液中，搅拌反应，反应结束后离心，分离沉淀得到自组装拉曼增强活性铜粉；

(4)在载体上，将步骤(3)制备的自组装拉曼增强活性铜粉制成铜粉悬浊液，沉积铜粉制备自组装三维铜拉曼增强基底；

步骤(1)中所述的反应的方法有水热反应法、微波法、激光刻蚀法或电化学刻蚀法等，优选为水热处理法；

所述的水热反应法的条件为100～200℃反应2～12h。

步骤(1)中所述的碳源包括含碳的高分子有机物及碳材料，水热反应处理的碳源优选为高分子有机物；

所述的高分子有机物为壳聚糖和聚乙烯亚胺等中的至少一种；

所述的壳聚糖的分子量优选为10000，聚乙烯亚胺的分子量优选为10000。

步骤(1)中所述的碳源的质量浓度为0.1％～1％；优选为0.1％～0.6％；

步骤(1)中所述的改性剂为含氨基和/或羧基等活性官能团的化合物，优选为四乙烯五胺和柠檬酸等中的至少一种；

步骤(1)中所述的改性剂的质量浓度为0～1％；优选为0.1～0.5％；

步骤(2)中所述的铜离子前驱体指能释放铜离子的物质，优选为氯化铜和乙酸铜中的一种；

步骤(2)中所述的铜离子配体是能与铜离子配位的物质，优选为氨水和氢氧化钠中的一种或者两者混合，铜离子配体与铜离子混合的摩尔比是1～2500。

步骤(2)中所述的混合溶液中铜离子的浓度为2.5～25mmol/L；

步骤(2)中所述的碳点溶液与铜离子的摩尔比为1：(100～2000)，其中，以高分子有机物的摩尔数代指碳点溶液的摩尔数。

步骤(3)中所述的还原剂指将铜离子还原为铜单质的物质，优选为水合肼(35％wt)和硼氢化钠中的一种或者两者混合。

步骤(3)中所述的还原剂与铜离子的投加摩尔比优选是0.5～2；

步骤(3)中所述的搅拌反应的条件为反应时间2～24h，反应温度50～100℃。

步骤(3)中所述的自组装拉曼增强活性铜粉具有自组装三维“热点”结构。

步骤(4)中所述的载体为玻璃片或者其他载体；

步骤(4)中所述的铜粉悬浊液的浓度为1mg/mL～10mg/mL。

步骤(4)中所述的拉曼基底的制备方法包括静置法和共混法。

一种自组装三维铜拉曼增强基底，通过上述制备方法制备得到。

所述的自组装三维铜拉曼增强基底在拉曼光谱分析中的应用。

所述的自组装三维铜拉曼增强基底的SERS活性通过对氨基苯硫酚(4-ATP)的拉曼光谱来评价。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

(1)本发明使用的原料是相对廉价的铜，大大降低SERS基底的应用成本；

(2)本发明利用碳点代替普通有机分子，制备出铜的自组装结构，克服了普通有机分子难去除的缺点，所得铜基底不需特殊保护，无需特殊处理，可直接使用；

(3)本发明制得的自组装三维铜克服了普通的纳米材料易团聚易氧化的缺点，可以在空气中长时间保存；

(4)本发明制得的自组装三维铜具有大量的SERS活性位点，具有不逊于普通纳米溶胶的SERS活性，对于探针分子(4-ATP)的检测限是10^-8mol/L；

(5)本发明制得的自组装三维铜拉曼增强基底具有丰富的“热点”和超高的稳定性，克服了一般银金拉曼增强基底成本高、稳定性差的问题，并且在使用时不需要任何的前处理，在常温空气中放置数月而不失活，有利于与拉曼基底的大范围应用和拉曼分析技术的大范围应用。

附图说明

图1是实施例2、6、10所制得碳点的透射电镜图；其中，(a)实施例6所得碳点；(b)实施例10所得碳点；(c)实施例2所得碳点。

图2是实施例6所得铜粉的扫描电镜图。

图3是实施例6所得铜粉为基底上不同浓度对氨基苯硫酚的拉曼光谱图。

图4是实施例6所得铜粉在空气中常温放置20天和40天后的X射线粉末衍射图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)0.1g壳聚糖混合0.1g柠檬酸，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，100℃反应2h，获得柠檬酸碳点100mL；

(2)20mL 0.1mol/L的乙酸铜溶液，加入80mg氢氧化钠，混合10mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.14mL，50℃搅拌2h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制1mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例2

(1)0.1g壳聚糖混合0.4g柠檬酸，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，150℃反应12h，获得柠檬酸碳点100mL；其透射电镜图如图1(c)所示。

(2)乙酸铜0.36g，混合80mL获得的碳点溶液，加入氢氧化钠8g，搅拌均匀，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.28mL，80℃搅拌2h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例3

(1)0.1g壳聚糖混合0.5g柠檬酸，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，200℃反应6h，获得柠檬酸碳点100mL；

(2)2mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入20g氢氧化钠，混合2mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.056mL，80℃搅拌6h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制10mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例4

(1)0.1g壳聚糖混合0.5g柠檬酸，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，200℃反应6h，获得柠檬酸碳点100mL；

(2)20mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入4g氢氧化钠，混合20mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.14mL，100℃搅拌12h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制10mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例5

(1)0.1g壳聚糖混合0.1mL四乙烯五胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，100℃反应12h，获得四乙烯五胺碳点100mL；

(2)20mL 0.1mol/L的乙酸铜溶液，加入80mg氢氧化钠，混合10mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.14mL，80℃搅拌2h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制1mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例6

(1)0.1g壳聚糖混合0.4mL四乙烯五胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，150℃反应6h，获得四乙烯五胺碳点100mL；其透射电镜图如图1(a)所示。

(2)20mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入8g氢氧化钠，混合20mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.28mL，50℃搅拌12h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

将本实施例所得铜粉为基底上不同浓度(10^-3M、10^-4M、10^-6M、10^-8M)对氨基苯硫酚的拉曼光谱图，如图3所示。普通载体上浓度为10^-3M的对氨基苯硫酚的拉曼信号很弱，只在1587和1090cm^-1出现两个微弱的小峰。而在负载有本实施例所得的铜粉的载体上，对氨基苯硫酚的拉曼信号得到了显著的提高，并且检测限达到了10^-8M。说明该铜粉具有非常好的拉曼增强效应。

本实施例所得铜粉的扫描电镜图如图2所示。从图2可以看出，该条件下制备的铜粉尺寸和形貌均一，具有三维的六棱锥结构。图2右上角是单个六棱锥放大图，该六棱锥顶点间距为4.5μm。其表面粗糙，可以观察到明显的颗粒堆积状态，说明该六棱锥是有序自组装形成的三维堆积结构。由于该铜粉具有颗粒堆积形成的大量的小缝隙，以及自组装形成的六个尖端，因而其具有拉曼“热点”结构。

本实施例所得铜粉在空气中常温放置20天和40天后的X射线粉末衍射图，如图4所示。该衍射图中氧化铜的峰很微弱，说明该铜粉可以在空气中常温放置数月后，不会因形成氧化铜而导致拉曼增强活性降低。

实施例7

(1)0.1g壳聚糖混合0.5mL四乙烯五胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，200℃反应2h，获得四乙烯五胺碳点100mL；

(2)2mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入20g氢氧化钠，混合8mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.028mL，50℃搅拌24h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制10mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例8

(1)0.1g壳聚糖混合0.5mL四乙烯五胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，200℃反应6h，获得四乙烯五胺碳点100mL；

(2)2mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入2g氢氧化钠，混合8mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.056mL，100℃搅拌24h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例9

(1)0.1g壳聚糖混合0.1g聚乙烯亚胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，200℃反应2h，获得聚乙烯亚胺碳点100mL；

(2)2mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入2g氢氧化钠，混合2mL获得的碳点溶液，定容到80mL；

(3)35％wt水合肼0.014mL，70℃搅拌24h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉，得到混合溶液；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例10

(1)0.1g壳聚糖混合0.4g聚乙烯亚胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，150℃反应6h，获得聚乙烯亚胺碳点100mL；其透射电镜图如图1(b)所示。

(2)氯化铜0.27g，混合20mL获得的碳点溶液，加入20g氢氧化钠，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.56mL，50℃搅拌16h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例11

(1)0.1g壳聚糖混合0.4g聚乙烯亚胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，100℃反应12h，获得聚乙烯亚胺碳点100mL；

(2)20mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入80mg氢氧化钠，混合40mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.28mL，100℃搅拌2h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例12

(1)0.1g壳聚糖混合0.5g聚乙烯亚胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，200℃反应6h，获得聚乙烯亚胺碳点100mL；

(2)2mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入20g氢氧化钠，混合2mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)35％wt水合肼0.056mL，80℃搅拌12h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例13

(1)0.1g壳聚糖混合0.4g聚乙烯亚胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，150℃反应6h，获得聚乙烯亚胺碳点100mL；

(2)20mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入20g氢氧化钠，混合20mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)硼氢化钠40mg，80℃搅拌6h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例14

(1)0.1g壳聚糖混合0.4mL四乙烯五胺，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，150℃反应6h，获得四乙烯五胺碳点100mL；

(2)20mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入20g氢氧化钠，混合20mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)硼氢化钠80mg，80℃搅拌6h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

实施例15

(1)0.1g壳聚糖混合0.4g柠檬酸，溶于1％vt的冰醋酸溶液中，定容到100mL，转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，150℃反应6h，获得柠檬酸碳点100mL；

(2)20mL 0.1mol/L的氯化铜溶液，加入20g氢氧化钠，混合20mL获得的碳点溶液，定容到80mL，得到混合溶液；

(3)硼氢化钠160mg，80℃搅拌6h，反应结束后9800rpm离心15min六次，分离后，常温真空干燥得到铜粉；

(4)步骤(3)中铜粉在水溶液中超声震荡，配制5mg/mL的悬浊液，将洗净的玻璃片快速放在该悬浊液中，静置48h，将玻璃片取出，真空干燥，制得自组装三维铜拉曼增强基底；

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。