利用靜電紡絲聚合物納米纖維膜組裝金納米粒子成sers活性基底的方法
【專利摘要】一種利用靜電紡絲聚合物納米纖維膜組裝金納米粒子成SERS活性基底的方法，本發(fā)明的目的是構(gòu)建用于靈敏探測的活性SERS基底，這種方法基于靜電紡絲聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜組裝金納米粒子，首先采用紫外光誘導(dǎo)丙烯酸對聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜的疏水表面進行嫁接改性，然后將此聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜浸入金納米粒子溶液中來促進金納米粒子組裝到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上以形成SERS活性基底，采用對巰基苯胺（4-ATP）分子作為實驗探針分子進行SERS研究，表明基底具有高的SERS響應(yīng)靈敏度，在環(huán)境友好合成、大規(guī)模、高穩(wěn)定性和好的重復(fù)性方面我們的方法具有很大的優(yōu)勢，這種高活性的SERS基底可以用來探測藥物分子，2-硫脲嘧啶。
【專利說明】利用靜電紡絲聚合物納米纖維膜組裝金納米粒子成SERS活性基底的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是一種利用靜電紡絲聚合物納米纖維膜組裝金納米粒子成SERS活性基底的方法。
技術(shù)背景
[0002]表面增強拉曼散射(SERS)光譜法是一種非常強大的研究分子/金屬納米粒子體系的工具，因其可提供豐富的分子結(jié)構(gòu)信息，并具有高靈敏性和表面選擇性。這種超靈敏的分析方法被廣泛應(yīng)用于生命和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，這刺激了世界范圍的努力去探索其理論和實驗上的機理。具有粗糙表面的各種基底被用來進行SERS研究，例如金屬溶膠，電化學(xué)粗糙化電極，化學(xué)法沉積金屬膜，化學(xué)蝕刻金屬納米結(jié)構(gòu)，等等。在這些基底中，溶膠金和銀納米粒子被廣泛運用，因為它們?nèi)菀字苽洳⑶揖哂袕姷腟ERS增強能力。重要的是，金和銀溶膠作為基底對振動信號的強度增強可達10的數(shù)量級以上。近些年來，各種技術(shù)被用來控制組裝金或銀納米粒子形成具有SERS活性的特殊結(jié)構(gòu)。電子束平板印刷、模板法和界面組裝等是普遍使用的用于構(gòu)建具有預(yù)期形貌的、結(jié)構(gòu)有序的、周期性的金和銀納米粒子陣列的方法。然而，這些技術(shù)要么需要復(fù)雜的步驟，要么很難進行大規(guī)模常規(guī)檢測，這就限制了它們的實際應(yīng)用。因而，需要一些新的制備SERS活性基底的技術(shù)，制備具有好的穩(wěn)定性和重復(fù)性、高靈敏性的基底，同時要求方法簡單、價格低廉。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種利用靜電紡絲聚合物納米纖維膜組裝金納米粒子來制備高靈敏性、可重復(fù)、穩(wěn)定、大規(guī)模并可靠的SERS基底的方法。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0005]該方法是將親水化改性后的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜浸入到金納米粒子溶液中培養(yǎng)，使半胱氨酸包裹的金納米粒子通過靜電作用組裝到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上，從而制備出具有SERS活性的基底，具體步驟如下:
[0006]①、制備聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜；
[0007]②、聚已酸內(nèi)酯納米纖維表面的親水化改性:先把聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜切割成1.0X1.0cm2的若干方片，然后取含有1.2mol.Γ1丙烯酸和0.7mmol.Γ1維他命B2的混合水溶液50 μ L分別滴在上述聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片上，再把這些方片夾在兩個石英片之間，在紫外光下照射30分鐘進行嫁接改性處理，嫁接改性后，取出這些方片，用水沖洗后得到親水化改性聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片備用；
[0008]③、半胱氨酸穩(wěn)定的金納米粒子的制備:取412 μ L濃度為48.6mmol *L_1氯金酸水溶液加水稀釋至20mL，然后加入ImL濃度為Immol.I71半胱氨酸水溶液，在劇烈攪拌下，向此混合溶液中再滴加250 μ L濃度為0.5%的硼氫化鈉水溶液，直至溶液的顏色變?yōu)樽霞t色，表明生成了金納米粒子；
[0009]④、取步驟②中制得的親水化改性聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片，在步驟③中制得的金納米粒子溶液中培養(yǎng)30分鐘，然后取出方片用水沖洗，在空氣中晾干，從而制得SERS活性基底。
[0010]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果:
[0011](I)、本發(fā)明提供一種新穎的技術(shù)，采用靜電紡絲聚合物納米纖維膜組裝金納米粒子來制備SERS活性基底。將親水化改性后的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜在新制備的金納米粒子溶液中培養(yǎng)，促進半胱氨酸包裹的金納米粒子被控制組裝到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上。通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)試驗參數(shù)，可制得具有最佳活性的SERS基底。
[0012](2)、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，成本低，環(huán)境友好合成，工藝過程簡單，制得的金納米粒子修飾的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜作為基底具有高的探測靈敏度、好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，并可大規(guī)模制備，用此方法制備的高活性SERS基底可有效地對不同的分析物進行超靈敏探測。
[0013](3)、本發(fā)明方法利用聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜的表面疏水性能，先采用紫外光誘導(dǎo)丙烯酸對其進行嫁接改性。親水化處理后的納米纖維膜在新制備的金納米粒子溶液中培養(yǎng)，納米粒子被控制組裝到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上。通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)試驗參數(shù)，例如聚已酸內(nèi)酯納米纖維的層數(shù)和聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜在金納米粒子溶液中的培養(yǎng)時間，可制得具有最佳活性的SERS基底。用本發(fā)明的方法制備的SERS基底具有極好的增強能力，可以用來檢測2-硫脲嘧啶分子。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片在金納米粒子溶液中培養(yǎng)前后的掃描電子顯微鏡成像，培養(yǎng)時間分別為(A) 0，(B) 30，(C)60, (D) 120分鐘；
[0015]圖2是本發(fā)明聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片在金納米粒子溶液中培養(yǎng)120分鐘后的X射線能量色散譜；
[0016]圖3是4-ATP (lXl(T5mol七1)在金納米粒子溶液中培養(yǎng)不同時間后的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片上的FT-SERS光譜:培養(yǎng)時間分別為(a) 30分鐘，(b) 60分鐘，(c) 120分鐘；
[0017]圖4是固體4-ATP的普通傅立葉變換拉曼光譜。
[0018]圖5是4-ATP (lXl(T5mol七1)在金納米粒子修飾的不同層數(shù)的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片上的FT-SERS光譜:(a) 2層，(b) 4層，(c) 6層。
[0019]圖6 是 2-TU (IX l(T5mol.I/1)在(a)有(b)無 SERS 活性基底存在下的 FT-SERS光譜。

【具體實施方式】
[0020]①、按照文獻(Su，Z.;Li，J.;Li,Q.;Ni,T.;Wei，G.Carbon2012，50，5606.)中的方法制備聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜:首先將聚已酸內(nèi)酯溶于體積比為40:60的乙醇水混合溶液中，然后將此溶液注入到一個裝有20鈍針尖的1mL塑料注射器內(nèi)，在靜電紡絲過程中以0.1?0.3mL.r1的速度進行噴涂。在0°和90°方向交替變換靜電紡絲制備多層雙向拉伸納米纖維膜。第一層納米纖維靜電紡絲到附在收集器上的鋁箔上，之后將鋁箔旋轉(zhuǎn)90°，在第一層上靜電紡絲第二層，每一層的噴涂時間是10分鐘。重復(fù)以上程序，直到獲得需要的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜。
[0021]②、聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜表面的親水化改性:取步驟①中制得的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜，切割成若干個1.0X 1.0cm2的方片，然后取含有1.2mol.L—1丙烯酸和
0.7mmol.Γ1維他命B2的混合水溶液50 μ L分別滴在這些方片上，再把這些方片夾在兩個石英片之間，在紫外光下照射30分鐘進行嫁接改性處理，嫁接改性完成后，取出這些方片，并用水沖洗，得到親水化改性聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片備用；
[0022]③、半胱氨酸包裹的金納米粒子的制備:取412 μ L濃度為48.6mmol七1氯金酸水溶液加水稀釋至20mL，然后加入ImL濃度為Immol.Γ1半胱氨酸水溶液，在劇烈攪拌下，向此混合溶液中滴加250 μ L濃度為0.5%的硼氫化鈉水溶液，直至溶液的顏色變?yōu)樽霞t色，表明生成了金納米粒子；
[0023]④、首先取3份步驟③制得的金納米粒子溶液，然后再將步驟②中制得的親水化改性聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片分別放入金納米粒子溶液中，分別培養(yǎng)30、60和120分鐘，然后取出用水沖洗，在空氣中晾干，從而制得3個不同培養(yǎng)時間的SERS活性基底。
[0024]結(jié)論:
[0025]金納米粒子修飾的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜:
[0026]如圖1A所示:聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜是由長度為幾百微米的納米纖維組成，幾乎所有的纖維都是直的，而且表面光滑，這些纖維在三維空間交替排列。
[0027]如圖1B所示:聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片在新制備的金納米粒子溶液中培養(yǎng)30分鐘后，金納米粒子組裝到聚已酸內(nèi)酯纖維表面上。納米粒子的直徑大約為73nm，主要以聚集的形式存在，而且這些聚集體明顯分散在聚已酸內(nèi)酯納米纖維上。值得注意的是納米粒子僅吸附在聚已酸內(nèi)酯納米纖維上，而不在纖維以外的地方出現(xiàn)。這意味著聚已酸內(nèi)酯納米纖維表面的親水化處理過程是成功的，因而由半胱氨酸包裹的納米粒子通過靜電作用組裝到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上。因為半胱氨酸是一種雙功能分子，所以能使由其穩(wěn)定的金納米粒子傾向于經(jīng)分子間氫鍵作用彼此相互連接，因而在納米纖維上僅看到納米粒子聚集體，而沒有單分散的粒子。
[0028]從圖1C中可以清晰地看出，當培養(yǎng)時間為60分鐘時，相比于培養(yǎng)時間為30分鐘的情況，有更多的納米粒子吸附到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上。
[0029]如圖1D所示:當培養(yǎng)時間延長到120分鐘時,大量的納米粒子組裝到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上，形成更多更大的納米粒子聚集體。
[0030]如圖2所示:制得的基底的X射線能量色散譜分析證實金元素的存在。
[0031]從圖1B和IC中可以看出，由于聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜呈三維結(jié)構(gòu)形式，因而獲得的基底的結(jié)構(gòu)也是三維的；圖1D所示隨著培養(yǎng)時間的延長，更多的納米粒子被吸附到聚已酸內(nèi)酯纖維上，導(dǎo)致這種三維結(jié)構(gòu)減弱。
[0032]制得的基底的SERS活性:
[0033]聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片在金納米粒子溶液中培養(yǎng)之后可以作為分子靈敏度的SERS基底，具有高的靈敏度和特異性。在本發(fā)明的實驗中，對巰基苯胺(4-ATP)被選作探針分子來衡量基底的SERS增強能力。20 μ L濃度為I X 1-5Hi0I.L—H-ATP乙醇溶液滴到樣品表面上，接著在空氣中干燥。
[0034]圖3給出一系列4-ATP在不同基底上的FT-SERS光譜。
[0035]圖4是固體4-ATP的普通傅立葉變換拉曼光譜。
[0036]這兩個光譜之間明顯的不同是頻率的位移和相關(guān)的大多數(shù)振動帶強度的改變，例如，圖4中的u (CS)帶從1086CHT1頻移到圖3中的1078CHT1，υ (CC)帶從1591CHT1頻移到1587CHT1。這幾個主要振動帶的變化意味著4-ΑΤΡ分子中的巰基直接連到金納米粒子表面上。圖4中465CHT1處的帶消失了，而在圖3中391CHT1處出現(xiàn)一個新的帶,屬于C-S鍵的振動模式之一，最可能是C-S鍵的彎曲振動。SERS光譜中的主要帶位于1587CHT1，1078cm^,屬于S1振動模式。模式的明顯增強意味著增強主要是由電磁機理引起的。另外，還可以看到位于1178和1005CHT1處的b2振動模式。b2模式的增強歸因于從金屬到吸附分子的電荷轉(zhuǎn)移，這表明4-ATP通過形成一個強的Au-S鍵連到金納米結(jié)構(gòu)表面上。每一個在金納米粒子溶液中培養(yǎng)不同時間后的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片作為基底時的SERS信號的強度是不同的。當培養(yǎng)時間在30分鐘至60分鐘內(nèi)變化時，獲得的基底產(chǎn)生較強的SERS信號(圖3a和3b所示)。當培養(yǎng)時間繼續(xù)增加時，基底的SERS活性變得越來越弱(圖3c)。增強效應(yīng)不同的原因可能是粒子的聚集/組裝可能有利于大范圍局部等離子激發(fā)的形成，即熱點，被認為是造成在單分子SERS中產(chǎn)生巨大信號放大的原因。然而，當培養(yǎng)時間增加時，更多的納米粒子聚集體吸附到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上(圖1D)，導(dǎo)致熱點減少。由于半胱氨酸包裹的金納米粒子在溶液中具有強的聚集趨勢，因而培養(yǎng)時間越長，納米粒子連接越緊密，就有更多的納米粒子聚集體吸附到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上，從而就減弱了基底的三維結(jié)構(gòu)特征。
[0037]基底上4-ATP的表面增強因子(EF)根據(jù)下面的公式計算:
[0038]EF- (I sees/I Raman) X (Mbulk/Msurf ace)
[0039]Isees和IKa_分別是SERS和普通拉曼光譜中4-ATP振動模式的強度；Mbulk是在激光照明體積內(nèi)純4-ATP的分子數(shù)；Msurfaee是SERS活性基底上激光點內(nèi)的吸附分子數(shù)。在測量的樣品區(qū)域(直徑100 μ m)內(nèi)，Msurface經(jīng)計算為9.5X 19。考慮到激光點(直徑100 μ m),穿透深度(大約180 μ m)和4-ATP的密度(1.17g.mL—1)，在所探測固體樣品區(qū)域的Mbulk值是7.9X1015。對于1591cm—1處(uCC)的振動模式，計算EF值大約為3.7 X 16。我們認為這些基底上SERS效應(yīng)的形成是電荷轉(zhuǎn)移和電磁機理協(xié)同作用的結(jié)果。用金納米粒子修飾的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜作為SERS基底的優(yōu)勢有三點:第一，它具有相當大的比表面積，能固定大量探針分子，產(chǎn)生巨大增強；第二，豐富的納米粒子間的連接能為光散射提供廣泛的表面等離子共振，以增強電磁場。更重要的是，基底上特殊的三維結(jié)構(gòu)使之具有較大的表面積和更多的熱點，有利于SERS活性的提高。
[0040]本發(fā)明還研究了聚已酸內(nèi)酯納米纖維層數(shù)對制得的基底的SERS活性的影響。
[0041]圖5顯示4-ATP在金納米粒子修飾的不同層數(shù)的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片上的FT-SERS光譜?？梢钥闯雠囵B(yǎng)后的由2層納米纖維組成的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片作為基底的SERS增強能力較弱(圖5a)。由4層和6層聚已酸內(nèi)酯納米纖維構(gòu)成的基底的SERS信號是相似的(圖5b和5c)，但明顯強于由2層納米纖維組成的基底的信號。隨著納米纖維層數(shù)的增加，聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜的三維結(jié)構(gòu)特征越明顯，越多的金納米粒子吸附到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上。這些因素使制得的基底的三維結(jié)構(gòu)特征更加明顯，具有更好的增強能力。
[0042]制得的基底可以用來探測生物學(xué)重要分子2-硫脲嘧啶分子。2-硫脲嘧啶和它的衍生物具有高抗甲狀腺、抗病毒、抗癌活性。低濃度2-硫脲嘧啶的靈敏探測對于制藥動力學(xué)和臨床診斷是重要的。20yL濃度為lX10_5mol.1^2-硫脲嘧啶乙醇溶液滴到制得的SERS基底表面上，在空氣中晾干。
[0043]圖6a給出的是2-硫脲嘧啶在獲得的SERS基底上的FT-SERS光譜。
[0044]圖6b是固體2-硫脲嘧啶的普通傅立葉變換拉曼光譜圖。相對于普通拉曼光譜圖，F(xiàn)T-SERS光譜中明顯不同是一些振動帶的頻率位移和強度的改變。例如，位于920CHT1處的相應(yīng)于N(3)CC的面內(nèi)彎曲振動和環(huán)的振動帶被明顯增強。需要注意的是，20 μ L濃度為lX10_5mol.1^2-硫脲嘧啶乙醇溶液在非SERS活性基底表面上是不能被傅立葉變換拉曼光譜儀檢測出的。結(jié)果表明用本發(fā)明的方法制備的基底對不同分析物的超靈敏探測活性1?且有效。
【權(quán)利要求】
1.一種利用靜電紡絲聚合物納米纖維膜組裝金納米粒子成SERS活性基底的方法，其特征在于:該方法是將親水化改性后的聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜浸入到金納米粒子溶液中培養(yǎng)，使半胱氨酸包裹的金納米粒子通過靜電作用組裝到聚已酸內(nèi)酯納米纖維上，從而制備出具有SERS活性的基底，具體步驟如下: ①、制備聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜； ②、聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜表面的親水化改性:先把聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜切割成1.0X1.0cm2的若干方片，然后取含有1.2mol.Γ1丙烯酸和0.7mmol.Γ1維他命B2的混合水溶液50 μ L分別滴在上述聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片上，再把這些方片夾在兩個石英片之間，在紫外光下照射30分鐘進行嫁接改性處理，嫁接改性后，取出這些方片，用水沖洗后得到親水化改性聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片備用； ③、半胱氨酸穩(wěn)定的金納米粒子的制備:取412μ L濃度為48.6mmol ?Γ1氯金酸水溶液加水稀釋至20mL，然后加入ImL濃度為Immol.Γ1半胱氨酸水溶液，在劇烈攪拌下，向此混合溶液中再滴加250 μ L濃度為0.5%的硼氫化鈉水溶液，直至溶液的顏色變?yōu)樽霞t色，表明生成了金納米粒子； ④、取步驟②中制得的親水化改性聚已酸內(nèi)酯納米纖維膜方片，在步驟③中制得的金納米粒子溶液中培養(yǎng)30分鐘，然后取出方片用水沖洗，在空氣中晾干，從而制得SERS活性基底。
【文檔編號】G01N21/65GK104422679SQ201310385624
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】王麗, 程思寧, 崔運成, 姜大雨, 孫艷濤 申請人:吉林師范大學(xué)