一种SERS基底的制备方法、SERS基底及其应用与流程

本发明属于光谱分析检测领域，具体涉及一种sers基底的制备方法、sers基底及其应用。

背景技术

多氯联苯(pcb：polychlorinatedbiphenyls)是一种持续性有机污染物。联苯上的氢原子被多个氯原子取代，即得到多氯联苯，理论上其共有209种同系物，在实际生产中，一般得到多氯联苯的混合物。由于多氯联苯独特的物理化学性质，其可以用于多个领域，如用于电容器和变压器中的绝缘油、工业生产中的导热油、空压机中的润滑油等。多氯联苯由人工合成，在广泛使用后，其通过各种途径进入空气、水、土壤中，并在水体和土壤中聚集。然而，多氯联苯极难被降解而在环境中长期留存，具有长途迁移性、脂溶性、生物蓄积性，对生物体产生毒害作用，对人体有致癌性，对人体神经系统、内分泌系统、心血管系统等造成负面影响。

抗生素在医疗和禽畜养殖业中的滥用不仅会造成化学污染，还可能会诱导环境中抗性生物和抗性基因的产生，并加快抗生物抗性的传播和扩散。这些抗性微生物会通过直接或间接接触等途径进入人体，增加人体的耐药性，对人体健康造成威胁。抗生素的性质稳定，具有一定的持久性。目前，在土壤、地表水及地下水中均检测到抗生素的存在。

从环境保护的角度来说，对环境样品中的多氯联苯、抗生素进行迅速、方便、特异性检测，具有一定的必要性和迫切性。

表面增强拉曼光谱(sers：surfaceenhancedramanspectroscopy)以其快速、无损和痕量检测的能力受到了广泛的关注。利用sers对物质进行检测，需要制备合适的金属颗粒或其溶胶表面作为基底，但多氯联苯及抗生素并不易于吸附在金属表面，检测效果不佳；而对现有基底进行修饰，虽然能够提高多氯联苯及抗生素的吸附能力，但其操作复杂，成本高昂，并不适于广泛推广；且现有基底在检测完成后采用溶剂清洗，溶剂的排放又会对环境产生污染。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：现有的利用sers检测多氯联苯和抗生素的方法，操作复杂、成本高昂、不适于广泛推广适于。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种sers基底的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用分步法制备包裹二氧化硅的金壳层纳米粒子溶胶；

(2)将步骤(1)得到的金壳层纳米粒子溶胶滴加到微孔滤膜上，自然晾干得到sers基底；其中所述金壳层纳米粒子的直径大于微孔滤膜中微孔的孔径。

优选地，本发明所述的一种sers基底的制备方法，所述步骤(1)中制备包裹二氧化硅的金壳层纳米溶胶的方法为：

a、制备二氧化硅纳米粒子悬浮液及金纳米粒子溶胶；

b、对二氧化硅纳米粒子表面修饰偶联剂；

c、取一定量金纳米粒子溶胶，使其与表面修饰有偶联剂的二氧化硅反应，将金纳米粒子连接到二氧化硅表面，得到种子溶液；

d、取一定量金纳米粒子溶胶，向其中加入种子溶液和还原剂，静置反应，在二氧化硅表面生长出金壳层，得到包裹二氧化硅的金壳层纳米溶胶。

优选地，本发明所述的一种sers基底的制备方法，a中所述二氧化硅纳米粒子采用法制备。

优选地，本发明所述的一种sers基底的制备方法，a中所述金纳米粒子溶胶的具体制备方法如下：

a、配置氯金酸水溶液，避光4℃保存，备用；

b、取超纯水置于反应器中，加入碱液，边搅拌边加入还原剂溶液，再加入已制得的氯金酸水溶液，搅拌均匀后，密封，静置陈化；

c、配置碳酸盐溶液，将已陈化的氯金酸水溶液加入碳酸盐溶液，边加边搅拌，至溶液变为无色后，密封避光保存，使其溶胶化。

优选地，本发明所述的一种sers基底的制备方法，b中所述的偶联剂选自3-氨丙基三乙氧基硅烷、十八烷基硅氧烷、氨乙基氨丙基聚二甲基硅氧烷。

优选地，本发明所述的一种sers基底的制备方法，d中所述还原剂为甲醛或一氧化碳。

优选地，本发明所述的一种sers基底的制备方法，b中所述还原剂选自柠檬酸钠、四羟甲基氯化磷或硼氢化钠。

本发明提供了一种sers基底，其采用上述方法制备而成。

本发明还提供了一种上述的sers基底在多氯联苯有机溶液或抗生素水溶液的痕量检测中的应用，将多氯联苯有机溶液或抗生素水溶液滴加到所述sers基底上，然后采用拉曼光谱仪进行sers检测。

优选地，本发明所述的一种sers基底在多氯联苯有机溶液或抗生素水溶液的痕量检测中的应用，所述多氯联苯有机溶液包括多氯联苯的正己烷溶液或多氯联苯的二甲亚砜溶液；所述抗生素为四环素、环丙沙星或诺氟沙星。

本发明技术有益效果：

本发明技术方案制备包裹二氧化硅的金壳层纳米粒子为核壳结构，其尺寸可根据需要在200-500nm范围内调整；微孔滤膜内部具有海绵状的多孔结构，使得其具有较大的比表面积，提供了丰富的吸附位点，有利于纳米粒子和待测分子均匀、大量地吸附，利用红外波段785nm激光对有机分子进行检测，可以大幅度提高sers光谱的信噪比，降低样品测量过程中的荧光干扰；本发明中的sers基底制备过程简单、快速，获得的基底稳定性好，不易被氧化，能够长时间保存，并能够保持一定的sers增强能力，检测时，基底可随时制备，方便快捷；

由于本基底采用有机微孔滤膜制备，检测完成之后可以直接集中销毁而无需使用溶剂清洗，避免造成进一步的污染。

附图说明

图1为本发明实施例一中制备的单个包裹二氧化硅的金壳层纳米颗粒的tem图；

图2实施例一中检测不同浓度的pcb-77的sers光谱图；

图3为1595cm^-1处，不同浓度的pcb-77的sers强度随浓度的变化关系图；

图4为实施例二中检测不同浓度的pcb-3的sers光谱图；

图5为在1446cm^-1处，不同浓度的pcb-3的sers强度随浓度的变化关系图；

图6为实施例三中检测不同浓度的四环素的sers光谱图；

图7为在1535cm^-1处，不同浓度的四环素的sers强度随浓度的变化关系图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

实施例一

本实施例公开了制备sers基底的制备方法，其具体步骤如下：

(1)制备二氧化硅纳米颗粒及金纳米粒子

所述二氧化硅纳米颗粒采用法合成，其合成方法参照文献stoberw,finka,bohne.controlledgrowthofmonodispersesilicaspheresinthemicronsizerange[j].journalofcolloidandinterfacescience,1968,26(1):62-69。本实施例中通过调节合成条件，得到尺寸为180nm的二氧化硅纳米粒子。

所述金纳米粒子的制备过程如下：a、将氯金酸粉末溶于超纯水中得到氯金酸水溶液，将该水溶液在4℃条件下避光静置至少10天；b、取超纯水置于锥形瓶中，向其中加入naoh溶液，再在剧烈搅拌的条件下加入四羟甲基氯化磷，然后再向锥形瓶内加入步骤a制得的氯金酸水溶液，搅拌均匀后，密封，静置陈化一个月；c、配置碳酸钾溶液，将已陈化的氯金酸水溶液加入到碳酸钾溶液中，边加边搅拌，至溶液变为无色后，避光保存，使其溶胶化即可。

在金纳米粒子的制备过程中，所述步骤b中的naoh溶液也可以采用其他碱性溶液代替，如koh等；所述的四羟甲基氯化磷起到还原剂的作用，还可以采用柠檬酸钠、硼氢化钠等还原性物质代替；步骤c中的碳酸钾溶液也可以使用其他的碳酸盐溶液。此外，步骤b中的静置陈化时间至少为两周，一般在四个月之内，陈化一个月的效果最佳。

(2)在二氧化硅纳米粒子表面修饰偶联剂

取步骤(1)得到的二氧化硅纳米粒子溶解于无水乙醇，并超声分散得到悬浮液；取所述悬浮液于反应器中，向其中加入偶联剂，匀速搅拌，过夜，然后水浴加热，此过程中不断添加乙醇以维持体积稳定。反应结束后，用无水乙醇洗涤，最后将产物溶于无水乙醇内，备用。

该过程中水浴加热的目的在于提高偶联剂在二氧化硅表面的连接效率。

所述的偶联剂有多种选择，如3-氨丙基三乙氧基硅烷、十八烷基硅氧烷、氨乙基氨丙基聚二甲基硅氧烷，本实施例选用3-氨丙基三乙氧基硅烷。

(3)将金纳米粒子连接到二氧化硅表面，得到种子溶液

取步骤(1)得到的金纳米粒子溶胶，在超声状态下，向其中加入nacl和表面修饰有偶联剂的二氧化硅溶液，匀速搅拌条件下反应完全，离心洗涤后，再采用超纯水洗涤，最后将产物溶解于超纯水中得到种子溶液。

(4)取一定量步骤(1)得到的金纳米粒子溶胶，向其中加入种子溶液和还原剂，静置反应。反应结束后先离心洗涤，再用超纯水洗涤，即得到包裹二氧化硅的金壳层纳米颗粒，其尺寸为200nm。图1给出了单个金壳层纳米颗粒的tem图。

步骤(4)中所述的还原剂可采用甲醛溶液，或一氧化碳气体。

(5)将步骤(4)得到的金壳层纳米颗粒分散于超纯水中得到包裹二氧化硅的金壳层纳米粒子溶胶；再将该溶胶滴加到孔径为0.2um的微孔滤膜上，自然晾干得到sers基底。

步骤(5)中所述的微孔滤膜可以由尼龙材质、混合纤维素酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯等多种材质制成，只要其保证微孔滤膜中的微孔孔径小于所述金壳层纳米粒子的直径即可。

根据实际需要，在制备sers基底时，微孔滤膜裁切呈大小均匀的正方形片，其尺寸为0.5cm×0.5cm。

将上述制备的sers基底应用于pcb-77的检测中。

配制浓度为10^-3m的pcb-77的正己烷溶液，取一制备好的sers基底，将所配制的溶液滴加到该基底上，然后利用拉曼光谱仪进行sers检测。

同理，分别对浓度分别为5×10^-4m、10^-4m、5×10^-5m、10^-5m的pcb-77正己烷溶液，分别利用拉曼光谱仪进行sers检测。

如图2所示的不同浓度的pcb-77的sers光谱图；通过分析其特征拉曼峰1595cm^-1的峰强，得到pcb-77拉曼信号随浓度的响应信号，如图3所示的在1595cm^-1处，不同浓度的pcb-77的sers强度随浓度的变化关系图。由此可知，pcb-77的浓度越大，其在1595cm^-1处的sers强度越大，以实现对pcb-77的痕量检测分析。

微孔滤膜内部丰富的海绵状多孔结构为纳米粒子和待测的pcb-77提供了大量的吸附位点，且微孔的孔径小于金壳层纳米颗粒的直径，使得其将金壳层纳米颗粒截留在滤膜表面，在滴加pcb-77液滴后，液滴迅速扩散，均匀地吸附在基底表面，此时，金属表面及待测粒子均分布于基底表面，有利于大幅度地增强sers信号。该方法制备过程简单、快速、稳定性好。进行检测时，基底可以随时制备，只需要准备好样品，经过简单的步骤即可以进行检测分析。

实施例二

本实施例中sers基底的制备方法与实施例一基本相同，仅通过控制实验条件，获得的包裹二氧化硅的金壳层纳米颗粒的尺寸为520nm，其中二氧化硅纳米粒子的尺寸为500nm。

将本实施例获得的sers基底用于pcb-3的二甲亚砜溶液的检测，操作步骤与实施例一中相同。本实施例的实验结果如图4及图5所示，其中图4为本实施例中不同浓度的pcb-3的sers光谱图；图5为在1446cm^-1处，不同浓度的pcb-3的sers强度随浓度的变化关系图。

需要说明的是，多氯联苯的其他同系物也可以利用该sers基底进行检测，其检测结果与实施例一、实施例二相近，由于篇幅原因，此处不再赘述。

实施例三

本实施例中sers基底的制备方法与实施例一基本相同，仅通过控制实验条件，获得的包裹二氧化硅的金壳层纳米颗粒的尺寸为310nm，其中二氧化硅纳米粒子的尺寸为300nm。

将本实施例制得的sers基底用于四环素水溶液的sers检测，其操作步骤与实施例一相同，实验结果见图6及图7，其中图6为本实施例中检测不同浓度的四环素的sers光谱图；图7为在1535cm^-1处，不同浓度的四环素的sers强度随浓度的变化关系图。

需要说明的是，其他抗生素如环丙沙星、诺氟沙星的水溶液也可采用该方式进行sers检测，检测结果与四环素的检测结果相近。

除上述实施例中详细列举的pcb-77、pcb-3及四环素的检测，针对不同的多氯联苯同系物及其他抗生素，所需要的金壳层纳米粒子尺寸根据需要来选择，其中金壳层的厚度根据需要在5-20nm范围内选择，并通过调控具体制备条件获得。

此外，上述实施例一至实施例三种sers基底制备过程中，所需试剂、反应条件等具体参数根据需要进行调控即可，其与本发明改进点并无直接关系，因而未详细叙述。

本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。