专利名称：一种表面增强拉曼用等离子耦合结构微球及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物医药、精细化学品分离检测技术领域的材料及其制备方法，具体地，涉及一种表面增强拉曼用Ag-Au长程等离子耦合结构的磁性微球及其制备方法。
背景技术：
表面增强拉曼光谱(SERS)克服了普通拉曼技术灵敏度低的缺点，能提高拉曼信号，可实现单分子检测，在化学、生物医药检测中被广泛应用。目前，已经有很多方法可制备具有SERS效应的基底。例如，最为常见的电化学沉积的粗糙贵金属表面、溅射形成的纳米级金属膜、制备的金属溶胶等。上述方法中，金属溶胶制备方法最为简单，而且增强效应高， 在SERS检测中应用较广泛。但是，金、银溶胶得到的纳米粒子颗粒尺寸控制困难，而且极易团聚，特别是在加入待检测物后，溶胶更不稳定，最终导致SERS信号的重复性差，无法实现定量分析。近年来，利用空心银微球代替金属溶胶已被用于拉曼检测，例如上海交通大学陈守慧等(CN 101905330 A)通过将嗜热链球菌与硝酸银混合后与抗坏血酸反应得到空心银微球。虽然这类基底材料有着很好的拉曼增强效果，但是这些由贵金属制备的基底一次检测后无法回收利用。因此，具有磁性的核壳结构微球又被利用于SERS技术上(Langmuir2009，25(18)，10782 - 10787 ；Anal. Biochem. 2009，391，24 - 30)。但是，单一的金结构材料光谱区域被限制在600 nm到远红外，相对于银(450 nm)来说不够广泛，而单独的银粒子又没有金粒子优良的生物相容性，这些缺点都将影响在生物医药拉曼检测方面的运用。所以将金和银进行复合，利用他们之间长程或短程共轭共振，可提高拉曼技术的灵敏度和运用范围(A/k Funct. Mater. 2010, 20, 1954 - 1961 J. Mater. Chem., 2010，20,3688 - 3693)。
发明内容
本发明针对上述现有SERS材料结构的不足，设计一种具有磁性内核和金银长程等离子耦合结构的多层微球及其在拉曼检测方面的应用方法。具体技术方案如下
一种表面增强拉曼用等离子耦合结构微球，所述等离子耦合结构微球以磁性微球为内核，在所述内核外部逐层形成金属包覆层I、非金属隔离层和金属包覆层II ;所述金属包覆层I或金属包覆层II的厚度为0 50 nm，所述非金属隔离层的厚度为0 100 nm ;所述等离子耦合结构微球的粒径为300 1000 nm,比饱和磁化强度为10 50 emu/g。所述非金属隔离层的厚度为10 30 nm。所述磁性微球是四氧化三铁(Fe3O4)微球。所述金属包覆层I或金属包覆层II是金或银通过界面反应沉积的金属壳层。所述非金属隔离层是指间隔两种壳层材料的中间层，包括一般意义上的非金属材料，如氧化娃(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)等无机材料,聚苯乙烯(PS)、聚丙烯酸甲酯(PMMA)、聚电解质、壳聚糖等高分子材料。
一种表面增强拉曼用等离子耦合结构微球的制备方法，包括如下步骤
(I)将三氯化铁0 1.0 g、醋酸钠0 1.0 g、柠檬酸三钠0 0. 25 g和乙二醇0 20 mL搅拌均匀，在150 200 1溶剂热处理制备Fe3O4磁性微球；
(2 )利用分子量5000 70000的聚乙烯吡咯烷酮限制金属的生长方向，最后在步骤(I)制得的Fe3O4磁性微球表面形成致密的金属包覆层I，得到复合微球；
(3)通过溶胶凝胶法将非金属隔离层包覆在步骤(2)得到的复合微球上；
(4)在经过步骤(3)处理的复合微球表面通过层层自组装的方法引入金属种子，通过界面生长形成金属壳层，即金属包覆层II ;所述层层自组装的方法是指多层带相反电荷的聚电解质层由一层为阳离子聚电解质、一层为阴离子聚电解质交替吸附组装。所述步骤(3)的非金属隔离层是SiO2层，利用正硅酸乙酯在乙醇和水的溶液中形成溶胶，将一定量的微球浸溃于所述溶胶中，利用氨水、NaOH, KOH等碱性催化剂在步骤(2)得到的复合微球表面生长形成致密的SiO2层。所述步骤(4)中阳离子聚电解质一般有聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚二烯丙基二甲基氯化铵(TODA)等，阴离子聚电解质可选用聚4-苯乙烯磺酸盐(PSS)、聚丙烯酸(PAA)等。
利用静电吸附将金属阳离子(如Ag+、Cu2+等)吸附于阴离子聚合物表面，而金属酸根离子(如AuCl4' PtCl62_等)吸附于阳离子聚电解质表面。通过还原剂(如NaBH4、KBH4等)将金属离子还原成金属颗粒，即将金属种子引入复合微球表面，最后通过界面生长形成金属壳层，如本发明涉及的K金还原法，在配置好的K金溶液中加入吸附金种子的微球，利用甲醛的还原作用将金层生长在微球表面。其引入种子和界面生长方法和已有的文献报道类似 iBiosms. Bioelectron.，2012，34，132-136)。本发明涉及上述多功能磁性金银长程等离子共振微球在拉曼检测方面应用，通过将所制备的复合微球浸溃在10_4 10_9 mol/L的RdB水溶液中，通过磁铁吸附汇聚，直接检测聚集微球的拉曼信号。本发明制备设计的材料结构特殊可控、工艺新颖、原料简单、设备能耗低，具有磁分离性能，能够适用于生物分离检测，用于检测拉曼增强效应时其检测可达10_9 mol/L ;本发明适用于光化学催化，疾病检测以及食品安全等领域，同时可以实现对生物医药分子等实现分离和SERS检测一体化的应用前景。调节各层的厚度，制备多功能磁性金银长程等离子共振微球。
图I是实施例3中Fe3O4OAg-SiO2-Au复合微球形成过程示意 图2是实施例3过程中不同复合微球的TEM图，a为Fe3O4OAg,b为Fe3O4OAg-SiO2, c为Fe3O4OAg-SiO2-Au 的 TEM 图3是实施例3中Fe3O4OAg-SiO2-Au检测1(T4 1(T9 mol/L RdB拉曼谱图。
具体实施例方式下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例 I
表面增强拉曼用等离子耦合结构微球的制备方法，包括如下步骤
(a)溶剂水热法制备Fe3O4磁性微球
依次称取三氯化铁0. 650 g，水醋酸钠I. 000 g，柠檬酸三钠0. 250 g，取20 mL乙二醇，搅拌至溶液均一。将溶液转移至50 mL水热釜中，200 °C水热10 h。自然冷却到室温，用乙醇和水洗涤，得到Fe3O4磁性微球的平均尺寸为330 nm。(b) Ag层的包覆
称取 0. 200g Fe3O4,0. IOOg AgNO3 和 2. 500g PVP-K30，量取 24 mL 乙二醇，
100°C下反应12小时。用乙醇和去离子水洗涤，干燥产物即得到Fe3O4OAg复合微球。Ag层厚度大约9 nm。@代表核壳结构,在@前的物质表不核材料，@后面的表不壳层材料，而且从左至右依次代表壳层结构从内至外。(c) SiO2 层的包覆
称量0. 2g Fe3O4OAg粉末，分散于10 mL水中，取40 mL乙醇，加入0. 14 mL浓氨水，最后加入0. 57 mL正硅酸乙酯，25°C反应时间8小时。待反应结束后，使用磁铁分离，洗涤，干燥产物即得到Fe3O4OAg-SiO2复合微球。制备得到的SiO2层厚度约为90 nm。(d) Au层的包覆
称量0. 2g Fe3O4OAg-SiO2粉末加入2g/L的PAH 7 mL，超声30分钟，分离洗涤。加入0. 1%的HAuCl4 7 mL,吸附30分钟后分离洗涤。最后加入0. IM NaBH4溶液，反应30分钟，洗涤干燥。配制K金溶液。称取0. IOOg K2CO3于600 mL,加入400 mL水，搅拌10分钟。加1%的HAuCl4 6 mL，继续搅拌30分钟。取0. 2g上述干燥粉末，超声30分钟。最后加入0. 035 mL HCHO,反应30分钟，分离洗涤，干燥得到了最终产物Fe3O4OAg-SiO2-Au。Au层厚度大约5 nm。(e)最终复合微球的粒径约540 nm,比饱和磁化强度为15 emu/g,对RdB的拉曼信号最低可检测到1(T6 mol/L。实施例 2
表面增强拉曼用等离子耦合结构微球的制备方法，包括如下步骤
(a)溶剂水热法制备Fe3O4磁性微球如上述实施例I。(b)直接包覆Ag层和Au层，中间层被取消。具体实施方法如实施例I中步骤(b)和步骤(d)。(C)最终复合微球的粒径约360 nm,比饱和磁化强度为45 emu/g,对RdB的拉曼信号最低可检测到1(T7 mol/L。实施例 3
表面增强拉曼用等离子耦合结构微球的制备方法，包括如下步骤
(a)溶剂水热法制备Fe3O4磁性微球如上述实施例I。(b)包覆Ag层。具体实施方法如实施例I的步骤(b)。如图2a在Fe3O4表面形成了一层Ag层，即Fe3O4OAg,其厚度大约9 nm。(c)降低正硅酸乙酯的用量和反应时间，包覆薄的SiO2层。操作方法如下称量
0.2g Fe3O4OAg粉末，分散于10 mL水中，取40 mL乙醇,加入0. 14 mL浓氨水,最后加入0. 14mL正硅酸乙酯，25 1反应时间6小时。待反应结束后，使用磁铁分离，洗涤，干燥产物即得到Fe3O4OAg-SiO2复合微球。形成的SiO2层大约15 nm (如图2b)
(d)包覆Au层。具体实施方法如实施例I的步骤(d)。如图2c在微球在最外层可以看见金的颗粒，其Au层厚度大约5 nm。(e)最终复合微球的粒径约420 nm,比饱和磁化强度为 37 emu/g,如图3对RdB的拉曼信号最低可检测到10_9 mol/L。
权利要求
1.一种表面增强拉曼用等离子耦合结构微球，其特征在于，所述等离子耦合结构微球以磁性微球为内核，在所述内核外部逐层形成金属包覆层I、非金属隔离层和金属包覆层II;所述金属包覆层I或金属包覆层II的厚度为O 50 nm且所述金属包覆层I或金属包覆层II的厚度不同时为0，所述非金属隔离层的厚度为0 100 nm ;所述等离子耦合结构微球的粒径为300 1000 nm,比饱和磁化强度为10 50 emu/g。
2.根据权利要求I所述的等离子耦合结构微球，其特征在于，所述非金属隔离层的厚度为10 30 nm。
3.根据权利要求I所述的等离子耦合结构微球，其特征在于，所述磁性微球是四氧化三铁(Fe3O4)微球。
4.根据权利要求I所述的等离子耦合结构微球，其特征在于，所述金属包覆层I或金属包覆层II是金或银通过界面反应沉积的金属壳层。
5.根据权利要求I所述的等离子耦合结构微球，其特征在于，所述非金属隔离层是二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、聚苯乙烯、聚丙烯酸甲酯、聚电解质或壳聚糖。
6.权利要求I 5任一所述的表面增强拉曼用等离子耦合结构微球的制备方法，包括如下步骤 (I)将三氯化铁0 1.0 g、醋酸钠0 1.0 g、柠檬酸三钠0 0. 25 g和乙二醇0 20 mL搅拌均匀，在150 200 1溶剂热处理制备Fe3O4磁性微球； (2 )利用分子量5000 70000的聚乙烯吡咯烷酮限制金属的生长方向，最后在步骤(I)制得的Fe3O4磁性微球表面形成致密的金属包覆层I，得到复合微球； (3)通过溶胶凝胶法将非金属隔离层包覆在步骤(2)得到的复合微球上； (4)在经过步骤(3)处理的复合微球表面通过层层自组装的方法引入金属种子，通过界面生长形成金属壳层，即金属包覆层II ;所述层层自组装的方法是指多层带相反电荷的聚电解质层由一层为阳离子聚电解质、一层为阴离子聚电解质交替吸附组装。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的非金属隔离层是SiO2层，利用正硅酸乙酯在乙醇和水的溶液中形成溶胶，将一定量的微球浸溃于所述溶胶中，利用碱性催化剂在步骤(2)得到的复合微球表面生长形成致密的SiO2层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中阳离子聚电解质是聚烯丙基胺盐酸盐、聚乙烯亚胺或聚二烯丙基二甲基氯化铵，阴离子聚电解质是聚4-苯乙烯磺酸盐或聚丙烯酸。
全文摘要
本发明涉及一种表面增强拉曼用等离子耦合结构微球，所述等离子耦合结构微球以磁性微球为内核，在所述内核外部逐层形成金属包覆层I、非金属隔离层和金属包覆层II；所述金属包覆层I或金属包覆层II的厚度为0～50nm，所述非金属隔离层的厚度为0～100nm；所述等离子耦合结构微球的粒径为300～1000nm，比饱和磁化强度为10～50emu/g。该等离子耦合结构微球的制备方法简单、产物结构可控，得到的微球能够适用于生物分离检测，用于检测拉曼增强效应时其检测可达10-9mol/L；还适用于光化学催化，疾病检测以及食品安全等领域，同时可以实现对生物医药分子等实现分离和SERS检测一体化的应用前景。
文档编号B22F1/02GK102699321SQ201210190080
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者朱以华, 杨晓玲, 沈建华, 范开才, 钟华 申请人:华东理工大学