一种磁性固态SERS基底及其制备方法和应用

一种磁性固态sers基底及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于检测领域，具体涉及一种磁性固态sers基底及其制备方法和应用。


背景技术：

2.表面增强拉曼光谱(surface-enhanced raman scattering，英文简写：sers)是一种可以获得分子指纹信息的光谱技术。可以快速获得目标分子详细的结构信息，因此在污染物分析检测领域表现出巨大的应用前景。目前，贵金属溶胶由于其制备简单，增强效果较好使其成为最常用的sers基底，但其在分析检测过程中往往会遇到增强效果一般，受检测环境影响较大以及不易保存等局限性。因此，如何提高表面增强拉曼光谱基底的灵敏度以及稳定性，使其可以在分析检测中发挥更大的作用仍然是一个巨大挑战。
3.目前，固态基底由于其优异的稳定性受到了诸多关注。许多固态sers基底被报道出来具有提高sers检测的灵敏度以及稳定性的作用。常见的固态sers基底包括固态膜基底、固态自组装基底、固态芯片基底等。除此之外，磁性复合基底由于其优异的磁分离功能可以方便的制备磁性固态基底。但是目前使用最多的磁性基底仍然是以四氧化三铁为基础的复合基底。四氧化三铁容易被氧化以及尺寸较小不适合贵金属纳米粒子的负载，因此在稳定性和灵敏度方面仍然具有很大的发展空间。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种磁性固态sers基底。
5.本发明的目的之二在于提供一种磁性固态sers基底的制备方法。
6.本发明的目的之三在于提供一种毒素检测方法。
7.本发明的目的之四在于提供一种磁性固态sers基底在分析检测领域中的应用。
8.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
9.本发明的第一个方面在于提供一种磁性固态sers基底，包括银纳米粒子、镍金属有机框架材料和磁性镍棒；所述磁性镍棒表面包覆镍金属有机框架材料；所述镍金属有机框架材料上负载银纳米粒子。
10.优选地，所述银纳米粒子、镍金属有机框架材料和磁性镍棒的摩尔质量比为1：(0.07～1.18)：(58.8～882.4)。
11.优选地，所述银纳米粒子、镍金属有机框架材料的摩尔质量比为1：(0.1～1.1)；进一步优选地，所述银纳米粒子、镍金属有机框架材料的摩尔质量比为1：(0.5～1)；再进一步优选地，所述银纳米粒子、镍金属有机框架材料的摩尔质量比为1：(0.5～0.8)。
12.优选地，所述银纳米粒子和磁性镍棒的摩尔质量比为1：(60～850)；进一步优选地，所述银纳米粒子和磁性镍棒的摩尔质量比为1：(100～800)；再进一步优选地，所述银纳米粒子和磁性镍棒的摩尔质量比为1：(200～600)；更优选地，所述银纳米粒子和磁性镍棒的摩尔质量比为1：(400～500)。
13.优选地，所述镍金属有机框架材料包括mof-74(ni)。
14.优选地，所述银纳米粒子的粒径为30～70nm。
15.本发明的第二个方面在于提供本发明第一个方面提供的磁性固态sers基底的制备方法，包括以下步骤：
16.s1：将镍源和水合肼在碱性条件下通过溶剂热反应，制得磁性镍棒；
17.s2：将磁性镍棒和2,5-二羟基对苯二甲酸通过溶剂热反应，制得表面包覆mof-74(ni)的磁性镍棒；
18.s3：将表面包覆mof-74(ni)的磁性镍棒依次与银氨溶液、还原剂反应。
19.优选地，所述步骤s1还包括加入乙二醇的步骤。
20.优选地，所述碱性条件具体为加入氢氧化钠进行反应。
21.优选地，所述步骤s1中的溶剂热反应的温度为60～70℃；进一步优选地，所述步骤s1中的溶剂热反应的温度为62～68℃；再进一步优选地，所述步骤s1中的溶剂热反应的温度为64～66℃。
22.优选地，所述步骤s1中的溶剂热反应的反应时间为0.5～5h；进一步优选地，所述步骤s1中的溶剂热反应的反应时间为1～4h；再进一步优选地，所述步骤s1中的溶剂热反应的反应时间为1～3h。
23.优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的温度为90～130℃；进一步优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的温度为100～120℃；再进一步优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的温度为105～115℃。
24.优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的反应时间为15～30h；进一步优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的反应时间为15～28h；再进一步优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的反应时间为15～25h。
25.优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺；进一步优选地，所述步骤s2中的溶剂热反应的溶剂还包括乙醇和水。
26.优选地，所述步骤s2中，磁性镍棒的含量为1.67～2.67mg/ml。
27.优选地，所述步骤s3中，表面包覆mof-74(ni)的磁性镍棒的含量为1.67～2.67mg/ml。
28.优选地，所述制备方法还包括重复2～10次步骤s3的步骤；进一步优选地，所述制备方法还包括重复2～8次步骤s3的步骤；再进一步优选地，所述制备方法还包括重复3～6次步骤s3的步骤。
29.优选地，所述镍源包括氯化镍、硝酸镍、醋酸镍中的至少一种。
30.优选地，所述银氨溶液是由硝酸银和氨水配制而成。
31.优选地，所述银氨溶液的配制方法为：往洁净的试管中加入1ml2％硝酸银溶液，然后边振荡边逐滴滴入2％稀氨水，直到最初产生的的沉淀刚好溶解为止。
32.优选地，所述还原剂为含有醛基的化合物；进一步优选地，所述含有醛基的化合物包括葡萄糖、麦芽糖、甲醛、乙醛中的至少一种。
33.优选地，所述还原剂为葡萄糖。
34.本发明的第三个方面在于提供一种毒素检测方法，包括以下步骤：
35.s1：将毒素适配体修饰到本发明第一个方面所提供的磁性固态sers基底上，制得
捕获探针；将4-巯基苯甲酸和5,5'-二硫双(2-硝基苯甲酸)修饰到纳米金上，制得4-巯基苯甲酸和5,5'-二硫双(2-硝基苯甲酸)标记的纳米金；将毒素适配体互补链修饰到4-巯基苯甲酸和5,5'-二硫双(2-硝基苯甲酸)标记的纳米金上，制得信号探针；
36.s2：将所述捕获探针和信号探针配位，制得复合探针；然后将毒素加入到复合探针上，对复合探针进行sers测试；
37.所述毒素包括t-2毒素、呕吐毒素中的至少一种。
38.优选地，所述t-2毒素适配体序列为5
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。
39.优选地，所述t-2毒素适配体互补链序列为5
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40.优选地，所述呕吐毒素适配体序列为5
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41.优选地，所述呕吐毒素适配体互补链序列为5
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。
42.本发明的第四个方面在于提供本发明第一个方面提供的磁性固态sers基底在分析检测领域中的应用。
43.优选地，所述分析检测领域包括物质痕量分析领域、单分子检测领域或食品安全检测领域。
44.本发明的有益效果是：本发明中的磁性固态sers基底中的镍金属有机框架材料具有较好的吸附性能，可以通过对目标物的吸附显著提高sers信号；银纳米粒子能显著提高sers灵敏度；磁性镍棒具有优异的磁分离作用，可以制备成固态的sers基底，显著提高sers基底的稳定性和对目标物的分离富集作用。本发明中的磁性固态sers基底由于包裹镍金属有机框架材料及银纳米粒子而具有较高的灵敏度和稳定的sers信号，且该sers基底在不同ph值和盐离子浓度下仍然具有稳定的sers性能。另外，本发明中的sers基底携带方便，易存储且保质期长，可以用于物质痕量分析、单分子检测或食品安全检测中。
45.此外，本发明中的制备方法简单易操作，无需加入金属离子，利用磁性镍棒溶出的ni
2+
与有机单体2,5-二羟基对苯二甲酸通过溶剂热反应直接制得包裹mof-74(ni)的磁性镍棒，制备成本低廉，不产生金属离子废液，绿色环保。
附图说明
46.图1为本发明实施例1制备的磁性固态sers基底的扫描电子显微镜图。
47.图2为实施例1中的磁性镍棒、mof-74(ni)包裹的磁性镍棒、磁性固态sers基底的磁滞回线图。
48.图3为实施例1中的磁性镍棒、mof-74(ni)包裹的磁性镍棒、磁性固态sers基底和mof-74(ni)的x射线衍射表征图。
49.图4为实施例1中的磁性镍棒的ni
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溶出浓度测试图。
50.图5为实施例1和对比例1～6中的基底对4-巯基苯甲酸的sers信号响应图。
51.图6为实施例1制备的磁性固态sers基底对不同浓度4-巯基苯甲酸的sers谱图。
52.图7为实施例1制备的磁性固态sers基底的重复性和重现性能测试图。
53.图8为实施例1制备的基底在不同ph和不同浓度氯化钠溶液下测试时的sers响应图。
54.图9为t-2毒素和呕吐毒素同时进行检测的拉曼谱图。
具体实施方式
55.以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。需要指出的是，以下若为有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
56.实施例1
57.本例中的磁性固态sers基底，包括银纳米粒子修饰的mof-74(ni)包裹的磁性镍棒；所述银纳米粒子、mof-74(ni)和磁性镍棒的摩尔质量比为1：1：450。
58.本例中的磁性固态sers基底采用以下制备方法制得，具体包括如下步骤：
59.s1.取2.0ml 1.0mol/l的氯化镍溶液于12.0ml乙二醇中，然后依次加入14.0ml超纯水，2.0ml 1.25mol/l的氢氧化钠溶液和10.0ml水合肼，持续搅拌分散10min。随即在65℃下保持搅拌2h。最后用超纯水和无水乙醇分别清洗3次后烘干即可得到磁性镍棒；
60.s2.将50.0mg磁性镍棒和50.0mg 2,5-二羟基对苯二甲酸加入到25.0ml n,n-二甲基甲酰胺、2.5ml超纯水和2.5ml乙醇的混合溶液中，进行溶剂热反应，加热至110℃，保温20h；最后用超纯水和无水乙醇分别清洗3次后烘干即可得到mof-74(ni)包裹的磁性镍棒；
61.s3.向50.0mg mof-74(ni)包裹的磁性镍棒中加入5.0ml 50.0mol/l银铵溶液，机械混匀2min，通过磁性分离去掉溶液，随即加入10.0ml 78.0mol/l的葡萄糖溶液，机械混匀2min；重复上述过程5次，即得本例中的磁性固态sers基底。
62.为了便于对比，本例采用以下方法制备了mof-74(ni)，具体制备方法如下：将349.0mg硝酸镍和71.2mg 2,5-二羟基对苯二甲酸加入到25.0ml n,n-二甲基甲酰胺、2.5ml超纯水和2.5ml乙醇的混合溶液中，进行溶剂热反应，加热至110℃，保温20h；最后用超纯水和无水乙醇分别清洗3次后烘干即可得到mof-74(ni)。
63.本发明实施例1制备的磁性固态sers基底的扫描电子显微镜图如图1所示，从图1中可以看出银纳米粒子均匀的附着在mof-74(ni)包裹的磁性镍棒上。
64.分别测试实施例1中的磁性镍棒、mof-74(ni)包裹的磁性镍棒、磁性固态sers基底的磁滞回线图，具体测试结果见图2所示，其中，图2中的曲线1为磁性镍棒的磁滞回线图；曲线2为mof-74(ni)包裹的磁性镍棒的磁滞回线图，曲线3为磁性固态sers基底的磁滞回线图。从图2中的磁滞回线图可以看出mof-74(ni)的包裹和银纳米粒子的修饰对磁性镍棒的磁性影响很小。
65.分别测试实施例1中的磁性镍棒、mof-74(ni)、mof-74(ni)包裹的磁性镍棒、磁性固态sers基底的x射线衍射表征图，具体测试结果见图3所示，其中，图3a为本发明实施例1中的磁性镍棒的x射线衍射表征图；图3b为实施例1中制备的mof-74(ni)的x射线衍射表征图，图3c为实施例1中的mof-74(ni)包裹的磁性镍棒的x射线衍射表征图；图3d为实施例1中的磁性固态sers基底的x射线衍射表征图。由图3可知，本发明中的磁性固态sers基底已经制备成功。
66.为了筛选出最优的制备mof-74(ni)包裹的磁性镍棒的反应时间和反应温度，分别测试了不同的制备mof-74(ni)包裹的磁性镍棒的反应时间和反应温度下的磁性镍棒中的ni
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溶出浓度，具体测试结果如图4所示，其中，图4a为在磁性镍棒上包覆mof-74(ni)反应在不同反应时间(反应时间分别为5h、10h、15h、20h、25h、30h和35h)下ni
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溶出浓度测试图；图4b为在磁性镍棒上包覆mof-74(ni)反应在不同反应温度(反应温度分别为70℃、90℃、110℃、130℃和150℃)下ni
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溶出浓度测试图。从图4中可以看出磁性镍棒在本发明中可以直接提供ni
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从而实现mof-74(ni)的包裹，且在反应时间为20h和反应温度为110℃时ni
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溶出浓度最高。mof-74(ni)在包裹磁性镍棒时无需再添加镍源，磁性镍棒中溶出的ni
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与有机单体(2,5-二羟基对苯二甲酸)排位形成mof-74(ni)，从而使mof-74(ni)成功包裹在磁性镍棒的表面并与磁性镍棒之间具有较好的相容性和结合力。
67.实施例2
68.本例的原料和制备方法同实施例1，本例与实施例1的区别仅在于：所述步骤s3中，加入银铵溶液和葡萄糖溶液反应的循环次数为3次。
69.实施例3
70.本例的原料和制备方法同实施例1，本例与实施例1的区别仅在于：所述步骤s3中，加入银铵溶液和葡萄糖溶液反应的循环次数为6次。
71.对比例1
72.本例中的基底与实施例1的区别在于：不添加mof-74(ni)和银纳米粒子。具体制备过程为实施例1中的步骤s1。
73.对比例2
74.本例中的基底与实施例1的区别在于：基底中只含有mof-74(ni)；具体制备过程为：将mof-74(ni)负载在铝箔纸上，即可得到本例中的基底。
75.对比例3
76.本例中的基底与实施例1的区别在于：基底中只含有银纳米粒子；具体制备过程为：将5ml银纳米粒子负载在尼龙-66滤膜上，即可得到本例中的基底。
77.对比例4
78.本例中的基底与实施例1的区别在于：基底中不添加银纳米粒子；具体制备过程为实施例1中的步骤s1和s2。
79.对比例5
80.本例中的基底与实施例1的区别在于：基底中不添加磁性镍棒，具体制备过程为通过与实施例1步骤s3相同的方法在mof-74(ni)上负载银纳米粒子，随即将银纳米粒子修饰的mof-74(ni)负载在铝箔纸上，即可得到本例中的基底。
81.对比例6
82.本例中的基底与实施例1的区别在于：基底中不添加mof-74(ni)；具体制备过程为通过与实施例1步骤s3相同的方法在磁性镍棒上负载银纳米粒子，即可得到本例中的基底。
83.性能测试
84.本发明实施例2～3制得的磁性固态sers基底的性能与实施例1基本相同，因此，本发明对实施例1和对比例1～6中制备的sers基底进行性能检测，具体测试内容如下：
85.测试方法为：
86.将4-巯基苯甲酸溶液直接滴加到基底上，然后采用便携式i-raman plus拉曼仪直接检测sers响应强度，激发强度为31.5mv，积分时间为5s，每个浓度连续测试3次，并以这3个数据来做统计，取其在1072cm-1
和1581cm-1
处特征峰的峰强度来考察其sers响应。具体为：
87.取5μl 4-巯基苯甲酸溶液分别滴加到实施例1和对比例1～6中制备的基底上，分别测试实施例1和对比例1～6中的基底在检测4-巯基苯甲酸时的信号响应图，具体测试结果如图5所示，在图5中，曲线1～曲线6分别为对比例1至对比例6中的基底检测4-巯基苯甲酸的信号响应图；曲线7为实施例1的磁性固态sers基底检测4-巯基苯甲酸的sers信号响应图。从图5中可以明显看出采用本发明中的磁性固态sers基底检测4-巯基苯甲酸时的sers信号响应效果是最好的，对比例5中的基底中不含有磁性镍棒，失去磁性分离作用后，对比例5中的基底的sers性能比实施例1显著下降，原因在于：对比例5不含磁性镍棒，缺少磁性分离作用所带来的分离富集作用。因此，磁性镍棒在本发明中的基底中的作用是快速分离富集目标物，提高基底的sers性能。
88.采用实施例1制得的磁性固态sers基底对4-巯基苯甲酸进行sers检测，具体过程为：取5μl不同浓度(具体浓度为1.0ng/l、10.0ng/l、100.0ng/l、1.0μg/l、10.0μg/l、100.0μg/l、1.0mg/l)的4-巯基苯甲酸溶液直接滴加到实施例1制备的磁性固态sers基底表面，然后进行sers检测，具体测试结果如图6所示，图6中的曲线从下往上分别为1.0ng/l、10.0ng/l、100.0ng/l、1.0μg/l、10.0μg/l、100.0μg/l、1.0mg/l的sers测试曲线。从图6中可以看出，使用实施例1中的磁性固态sers基底对不同浓度4-巯基苯甲酸进行sers检测时，当4-巯基苯甲酸浓度降为1.0ng/l时仍然具有sers信号，说明本发明中的磁性固态sers基底能产生较强的sers效果，具有较高的灵敏度。
89.测试实施例1中的磁性固态sers基底的重复性和重现性性能，具体测试结果如图7所示，其中，图7a为实施例1中的磁性固态sers基底连续11次测试对4-巯基苯甲酸分子的sers测试响应图，相对标准偏差为5.3％；图7b是在实施例1中的磁性固态sers基底上随机11个点的sers测试响应图，相对标准偏差为5.2％；图7c是25批实施例1中的磁性固态sers基底的sers测试响应图，相对标准偏差为8.1％；图7d是实施例1中的磁性固态sers基底9周内的sers测试响应图，相对标准偏差为4.8％。从图7可知，采用本发明中的磁性固态sers基底测试对4-巯基苯甲酸具有较好的重复性和重现性。
90.分别测试实施例1中的磁性固态sers基底在不同ph(ph分别为3、4、5、6、7、8、9、10、11)和不同浓度的氯化钠溶液(氯化钠溶液的浓度为1mmol/l、2mmol/l、5mmol/l、10mmol/l、20mmol/l、50mmol/l和100mmol/l)的条件下检测对4-巯基苯甲酸时的sers响应情况，具体测试结果如图8所示，其中，图8a为用实施例1中的磁性固态sers基底测试对4-巯基苯甲酸在不同ph下的sers测试响应图，相对标准偏差为6.7％；图8b是实施例1中的磁性固态sers基底在不同浓度氯化钠下测试4-巯基苯甲酸的sers测试响应图，相对标准偏差为3.7％。从图8中可以看出，本发明中的磁性固态sers基底在不同盐离子浓度和ph值下仍然具有较好的sers性能。
91.采用实施例1制得的磁性固态sers基底对t-2毒素和呕吐毒素同时进行检测，具体过程为：步骤(1)分别将100.0μl 10.0μmol/l t-2毒素适配体和呕吐毒素适配体加入到2份9.9ml含有2.0mg磁性固态sers基底的tris-hcl(10.0mmol/l,ph 7.4)中，避光孵育12h后用
tris-hcl(10.0mmol/l,ph 7.4)清洗3次得到2种捕获探针，分别为含t-2毒素适配体的捕获探针和含呕吐毒素适配体的捕获探针，t-2毒素适配体序列为5
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，购买自上海生工生物工程有限公司，纯化方式均为hplc；呕吐毒素适配体序列为5
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，购买自上海生工生物工程有限公司，纯化方式均为hplc。步骤(2)分别将25.0μl1.0mmol/l的4-巯基苯甲酸和30.0μl 1.0mmol/l的5,5'-二硫双(2-硝基苯甲酸)加入到2份5.0ml纳米金溶液中，避光孵育1h分别得到4-巯基苯甲酸和5,5'-二硫双(2-硝基苯甲酸)标记的纳米金；步骤(3)分别将100.0μl 20.0μmol/l t-2毒素互补链和呕吐毒素适配体互补链加入到步骤(2)制得的4-巯基苯甲酸和5,5'-二硫双(2-硝基苯甲酸)标记的纳米金中，避光孵育12h后用tris-hcl(10.0mmol/l,ph 7.4)清洗3次得到2种信号探针；将捕获探针和相应的信号探针配合，制得复合探针。t-2毒素适配体互补链序列为5
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，购买自上海生工生物工程有限公司，纯化方式均为hplc；呕吐毒素适配体互补链序列为5
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sh-ggc act tcc tta acg atc cc-3
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，均购自上海生工生物工程有限公司，纯化方式均为hplc；步骤(4)将t-2毒素和呕吐毒素加入到步骤(3)中制成的复合探针上，在适配体的识别作用下，步骤(3)制成的复合探针将解体为捕获探针和信号探针，通过清洗、磁性分离后，对复合探针进行sers测试。采用便携式i-raman plus拉曼仪直接检测，激发强度为31.5mv，积分时间为5s，每个浓度连续测试3次，并以这3个数据来做统计。取其在1072cm-1
(t-2毒素)和1333cm-1
(呕吐毒素)处特征峰的峰强度来考察其sers响应。t-2毒素和呕吐毒素浓度越高，复合探针上的信号探针越少，sers信号越弱。反之sers信号越强，具体测试结果如图9所示。在图9中，曲线a为测试空白溶剂的sers信号曲线；曲线2为测试50μg/l浓度的t-2毒素的sers信号曲线；曲线3为测试50μg/l浓度的呕吐毒素的sers信号曲线；曲线4为测试50μg/l浓度的t-2和50μg/l的呕吐毒素的sers信号曲线。从图9中可以看出，本发明制备的磁性固态sers基底可以检测单独的t-2毒素或呕吐毒素，也可以对t-2毒素和呕吐毒素同时进行检测。
92.上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。