本發(fā)明屬于金屬納米-高分子水凝膠復(fù)合材料的制備及其在表面拉曼增強(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用，涉及一種載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠的制備及其作為拉曼基底的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

結(jié)晶紫是一種堿性的三苯甲烷類紫色染料，屬于非食品原料，是一種優(yōu)良的生物染色劑。但也因其價(jià)格低廉、使用方便，具有抗菌等活性，常被違法濫用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。結(jié)晶紫及其代謝產(chǎn)物具有較高毒性、高殘留，長(zhǎng)期接觸或服用后，易導(dǎo)致生命體得癌癥、畸變、突變等，對(duì)生命體及環(huán)境都有非常大的危害。因此這種堿性染料的殘留檢測(cè)是食品安全分析的重要問題之一。

目前檢測(cè)結(jié)晶紫的方法主要有液相色譜檢測(cè)和拉曼增強(qiáng)檢測(cè)，其中用于拉曼檢測(cè)的基底較多,比如以純金或純銀納米材料作為基底來(lái)檢測(cè)結(jié)晶紫，但其成本較高、操作相對(duì)繁瑣。鑒于以上諸多的缺點(diǎn)，有必要研究出一種能夠快速簡(jiǎn)便檢測(cè)出結(jié)晶紫含量的基底。

PNIPAM是一種溫敏性水凝膠，溫敏性水凝膠結(jié)構(gòu)中同時(shí)具有親水性和疏水性基團(tuán)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，這些基團(tuán)的疏水作用和大分子鏈之間的氫鍵作用受到影響，從而水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生體積相變。通過加入親水性線型PVA分子，可調(diào)控其整體的溫度響應(yīng)速率，同時(shí)提高機(jī)械性能。將其與Ag納米粒子復(fù)合，可應(yīng)用于藥物光熱控釋、催化及表面拉曼增強(qiáng)等領(lǐng)域。將PNIPAM/PVA-Ag NPs用于SERS檢測(cè)時(shí)，通過調(diào)節(jié)溫度，改變溫敏性水凝膠的體積大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)凝膠中貴金屬納米粒子間距的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)SERS信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在存在的問題，本發(fā)明提供了一種載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠基底的制備方法。本發(fā)明利用自由基聚合法制備出形貌可控的PNIPAM/PVA溫敏凝膠，再以硼氫化鈉為還原劑在凝膠體系中還原硝酸銀。操作簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜工藝設(shè)備，PNIPAM/PVA凝膠作為分散穩(wěn)定劑，對(duì)具有電磁增強(qiáng)的納米銀顆粒能起到支撐保護(hù)作用。PNIPAM/PVA-AgNPs用于SERS檢測(cè)時(shí)，可以通過提高溫度，使凝膠網(wǎng)絡(luò)迅速收縮，以此調(diào)節(jié)Ag納米粒子的間距，同時(shí)整個(gè)基底的“熱點(diǎn)”的均一性得到提高，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)分子的高靈敏度SERS檢測(cè)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、采用自由基聚合法制備含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠：配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為8％的NIPAM溶液，配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的PVA溶液，配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10％的引發(fā)劑APS溶液；按照體積比為1～5.7：1取NIPAM溶液和PVA溶液，加入適量的交聯(lián)劑MBA混合均勻，然后加入引發(fā)劑APS，常溫?cái)嚢?0分鐘后加入TEMED，攪拌5分鐘；其中，交聯(lián)劑MBA加入的量占整個(gè)體系的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1.6％；引發(fā)劑APS加入的量占整個(gè)體系的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為12％；APS與TEMED的體積比為5:6；攪拌后放入20℃恒溫水浴箱，靜止20～24小時(shí)，制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠；將制得的水凝膠在蒸餾水中浸泡3～4天，期間每天換水以洗去未反應(yīng)的NIPAM，將浸泡好的凝膠凍干；

步驟二、載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠的制備：配置質(zhì)量體積濃度為0.002～0.010g/mL的硝酸銀溶液；將步驟一凍干的凝膠切成邊長(zhǎng)約為5mm立方小塊后浸泡于上述硝酸銀溶液中，在25℃恒溫水浴箱中靜置48小時(shí)，凝膠充分溶脹后用蒸餾水沖洗2～4遍，待用；按硝酸銀與硼氫化鈉摩爾比為1:3的濃度配制硼氫化鈉溶液，將凝膠浸泡到該硼氫化鈉溶液中，靜置于4℃恒溫冰箱中反應(yīng)20～24小時(shí)，取出后在蒸餾水中浸泡1天，每半天換一次水，所得產(chǎn)物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠。

將本發(fā)明載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠的制備方法制得的載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠用于拉曼測(cè)試。以所述載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠作為SERS基底材料，結(jié)晶紫分子為Raman探針分子，通過調(diào)節(jié)溫度控制拉曼信號(hào)強(qiáng)度。具體步驟如下：

步驟一、將所述SERS基底材料于室溫下分別充分浸泡在10^-10～10^-7mol/l濃度的結(jié)晶紫溶液中，然后將表面吸附了結(jié)晶紫分子的SERS基底材料取出，置于載玻片上晾干表面，制得檢測(cè)試樣，待用；

步驟二、將步驟一制得的檢測(cè)試樣置于雷尼紹激光拉曼光譜儀中，其中：激光波長(zhǎng)為633nm，激光衰減功率為5％，在連續(xù)模式下，采用2～5s曝光時(shí)間，多次采集，分別測(cè)試25～45℃溫度范圍內(nèi)結(jié)晶紫分子的SERS譜圖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠中，凝膠作為分散穩(wěn)定劑，對(duì)具有電磁增強(qiáng)的納米銀顆粒能起到支撐保護(hù)作用。

(2)本發(fā)明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA凝膠作為SERS基底，具有貴金屬的光譜特性，且試樣制備簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

(3)本發(fā)明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA凝膠作為SERS基底，內(nèi)含網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的吸水能力，能快速吸附探針分子，相比于傳統(tǒng)的純銀納米材料基底，測(cè)試時(shí)穩(wěn)定性更好。

(4)本發(fā)明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA凝膠作為SERS基底具有溫敏性，可以通過提高溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)晶紫分子的高靈敏度SERS檢測(cè)。

(5)本發(fā)明制備的SERS基底還可用于非法食品添加劑羅丹明，三聚氰胺的檢測(cè)，檢測(cè)方法類似于檢測(cè)結(jié)晶紫。

附圖說明

圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)分別為對(duì)比例、實(shí)施例1和實(shí)施例2制備得的p-0，p-1，p-2凝膠的SEM照片；

圖2為對(duì)比例、實(shí)施例1和實(shí)施例2制備得到的凝膠平衡溶脹率與溫度的關(guān)系圖，其中，a、b、c分別對(duì)應(yīng)對(duì)比例、實(shí)施例1和實(shí)施例2的p-0，p-1，p-2凝膠；

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為實(shí)施例2、實(shí)施例3和對(duì)比例制備得到的凝膠中銀納米顆粒TEM照片，其中，圖3(a)對(duì)應(yīng)實(shí)施例2中的硝酸銀濃度為0.005g/mL的載銀p-2凝膠，圖3(b)對(duì)應(yīng)實(shí)施例3中的硝酸銀濃度為0.010g/mL的載銀p-2’凝膠，圖3(c)對(duì)應(yīng)對(duì)比例中的硝酸銀濃度為0.010g/mL的載銀p-0凝膠；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3制備的載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠為基底時(shí)室溫下檢測(cè)不同濃度(10^-10～10^-7mol/L)結(jié)晶紫的SERS圖譜；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例3制備的載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠為基底在不同溫度下檢測(cè)10^-7M結(jié)晶紫的SERS圖譜；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例3制備的載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠為基底，結(jié)晶紫位移在1620cm^-1處的SERS強(qiáng)度與溫度的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明一種載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠的制備方法，將自由基聚合法制備出的PNIPAM/PVA溫敏水凝膠作為還原介質(zhì)，在其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中還原出銀納米顆粒，將最后制備的材料作為SERS基底，分別浸泡在不同濃度的結(jié)晶紫探針分子溶液中一定時(shí)間，然后將表面吸附了探針分子的基底材料取出，置于載玻片上晾干后用于拉曼檢測(cè)。載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠中，水凝膠作為分散穩(wěn)定劑，對(duì)具有電磁增強(qiáng)的納米銀顆粒能起到支撐保護(hù)作用，用其作為基底在常溫下檢測(cè)結(jié)晶紫，其檢測(cè)極限能達(dá)到10^-9數(shù)量級(jí)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)拉曼信號(hào)的強(qiáng)度隨溫度不同而發(fā)生變化。本發(fā)明公開的這種SERS基底制備方法簡(jiǎn)單，溫度響應(yīng)性好，在食品添加劑、農(nóng)藥檢測(cè)和傳感等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。

對(duì)比例：

制備載納米銀的PNIPAM復(fù)合溫敏凝膠，步驟如下：

步驟一、采用自由基聚合法制備聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)溫敏性水凝膠：

配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為8％的N-異丙基丙稀酰胺(NIPAM)溶液，配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的PVA溶液，配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10％的引發(fā)劑過二硫酸銨(APS)溶液；取NIPAM溶液8mL，加入12.8mg的交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)混合均勻，然后加入100μL引發(fā)劑APS，常溫?cái)嚢?0分鐘后加入120μL四甲基乙二胺(TEMED)，攪拌5分鐘；攪拌后放入20℃恒溫水浴箱，靜止20小時(shí)，制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-0，該p-0的SEM照片如圖1(a)所示；將制得的水凝膠在蒸餾水中浸泡3天，期間每天換水以洗去未反應(yīng)的NIPAM，將浸泡好的凝膠凍干；

步驟二、載納米銀的PNIPAM復(fù)合溫敏凝膠的制備：

配置質(zhì)量體積濃度為0.010g/mL的硝酸銀溶液；將步驟一凍干的凝膠切成邊長(zhǎng)約為5mm立方小塊后浸泡于上述硝酸銀溶液中，在25℃恒溫水浴箱中靜置48小時(shí)，凝膠充分溶脹后用蒸餾水沖洗3遍，待用；按硝酸銀與硼氫化鈉摩爾比為1:3的濃度配制硼氫化鈉溶液，將凝膠浸泡到該硼氫化鈉溶液中，靜置于4℃恒溫冰箱中反應(yīng)20小時(shí)，取出后在蒸餾水中浸泡1天，每半天換一次水，所得產(chǎn)物即為載納米銀的PNIPAM復(fù)合溫敏凝膠記為載銀p-0，該載銀p-0中銀納米顆粒TEM照片如圖3(c)所示。

實(shí)施例1：

制備載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠，包括以下步驟：

步驟一、采用自由基聚合法制備含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠：配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為8％的NIPAM溶液，配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的PVA溶液，配制質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10％的引發(fā)劑APS溶液；

取6.8mL的NIPAM溶液和1.2mL的PVA溶液，加入12.8mg的交聯(lián)劑MBA混合均勻，然后加入100μL引發(fā)劑APS，常溫?cái)嚢?0分鐘后加入120μL TEMED，攪拌5分鐘；攪拌后放入20℃恒溫水浴箱，靜止24小時(shí)，制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-1，該p-1的SEM照片如圖1(b)所示；將制得的水凝膠在蒸餾水中浸泡4天，期間每天換水以洗去未反應(yīng)的NIPAM，將浸泡好的凝膠凍干；

步驟二、載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠的制備：配置質(zhì)量體積濃度為0.005g/mL的硝酸銀溶液；將步驟一凍干的凝膠切成邊長(zhǎng)約為5mm立方小塊后浸泡于上述硝酸銀溶液中，在25℃恒溫水浴箱中靜置48小時(shí)，凝膠充分溶脹后用蒸餾水沖洗4遍，待用；按硝酸銀與硼氫化鈉摩爾比為1:3的濃度配制硼氫化鈉溶液，將凝膠浸泡到該硼氫化鈉溶液中，靜置于4℃恒溫冰箱中反應(yīng)24小時(shí)，取出后在蒸餾水中浸泡1天，每半天換一次水，所得產(chǎn)物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠，記作載銀p-1。

實(shí)施例2：

制備載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠，基本過程與實(shí)施例1相同，不同僅在于，步驟一中NIPAM溶液和PVA溶液的所取的量不同，即取5.2mL的NIPAM溶液和2.8mL的PVA溶液，通過步驟一制得制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-2，該p-2的SEM照片如圖1(c)所示；經(jīng)過步驟二后最終所得產(chǎn)物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠，記作載銀p-2，該載銀p-2的中銀納米顆粒TEM照片如圖3(a)。

實(shí)施例3：

制備載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠，基本過程與實(shí)施例1相同，不同僅在于，步驟一中NIPAM溶液和PVA溶液的所取的量不同，即取5.2mL的NIPAM溶液和2.8mL的PVA溶液；步驟二中硝酸銀溶液的質(zhì)量體積濃度由0.005g/mL改為0.010g/mL；通過步驟一制得制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-2，該p-2的SEM照片如圖1(c)所示；經(jīng)過步驟二后最終所得產(chǎn)物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠，記作載銀p-2’，該載銀p-2’的中銀納米顆粒TEM照片如圖3(b)。

從圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)可以看出，(沒載銀的)p-0、p-1、p-2凝膠的孔隙越來(lái)越小，越來(lái)越密集。故可知，水凝膠的形貌依賴PNIPAM和PVA的含量比，孔洞的多少隨著PVA含量增加而增加。這與PVA良好的親水性有關(guān)，使得凝膠在溶脹時(shí)吸收大量的水分子，冷凍干燥時(shí)水分子升華排除留下大量的孔洞結(jié)構(gòu)。故親水成分越多孔洞越多。

圖2為本發(fā)明制備的不同PVA含量的PNIPAM/PVA溫敏凝膠平衡溶脹率與溫度的關(guān)系圖。結(jié)果顯示，a、b、c三條曲線對(duì)應(yīng)三個(gè)不同PVA含量的p-0，p-1，p-2凝膠，其溶脹度均隨著溫度的升高而下降，表現(xiàn)出PNlPAM/PVA的溫度敏感性能。PVA含量越高的凝膠，其平衡溶脹率越大，這可能是由于PVA具有親水性，因而增加了凝膠平衡時(shí)的含水量，使其平衡溶脹率增大。

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)為實(shí)施例2、實(shí)施例3和對(duì)比例制備得到的載銀凝膠中銀納米顆粒TEM照片。對(duì)照?qǐng)D3(b)和圖3(c)可以看出，實(shí)施例3和對(duì)比例中具有相同硝酸銀濃度，在相同的硝酸銀濃度下，孔徑越大的凝膠，所制備的銀納米顆粒越易聚集；對(duì)照?qǐng)D3(a)和圖3(b)可以看出孔徑大小相同，硝酸銀濃度越多，所制備的銀納米顆粒越大。

實(shí)施例4：

利用實(shí)施例3制備得到的載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠(以下簡(jiǎn)稱載銀凝膠)用于拉曼測(cè)試，以該載銀凝膠作為基底，在室溫下檢測(cè)不同濃度(10^-10～10^-7mol/L)結(jié)晶紫。步驟如下

步驟一、將多個(gè)SERS基底材料于室溫下分別充分浸泡在濃度為10^-10、10^-9、10^-8、10^-7mol/l濃度的結(jié)晶紫溶液中，然后將表面吸附了探針分子的基底材料取出，置于載玻片上晾干表面，制得檢測(cè)試樣a、檢測(cè)試樣b、檢測(cè)試樣c、檢測(cè)試樣d；

步驟二、將步驟一制得的檢測(cè)試樣a置于雷尼紹激光拉曼光譜儀中，其中：激光波長(zhǎng)為633nm，激光衰減功率為5％，在連續(xù)模式下，采用2～5s曝光時(shí)間，多次采集，測(cè)試25～45℃溫度范圍內(nèi)結(jié)晶紫的SERS譜圖，如圖4中的a曲線所示。同理，檢測(cè)試樣b、檢測(cè)試樣c、檢測(cè)試樣d的SERS譜圖分別對(duì)應(yīng)圖4中的b、c、d曲線。結(jié)果顯示，拉曼信號(hào)的強(qiáng)度隨結(jié)晶紫濃度降低而降低。結(jié)晶紫濃度為10^-9M時(shí)，SERS圖譜中(c曲線)峰仍很明顯，結(jié)晶紫濃度為10^-10M時(shí)，SERS圖譜(d曲線)趨于平緩。故以實(shí)施例3制備得到的載銀凝膠為基底時(shí)，結(jié)晶紫的檢測(cè)為10^-9M。

實(shí)施例5：

利用實(shí)施例3制備得到的載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠(以下簡(jiǎn)稱載銀凝膠)用于拉曼測(cè)試，以實(shí)施例3制備得到的載納米銀的PNIPAM/PVA復(fù)合溫敏凝膠作為SERS基底材料，結(jié)晶紫分子為Raman探針分子，檢測(cè)濃度為10^-7mol/L的結(jié)晶紫，步驟同實(shí)施例4，其中通過調(diào)節(jié)溫度控制拉曼信號(hào)強(qiáng)度，溫度分別為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃。如圖5所示，溫度為25℃至35℃時(shí)，結(jié)晶紫的SERS信號(hào)清楚，但差別不大。這是因?yàn)闇囟刃∮贚CST時(shí)，凝膠模板處于膨脹狀態(tài)，其表面修飾的Ag納米粒子的間距較大，不能形成有效的熱點(diǎn)。而將溫度調(diào)節(jié)至40℃時(shí)，結(jié)晶紫的SERS信號(hào)明顯增強(qiáng)；再升高溫度至45℃，信號(hào)進(jìn)一步增強(qiáng)。這說明基底已經(jīng)形成了大量的“熱點(diǎn)”，而且隨溫度升高“熱點(diǎn)”增多。進(jìn)一步論證了通過升高溫度，凝膠模板收縮會(huì)引起其表面的Ag納米顆粒間距減小，被吸附在納米顆粒表面的探針分子就會(huì)受到強(qiáng)烈的電場(chǎng)耦合作用，從而使SERS信號(hào)增強(qiáng)。圖6示出了結(jié)晶紫拉曼位移在1620cm^-1處的SERS強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系，該結(jié)果也進(jìn)一步表明，在一定溫度范圍內(nèi)，SERS信號(hào)隨溫度遞增而遞強(qiáng)的趨勢(shì)。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。