本發(fā)明涉及表面增強拉曼散射活性基底及其制備方法和應用。

背景技術：

表面增強拉曼散射(surface-enhancedramanscattering，sers)效應是由于分子等物種吸附或非?？拷诰哂心撤N納米結構的表面時，其raman信號強度比其體相分子具有顯著增強的現(xiàn)象。隨著納米技術的不斷發(fā)展，sers技術已經(jīng)發(fā)展成為一種探測表界面特性和分子間相互作用、表征分子吸附行為和分子結構的有效工具和手段。sers的產(chǎn)生需要借助于具有sers活性的基底，自從sers被發(fā)現(xiàn)以來，關于新型基底的制備及增強機理的研究一直是人們關注的熱點。目前，sers活性基底主要有貴金屬(au、ag、cu)、過渡金屬和半導體幾大類，其中半導體材料tio2由于無毒、廉價、易得、化學穩(wěn)定而被用作sers活性基底。如，在2008年第112卷20095-20098頁的《物理化學c》上發(fā)表的文章《tio2納米粒子上吸附分子的增強拉曼散射發(fā)現(xiàn)：電荷轉移貢獻》中公開了一種通過溶膠-水熱法制備出的粒徑較小的銳鈦礦型tio2納米粒子作為sers基底。該研究首次發(fā)現(xiàn)了半導體tio2的sers增強效應，但這種tio2納米粒子由于具有較低的表面性能(表面缺陷)，因此作為sers活性基底的增強能力較弱。2009年第131卷6040-6041頁的《美國化學會志》上發(fā)表的文章《半導體納米粒子(tio2雜化復合物)的sers》中公開了一種小尺寸tio2膠體粒子與烯二醇類分子復合物的sers研究。該研究雖然成功地觀測到了與tio2粒子復合的分子的sers信號，但此tio2基底的sers增強能力明顯地依賴于激發(fā)光的能量，該報道提供的tio2基底在實際應用中受到了極大限制。

目前為止，基于表面活性位點調控策略，制備具有介孔結構的tio2納米粒子作為高性能sers活性基底的研究尚未見報道。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的tio2納米粒子作為表面增強拉曼散射(sers)活性基底時活性較弱的技術問題，而提供一種介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底的制備和應用方法。

本發(fā)明的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底的制備方法，按以下步驟進行：

一、按體積比(20～25)：(5～7)：1將乙醇、水和濃硝酸混合均勻，再加入三嵌段共聚物p123，超聲分散30～60min，得到p123溶液；其中p123溶液中p123的質量百分濃度為3％～16％；

二、按體積比為1：1將鈦酸四丁酯和無水乙醇混合均勻，得到鈦酸四丁酯溶液；

三、在攪拌條件下，將鈦酸四丁酯溶液滴入p123溶液中，滴加結束后，升溫至30～35℃，劇烈攪拌90～120min后，再緩慢攪拌30～60min，得到溶膠；

四、將溶膠轉移至水熱釜中，放入烘箱120～130℃下水熱反應24～28h，自然冷卻至室溫，倒掉廢液后，將得到的水熱產(chǎn)物放入烘箱中在60～70℃下干燥12～24h，自然冷卻后，得到前驅物；

五、將前驅物放在馬弗爐中，升溫至440～460℃焙燒3～5h，將所得白色固體放入研缽中研磨成粉末，得到介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底。

上述的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底的應用方法如下：將介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底分散到被測物質的乙醇溶液中，室溫下磁力攪拌3～5h；然后將混合物離心分離出來，用乙醇洗滌后再離心，固相物自然干燥后，即得到被測物質表面修飾的tio2納米粒子；再進行表面增強拉曼散射測試即可。

本發(fā)明采用三嵌段共聚物p123輔助的溶膠-水熱法，通過p123作為保護劑使介孔tio2擁有豐富的表面氧空位，即表面sers活性位點，制備一種高活性介孔tio2，并首次將其作為表面增強拉曼散射(sers)活性基底，解決了普通tio2sers活性較弱的問題，實現(xiàn)了tio2基底形式的多元化。制備方法簡單，原料成本低，無毒無害，環(huán)境友好，而且具有良好的sers增強能力，并能夠實現(xiàn)tio2作為sers基底的超低濃度檢測，拓展了sers技術及半導體sers活性基底的應用范圍。

本發(fā)明的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底能有效的檢測藥物分子，最低檢測濃度達到10^-8m，這比普通tio2降低了三個數(shù)量級，檢測靈敏。與常用的金屬sers基底相比，本發(fā)明的這個新型sers基底表面態(tài)豐富、穩(wěn)定性好、保質期長、增強性能優(yōu)異，并且能方便快速的對吸附分子進行有效的sers研究。

附圖說明

圖1是試驗1和對比試驗1中在不同煅燒溫度下得到的tio2納米粒子的表面增強拉曼光譜圖；

圖2是對比試驗2中不同p123加入量條件下得到的tio2納米粒子的表面增強拉曼光譜圖；

圖3是試驗1中t＝450℃煅燒制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2的檢測能力測試圖；

圖4是對比試驗2制備的tio2檢測能力測試圖；

圖5是試驗1中t＝450℃煅燒制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底的穩(wěn)定性測試圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底的制備方法，按以下步驟進行：

一、按體積比(20～25)：(5～7)：1將乙醇、水和濃硝酸混合均勻，再加入三嵌段共聚物p123，超聲分散30～60min，得到p123溶液；其中p123溶液中p123的質量百分濃度為3％～16％；

二、按體積比為1：1將鈦酸四丁酯和無水乙醇混合均勻，得到鈦酸四丁酯溶液；

三、在攪拌條件下，將鈦酸四丁酯溶液滴入p123溶液中，滴加結束后，升溫至30～35℃，劇烈攪拌90～120min后，再緩慢攪拌30～60min，得到溶膠；

四、將溶膠轉移至水熱釜中，放入烘箱120～130℃下水熱反應24～28h，自然冷卻至室溫，倒掉廢液后，將得到的水熱產(chǎn)物放入烘箱中在60～70℃下干燥12～24h，自然冷卻后，得到前驅物；

五、將前驅物放在馬弗爐中，升溫至440～460℃焙燒3～5h，將所得白色固體放入研缽中研磨成粉末，得到介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟三中劇烈攪拌的轉速為2500～3000轉/分；其它與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是步驟三中緩慢攪拌的轉速為500～1000轉/分；其它與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是步驟三中p123與鈦酸四丁酯的質量比為(1～5)：5；其它與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是步驟三中p123與鈦酸四丁酯的質量比為(2～3)：5；其它與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是步驟三中，在將鈦酸四丁酯溶液滴入p123溶液中的過程中保持溶液中ph為3；其它與具體實施方式一至五之一相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是步驟五中的升溫速率為2～4℃/min；其它與具體實施方式一至六之一相同。

具體實施方式八：本實施方式一制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底的應用方法如下：將介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底分散到被測物質的乙醇溶液中，室溫下磁力攪拌3～5h；然后將混合物離心分離出來，用乙醇洗滌后再離心，固相物自然干燥后，即得到被測物質表面修飾的tio2納米粒子；再進行表面增強拉曼散射測試即可。

具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式八不同的是被測物質的濃度為1×10^-3～1×10^-8m；其它與具體實施方式八相同。

用以下試驗驗證本發(fā)明的有益效果：

試驗1：本試驗的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底的制備方法，按以下步驟進行：

一、將20ml乙醇、5ml水和1ml質量百分濃度為60％的濃硝酸混合均勻，再加入m＝3g三嵌段共聚物p123，超聲分散30min，得到p123溶液；

二、將5ml鈦酸四丁酯和5ml無水乙醇混合均勻，得到鈦酸四丁酯溶液；

三、在攪拌條件下，將鈦酸四丁酯溶液以2～3秒1滴的滴加速度滴入p123溶液中，滴加結束后，升溫至35℃，以3000轉/分的轉速劇烈攪拌90min后，再以1000轉/分的轉速緩慢攪拌30min，得到溶膠；

四、將溶膠轉移至水熱釜中，放入烘箱120℃下水熱反應24h，自然冷卻至室溫，倒掉廢液后，將得到的水熱產(chǎn)物分散到表面皿中，將表面皿放入烘箱中在60℃下干燥12h，自然冷卻后，得到前驅物；

五、將前驅物放在馬弗爐中，以3℃/min的升溫速率分別升溫至t＝400、450、500℃焙燒4h，將所得白色固體分別放入研缽中研磨成粉末，得到不同溫度煅燒獲得的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底，記為3p-mtio2。

再做下面的對比試驗：

對比試驗1：將試驗1的步驟一中的三嵌段共聚物p123的加入量替換成m＝0g，其它與試驗1相同，得到做為對比的tio2納米粒子，記為tio2。

將試驗1與對比試驗1中在不同煅燒溫度(400、450、500℃)下得到的tio2納米粒子進行表面增強拉曼散射測試，測試的步驟如下：將20mg試驗1制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底和對比試驗1制備的tio2納米粒子分別分散到8ml濃度為1×10^-3m的4-mba乙醇溶液中，室溫下磁力攪拌3h；然后將混合物放入離心機中以9500轉/分的速度離心12分鐘，之后用乙醇洗滌后再離心，固相物自然干燥后，即得到探針分子4-mba表面修飾的tio2納米粒子。采用英國雷尼紹公司renishaw1000model型共聚焦顯微拉曼光譜儀進行表面增強拉曼散射測試，激發(fā)光源的波長為532nm。得到的拉曼光譜如圖1所示，從圖1可以清楚地看到，只有當煅燒溫度為450℃時，所制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底與普通tio2基底相比，其sers增強能力顯著提高。而在400和500℃條件下得到的介孔tio2納米粒子的增強效果較差，這是因為當煅燒溫度在400℃時，保護劑殘留過多，其占據(jù)著介孔tio2sers基底的有效活性位點，而當煅燒溫度為500℃時，tio2介孔骨架坍塌，導致比表面積降低，活性位點數(shù)減少，從而影響了所制備介孔tio2的sers性能，即溫度過高或過低都不利。

對比試驗2：將試驗1中的步驟一中的三嵌段共聚物p123的加入量替換成m＝0、1、2、4、5g；將試驗1中的步驟五中的煅燒溫度固定為t＝450℃。其它與試驗1相同，得到做為對比的tio2納米粒子，依次分別記為tio2、1p-mtio2、2p-mtio2、4p-mtio2、5p-mtio2。

將對比試驗2制備的tio2、1p-mtio2、2p-mtio2、4p-mtio2、5p-mtio2與試驗1中t＝450℃煅燒制備的3p-mtio2各20mg分別分散到8ml濃度為1×10^-3m的4-mba乙醇溶液中，室溫下磁力攪拌3h；然后將混合物放入離心機中以9500轉/分的速度離心12分鐘，之后用乙醇洗滌后再離心，固相物自然干燥后，即得到探針分子4-mba表面修飾的tio2納米粒子。采用英國雷尼紹公司renishaw1000model型共聚焦顯微拉曼光譜儀進行表面增強拉曼散射測試，激發(fā)光源的波長為532nm。得到的拉曼光譜如圖2所示，從圖2可以看出，不同基底上的增強程度不同，其中，4-mba分子吸附在3p-mtio2上表現(xiàn)出最大的sers增強，在2p-mtio2上表現(xiàn)出較好的sers增強，其它增強不明顯。這表明，保護劑的加入量為2～3g時所制備的介孔tio2具有較高sers性能。這是由于與普通的tio2相比，在保護劑用量適宜的條件下制備出的介孔tio2具有更多的活性位點，即表面氧空位，從而提高了探針分子的sers信號。

試驗1中t＝450℃煅燒制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2的檢測能力測試，具體如下：向8ml濃度為1×10^-3、1×10^-4、1×10^-5、1×10^-6、1×10^-7、1×10^-8和1×10^-9m的4-mba乙醇溶液中分別加入20mg試驗1制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2，室溫下磁力攪拌3h；然后將混合物放入離心機中以9500轉/分的速度離心12分鐘，之后用乙醇洗滌后再離心，固相物自然干燥后，即得到探針分子4-mba表面修飾的tio2納米粒子。采用英國雷尼紹公司renishaw1000model型共聚焦顯微拉曼光譜儀進行表面增強拉曼散射測試，激發(fā)光源的波長為532nm。得到的拉曼光譜如圖3所示，從圖3中可以看出，4-mba特征峰的強度隨著4-mba溶液濃度的降低而減弱。當4-mba濃度低至1×10^-9m時，難以觀察到明顯的sers信號。因此，1×10^-8m是sers基底3p-mtio2檢測吸附分子的最低濃度。

對比試驗2制備的tio2檢測能力測試，具體如下：向8ml濃度為1×10^-3、1×10^-4、1×10^-5、1×10^-6m的4-mba乙醇溶液中分別加入20mg對比試驗2制備的tio2，室溫下磁力攪拌3h；然后將混合物放入離心機中以9500轉/分的速度離心12分鐘，之后用乙醇洗滌后再離心，固相物自然干燥后，即得到探針分子4-mba表面修飾的tio2納米粒子。采用英國雷尼紹公司renishaw1000model型共聚焦顯微拉曼光譜儀進行表面增強拉曼散射測試，激發(fā)光源的波長為532nm。得到的拉曼光譜如圖4所示，對比試驗2制備的普通tio2作為sers基底的最低檢測濃度為1×10^-5m。從圖3和圖4的對比可知試驗1制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2的檢測能力顯著高于普通tio2。

試驗1中t＝450℃煅燒制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2的穩(wěn)定性測試，具體如下：將試驗1制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2在室溫條件下存放3個月和6個月后，與利用試驗1的方法新制備的介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2同時進行拉曼光譜測試，得到光譜圖如圖5所示，從圖5可以看出，介孔tio2表面增強拉曼散射活性基底3p-mtio2具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，可以作為一種可靠的、低成本的sers活性基底而廣泛應用于實際sers檢測領域。