本發(fā)明屬于表面增強拉曼散射基底材料領(lǐng)域，涉及一種石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料的制備方法，及其作為表面增強拉曼基底用于痕量有機化學(xué)品、生物標(biāo)志物及致病菌或病毒的高靈敏快速檢測中的各種應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1974年，fleischmann等發(fā)現(xiàn)銀電極表面的粗糙化顯著增強了吡啶的拉曼光譜信號，這一表面增強拉曼(surfaceenhancedramanscattering，sers)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)奠定了表面增強拉曼快速檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。發(fā)展至今，表面增強拉曼檢測技術(shù)已成為目前最具活力的傳感技術(shù)之一，其主要特點是靈敏高和測定過程快速、方便。該傳感技術(shù)的核心是制作表面增強拉曼效應(yīng)很強的基底材料。在表面增強拉曼基底材料(通常為au、ag等納米材料)表面，激光光源誘導(dǎo)的定域化表面等離子體共振效應(yīng)(localizedsurfaceplasmonresonance,lspr)可極大地增強待測對象的拉曼散射信號，從而被高靈敏地檢出。

表面增強拉曼分析通常在共聚焦型激光拉曼光譜儀上進行。但是，隨著該傳感技術(shù)在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，大量實際樣品的檢測需要快速地在室外甚至野外現(xiàn)場完成，這就迫使人們選用更加方便、經(jīng)濟的手持式(便攜式)拉曼光譜儀。而這類便攜式拉曼光譜儀的選用必然對表面增強拉曼基底材料的傳感性能提出了更高要求。例如，由于儀器無顯微共聚焦功能，就要求表面增強拉曼基底材料在大面積范圍內(nèi)具有傳感單元的空間分布均勻性，以確保在基底材料上任意測量點的檢測信號之間的一致性；由于在野外現(xiàn)場操作，就要求表面增強拉曼基底材料必須具有長期化學(xué)穩(wěn)定性和便捷的取樣和測定方式，以備隨取隨用；由于檢測對象在實際樣品中的存在濃度低，就要求表面增強拉曼基底材料對目標(biāo)物質(zhì)(例如有毒有機化學(xué)品、生物標(biāo)志物、致病菌或病毒等)具有高靈敏感知能力。本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，探究大面積均勻型的高靈敏、高化學(xué)穩(wěn)定性表面增強拉曼基底材料，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料和制備方法及其用于有毒有機化學(xué)品、生物標(biāo)志物、致病菌或病毒等物質(zhì)的高靈敏檢測。本發(fā)明提供的表面增強拉曼基底材料具有長期化學(xué)穩(wěn)定性和便捷的取樣和測定方式，可以隨取隨用；并且對目標(biāo)物質(zhì)(例如有毒有機化學(xué)品、生物標(biāo)志物、致病菌或病毒等)具有高靈敏感知能力。該材料大面積范圍內(nèi)具有傳感單元的空間分布均勻性，基底材料上任意測量點的檢測信號之間能保持一致。

本發(fā)明提供一種石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料，包括柔性濾膜、組裝于濾膜表面的納米銀陣列以及緊密包覆在納米銀陣列表面的石墨烯三部分。

優(yōu)選地，所述柔性濾膜具有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小為0.05-0.50μm，材質(zhì)為尼龍或聚四氟乙烯；所述納米銀陣列面積不小于1.0cm²，由直徑為20-100nm的納米銀組裝而成，相鄰納米銀之間距離不大于10nm；所述石墨烯由石墨烯片層組成，每塊片層的面積不小于0.04μm²，厚度不超過10nm。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用液液界面組裝法制備得到納米銀陣列：在納米銀溶膠中，加入有機相，靜置后形成相界面；銀納米粒子在兩相的相界面處自組裝形成納米銀陣列；

(2)納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料的制備：將步驟(1)中得到的納米銀陣列轉(zhuǎn)移組裝至柔性濾膜表面，制得納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料；

(3)石墨烯分散液的制備：將石墨粉和高錳酸鉀加入到高氯酸溶液中，置于50-70℃水浴反應(yīng)后，向反應(yīng)液中加入雙氧水，抽濾洗滌后重新分散至蒸餾水中進行超聲剝離；將分散液離心，上清液即為石墨烯分散液；

(4)石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料的制備：采用真空抽濾的方法，在步驟(2)中得到的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料表面加入步驟(3)中制備得到的的石墨烯分散液，使石墨烯覆蓋至納米銀陣列的表面，形成石墨烯保護層；抽濾得到石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中納米銀溶膠通過檸檬酸鈉、硼氫化鈉或鹽酸羥胺還原硝酸銀得到；所述納米銀陣列中納米銀粒子粒徑在30-60nm之間。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中的有機相為甲苯、環(huán)己烷、二氯乙烷、四氯甲烷或短鏈?zhǔn)?；所述有機相與所述納米銀溶膠的體積比為2:1-4。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中納米銀陣列采用真空抽濾轉(zhuǎn)移組裝到組裝至柔性濾膜表面，真空度為-1.0至-0.5mpa。

所述步驟(2)中使用的濾膜是有機系濾膜，孔徑為0.20-0.50μm；濾膜的直徑為0.2-5.0cm。

所述步驟(3)中，石墨粉和高錳酸鉀的質(zhì)量比為5:1；

所述步驟(4)中，石墨烯分散液中石墨烯的質(zhì)量濃度為0.1-50.0mgl^-1。

本發(fā)明還提供了上述石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料作為表面增強拉曼散射基底的應(yīng)用，具體為：以上述石墨烯包覆的納米銀陣列柔性材料作為基底，用作果蔬表面的有毒有機化學(xué)品的直接擦拭測定、用于生物標(biāo)志物和致病菌或病毒的提取測定。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料，由于納米銀的均勻組裝以及石墨烯的均勻包覆，使得該基底具有大面積的均勻性；由于納米銀粒子在界面自組裝過程中相互靠近程度大，其電磁場的耦合程度高，可以產(chǎn)生大量的且均勻分布的熱點，因此該基底具有良好的拉曼增強效果；石墨烯作為惰性保護層，可以有效的防止納米銀粒子的化學(xué)氧化失效，因此該基底具有優(yōu)異的長期化學(xué)穩(wěn)定性。

該制備方法可以在簡易的抽濾裝置中完成，不需要復(fù)雜的設(shè)備，同時制備時間短，并易于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。得到的膜裝基底保存方便，不需要復(fù)雜的后續(xù)包裝。由于其穩(wěn)定性良好，因此也具有較長的保質(zhì)期。

針對實際應(yīng)用過程中的不同測定對象，該基底材料可以方便的采用不同的測定策略。例如針對果蔬等固相待測表面，可以采用溶劑提取-擦拭測定的方法進行快速測定；而針對液態(tài)的待測樣品(如生物樣品或環(huán)境樣品)，則可以通過滴加的方式進行測定，測定方便快捷。

具體而言，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下突出優(yōu)勢：

(1)本發(fā)明提供的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料，由于納米銀粒子之間以及納米銀和石墨烯的緊密組裝，可以產(chǎn)生大量的熱點，使之具有良好的拉曼增強效果。

(2)由于納米銀界面組裝均勻可控，同時石墨烯緊密覆蓋至納米銀陣列表面，使該基底材料具有大面積的均勻性，能保證后續(xù)測量結(jié)果的重現(xiàn)性。

(3)石墨烯作為惰性保護層，可避免被檢測分子及氧氣與納米銀之間的相互作用；同時石墨烯作為電子離域材料，可防止納米銀的氧化，提高基底的化學(xué)穩(wěn)定性。

(4)本發(fā)明提供的基底材料的制備方法的方法簡單可控，不需要復(fù)雜的設(shè)備和繁雜的操作，易于規(guī)?；a(chǎn)。得到的柔性膜裝材料保存方便，利于儲存。

(5)本發(fā)明提供的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料使用方便。針對不同狀態(tài)的測定對象可以分別采用擦拭或滴加的方式進行測定，操作簡單，測定對象范圍廣。

本發(fā)明使用的銀納米粒子不局限于球形納米銀，其他方式得到的具有不同形貌(如立方體，納米棒等)的納米銀及納米金等具有等離子體共振效應(yīng)的粒子均適用本發(fā)明。使用的石墨烯不局限于化學(xué)氧化剝離得到的石墨烯，hummers法、溶劑插層-超聲剝離及機械力剝離等其他方式得到的石墨烯同樣適用；同時其他二維層狀材料如氮化碳、氮化硼、二硫化鉬等也可作為納米銀陣列的覆蓋層?？傊?，凡是以納米粒子進行界面組裝制成的納米粒子陣列型表面增強拉曼基底、以及以納米粒子進行界面組裝后再以層狀材料進行包覆得到的表面增強拉曼基底材料，均在本專利的保護范圍之列。

附圖說明

圖1為石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料材料的制備過程示意圖；

圖3為石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料材料的掃描電鏡圖；

圖4為石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料材料用作孔雀石綠測定的sers光譜和分析曲線；

圖5為石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料材料的均勻性和重現(xiàn)性；

圖6為石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料材料的長期穩(wěn)定性。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實施例1

將濃度為0.1mmoll^-1、體積為100ml硝酸銀溶液加熱煮沸，加入濃度為0.2moll^-1的檸檬酸鈉1ml，沸騰回流，得到納米銀溶膠(納米銀粒徑為50nm左右)。取制得的納米銀溶膠10ml于100ml燒杯中，向其中加入10ml甲苯，混勻后靜置10min，即可形成清晰的兩相，在界面處得到自組裝形成的納米銀陣列(面積大小為10cm²左右，相鄰納米銀之間距離為5nm左右)。此納米銀陣列通過真空抽濾轉(zhuǎn)移至柔性濾膜(有機系尼龍濾膜，孔徑為0.22μm)表面，得到納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料。

實施例2

取0.25g膨脹石墨和0.05g高錳酸鉀分散至30ml70％高氯酸中，攪拌均勻后加熱繼續(xù)反應(yīng)2h。向反應(yīng)液中加入3ml30％雙氧水中和未反應(yīng)的高錳酸鉀，抽濾洗滌，將得到的固體分散至50ml水中，超聲3h后3000rpm/min離心20min，上清液即為石墨烯，濃度約為10mgl^-1，石墨烯片層大小約為2.0μm，厚度約為3-5nm。取上述石墨烯溶液1ml加入至實施例1得到的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料表面，得到石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料。該材料制備過程示意圖如圖2所示；其掃描電鏡圖如圖3所示。由圖3可以看出，納米銀陣列緊密覆蓋于多孔濾膜表面，說明真空抽濾過程不會影響納米銀的緊密組裝狀態(tài)；納米銀陣列的表面被層狀透明的石墨烯薄膜全部緊密覆蓋。緊密覆蓋于納米銀陣列表面的石墨烯薄膜可有效保護納米銀陣列，防止被空氣氧化。

實施例3

對實施例2中的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料作為表面增強拉曼基底的增強效果進行表征(采用孔雀石綠為探針分子)：取不同濃度的孔雀石綠溶液5μl滴加至實施例2制備好的基底表面，5min后置于拉曼光譜儀(共聚焦型或便攜式拉曼光譜儀)下進行測定，采用532nm激光作為光源，激光能量選取0.5mw，曝光時間0.5s，曝光次數(shù)5次。

本實例選取孔雀石綠濃度分別為1.5×10^-4，3.0×10^-5，1.5×10^-5，3.0×10^-6和1.5×10^-7moll^-1。測定結(jié)果顯示采用該基底時上述濃度的孔雀石綠的信號均清晰可見，且信號強度與濃度存在線性關(guān)系。本發(fā)明所制備的基底對孔雀石綠的檢出限可低至3×10^-11moll^-1?；诇y定孔雀石綠的表面增強拉曼圖譜如圖4a所示，其橫坐標(biāo)為拉曼位移(ramanshift)，縱坐標(biāo)為強度(intensity)。濃度在3×10^-7-1.5×10^-4moll^-1范圍內(nèi)與1618cm^-1波數(shù)處強度存在線性關(guān)系，如圖4b所示，其橫坐標(biāo)為孔雀石綠的濃度，縱坐標(biāo)為1618cm^-1波數(shù)處的信號強度。

實施例4

實施例2中制備的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底材料的均勻性評價(采用孔雀石綠作為探針)：在實施例2制備好的基底滴加1.5×10^-6moll^-1孔雀石綠溶液5μl，5min后置于拉曼光譜儀(共聚焦型或便攜式拉曼光譜儀)下進行測定(采用532nm激光作為光源，激光能量選取0.5mw，曝光時間0.5s，曝光次數(shù)5次)。調(diào)整測樣位置，在基底表面(約為10cm²)上隨機選取10個點進行測定，將所得拉曼光譜進行強度比較。結(jié)果顯示10次隨機平行測定結(jié)果的一致性良好，說明本發(fā)明制備的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底有很好的均勻性。采用該基底測定孔雀石綠的信號光譜圖如圖5a所示，其橫坐標(biāo)為拉曼位移(ramanshift)，縱坐標(biāo)為強度(intensity)。

實施例5

對實施例2中制備的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底的重現(xiàn)性進行評價(采用孔雀石綠作為探針分子)：滴加1.5×10^-6moll^-1孔雀石綠至實施例2制備好的5個不同批次的基底表面，5min后置于拉曼光譜儀(共聚焦型或便攜式拉曼光譜儀)下進行測定(采用532nm激光作為光源，激光能量選取0.5mw，曝光時間0.5s，曝光次數(shù)5次)。調(diào)整測樣位置，在每片表面增強拉曼基底表面上隨機選取10個點進行測定，將所得50張(5×10)光譜進行強度比較；選取光譜中1618cm^-1特征峰的峰強對光譜序號進行作圖。結(jié)果表明這50張光譜中1618cm^-1特征峰強度值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8.0％，說明本發(fā)明制備的柔性表面增強拉曼基底不僅具有很好的均勻性，而且批次間的重現(xiàn)性良好；也說明本發(fā)明專利提供的表面增強拉曼基底的制備方法高效可控。基底的批次制備重現(xiàn)性如圖5b所示，其橫坐標(biāo)為基底批次(batchnumber)，縱坐標(biāo)為1618cm^-1波數(shù)處的信號強度(intensity)。

實施例6

實施例2中制備的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底的長期穩(wěn)定性評價(采用孔雀石綠作為探針分子)：取實施例2同一批次制備的基底，置于室溫下保存，每隔一周進行拉曼檢測。滴加1.5×10^-6moll^-1孔雀石綠5μl至基底表面，5min后置于拉曼光譜儀(共聚焦型或便攜式拉曼光譜儀)下進行測定(采用532nm激光作為光源，激光能量選取0.5mw，曝光時間0.5s，曝光次數(shù)5次)。選取不同的位置進行點樣測定10次，選取10次測量的1618cm^-1強度之平均值對測定周數(shù)進行作圖，得到基底的長期穩(wěn)定性?；椎拈L期穩(wěn)定性如圖6所示，其橫坐標(biāo)為基底放置時間(storingtime)，縱坐標(biāo)為1618cm^-1波數(shù)處的信號強度。由圖6可知，石墨烯包覆的sers基底即使在放置35周后仍與新制備的基底的增強性能相同，說明由本發(fā)明制備的納米銀陣列型表面增強拉曼基底材料的長期穩(wěn)定性能優(yōu)良。

實施例7

實施例2中制備的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底用于果蔬表面有毒有機化學(xué)品甲胺磷的直接測定。取待測果蔬如西紅柿和辣椒，在其表面滴加20μl甲醇，對甲胺磷進行溶解提??；取裁剪后的柔性表面增強拉曼基底(5mm×5mm)在果蔬表面擦拭3次，5min后置于拉曼光譜儀(共聚焦型或便攜式拉曼光譜儀)下進行測定(采用532nm激光作為光源，激光能量選取0.5mw，曝光時間0.5s，曝光次數(shù)5次)。選取不同的位置進行點樣測定，平行測定5-10次。該方法對甲胺磷的測定檢出限可低至50ngl^-1。

實施例8

實施例2中制備的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底用于生物標(biāo)志物谷胱甘肽的測定。取血液樣本500μl血液與500μl10％三氯乙酸混合，渦旋混合后冰浴10min，沉淀其中的蛋白質(zhì)。隨后將混合液于14000rpm/min離心5min，取上清液經(jīng)過濾膜過濾。取5μl濾液滴加至基底表面，5min后置于拉曼光譜儀(共聚焦型或便攜式拉曼光譜儀)下進行測定(采用532nm激光作為光源，激光能量選取0.5mw，曝光時間0.5s，曝光次數(shù)5次)。選取不同的位置進行點樣測定，平行測定5-10次，測得谷胱甘肽的特征光譜圖，該方法對谷胱甘肽的濃度檢出限可低至20μmoll^-1。

實施例9

實施例2中制備的石墨烯包覆的納米銀陣列柔性表面增強拉曼基底用于致病菌大腸桿菌的測定。取待測水樣5μl滴加至基底表面，5min后置于拉曼光譜儀(共聚焦型或便攜式拉曼光譜儀)下進行測定(采用532nm激光作為光源，激光能量選取0.5mw，曝光時間0.5s，曝光次數(shù)5次)。選取不同的位置進行點樣測定10次，測得大腸桿菌的特征光譜圖。該方法對大腸桿菌的檢出限低至10³cfu/ml。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。