本發(fā)明涉及化學(xué)分析檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種表面增強(qiáng)拉曼散射基底及其制備方法。

背景技術(shù)：

表面增強(qiáng)拉曼散射(surfaceenhancedramanscattering,sers)是一種高靈敏的分析方法，它是指當(dāng)分子吸附在金銀等固體尤其是粗糙的固體(即基底)表面時(shí)，分子的拉曼散射強(qiáng)度會(huì)極大地增強(qiáng)(10³-10⁶倍甚至更高)的現(xiàn)象。要實(shí)現(xiàn)這一增強(qiáng)，一個(gè)好的增強(qiáng)基底是必不可少的。一個(gè)好的增強(qiáng)基底需要滿足幾個(gè)條件：增強(qiáng)能力高，增強(qiáng)信號(hào)重現(xiàn)性好，基底穩(wěn)定性高。此外，成本低，易于制備，且能夠大規(guī)模制備對(duì)于基底的實(shí)際應(yīng)用也至關(guān)重要。從成分方面講，增強(qiáng)效果最好的材料為金和銀。迄今為止，增強(qiáng)基底的制備主要通過(guò)三種途徑實(shí)現(xiàn)：一是將平滑的金銀電極表面粗造化處理；二是制備不同形貌的金或者銀納米粒子然后誘導(dǎo)其聚集或者可控地自組裝；三是利用化學(xué)氣相沉積、微納米刻蝕技術(shù)等制備納米陣列式結(jié)構(gòu)。第一種增強(qiáng)基底增強(qiáng)效果相對(duì)較低，增強(qiáng)信號(hào)重現(xiàn)性差，該方法也不適宜大批量制備增強(qiáng)基底。第三種基底的制備信號(hào)重現(xiàn)性很高，增強(qiáng)效果也較高，但是制備過(guò)程用到化學(xué)氣相沉積技術(shù)，光刻蝕技術(shù)，電子(離子)束刻蝕技術(shù)等，這使得整個(gè)的基底制備過(guò)程復(fù)雜，而且造價(jià)昂貴，這些限制了其實(shí)際應(yīng)用。

相比較而言，第二種基底制備較為簡(jiǎn)單，其種類也最為多樣，各種不同形貌的金銀納米粒子及其聚集體或者組裝體也是目前應(yīng)用最多的一類增強(qiáng)基底。盡管如此，這類基底也還有一些不足之處：(1)球狀金銀納米粒子增強(qiáng)基底最容易制備，應(yīng)用也最廣，但是其對(duì)分子的拉曼散射信號(hào)的增強(qiáng)效果較低；(2)具有尖刺狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)基底(如金納米海膽，金納米星等)增強(qiáng)效果好，但是制備過(guò)程復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)條件要求高，制備方法的可重復(fù)性較低；(3)金銀納米粒子聚集體的增強(qiáng)效果好，但是增強(qiáng)信號(hào)重現(xiàn)性差；(4)金銀納米粒子組裝體的增強(qiáng)效果較好，成本較低，但自組裝過(guò)程涉及微弱作用力的精確控制，需要較高的技術(shù)水平，也難以大規(guī)模制備。此外多數(shù)組裝結(jié)構(gòu)是球狀粒子的組裝結(jié)構(gòu)。(5)與在溶液中制備金銀納米粒子不同，直接在固體基質(zhì)上制備不同形貌、結(jié)構(gòu)(特別是具有尖刺結(jié)構(gòu))的金銀納米材料的報(bào)道相對(duì)較少，對(duì)產(chǎn)物形貌的控制較為困難。

表面增強(qiáng)拉曼散射已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于生化分析，環(huán)境檢測(cè)及疾病診斷等領(lǐng)域。而要實(shí)現(xiàn)其高靈敏度的分析性能，制備一個(gè)具有高效增強(qiáng)能力，高信號(hào)重現(xiàn)性的，穩(wěn)定的基底是必不可少的。因而設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單，低成本，可重復(fù)的方法制備具有高增強(qiáng)效果和高信號(hào)重現(xiàn)性的sers基底對(duì)于sers技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種表面增強(qiáng)拉曼散射基底，以降低表面增強(qiáng)拉曼散射基底的成本，提高增強(qiáng)效果和信號(hào)重現(xiàn)性。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種表面增強(qiáng)拉曼散射基底的制備方法，以簡(jiǎn)單地、可高度重復(fù)地制備表面增強(qiáng)拉曼散射基底。

本發(fā)明通過(guò)氯金酸與泡沫鎳的置換反應(yīng)，在表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨的作用下，通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)就可以制得高活性、高重現(xiàn)性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底。

一種表面增強(qiáng)拉曼散射基底(簡(jiǎn)稱aunca@ni基底)，其特征在于：使用十六烷基三甲基溴化銨(ctab)作為形貌控制劑，以三維大孔泡沫鎳為基質(zhì)，利用氯金酸與鎳的置換反應(yīng)制備得到；具有豐富的高增強(qiáng)活性的金微納米錐刺狀結(jié)構(gòu)并且其分布均勻。

上述表面增強(qiáng)拉曼散射基底的制備方法，其特征在于：在十六烷基三甲基溴化銨(ctab)作用下，氯金酸與鎳在20-30℃條件下反應(yīng)一段時(shí)間，即制備出該表面增強(qiáng)拉曼散射基底(aunca@ni基底)。

上述制備方法的具體步驟為：

(1)將泡沫鎳片放置在小燒杯中，依次用丙酮、3mol/l的稀鹽酸、超純水各超聲清洗10min得到干凈的泡沫鎳片，氮?dú)獯蹈蓚溆茫?/p>

(2)在塑料離心管中注入2-200mg/ml的ctab溶液1ml，然后注入24mm的haucl4溶液0.5ml，蓋上蓋子，上下翻動(dòng)混勻；再打開(kāi)蓋子，迅速放入干凈的泡沫鎳片，蓋上蓋子上下翻動(dòng)10次(約5s)后，20-30℃靜置反應(yīng)2-12小時(shí)；

(3)上一步結(jié)束后，取出泡沫鎳片，用乙醇、超純水依次清洗，得到表面金黃色的產(chǎn)物aunca@ni基底。

優(yōu)選的，第(2)步中ctab溶液的濃度為20mg/ml。

優(yōu)選的，第(2)步中反應(yīng)溫度為20℃。

優(yōu)選的，第(2)步中反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)。

本發(fā)明的有益效果是：(1)aunca@ni基底含有豐富的錐刺狀金微納米結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生很高的拉曼散射信號(hào)增強(qiáng)效果，其增強(qiáng)效果比沒(méi)有加入ctab時(shí)所得到的基底增強(qiáng)效果提高8倍，比常用的金球狀納米顆粒的增強(qiáng)效果提高3倍；對(duì)拉曼探針?lè)肿?結(jié)晶紫，一種芳香烴類有機(jī)染料)的檢測(cè)限可降低到10^-10mol/l(比未加入ctab時(shí)所得到的基底降低兩個(gè)數(shù)量級(jí))。(2)aunca@ni基底對(duì)分子的拉曼散射增強(qiáng)信號(hào)具有較高的重現(xiàn)性：所述基底表面結(jié)構(gòu)均勻，具有較大面積的均勻陣列式結(jié)構(gòu)，所述基底對(duì)探針?lè)肿咏Y(jié)晶紫的拉曼散射增強(qiáng)信號(hào)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于13％，而不加入ctab時(shí)所得到基底的響應(yīng)信號(hào)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為24％。(3)aunca@ni基底具有獨(dú)特的、均勻分布的金微納米錐狀陣列式結(jié)構(gòu)及三維大孔結(jié)構(gòu)，可用于對(duì)環(huán)境中結(jié)晶紫、孔雀石綠、亞甲基藍(lán)等染料分子的高靈敏表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)。(4)aunca@ni基底的制備方法簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)；制備過(guò)程避免了專門的、昂貴的儀器(如各種刻蝕儀器系統(tǒng))或者特殊的、稀有的化學(xué)試劑的使用，易于實(shí)現(xiàn)，可重復(fù)性高，造價(jià)低廉，產(chǎn)率高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的aunca@ni基底的制備流程示意圖。

圖2是實(shí)施例1制備的aunca@ni基底材料的表面形貌的掃描電鏡圖片(a-c)，及其元素分析結(jié)果eds圖(d)。

圖3是對(duì)比例1所制備的增強(qiáng)基底的表面形貌的掃描電鏡圖片。

圖4是對(duì)比例2所制備的增強(qiáng)基底的表面形貌的掃描電鏡圖片。

圖5是對(duì)比例3所制備的增強(qiáng)基底的表面形貌的掃描電鏡圖片。

圖6是實(shí)施例2(a,b)和實(shí)施例3(c,d)所制備的增強(qiáng)基底的表面形貌的掃描電鏡圖片。

圖7是實(shí)施例4(a,b)，實(shí)施例5(c,d)，實(shí)施例6(e,f)所制備的增強(qiáng)基底的表面形貌的掃描電鏡圖片。

圖8(a)是染料分子結(jié)晶紫(1×10^-5m)在實(shí)施例1及對(duì)比例1-3所制備的基底上的sers響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比圖；(b)是結(jié)晶紫(1×10^-5m)在實(shí)施例1基底上任意7個(gè)位置的sers響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比圖。

圖9是染料分子結(jié)晶紫(1×10^-5m)在實(shí)施例1-3和對(duì)比例1所制備的基底上的sers響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比圖。

圖10是染料分子結(jié)晶紫(1×10^-5m)實(shí)施例1及實(shí)施例4-6所制備的基底上的sers響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比圖。

圖11是不同濃度的結(jié)晶紫溶液在(a)實(shí)施例1所得基底(aunca@ni基底)及(b)對(duì)比例1所得基底上的sers響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下具體實(shí)施方式中用于表征的裝置為hitachis3400型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，掘場(chǎng)(horiba)jyhr800型顯微激光拉曼光譜儀。所用試劑為：泡沫鎳、丙酮、鹽酸、氯金酸、二水合檸檬酸鈉、十六烷基三甲基溴化胺(ctab)、聚乙烯吡咯烷酮(pvpk30)，所用試劑均購(gòu)自上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。所有溶液均用超純水(18.2mω·cm)配制。

實(shí)施例1

表面增強(qiáng)拉曼散射基底(aunca@ni基底)的制備過(guò)程如圖1所示，具體制備步驟包括以下三步：

(1)泡沫鎳剪成長(zhǎng)寬都是1cm的四方片，將其放置在小燒杯中依次用10ml丙酮、10ml稀鹽酸(3mol/l)、10ml超純水各超聲清洗10min得到干凈的泡沫鎳片，氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>

(2)取一個(gè)1.5ml的塑料離心管，注入1ml20mg/ml的ctab溶液，然后用微量移液器注入0.5ml24mm的haucl4溶液，蓋上蓋子，上下翻動(dòng)10次混勻(約5秒)，得到反應(yīng)液。打開(kāi)蓋子，迅速放入1片干凈的泡沫鎳片，蓋上蓋子上下翻動(dòng)10次混勻(約5秒)后，20℃靜置反應(yīng)6小時(shí)。

(3)上一步結(jié)束后，取出泡沫鎳片，用乙醇、超純水依次沖洗，得到表面橙黃色的產(chǎn)物即表面負(fù)載有金微納米錐狀結(jié)構(gòu)陣列的泡沫鎳片，也就是本發(fā)明所指的aunca@ni基底。

實(shí)施例2

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的ctab溶液的濃度由20mg/ml改為2mg/ml。

實(shí)施例3

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的ctab溶液的濃度由20mg/ml改為200mg/ml。

實(shí)施例4

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的反應(yīng)時(shí)間由6小時(shí)改為2小時(shí)。

實(shí)施例5

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的反應(yīng)時(shí)間由6小時(shí)改為4小時(shí)。

實(shí)施例6

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的反應(yīng)時(shí)間由6小時(shí)改為12小時(shí)。

對(duì)比例1

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的1ml20mg/ml的ctab溶液換為1ml超純水。

對(duì)比例2

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的1ml20mg/ml的ctab溶液換為1ml20mg/ml的pvp溶液。

對(duì)比例3

重復(fù)實(shí)施例1的操作，僅將第(2)步的1ml20mg/ml的ctab溶液換為1ml20mg/ml的檸檬酸鈉溶液。

aunca@ni基底的形貌表征：

圖2是實(shí)施例1所得到的aunca@ni基底的表面形貌的掃描電鏡照片。從低倍率的掃描電鏡照片可以看到該aunca@ni基底保留了泡沫鎳的三維大孔結(jié)構(gòu)(圖2a)；高倍率的照片表面，三維泡沫鎳骨架表面均勻生長(zhǎng)了一層刺狀凸起(圖2b)；更高倍率的圖片可以看出，這些刺狀凸起呈現(xiàn)錐狀結(jié)構(gòu)，其末端較為尖銳(圖2c)。錐狀結(jié)構(gòu)的高度在100-300nm，末端尖銳處直徑在5-20nm。元素分析結(jié)果(圖2d)表明這些錐狀產(chǎn)物主要成分為au，其他元素如ni元素來(lái)自作為支撐骨架及反應(yīng)物的ni泡沫，c來(lái)自作為表面活性劑的ctab。

所用表面活性劑ctab對(duì)控制產(chǎn)物的形貌起到至關(guān)重要的作用。圖2、3、4、5依次是實(shí)施例1、對(duì)比例1、對(duì)比例2、對(duì)比例3所得到的基底的表面形貌的掃描電鏡sem圖片。通過(guò)對(duì)比這些圖片可以說(shuō)明，沒(méi)有ctab的情況下(對(duì)比例1，圖3)，或者用pvp代替ctab(對(duì)比例2，圖4)，或者用檸檬酸鈉代替ctab(對(duì)比例3，圖5)，都不能得到金的納米錐狀陣列式結(jié)構(gòu)。從而證明，表面活性劑ctab在aunca@ni基底制備中的作用至關(guān)重要。

此外，表面活性劑ctab的用量也對(duì)最終所得到的基底的形貌具有顯著的影響。圖6是實(shí)施例2(圖6a,b)，實(shí)施例3(圖6c,d)所得到的基底的表面形貌sem圖片。將其與實(shí)施例1所得的基底的sem照片(圖2)比較，可以看出ctab濃度太低(2mg/ml，圖6a,b)或者太高(200mg/ml，圖6c,d)都不利于生成錐狀產(chǎn)物，此外，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)也不如實(shí)施例1所得基底那樣分布均勻。所以優(yōu)化的ctab濃度為20mg/ml。

最后，氯金酸與泡沫鎳反應(yīng)的時(shí)間也會(huì)影響產(chǎn)物的形貌。圖7是實(shí)施例4-6所得到的基底的表面形貌sem圖片。將其與實(shí)施例1所得基底sem圖片(圖2a-c)比較，可知反應(yīng)時(shí)間過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)都不能得到錐狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。所以優(yōu)化的反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)。

aunca@ni作為sers基底的應(yīng)用舉例：

圖8(a)是同樣量的探針?lè)肿咏Y(jié)晶紫(1ml10^-5mol/l)滴加到實(shí)施例1、對(duì)比例1、對(duì)比例2、對(duì)比例3基底上的sers響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比可以看出，在實(shí)施例1所得基底(aunca@ni基底)上的sers信號(hào)強(qiáng)度是對(duì)比例1基底(沒(méi)有加入ctab時(shí)所得到的基底)上信號(hào)強(qiáng)度的8倍多，且響應(yīng)信號(hào)明顯強(qiáng)于對(duì)比例2基底及對(duì)比例3基底。表明表面活性劑ctab對(duì)形貌的控制有利于提升基底的sers增強(qiáng)能力。此外，結(jié)晶紫的sers響應(yīng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差從對(duì)比例1基底的23.6％下降到實(shí)施例1基底的12.4％(圖8b)。從而證明實(shí)施例1基底(aunca@ni基底)不僅具有高的sers信號(hào)增強(qiáng)能力，同時(shí)也具有很好的信號(hào)重現(xiàn)性。這些結(jié)果進(jìn)一步表明ctab作用至關(guān)重要以及所得的金納米錐狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)基底的優(yōu)越性能。

圖9是同樣量的探針?lè)肿咏Y(jié)晶紫(1ml10^-5mol/l)在不同濃度的ctab作用下得到的基底(即實(shí)施例1-3基底及對(duì)比例1基底)上的sers響應(yīng)信號(hào)。從圖中可以看出，結(jié)晶紫在實(shí)施例1所得基底上的sers響應(yīng)信號(hào)最強(qiáng)。進(jìn)一步證實(shí)優(yōu)化的ctab用量20mg/ml所得的錐狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物具有最好的sers增強(qiáng)效果。

圖10是同樣量的探針?lè)肿咏Y(jié)晶紫(1ml10^-5mol/l)在不同反應(yīng)時(shí)間下得到的基底(即實(shí)施例1基底及實(shí)施例4-6基底)上的sers響應(yīng)信號(hào)。從圖中可以看出，結(jié)晶紫在實(shí)施例1所得基底上的sers響應(yīng)信號(hào)最強(qiáng)。進(jìn)一步證實(shí)優(yōu)化的反應(yīng)時(shí)間6小時(shí)所得的錐狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物具有最好的sers增強(qiáng)效果。

圖11是將實(shí)施例1所得到基底(a)及對(duì)比例1所得基底(b)用于水溶液中不同濃度的芳香烴類染料結(jié)晶紫的檢測(cè)。在實(shí)施例1基底(aunca@ni基底)上，當(dāng)結(jié)晶紫的濃度低至10^-10m時(shí)仍可以得到結(jié)晶紫的特征拉曼散射峰(圖11a)；而在沒(méi)有加入ctab時(shí)得到的對(duì)比例1基底上對(duì)結(jié)晶紫的最低檢測(cè)濃度為10^-8m(圖11b)。即aunca@ni基底對(duì)結(jié)晶紫的最低檢測(cè)濃度比后者降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，靈敏度大幅提升。從而進(jìn)一步證實(shí)ctab對(duì)形貌控制的重要性及所得到的aunca@ni基底的高效sers增強(qiáng)能力。