一种表面增强拉曼复合试纸的制作方法

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种表面增强拉曼复合试纸。

背景技术：

拉曼光谱分析法是基于印度科学家c.v.拉曼(raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱受水影响小，具有大光谱区间，可以对有机物、无机物进行分析，光谱峰尖锐并且可以较为直接的对应化学结构，并且采用聚焦激光因而检测面积小。这使得这种分析技术具有快速、简单、可重复、无损伤等优越性，广泛地用于大量、常量物质的定性鉴别。但是当被检测物含量较少，拉曼光谱的光谱质量就会明显下降。特别当被检测物质在微量和痕量级别时，拉曼光谱方法就无法直接检测了。

上世纪80年代人们逐渐发现贵金属纳米颗粒可以显著地增强部分与其接触的有机分子的拉曼光谱，通过这种途径增强的拉曼光谱被称为表面增强拉曼光谱(surface-enhancedramanspectroscopy，sers)。随后，围绕sers的研究与应用受到广泛的关注。目前，比较能够形成共识的研究结论是银纳米颗粒(agnanoparticles，agnps)和金纳米颗粒(aunanoparticles,aunps)具有较好的增强效果，并且适用的物质种类也较广。具体地，agnps与aunps的增强系数高达105-109倍，这使得使用拉曼光谱技术对痕量物质的检测成为可能，同时推动了增强拉曼检测技术在多方面的应用。目前经常使用的是agnps溶胶或者agnps试纸，以及aunps溶胶和aunps试纸。

然而贵金属纳米颗粒增强有机分子的拉曼光谱，经常出现以下问题影响sers检测技术的易用性与准确性。首先，在进行拉曼检测前通常需要对被检测物进行前处理与提纯，导致一些干扰物质的残留。其次，对于一些筛查性质检测，检测物可能由于没有进行纯化而导致成分比较复杂。面对以上情况，对于agnps或者是aunps对于某个具体物质的增强效果优劣并无明确的判断依据，可能造成漏报与误报。agnps和aunps通常是以溶胶分散液的形式使用，前处理加入溶胶分散液进行检测。溶胶分散液稳定性较差，经过一段时间会产生凝聚而导致放大系数降低。对于不同物质以上增强试剂的增强效果不同，因而需要预设检测物质或者采用多种增强物质依次进行测试。因此，市场需要一种较为通用的增强试剂通过一次实验确定结果。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提出了一种用于痕量检测的表面增强拉曼复合试纸及其制备方法，该试纸同时具备agnps与aunps的材料适用性，可以对能被agnps与aunps任一增强的材料产生明显的增强，提高了表面增强拉曼检测的便捷性。

根据本发明的一个方面，提供一种表面增强拉曼复合试纸，包括：载体以及均匀分散于所述载体表面的测试层；

所述测试层为agnps溶胶和aunps溶胶的复合材料，所述复合材料中agnps溶胶和aunps溶胶的体积比为1：4～4：1；所述测试层上所述复合材料的密度约为0.001～0.05mg/mm²。

其中，agnps溶胶和aunps溶胶通过常规方法制得。

载体材料需要选择拉曼信号较弱的或者拉曼信号峰较少的材料，并且该材料具有惰性化学性质，光致荧光较弱，表面积大，具有良好的双亲性。本发明可选择没有色素的纤维素纸或膜。

优选的，所述载体为过滤纸或层析纸。

优选的，所述载体为中速滤纸。

根据本发明的另一个方面，提供一种表面增强拉曼复合试纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照预定体积比制备agnps溶胶和aunps溶胶；

(2)将所述agnps溶胶与所述aunps溶胶依次通过混合、浓缩、油墨化等步骤，得到agnps溶胶与aunps溶胶的复合材料；

(3)所述复合材料通过印刷方式分散于载体上，得到复合试纸；

(4)所述复合试纸经过后处理，得到表面增强拉曼复合试纸。

其中，步骤(2)包括：步骤2-1)混合：将步骤(1)中得到的所述agnps溶胶和所述aunps溶胶混合，得到混合溶胶；步骤2-2)浓缩：将所述混合溶胶在离心机中离心，直至离心管底部出现灰色沉淀物；步骤2-3)油墨化：保持离心管稳定，移除其上层的上清液，在剩余溶液中加入油墨化剂；震荡分散，进行超声，得到agnps溶胶与aunps溶胶的复合材料。

其中agnps溶胶和aunps溶胶经过混合后，使用离心方式进行浓缩，将在溶液中分散的金属纳米颗粒聚集沉淀，实现了金属纳米颗粒之间充分的彼此接触。除去上层清液可以使金属纳米颗粒保持接触状态，并且加入的油墨化试剂具有高粘性的特点，超声后可以一定程度上抑制纳米颗粒的运动，维持充分混合的状态。其次，油墨化试剂帮助之后的印刷步骤得到均匀的印刷痕迹，并且这些印刷痕迹粘性高，并且与采用的基底材料相亲，因此不会随意流动，在保证了分散的金属纳米颗粒在试纸上紧密接触和均匀分布。

其中，步骤2-1)中，震荡、摇晃或超声方式进行混合，混合时间大于等于5秒；步骤2-2)中，离心机的转速为2000～15000rpm/min，离心处理时间为1～5min；步骤2-3)中，所述上清液体积占溶液总体积的90～99％，超声处理时间大于30秒。

优选的，所述油墨化剂与所述剩余溶液的混合体积比为3：1～1：5，其中，所述油墨化剂为2,4-二甲基-3-戊酮、甘油和低聚乙二醇中的一种或多种。

预先使用0.1g/ml浓度的nacl水溶液浸泡载体后缓慢干燥，该操作的有益效果是帮助agnps和aunps在试纸纤维表面加速聚集，从而制造更多的“热点”，有利于sers信号的增强；预先使用烷基化试剂处理载体，可以加强载体对脂溶性有机物的吸附。烷基化试剂十六碳烯基琥珀酸酐溶解于乙醇、异丙醇等溶剂，溶质分散均匀后，将载体浸入该溶液并充分接触。取出后，随后加热，使烷基化试剂与载体充分反应在表面修饰脂肪链。此外，在步骤(2)中得到的油墨是亲水型的，烷基化试剂处理的载体可以很好的实现对油墨的限域效果，使油墨转移至载体后浓度可控且确定。

优选的，步骤(3)前，需要对所述载体进行前处理；其中，所述前处理包括：加入金属无机氯化盐溶液和/或烷基化试剂浸泡，浸泡时间为5～100秒。

优选的，步骤(3)中的印刷方法为滴加、丝网印刷和超微量点胶中的一种。

优选的，步骤(4)中，所述后处理包括：将得到的复合试纸放置于10～40℃、0.001～0.15mpa、避光的环境保存10～40h。

本发明中，这种复合增强效果能达到或者超过agnps或者aunps单独增强的效果(以相同测试条件下的拉曼信号的信噪比衡量)的较高值，而不是agnps和aunps材料比例的加权平均值，这说明以上复合sers试纸出现了超出普通混合的预期效果，实现了对agnps和aunps增强效果的优势继承，而非简单混合。出现这种现象，可能有2个原因。1.金属纳米材料需要彼此接近，形成“热点”能有效产生sers作用，由于agnps和aunps的纳米尺寸不完全相同，在经过本申请所述方法混合后，实现了颗粒与颗粒之间的充分交叉混合，减小了由于尺寸单一导致的堆积不紧密的问题。2.对于sers现象，大部分物质分子需要靠近ag或者au的表面才能产生增强效果，这需要被检测分子与金属具有较强的相互作用，而基于ag与au化学性质的不同，不同检测分子与这些物质的结合能力不同。而当ag或者au一方可以非常有效的结合被检测分子，又由于金属颗粒之间距离足够近，导致附近的金属颗粒可以有效形成“热点”，从而保证了增强效果偏向于增强效果较好的金属纳米颗粒。对于尚不明确某种被检测物的sers性质时，使用本发明的复合增强试纸可以有效地提高被检测物质的拉曼增强效果和被检出率，同时避免了需要使用多种不同材料的增强试剂，提高了效率。

因此，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)同时具备agnps与aunps的材料适用性，可以对能被agnps或aunps任一增强的材料产生明显的增强，提高了表面增强拉曼检测的便捷性；

(2)复合增强效果能基本达到或者超过agnps或者aunps单独增强的效果(以相同测试条件下拉曼信号的信噪比衡量)的较高值，而不是agnps和aunps材料比例的加权平均值，实现了对agnps和aunps增强效果的优势继承；

(3)agnps与aunps混合溶胶通过该方法稳定地附着于载体表面，不容易出现agnps溶胶或者aunps溶胶在液相中的团聚等变质问题；

(4)由于对agnps与aunps混合溶胶进行了浓缩，在试纸上的印刷位置浓度非常高，因而可以充分增强被检测物质，从而提高了灵敏度。

此外，本申请的试纸生产方法便捷可控，生产的试纸产品具有非常高的可重复性与批间一致性，适合大规模生产。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是表面增强拉曼复合试纸的微观及宏观照片；

图2是表面增强拉曼复合试纸的空白拉曼光谱；

图3是agnps试纸检测马拉硫磷的拉曼光谱；

图4是aunps试纸检测马拉硫磷的拉曼光谱；

图5是表面增强拉曼复合试纸检测马拉硫磷的拉曼光谱；

图6是aunps试纸检测乌洛托品的拉曼光谱；

图7是agnps试纸检测乌洛托品的拉曼光谱；

图8是表面增强拉曼复合试纸检测乌洛托品的拉曼光谱；

图9是agnps试纸、aunps试纸以及表面增强拉曼复合试纸检测山梨酸钾的拉曼光谱；

图10是agnps试纸、aunps试纸以及表面增强拉曼复合试纸检测苯甲酸钠的拉曼光谱；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

一种表面增强拉曼复合试纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照预定体积比制备agnps溶胶和aunps溶胶；

(2)将所述agnps溶胶与所述aunps溶胶依次通过混合、浓缩、油墨化等步骤，得到agnps溶胶与aunps溶胶的复合材料；

(3)所述复合材料通过印刷方式分散于载体上，得到复合试纸；

(4)所述复合试纸经过后处理，得到表面增强拉曼复合试纸。

步骤(2)包括：步骤2-1)混合：将步骤(1)中得到的所述agnps溶胶和所述aunps溶胶混合，得到混合溶胶；步骤2-2)浓缩：将所述混合溶胶在离心机中离心，直至离心管底部出现灰色沉淀物；步骤2-3)油墨化：保持离心管稳定，移除其上层的液体，在剩余溶液中加入油墨化剂；震荡分散，进行超声直至混合体系均匀，得到agnps溶胶与aunps溶胶的复合材料。

步骤2-1)中，震荡、摇晃或超声方式进行混合，混合时间大于等于5秒；步骤2-2)中，离心机的转速为2000～15000rpm/min，离心处理时间为1～5min；步骤2-3)中，所述上清液体积占溶液总体积的90～99％，超声处理时间大于30秒。

所述油墨化剂与所述剩余溶液的混合体积比为3：1-1：5，其中，所述油墨化剂为2,4-二甲基-3-戊酮、甘油和低聚乙二醇中的一种或多种。

步骤(3)前，对所述载体进行前处理；其中，所述前处理包括：加入金属无机氯化盐溶液和/或烷基化试剂浸泡，浸泡时间为5～100秒。

步骤(3)中的印刷方法为滴加、丝网印刷和超微量点胶中的一种。

步骤(4)中，所述后处理包括：将得到的复合试纸放置于10～40℃、0.001～0.15mpa、避光的环境保存10～40h。图1示出了表面增强拉曼复合试纸的微观及宏观照片。

实施例1

一种表面增强拉曼复合试纸，包括：载体以及均匀铺设于所述载体表面的测试层；所述测试层为agnps溶胶和aunps溶胶的复合材料，所述复合材料中agnps溶胶和aunps溶胶的体积比为3：2，所述测试层上所述复合材料的密度约为0.01mg/mm2。所述载体为中速滤纸。

其中，agnps溶胶和aunps溶胶通过常规方法制得。

该表面增强拉曼复合试纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照预定体积比制备agnps溶胶和aunps溶胶；

(2)将所述agnps溶胶与所述aunps溶胶依次通过混合、浓缩、油墨化等步骤，得到agnps溶胶与aunps溶胶的复合材料；

步骤(2)包括：步骤21)混合：将步骤(1)中得到的所述agnps溶胶和所述aunps溶胶按体积比例3：2混合，使用震荡、摇晃或超声方法进行混合，混合时间大于等于5秒；离心机的转速为10000rpm/min，离心处理时间为3min；移除离心管上层95％体积的上清液，在剩余溶液中加入油墨化剂；震荡分散，超声处理时间大于1分钟。

所述油墨化剂与所述剩余溶液的混合体积比为2：1，其中，所述油墨化剂为聚乙二醇400。

步骤(3)前，需要对所述载体进行前处理；其中，所述的前处理方法为预先使用浓度为0.1g/ml浓度的nacl水溶液浸泡试纸后缓慢干燥，浸泡时间为5秒。

步骤(3)中的印刷方式为滴加。

步骤(4)中，将得到的复合试纸放置于10～40℃、0.001～0.15mpa、避光的环境保存25h，即可以得到表面增强拉曼复合试纸。

下面通过列表的方式列出本发明的表面增强拉曼复合试纸的部分实施例：

表1表面增强拉曼复合试纸实施例

对实施例1的表面增强拉曼复合试纸做空白拉曼信号测试，测试结果如图2所示，仅在1000～1150cm^-1附近和1650cm^-1附近有信号很弱的特征峰，测试其他物质时排除这个波段的影响，则不会对测试物质产生影响。

为了对比表面增强复合试纸的增强效果，单组份的agnps试纸和aunps试纸被以实施例中类似的制作方法和类似的测试层上金属溶胶密度制作出来。

用微量进样器吸取浓度为1μg/μl的马拉硫磷的乙醇溶液1μl滴加到agnps试纸上(其他制作方法与试纸参数与复合试纸相同)，用150mw激光，扫描时间为5秒，以504cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图3所示，图3中的光谱的信噪比为15.4，足以适用于定性甚至定量分析。

用微量进样器吸取浓度为1μg/μl的马拉硫磷的乙醇溶液1μl滴加到aunps试纸上(其他制作方法与试纸参数与复合试纸相同)，用150mw激光，扫描时间为5秒，以504cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图4所示，图4中的光谱的信噪比为4.3，不足以做出定性、定量分析。

用微量进样器吸取浓度为1μg/μl的马拉硫磷的乙醇溶液1μl滴加到实施例的表面增强复合试纸上，用150mw激光，扫描时间为5秒，以504cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图5所示，图5中的光谱信噪比为15.1，说明agnps与aunps的复合试纸保留了增强效果较好的agnps的增强效果。

用微量进样器吸取浓度为1μg/μl的乌洛托品的乙醇溶液1μl滴加到aunps试纸上，用150mw激光，扫描时间为5秒，以1045cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图6所示，图6中的光谱信噪比为32.7，足以适用于定性甚至定量分析。

用微量进样器吸取浓度为1μg/μl的乌洛托品的乙醇溶液1μl滴加到agnps试纸上，用150mw激光，扫描时间为5秒，以1045cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图7所示，图7中的光谱信噪比为4.5，不足以做出定性、定量分析。

用微量进样器吸取浓度为1μg/μl的乌洛托品的乙醇溶液1μl滴加到实施例的表面增强复合试纸上，用150mw激光，扫描时间为5秒，以1045cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图8所示，图8中的光谱信噪比为29.8，说明agnps与aunps的复合试纸保留了增强效果较好的aunps的增强效果。

可以看出，对于不同的物质，可能存在agnps试纸(试剂)与aunps试纸(试剂)增强效果差异较大的被测物质。针对以上两种物质，agnps与aunps的复合试纸对于1μg的马拉硫磷和乌洛托品都具有良好的增强效果。对于尚不明确某种被检测物的拉曼性质时，使用本发明的复合增强试纸可以有效地提高被检测物质的拉曼增强效果和被检出率，同时避免了需要使用多种不同材料的增强试剂，提高了效率。

用微量进样器吸取浓度为10μg/μl的山梨酸钾的水溶液1μl分别滴加到单组份agnps试纸、单组份aunps试纸、实施例的表面增强复合试纸上，用150mw激光，扫描时间为5秒，以1647.4cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图9所示，图9中单组份agnps试纸和复合试纸具有非常相近的信号强度，而单组份aunps试纸则低很多，再次证明了复合试纸可以继承agnps与aunps较好的一方的增强效果。

用微量进样器吸取浓度为10μg/μl的苯甲酸钠的水溶液1μl分别滴加到单组份agnps试纸、单组份aunps试纸、实施例的表面增强复合试纸上，用150mw激光，扫描时间为5秒，以1004.3cm^-1去基线峰强为信号，2200cm^-1～2300cm^-1无拉曼信号位置的信号噪音为平均噪音，其拉曼光谱如图10所示，图10中单组份agnps试纸和复合试纸具有非常相近的信号强度，而单组份aunps试纸则低很多，再次证明了复合试纸可以继承agnps与aunps较好的一方的增强效果。

为了进一步阐明复合试纸的增强机理，本申请对于不同agnps和aunps体积比的增强试纸进行了进一步的研究，本发明根据实施例中的方法，制备agnps和aunps的不同比例的复合试纸，其agnps与aunps的体积比例为1％，20％，50％，80％，99％，此外制备了纯agnps试纸和纯aunps试纸，分别记为100％和0％浓度。具体实验结果见表1。

表1不同比例复合试纸的信号信噪比与线性模型的对比值

对于马拉硫磷的504cm^-1的主峰的信噪比，体积比例为0％、1％、20％、50％、80％、99％、100％的试纸的信噪比为4.3、4.4、8.1、12.5、15.2、15.3、15.4。对于乌洛托品的1045cm^-1的主峰的信噪比，体积比例为0％、1％、20％、50％、80％、99％、100％的试纸的信噪比为32.7、32.4、31.1、30.6、24.4、5.3、4.5。而如果agnps和aunps仅为简单混合，则其增强幅度应是与agnps(或aunps)含量呈加权线性关系，本实验结果在20％～80％浓度的增强效果均强于剂量加权线性混合关系。因此，可以看出本申请的表面增强复合试纸具有有益的复合增强效果。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。