利用静电纺丝聚合物纳米纤维膜组装金纳米粒子成SERS活性基底的方法

摘要

一种利用静电纺丝聚合物纳米纤维膜组装金纳米粒子成SERS活性基底的方法，本发明的目的是构建用于灵敏探测的活性SERS基底，这种方法基于静电纺丝聚已酸内酯纳米纤维膜组装金纳米粒子，首先采用紫外光诱导丙烯酸对聚已酸内酯纳米纤维膜的疏水表面进行嫁接改性，然后将此聚已酸内酯纳米纤维膜浸入金纳米粒子溶液中来促进金纳米粒子组装到聚已酸内酯纳米纤维上以形成SERS活性基底，采用对巯基苯胺（4-ATP）分子作为实验探针分子进行SERS研究，表明基底具有高的SERS响应灵敏度，在环境友好合成、大规模、高稳定性和好的重复性方面我们的方法具有很大的优势，这种高活性的SERS基底可以用来探测药物分子，2-硫脲嘧啶。

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备的技术领域，具体的说是一种利用静电纺丝聚合物纳米纤维膜组装金纳米粒子成SERS活性基底的方法。

技术背景

表面增强拉曼散射（SERS）光谱法是一种非常强大的研究分子/金属纳米粒子体系的工具，因其可提供丰富的分子结构信息，并具有高灵敏性和表面选择性。这种超灵敏的分析方法被广泛应用于生命和环境科学领域，这刺激了世界范围的努力去探索其理论和实验上的机理。具有粗糙表面的各种基底被用来进行SERS研究，例如金属溶胶，电化学粗糙化电极，化学法沉积金属膜，化学蚀刻金属纳米结构，等等。在这些基底中，溶胶金和银纳米粒子被广泛运用，因为它们容易制备并且具有强的SERS增强能力。重要的是，金和银溶胶作为基底对振动信号的强度增强可达10的数量级以上。近些年来，各种技术被用来控制组装金或银纳米粒子形成具有SERS活性的特殊结构。电子束平板印刷、模板法和界面组装等是普遍使用的用于构建具有预期形貌的、结构有序的、周期性的金和银纳米粒子阵列的方法。然而，这些技术要么需要复杂的步骤，要么很难进行大规模常规检测，这就限制了它们的实际应用。因而，需要一些新的制备SERS活性基底的技术，制备具有好的稳定性和重复性、高灵敏性的基底，同时要求方法简单、价格低廉。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用静电纺丝聚合物纳米纤维膜组装金纳米粒子来制备高灵敏性、可重复、稳定、大规模并可靠的SERS基底的方法。

本发明的目的是这样实现的：

该方法是将亲水化改性后的聚已酸内酯纳米纤维膜浸入到金纳米粒子溶液中培养，使半胱氨酸包裹的金纳米粒子通过静电作用组装到聚已酸内酯纳米纤维上，从而制备出具有SERS活性的基底，具体步骤如下：

①、制备聚已酸内酯纳米纤维膜；

②、聚已酸内酯纳米纤维表面的亲水化改性：先把聚已酸内酯纳米纤维膜切割成1.0×1.0cm²的若干方片，然后取含有1.2mol·L^-1丙烯酸和0.7mmol·L^-1维他命B₂的混合水溶液50μL分别滴在上述聚已酸内酯纳米纤维膜方片上，再把这些方片夹在两个石英片之间，在紫外光下照射30分钟进行嫁接改性处理，嫁接改性后，取出这些方片，用水冲洗后得到亲水化改性聚已酸内酯纳米纤维膜方片备用；

③、半胱氨酸稳定的金纳米粒子的制备：取412μL浓度为48.6mmol·L^-1氯金酸水溶液加水稀释至20mL，然后加入1mL浓度为1mmol·L^-1半胱氨酸水溶液，在剧烈搅拌下，向此混合溶液中再滴加250μL浓度为0.5%的硼氢化钠水溶液，直至溶液的颜色变为紫红色，表明生成了金纳米粒子；

④、取步骤②中制得的亲水化改性聚已酸内酯纳米纤维膜方片，在步骤③中制得的金纳米粒子溶液中培养30分钟，然后取出方片用水冲洗，在空气中晾干，从而制得SERS活性基底。

本发明具有以下优点和积极效果：

（1）、本发明提供一种新颖的技术，采用静电纺丝聚合物纳米纤维膜组装金纳米粒子来制备SERS活性基底。将亲水化改性后的聚已酸内酯纳米纤维膜在新制备的金纳米粒子溶液中培养，促进半胱氨酸包裹的金纳米粒子被控制组装到聚已酸内酯纳米纤维上。通过系统调节试验参数，可制得具有最佳活性的SERS基底。

（2）、本发明与现有技术相比较，成本低，环境友好合成，工艺过程简单，制得的金纳米粒子修饰的聚已酸内酯纳米纤维膜作为基底具有高的探测灵敏度、好的重现性和稳定性，并可大规模制备，用此方法制备的高活性SERS基底可有效地对不同的分析物进行超灵敏探测。

（3）、本发明方法利用聚已酸内酯纳米纤维膜的表面疏水性能，先采用紫外光诱导丙烯酸对其进行嫁接改性。亲水化处理后的纳米纤维膜在新制备的金纳米粒子溶液中培养，纳米粒子被控制组装到聚已酸内酯纳米纤维上。通过系统调节试验参数，例如聚已酸内酯纳米纤维的层数和聚已酸内酯纳米纤维膜在金纳米粒子溶液中的培养时间，可制得具有最佳活性的SERS基底。用本发明的方法制备的SERS基底具有极好的增强能力，可以用来检测2-硫脲嘧啶分子。

附图说明

图1是本发明聚已酸内酯纳米纤维膜方片在金纳米粒子溶液中培养前后的扫描电子显微镜成像，培养时间分别为（A）0，（B）30，（C）60，（D）120分钟；

图2是本发明聚已酸内酯纳米纤维膜方片在金纳米粒子溶液中培养120分钟后的X射线能量色散谱；

图3是4-ATP（1×10^-5mol·L^-1）在金纳米粒子溶液中培养不同时间后的聚已酸内酯纳米纤维膜方片上的FT-SERS光谱：培养时间分别为（a）30分钟，（b）60分钟，（c）120分钟；

图4是固体4-ATP的普通傅立叶变换拉曼光谱。

图5是4-ATP（1×10^-5mol·L^-1）在金纳米粒子修饰的不同层数的聚已酸内酯纳米纤维膜方片上的FT-SERS光谱：（a）2层，（b）4层，（c）6层。

图6是2-TU（1×10^-5mol·L^-1）在（a）有（b）无SERS活性基底存在下的FT-SERS光谱。

具体实施方式

①、按照文献（Su，Z.;Li，J.;Li，Q.;Ni，T.;Wei，G.Carbon2012，50，5606.）中的方法制备聚已酸内酯纳米纤维膜：首先将聚已酸内酯溶于体积比为40:60的乙醇水混合溶液中，然后将此溶液注入到一个装有20钝针尖的10mL塑料注射器内，在静电纺丝过程中以0.1～0.3mL·h^-1的速度进行喷涂。在0°和90°方向交替变换静电纺丝制备多层双向拉伸纳米纤维膜。第一层纳米纤维静电纺丝到附在收集器上的铝箔上，之后将铝箔旋转90°，在第一层上静电纺丝第二层，每一层的喷涂时间是10分钟。重复以上程序，直到获得需要的聚已酸内酯纳米纤维膜。

②、聚已酸内酯纳米纤维膜表面的亲水化改性：取步骤①中制得的聚已酸内酯纳米纤维膜，切割成若干个1.0×1.0cm²的方片，然后取含有1.2mol·L^-1丙烯酸和0.7mmol·L^-1维他命B₂的混合水溶液50μL分别滴在这些方片上，再把这些方片夹在两个石英片之间，在紫外光下照射30分钟进行嫁接改性处理，嫁接改性完成后，取出这些方片，并用水冲洗，得到亲水化改性聚已酸内酯纳米纤维膜方片备用；

③、半胱氨酸包裹的金纳米粒子的制备：取412μL浓度为48.6mmol·L^-1氯金酸水溶液加水稀释至20mL，然后加入1mL浓度为1mmol·L^-1半胱氨酸水溶液，在剧烈搅拌下，向此混合溶液中滴加250μL浓度为0.5%的硼氢化钠水溶液，直至溶液的颜色变为紫红色，表明生成了金纳米粒子；

④、首先取3份步骤③制得的金纳米粒子溶液，然后再将步骤②中制得的亲水化改性聚已酸内酯纳米纤维膜方片分别放入金纳米粒子溶液中，分别培养30、60和120分钟，然后取出用水冲洗，在空气中晾干，从而制得3个不同培养时间的SERS活性基底。

结论：

金纳米粒子修饰的聚已酸内酯纳米纤维膜：

如图1A所示：聚已酸内酯纳米纤维膜是由长度为几百微米的纳米纤维组成，几乎所有的纤维都是直的，而且表面光滑，这些纤维在三维空间交替排列。

如图1B所示：聚已酸内酯纳米纤维膜方片在新制备的金纳米粒子溶液中培养30分钟后，金纳米粒子组装到聚已酸内酯纤维表面上。纳米粒子的直径大约为73nm，主要以聚集的形式存在，而且这些聚集体明显分散在聚已酸内酯纳米纤维上。值得注意的是纳米粒子仅吸附在聚已酸内酯纳米纤维上，而不在纤维以外的地方出现。这意味着聚已酸内酯纳米纤维表面的亲水化处理过程是成功的，因而由半胱氨酸包裹的纳米粒子通过静电作用组装到聚已酸内酯纳米纤维上。因为半胱氨酸是一种双功能分子，所以能使由其稳定的金纳米粒子倾向于经分子间氢键作用彼此相互连接，因而在纳米纤维上仅看到纳米粒子聚集体，而没有单分散的粒子。

从图1C中可以清晰地看出，当培养时间为60分钟时，相比于培养时间为30分钟的情况，有更多的纳米粒子吸附到聚已酸内酯纳米纤维上。

如图1D所示：当培养时间延长到120分钟时，大量的纳米粒子组装到聚已酸内酯纳米纤维上，形成更多更大的纳米粒子聚集体。

如图2所示：制得的基底的X射线能量色散谱分析证实金元素的存在。

从图1B和1C中可以看出，由于聚已酸内酯纳米纤维膜呈三维结构形式，因而获得的基底的结构也是三维的；图1D所示随着培养时间的延长，更多的纳米粒子被吸附到聚已酸内酯纤维上，导致这种三维结构减弱。

制得的基底的SERS活性：

聚已酸内酯纳米纤维膜方片在金纳米粒子溶液中培养之后可以作为分子灵敏度的SERS基底，具有高的灵敏度和特异性。在本发明的实验中，对巯基苯胺（4-ATP）被选作探针分子来衡量基底的SERS增强能力。20μL浓度为1×10^-5mol·L^-14-ATP乙醇溶液滴到样品表面上，接着在空气中干燥。

图3给出一系列4-ATP在不同基底上的FT-SERS光谱。

图4是固体4-ATP的普通傅立叶变换拉曼光谱。

这两个光谱之间明显的不同是频率的位移和相关的大多数振动带强度的改变，例如，图4中的υ(CS)带从1086cm^-1频移到图3中的1078cm^-1，υ(CC)带从1591cm^-1频移到1587cm^-1。这几个主要振动带的变化意味着4-ATP分子中的巯基直接连到金纳米粒子表面上。图4中465cm^-1处的带消失了，而在图3中391cm^-1处出现一个新的带，属于C-S键的振动模式之一，最可能是C-S键的弯曲振动。SERS光谱中的主要带位于1587cm^-1，1078cm^-1，属于a₁振动模式。a₁模式的明显增强意味着增强主要是由电磁机理引起的。另外，还可以看到位于1178和1005cm^-1处的b₂振动模式。b₂模式的增强归因于从金属到吸附分子的电荷转移，这表明4-ATP通过形成一个强的Au-S键连到金纳米结构表面上。每一个在金纳米粒子溶液中培养不同时间后的聚已酸内酯纳米纤维膜方片作为基底时的SERS信号的强度是不同的。当培养时间在30分钟至60分钟内变化时，获得的基底产生较强的SERS信号（图3a和3b所示）。当培养时间继续增加时，基底的SERS活性变得越来越弱（图3c）。增强效应不同的原因可能是粒子的聚集/组装可能有利于大范围局部等离子激发的形成，即热点，被认为是造成在单分子SERS中产生巨大信号放大的原因。然而，当培养时间增加时，更多的纳米粒子聚集体吸附到聚已酸内酯纳米纤维上（图1D），导致热点减少。由于半胱氨酸包裹的金纳米粒子在溶液中具有强的聚集趋势，因而培养时间越长，纳米粒子连接越紧密，就有更多的纳米粒子聚集体吸附到聚已酸内酯纳米纤维上，从而就减弱了基底的三维结构特征。

基底上4-ATP的表面增强因子（EF）根据下面的公式计算：

EF=(I_SERS/I_Raman)×(M_bulk/M_surface)

I_SERS和I_Raman分别是SERS和普通拉曼光谱中4-ATP振动模式的强度；Mbulk是在激光照明体积内纯4-ATP的分子数；M_surface是SERS活性基底上激光点内的吸附分子数。在测量的样品区域（直径100μm）内，M_surface经计算为9.5×10⁹。考虑到激光点（直径100μm），穿透深度（大约180μm）和4-ATP的密度（1.17g·mL^-1），在所探测固体样品区域的M_bulk值是7.9×10¹⁵。对于1591cm^-1处(υCC)的振动模式，计算EF值大约为3.7×10⁶。我们认为这些基底上SERS效应的形成是电荷转移和电磁机理协同作用的结果。用金纳米粒子修饰的聚已酸内酯纳米纤维膜作为SERS基底的优势有三点：第一，它具有相当大的比表面积，能固定大量探针分子，产生巨大增强；第二，丰富的纳米粒子间的连接能为光散射提供广泛的表面等离子共振，以增强电磁场。更重要的是，基底上特殊的三维结构使之具有较大的表面积和更多的热点，有利于SERS活性的提高。

本发明还研究了聚已酸内酯纳米纤维层数对制得的基底的SERS活性的影响。

图5显示4-ATP在金纳米粒子修饰的不同层数的聚已酸内酯纳米纤维膜方片上的FT-SERS光谱。可以看出培养后的由2层纳米纤维组成的聚已酸内酯纳米纤维膜方片作为基底的SERS增强能力较弱（图5a）。由4层和6层聚已酸内酯纳米纤维构成的基底的SERS信号是相似的（图5b和5c），但明显强于由2层纳米纤维组成的基底的信号。随着纳米纤维层数的增加，聚已酸内酯纳米纤维膜的三维结构特征越明显，越多的金纳米粒子吸附到聚已酸内酯纳米纤维上。这些因素使制得的基底的三维结构特征更加明显，具有更好的增强能力。

制得的基底可以用来探测生物学重要分子2-硫脲嘧啶分子。2-硫脲嘧啶和它的衍生物具有高抗甲状腺、抗病毒、抗癌活性。低浓度2-硫脲嘧啶的灵敏探测对于制药动力学和临床诊断是重要的。20μL浓度为1×10^-5mol·L^-12-硫脲嘧啶乙醇溶液滴到制得的SERS基底表面上，在空气中晾干。

图6a给出的是2-硫脲嘧啶在获得的SERS基底上的FT-SERS光谱。

图6b是固体2-硫脲嘧啶的普通傅立叶变换拉曼光谱图。相对于普通拉曼光谱图，FT-SERS光谱中明显不同是一些振动带的频率位移和强度的改变。例如，位于920cm^-1处的相应于N(3)CC的面内弯曲振动和环的振动带被明显增强。需要注意的是，20μL浓度为1×10^-5mol·L^-12-硫脲嘧啶乙醇溶液在非SERS活性基底表面上是不能被傅立叶变换拉曼光谱仪检测出的。结果表明用本发明的方法制备的基底对不同分析物的超灵敏探测活性高且有效。