本发明涉及表面增强拉曼光谱检测领域，尤其是涉及一种mof包覆金纳米粒子增强拉曼光谱检测voc气体的方法。
背景技术：
表面增强拉曼光谱(sers)作为一种无损、快速、超灵敏的分子检测技术手段，被广泛应用于分析、催化、传感等领域中。通常而言，分子需要靠近等离子体表面(<5nm)才能使自身拉曼信号得到极大增强，分子一般是通过化学或物理作用吸附在金属纳米粒子基底(au、ag、cu等)表面，由于其表面等离激元共振效应(spr)使得在特定波长的激发光下能够得到良好的分子sers信号。然而，对于一些分子，尤其是voc(挥发性有机化合物)气体，较难与sers基底发生作用，因此目前将拉曼技术应用于这些非吸附性分子的检测中极富挑战。
在sers中，为提高各种分子的检测灵敏度，已经报道了各种各样的方法用于解决非吸附性分子的检测问题，尤其是气体分子。例如通过低温冷却富集作用，将不吸附的气体分子变成液态或者固态，在具有sers作用的基底上能够被有效检测，但该方法操作过程复杂、sers信号不稳定、冷却引入杂质等问题，因此在应用中相对比较受限。另外，在基底表面包覆一层吸附层，通过吸附层与待测分子的化学或者物理相互作用，能够有效地捕获非吸附性分子，将其控制在基底的spr区域中，从而得到分子有效的sers信号。文献中已有报道的策略，专利(cn107436300b)公开一种表面增强拉曼散射基底材料及其制备方法，将具有金元素的化合物进行还原处理，以便得到金纳米粒子，在所述保护剂覆盖的超粒子结构的表面形成金属-有机框架材料层，以及在金纳米粒子表面键合功能化修饰分子，其中功能化修饰分子易于与醛类分子发生化学反应，将其作为基底材料能够有效地用于肺癌呼吸标志物的定量检测；然而，对于非醛类或不与基底上修饰的功能化分子相作用的化合物气体就几乎无法被有效地检测，且功能化分子层不均匀在测试条件下很可能会发生脱落或破坏，使得其吸附和检测能力下降；同时，功能化分子还可能会产生干扰信号，直接影响待测分子的分辨。另外，ling等人将zif-8生长在ag附着的硅片基底上(lingetal.drivingco2toaquasi-condensedphaseattheinterfacebetweenananoparticlesurfaceandametal-organicframeworkat1barand298k.j.am.chem.soc.2017(139),11513-11518.)，同时在ag表面吸附上对甲基苯硫酚分子。对甲基苯硫酚可以强吸附在ag的表面，同时它作为内标会使得co2分子特异性吸附，再加上zif-8的富集作用，从而实现用拉曼技术对co2分子的检测。但该基底使用的不是自由的ag纳米粒子(需要事先把ag纳米粒子沉积在硅片上，限制了它的应用范围)，且zif-8壳层太厚(100～400nm)，导致粒子之间无法产生有效的耦合作用，故拉曼增强能力非常有限，并且该方法难以拓展到其他弱吸附分子体系。vanduyne等利用zif-8包覆ag基底，从而对甲苯等进行拉曼检测(vanduyne,etal.sersofmoleculesthatdonotadsorbonagsurfaces:ametal-organicframework-basedfunctionalizationstrategy.analyst,2014(139),4073-4080.)。同样地，该策略也是只能在ag基底而非其它纳米粒子上进行包覆，且zif-8壳层较厚，使得其检测灵敏度非常有限。还需指出的是，这些报道主要都集中在ag基底上，而ag是非常容易被氧化，从而导致其sers活性迅速下降。基于此，开发一种高稳定的金纳米粒子为内核，极薄mof为壳层的核壳纳米粒子，并用于各类挥发性有机物的拉曼检测中具有重要意义。
技术实现要素：
本发明目的在于针对现有技术中存在的上述不足，提供策略操作简单，成本低廉，通用性强，具有良好应用前景的一种mof包覆金纳米粒子增强拉曼光谱检测voc气体的方法。
本发明包括以下步骤：
1)制备具有表面等离激元共振效应的高分散au纳米粒子溶胶；
2)在步骤1)制备的高分散au纳米粒子溶胶中调节加入金属有机框架化合物前驱体的量，控制反应时间及温度，用冰浴骤冷的方式结束反应进程，获得均匀极薄且厚度可调的金属有机框架化合物包覆的au纳米粒子溶胶au@mof；
3)将步骤2)获得的au@mof纳米粒子溶胶制备成检测芯片，直接进行低浓度的不同vocs气体的sers检测。
在步骤1)中，所用纳米粒子为在水溶液中通过煮沸，并用柠檬酸钠还原氯金酸的传统方法合成45～150nm的壳层隔绝au纳米粒子溶胶；将au纳米溶胶加入聚乙烯吡咯烷酮(pvp)水溶液混合过夜制备au纳米粒子溶胶(pvp-au)。
在步骤2)中，所述金属有机框架化合物为zif-8、zif-8类似物、mil-100等中的一种，可直接吸附待测vocs气体分子，而不需要引入其它分子或材料用于待测vocs的吸附；au@mof核壳结构中壳层厚度为1～10nm，壳层均匀极薄且厚度可调；内核au纳米粒子粒径为45～150nm，且内核仅有单个金纳米粒子，从而使得粒子之间可产生强等离激元耦合作用，提升分子检测灵敏度。
在步骤3)中，所述检测所用方法为表面增强拉曼光谱法，所使用的激光为能够与纳米粒子进行有效耦合的光源波长(500～1000nm)；所述vocs气体为不吸附在金属纳米粒子表面的甲苯、乙苯、氯苯等芳香类vocs气体。
本发明的原理如下：
在具有表面等离激元共振效应的au纳米粒子表层包覆一层极薄且均匀的zif-8类金属有机框架材料，zif-8是一种稳定性良好的多孔有机框架结构，其中金属离子为zn+，有机配体为2-二甲基吡唑分子，化学稳定性和热稳定性良好，能够有效富集进入孔道中的分子，并阻断大分子进入孔道，壳层厚度在1～10nm左右可控合成，同时通过多孔壳层的有效富集作用将待测气体分子限域在孔隙中，从而聚集在具有电磁场增强作用的内核au纳米粒子表面。通过控制溶液中au的浓度得到单核或多核的au@mof壳层隔绝纳米粒子，当制备单核au@mof纳米粒子时，改变加入的前驱体量即可得到不同壳层厚度的au@mof纳米粒子。在壳层控制壳层厚度极薄状态时，故纳米粒子之间能够形成尺寸很小的间隙，产生极强的耦合效果，从而能够获得待测气体分子良好的sers信号。该结构可适用于不同类型的voc气体检测，并且根据分子的特征拉曼谱峰进行有效特异性识别，证实该策略在应用中的普适性。
与现有方法相比，本发明具有以下突出的优点和技术效果：
1、本发明金属有机框架化合物(mof)包覆金纳米粒子的合成原材料简单，内核金粒径大小以及壳层mof材料的厚度可控调节，特别是壳层厚度可薄至1nm，使得粒子-粒子之间可形成很小的纳米间隙，从而产生很强的sers耦合效果。金属有机框架化合物壳层可直接吸附待测vocs气体分子，而不需要引入其它分子或材料用于待测vocs的吸附。
2、本发明的重现性高，有效避免在拉曼测试中不同批次样品产生不同效果的问题。
3、zif-8类金属有机框架材料作为壳层，有效富集voc气体，无需任何功能化分子修饰捕获待测分子，同时利用内核au纳米粒子的sers效应能够增强待测分子信号。zif-8是一种稳定性良好的多孔有机框架结构，其中金属离子为zn+，有机配体为2-二甲基吡唑分子，化学稳定性和热稳定性良好，能够有效富集进入孔道中的分子，并阻断大分子进入孔道，已广泛应用于气体吸附、分离、存储中。
4、不同分子有独特的拉曼特征峰，该壳层隔绝纳米粒子结构结合拉曼技术能够对分子在应用上进行有效的特异性识别。
5、mof包覆金纳米粒子能够对不同的voc气体进行检测，表明该结构在测试中的普适性，证实这种技术在实际应用中具有广泛前景。
附图说明
图1为制备不同结构的au@zif-8纳米粒子溶胶的实验流程示意图。
图2为au@zif-8纳米粒子不同分辨率的透射电子显微镜图(tem)。
图3为au、zif-8和不同结构au@zif-8的x射线衍射图(xrd)。
图4为不同au@zif-8核壳纳米粒子制成芯片的本征拉曼光谱表征图。
图5为au和不同au@zif-8核壳结构对甲苯气体的拉曼光谱测试图。
图6为au@zif-8(3nm)对不同voc气体测试的普适性图。其中分别列出甲苯、乙苯以及氯苯的拉曼测试光谱图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题更加清晰，以下实施例将结合附图对本发明做进一步详细说明，但并不作为对本发明的限定。
本发明包括以下步骤：
1)制备具有表面等离激元共振效应的高分散au纳米粒子溶胶；
2)在步骤1)制备的高分散au纳米粒子溶胶中调节加入金属有机框架化合物前驱体的量，控制反应时间及温度，用冰浴骤冷的方式结束反应进程，获得均匀极薄且厚度可调的金属有机框架化合物包覆的au纳米粒子溶胶au@mof；
3)将步骤2)获得的au@mof纳米粒子溶胶制备成检测芯片，无需进行其他功能化处理，即可直接进行低浓度的不同vocs气体的sers检测。
在步骤1)中，所用纳米粒子为在水溶液中通过煮沸，并用柠檬酸钠还原氯金酸的传统方法合成45～150nm的壳层隔绝au纳米粒子溶胶；将au纳米溶胶加入聚乙烯吡咯烷酮(pvp)水溶液混合过夜制备au纳米粒子溶胶(pvp-au)。
在步骤2)中，所述金属有机框架化合物为zif-8、zif-8类似物、mil-100等中的一种，可直接吸附待测vocs气体分子，而不需要引入其它分子或材料用于待测vocs的吸附；au@mof核壳结构中壳层厚度为1～10nm，壳层均匀极薄且厚度可调；内核au纳米粒子粒径为45～150nm，且内核仅有单个金纳米粒子，从而使得粒子之间可产生强等离激元耦合作用，提升分子检测灵敏度。
在步骤3)中，所述检测所用方法为表面增强拉曼光谱法，所使用的激光为能够与纳米粒子进行有效耦合的光源波长(500～1000nm)；所述vocs气体为不吸附在金属纳米粒子表面的甲苯、乙苯、氯苯等芳香类vocs气体。
以下给出具体实施例。
实施例1
本实施例以au@zif-8纳米粒子为例进行说明。
如图1所示，为不同结构的au@zif-8纳米粒子制备的流程示意图。具体制备方法如下：
1、55nmau纳米粒子的制备：取200ml质量分数为0.01％的haucl4水溶液，加入250ml的圆底烧瓶中，搅拌下加热至沸腾，移液枪量取质量分数为1％的柠檬酸钠水溶液1.5ml加入反应溶液中，反应颜色从透明逐渐变黑最后再变为土黄色，继续加热保持30min，等完全反应后自然冷却至室温，所得溶液即为55nmau纳米溶胶。取40ml的55nmau溶液，加入分子量为5500，20ml2.5％的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)水溶液，混合过夜，即获得pvp修饰的55nmau纳米粒子溶胶(pvp-au)。
2、au@zif-8纳米粒子溶胶的制备：①制备单核的au@zif-8纳米粒子溶胶，取3份15mlpvp-au水溶液，离心浓缩之后分别至于圆底烧瓶，放入50℃水浴锅中，每份用甲醇稀释至5ml；分别加入0.15、1、5ml的25mmzn(no3)2甲醇溶液，震荡均匀静置3min后，接着加入0.225、1.5、7.5ml的50mm2-二甲基咪唑甲醇溶液，反应7min后取出，冰浴骤冷结束反应进程可获得不同壳厚的核壳纳米粒子，接着离心，转速为5500rpm，时间10min，即得到3nm、15nm和50nm不同壳层厚度单核的au@zif-8纳米粒子溶胶。②制备多核au@zif-8纳米粒子溶胶，取15mlpvp-au溶液，离心浓缩之后至于圆底烧瓶，放入50℃水浴锅中，直接加入的1ml25mmzn(no3)2甲醇溶液，震荡均匀，静置3min，加入1.5ml50mm的2-二甲基咪唑甲醇溶液，反应7min后取出，冰浴骤冷结束反应进程，可获得不同壳厚的核壳纳米粒子，接着离心，转速5500rpm，时间10min，即得到多核结构的au@zif-8核壳纳米粒子溶胶。
本实施例可通过au@zif-8反应开始时控制溶液中au的浓度得到单核和多核的au@zif-8壳层隔绝纳米粒子，其中zn2+︰2-二甲基咪唑＝1︰3；制备单核au@zif-8纳米粒子时，改变加入的zif-8前驱体量即可得到不同壳层厚度的au@zif-8纳米粒子。
上述合成中得到不同结构au@zif-8纳米粒子的tem图见图2。其中标尺大小分别为50nm、50nm、100nm和500nm，从图中能够清晰观察到均匀的au@zif-8核壳结构，大小依次为au@zif-8(3nm)，au@zif-8(15nm)，au@zif-8(50nm)以及多核结构的au@zif-8纳米粒子。
对不同结构的au@zif-8纳米粒子进行xrd和sers物性表征。首先，将au、zif-8、au@zif-8(3nm)、au@zif-8(15nm)、多核au@zif-8制备好的五种不同结构纳米粒子，离心浓缩，滴加到特制的石英玻璃片上，自然风干之后对得到的粉末样品进行xrd测试。图3为测试结果。从图3可以看出，不同结构的au@zif-8均有au和zif-8晶体的x射线衍射峰，并且随着zif-8壳层越厚，相应的吸收峰越强，进一步说明au@zif-8中内核au和壳层zif-8的结构完整性；另外，对不同结构的au@zif-8纳米粒子粉末样品直接进行拉曼表征，在638nm激光下，功率1％，曝光时间60s。从图4可以看出，由于粒子之间的耦合作用，产生sers作用，在au@zif-8(3nm)和多核au@zif-8中壳层zif-8的本征拉曼信号峰会发生增强和少量的偏移；而au@zif-8(15nm)和au@zif-8(50nm)的拉曼信号主要来自于激光作用下壳层自身的信号，无sers作用，所以信号较弱，其中陡坡主要是内核au荧光效应导致的结果，同时也进一步说明内核au的完整性。
进一步的，将不同结构的au和au@zif-8纳米粒子对甲苯进行测试对比，观察无壳层和不同壳层厚度对voc气体检测的影响。将粒子溶胶滴在硅片上自然干燥得到voc气体检测芯片，置于真空池子中，向其通入甲苯气体，在638nm激光，功率1％，曝光时间60s下进行拉曼测试；在图5中，从下到上依次是au、多核au@zif-8、au@zif-8(3nm)和au@zif-8(15nm)四种结构在通入甲苯气体之后进行拉曼测试所得到的结果，对于裸au而言，由于甲苯不吸附在au上无论是否通入气体基本看不到甲苯的拉曼信号峰；在15nm的壳层结构中由于壳层太厚，粒子之间无sers作用，测不到甲苯的拉曼信号峰；多核结构中尽管粒子之间能够发生耦合作用，但由于壳层仍然很厚导致吸附到粒子耦合spr区域中的分子相对较少，且具有耦合作用的纳米粒子数量不足产生分子增强的拉曼信号有限，导致甲苯的环呼吸振动峰不明显；只有au@zif-8(3nm)纳米粒子中，能够清晰观察到通入甲苯气体之后，在1003cm-1附近的环呼吸振动拉曼峰，这里认为主要是由于壳层能够有效富集甲苯气体，且粒子之间产生的耦合效应，使得甲苯分子的拉曼信号可被显著增强。对比以上不同结构的纳米粒子对甲苯气体测试的拉曼谱图可知，在au表面包覆zif-8壳层且控制壳层厚度，对提高voc的检测灵敏度具有重要影响。
将上述au@zif-8(3nm)纳米粒子用于不同的voc气体中进行拉曼检测。将au@zif-8(3nm)的检测芯片至于真空的通气池子中，往里通入不同的voc气体(如甲苯、乙苯、氯苯等)，从图6可以看出，相对于不通气体的纳米粒子，在不同的voc气体环境中能够清晰的看到不同待测分子的信号峰，甲苯的拉曼特征峰在1003cm-1，乙苯的拉曼特征峰在1001cm-1，氯苯的拉曼特征峰在997cm-1，从而证实这种结构在不同voc气体测试中的普适性。
本发明首先在稳定性良好且具有表面等离激元共振效应(spr)的金纳米粒子表面包覆一层极薄zif-8类金属有机框架材料得到核壳结构纳米粒子溶胶；接着，将纳米粒子溶胶制备成气体检测芯片，在吸附voc气体之后利用sers技术进行拉曼测试，对比分析不同核壳纳米粒子测试结果，证实本发明在voc气体分析检测中的特异性；最后，对不同的voc气体进行测试，表明了该方法在实际应用中的普适性。本发明操作简单、成本低廉、检测速度快、通用性强，可适用于气体传感芯片的制备。
实施例2
本实施例以au@mil-100纳米粒子为例进行说明，其中纳米粒子具体制备方法如下：
1、采用实施例1中柠檬酸钠还原氯金酸的方法获得55nmau溶胶，取出30ml的55nmau溶液，加入3ml1*10^(-8)巯基乙酸溶液，均匀分成三份，混合过夜，即可获得巯基乙酸修饰的55nmau粒子溶胶。
2、au@mil-100纳米粒子溶胶的制备。将3份巯基乙酸修饰的au溶液，离心浓缩分别至于3个圆底烧瓶中，放入70℃水浴锅中，分别加入3，6，9ml的0.1mmfecl3的乙醇溶液，震荡静止15min，接着加入3，6，9ml的0.1mm均苯三甲酸的乙醇溶液，震荡均匀，继续水浴30min后取出，冰浴骤冷，结束反应进程，即可获得不同壳层厚度(3，5，7nm)的au@mil-100核壳纳米粒子，后续离心步骤同实施例1类似。
同实施例1的方法用au@mil-100制备得到分子检测芯片，并对不同的挥发性有机气体分子进行拉曼测试。