一种制备银纳米线的方法及利用该银纳米线为基底的SERS检测方法

摘要

本发明属于纳米材料和分析检测领域，涉及一种银纳米线及用银纳米线为基底的SERS检测方法。一种银纳米线的制备方法，采用多元醇法以硝酸银为原料制备银纳米线，反应所用多元醇选自丙三醇，提高了反应温度，与现有技术相比缩短了反应时间，无需惰性保护气体氛围，并且优化了后处理工艺；所制备的银纳米线长度和直径分布范围较窄，拓展了银纳米线在分析检测领域的应用范围。本发明还涉及一种以所制备银纳米线为基底的SERS检测方法，应用于常见水产品违禁药物的检测，相比于现有技术其灵敏度更高，检出限更低，成本更便宜。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料和分析检测领域，具体涉及一种银纳米线及利用该银纳米线为基底的SERS检测方法。

背景技术

随着中国经济水平的逐步提高，水产品不再作为沿海沿湖地区人民的专属食品，而经过加工运输甚至活体运输至全国各地销售，同时一些具备养殖条件的南方省份也不断推广水产品的人工养殖。而水产品的人工养殖和活体运输使得鱼类脱离天然生长环境，容易发生病变死亡。

为了提高水产品人工养殖成活率和健康状况，有些养殖户不顾公众利益向水产品中添加违禁药物。常见的水产品禁止添加药物主要包括孔雀石绿、结晶紫、呋喃唑酮和氯霉素。孔雀石绿和结晶紫最初作为染料被广泛应用于纺织工艺中，后因发现其具有良好的杀菌消毒作用，加之价格低廉而被广泛应用在水产品的人工养殖过程中。但后续的生物实验表明孔雀石绿和结晶紫具有潜在的致癌、致畸等毒副作用，因而先后被多个国家列入水产品养殖禁止使用药名单。呋喃唑酮和氯霉素属于广谱的抗菌药，在水产养殖中能有效地预防与治疗寄生虫病及真菌感染，但有证据表明氯霉素的滥用除增加细菌抗药性外，还会抑制人体骨髓造血功能，导致再生障碍性贫血等疾病；呋喃唑酮及其代谢物则对人体具有潜在的遗传毒性和致癌作用。包括中国在内的世界上许多国家，均禁止在鱼、肉及家禽养殖中使用氯霉素和呋喃唑酮。

鉴于这四种药物价格低廉，对水产品养殖过程中各种常见疾病具有良好的预防和治疗效果，所以在水产品养殖中屡禁不止。因此，对水产品中四种药物残留的检测成为水产品流入市场的必须程序。

目前常用于检测上述四种渔药残留的方法有高效液相色谱(HPLC)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)、液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)等，这些方法具有准确性好、灵敏度高等特点，但存在着有机溶剂耗量大、费用高、检测周期长等缺点，很难满足快速检测的要求。因此迫切需要建立一种快捷、准确、灵敏、低耗的检测方法。

表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Scattering，以下简称SERS)检测作为一种特殊的拉曼光谱检测技术，该检测技术既具有拉曼光谱的指纹识别性，又具有较高的响应强度，使得SERS检测技术具有灵敏度高，针对性强，测试迅速，成本低廉等优点，在分析检测领域凸显出巨大的潜力。

目前用作SERS检测的商业化基板主要为Renishaw Diagnostics公司生产的Klarite芯片，该基板价格较高，阻碍了SERS检测手段在食品安全领域的推广应用。现有技术中有以金纳米颗粒、核壳型双金属纳米颗粒为基底的SERS检测基板，但作为SERS检测基板的响应灵敏度、制造工艺以及制造成本仍然与商业化的Klarite芯片有一定差距。

因此，能否制备出对上述四种水产品违禁药响应度好、灵敏度高，针对性强，工艺简单和成本低廉的SERS检测基底，是解决现有技术的关键。

在贵金属中，银的价格相对较低，以硝酸银等原料制备出的银纳米线在横向尺寸上被限制在100纳米以下，这使得这种材料具有明显的量子效应，因而被称作“量子线”，广泛应用在纳米器件、分子检测、太阳能电池板等技术领域。

目前制备银纳米线主要包括光刻法、光还原法、微波辐射法、模版法、溶剂热法和多元醇法。多元醇法是一种以银盐为反应的前驱体，在一定保护剂和还原剂的作用下，加热生长成银纳米线。现有技术采用多元醇法制备银纳米线的过程主要为，采用硝酸银、聚乙烯基吡咯烷酮(以下简称PVP)、乙二醇分别作为盐的前驱体、盖帽剂和多元醇，采用加热还原得到银纳米线。

现有技术中的多元醇法制备银纳米线，多采用乙二醇作为反应物。乙二醇生物毒性高，不符合国家所提倡的绿色化学理念。由于乙二醇沸点低，为了保证乙二醇浓度恒定，反应体系温度不能过高，不利于提高反应速度。为了控制银纳米线的轴向均匀生长，需要严格控制不同原料的浓度，大多数情况下需要双通道注射泵进行反应液的滴加(例如CN1740405A)，使得生产成本高，生产工艺复杂。为了保护反应液中已生成的银纳米线，还需要将反应体系置于惰性气体保护中(例如CN101934378A)，并且各个反应液需要预先除氧，进一步增加生产成本。多元醇法制备银纳米线后续银纳米线的纯化需要用到丙酮洗涤(例如CN101934378A)，带来环境污染、提高生产成本。并且以现有技术多元醇法制备的银纳米线中，混有较多的银纳米颗粒(例如CN1740405A、CN101310899A)，这使得制备的银纳米线并不能很好的适用于质量要求较高的检测领域。

因此，能否开发出一种原料无污染、反应速度快、工艺简单并且产品质量好的制备银纳米线的方法，并能将所制备的银纳米线应用于所述四种违禁鱼药的SERS检测，是解决现有问题的关键因素。

发明内容

本发明旨在提供一种银纳米线及制备方法，该方法工艺简洁，可制备高质量银纳米线。

本发明还提供了以上述银纳米线为SERS基底检测水产品违禁药的方法，该方法灵敏度高，针对性强，成本低廉，用于检测孔雀石绿、结晶紫、呋喃唑酮和氯霉素。

本发明技术方案为：一种制备银纳米线的方法，其制备步骤包括：

将溶液A与溶液B混合，然后升温至200～220℃后冷却至室温，洗涤得银纳米线；优选的反应升温时间为15～25min；

所述溶液A为聚乙烯吡咯烷酮(以下简称PVP)和硝酸银的丙三醇溶液；所述溶液B为氯化钠、水和丙三醇的混合溶液；溶液A与溶液B的体积比为18～20:1；

反应体系中，硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮、氯化钠的摩尔比为1:5～6:0.08～0.13，聚乙烯吡咯烷酮的用量以乙烯吡咯烷酮单体计；水与丙三醇总量的体积比为1:380～420，硝酸银在反应体系中的含量为0.044～0.048mol/L。上述方法所制备的银纳米线直径45～55nm。

优选的，硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮、氯化钠的摩尔比为1:5.5:0.107～0.108，聚乙烯吡咯烷酮的用量以乙烯吡咯烷酮单体计；优选的，水与丙三醇总量的体积比为1:395～405；优选的，反应体系中硝酸银的含量为0.046～0.047mol/L。

本发明的一个优选方案，反应体系中，硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮、氯化钠的摩尔比为1:5.5:0.1075，聚乙烯吡咯烷酮的用量以乙烯吡咯烷酮单体计。水与丙三醇总量的体积比为1:400，反应体系中硝酸银的含量为0.0465mol/L，升温至210℃，升温反应时间为20min；所制备的银纳米线直径49.4±3.9nm，长度7～10μm。

所述洗涤步骤优选为：将冷却后的反应液加入超纯水中，混合均匀后离心取下层沉淀，然后依次采用水、乙醇水溶液、乙醇各洗涤1～5次。洗涤后将沉淀分散于纯水得银纳米线水溶胶。所述乙醇水溶液洗涤步骤包括两步，首先采用20％～30％浓度乙醇水溶液洗涤，然后采用40％～60％浓度乙醇水溶液洗涤。

进一步，所述PVP的重均分子量Mw＝2000～200000，优选为25000～100000；所述PVP单体分子量为111。

本发明技术方案还包括一种以所制备银纳米线为基底的SERS检测方法，用于检测试样中的孔雀石绿、结晶紫、呋喃唑酮和氯霉素。

本检测方法采用所制备银纳米线为基底，对不同浓度的孔雀石绿、结晶紫、呋喃唑酮和氯霉素溶液进行SERS检测。以银纳米线为基底的SERS检测方法步骤如下：

将待检测溶液分散到银纳米线溶液中得到水溶胶，然后取一定体积的银纳米线水溶胶滴加到载体板上，在35℃～45℃，优选为38℃～42℃的温度下烘干后得到检测板，然后进行SERS检测。SERS检测激发波长选自457nm，488nm，514nm，532nm，633nm，660nm，优选为633nm；所述SERS检测光源为He-Ne激光源、激光源功率为1～10mW，优选为4～6mW、采集光谱的波数为400～2000cm^-1的检测条件下对检测板进行检测。

本发明的有益效果在于，所制备的银纳米线直径和长度分布范围更集中，微观结构带来的宏观性能参数也更能准确反映微观变化。采用丙三醇为原料制备银纳米线，避免了现有技术中采用乙二醇制备银纳米线的环境污染，并且提高了反应温度，使得反应速度由原来的几个小时缩短至半小时以内；改变反应液的加料顺序和硝酸银与PVP的用量比，省略了惰性气体保护条件，并且使得加料速度不必严格控制，省去了双通道注射泵，使得生产工艺大幅简化；采用乙醇与水混合溶液对产物进行洗涤纯化，避免了有毒有害物质丙酮的使用，使得生产工艺更加符合绿色化学的理念，并且可以改善现有技术中用丙酮洗涤后可能产生的银纳米线粘壁或聚沉现象。

采用所得银纳米线为SERS检测基底，实现了对四种常用渔药的快速检测，该方法适用性强。与金纳米颗粒、银纳米线、核壳型双金属纳米颗粒以及Q-SERS、Klarite基板相比，以本发明银纳米线为SERS检测基底，对孔雀石绿、结晶紫、呋喃唑酮和氯霉素的检测限更低，依次为0.05ppb，0.01ppb，100ppb和100ppb。该银纳米线与结晶紫的混合检测板在440cm^-1、1176cm^-1及1617cm^-1波数下，峰强度的相对标准偏差(RSD)分别为14.1％、11.2％、9.8％，增强因子为4.7×10⁷。通过四种药物的SERS测试结果可知，以本发明方法所制备的银纳米线做基底，该基底的表面颗粒形貌均匀，增强效果明显，背景干扰小，重现性好。

附图说明

图1为实施例1所得银纳米线透射电镜图；

图2为实施例1所得银纳米线的XRD衍射图；

图3为实施例2所得银纳米线透射电镜图；

图4为实施例3所得银纳米线透射电镜图；

图5为实施例4所得银纳米线透射电镜图；

图6为不同浓度下孔雀石绿的SERS检测图谱；

图7为不同浓度下结晶紫的SERS检测图谱；

图8为不同浓度下呋喃唑酮的SERS检测图谱；

图9为不同浓度下氯霉素的SERS检测图谱；

图10为实施例9所得SERS检测平均值图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

实施例1为最优技术方案下制备银纳米线，实施例2、3、4为改变银纳米线合成条件后的对照实验。后续实施例5、6、7、8、9中SERS检测所采用的银纳米线由实施例1的方法制备。

实施例1

取Mw＝55000的PVP粉末5.67g(以分子量为111的单体计51.1mmol)，加入到190mL丙三醇中，然后升温至85℃下缓慢搅拌，直至粉末完全溶解呈透明溶液，然后将溶液降温至30℃，向溶液中加入1.58g(9.3mmol)的硝酸银晶体，采用机械搅拌辅助以超声，使硝酸银晶体溶解，得到含有硝酸银、PVP和丙三醇的溶液A。

称取58.5mg(1mmol)氯化钠溶解于0.5mL蒸馏水中，加入10mL丙三醇稀释氯化钠溶液，得到溶液B。将溶液B加入到溶液A中，用水热釜加热，开启搅拌并在20min的时间内升温至210℃，然后立即停止加热，自然冷却至室温。

将反应液加入到超纯水中离心洗涤后，依次采用水、25％浓度的乙醇水溶液、50％浓度的乙醇水溶液、乙醇各洗涤三次，然后将离心洗涤得到的下层沉淀超声分散到纯水中得到银纳米线水溶胶，经长时间放置，银纳米线水溶胶不发生聚沉。

所得银纳米线透射电镜图如图1所示，本实施例制备的银纳米线直径为49.4±3.9nm，长度7～10μm。根据所得银纳米线的XRD衍射图(图2)可以看出，图中具有五个峰，所得银纳米线具有面心立方结构，并且(111)比(200)略高，造成此现象的原因可能是(111)面的表面能比较高，晶体沿(111)晶面的生长速度比其他晶面的生长速度快很多，也证明所得到银纳米材料为具有线状结构的银纳米线。

实施例2

取Mw＝55000的PVP粉末0.516g(以分子量为111的单体计4.65mmol)，加入到170mL丙三醇中，升温至70℃缓慢搅拌，直至粉末完全溶解呈透明溶液，将溶液降温至20℃。向溶液中加入1.58g(9.3mmol)硝酸银晶体，采用机械搅拌辅助以超声，使硝酸银晶体溶解，得到含有硝酸银、PVP和丙三醇的溶液A。

称取46.8mg(0.8mmol)氯化钠溶解于0.5mL蒸馏水中，然后加入8mL丙三醇稀释氯化钠溶液，得到溶液B。将溶液B加入到溶液A中，用水热釜加热，开启搅拌并以在20min的时间内升温至200℃，然后立即停止加热，自然冷却至室温。

将反应液加入到超纯水中离心洗涤后，再依次采用20％浓度的乙醇水溶液、60％浓度的乙醇水溶液和乙醇各洗涤三次，然后将离心洗涤得到的下层沉淀超声分散到纯水中得到银纳米线水溶胶。

所得银纳米线透射电镜图如图3所示，制备的银纳米线直径为142.5±58.3nm，长度为0.3～3μm。由于银纳米线直径和长度分布不均匀，并有大量较大尺寸且形貌很不规则的纳米颗粒(如球形、棒状、立方体、三角形等)，因此不具有作为SERS检测的应用价值。

实施例3

取Mw＝55000的PVP粉末3.09g(以分子量为111的单体计27.8mmol)，加入到185mL丙三醇中，升温至80℃缓慢搅拌，直至粉末完全溶解呈透明溶液，将溶液降温至25℃，向溶液中加入1.58g(9.3mmol)硝酸银晶体，采用机械搅拌辅助以超声，使硝酸银晶体溶解，得到含有硝酸银、PVP和丙三醇的溶液A。

称取58.5mg(1mmol)氯化钠溶解于0.5mL蒸馏水中，加入10mL丙三醇稀释氯化钠溶液，得到溶液B。将溶液B加入到溶液A中，用水热釜加热，开启搅拌并在15min的时间内升温至205℃，然后立即停止加热，自然冷却至室温。

将反应液加入到超纯水中离心洗涤后，依次采用水、30％浓度的乙醇水溶液、40％浓度的乙醇水溶液和乙醇洗涤各三次，然后将离心洗涤得到的下层沉淀超声分散到纯水中得到银纳米线水溶胶。

所得银纳米线透射电镜图如图4所示，制备的银纳米线直径为51.3±20.4nm，长度为6～10μm。相比于图3，银纳米线的产量明显增加，但由于银纳米线直径和长度分布不均匀，并有大量形貌不规则的纳米颗粒，因此不具有作为SERS检测的应用价值。

实施例4

取Mw＝55000的PVP粉末8.25g，74.3mmol(以分子量为111的单体计)，加入到200mL丙三醇中，升温至90℃下缓慢搅拌，直至粉末完全溶解呈透明溶液，将溶液降温至25℃，向溶液中加入1.58g，9.3mmol的硝酸银晶体，采用机械搅拌辅助以超声，使硝酸银晶体溶解，得到含有硝酸银、PVP和丙三醇的溶液A。

称取70.2mg，1.2mmol的氯化钠溶解于0.5mL蒸馏水中，加入12mL丙三醇稀释氯化钠溶液，得到溶液B。将溶液B加入到溶液A中，用水热釜加热，开启搅拌并在25min的时间内升温至220℃，然后立即停止加热，自然冷却至室温。

将反应液加入到超纯水中离心洗涤后，再依次采用25％浓度的乙醇水溶液、50％浓度的乙醇水溶液、乙醇各洗涤三次，然后将离心洗涤得到的下层沉淀超声分散到纯水中得到银纳米线水溶胶。

所得银纳米线透射电镜图如图5所示，制备的银纳米线直径为35.4±9.8nm，长度为0.7～5μm。由于银纳米线直径和长度分布不均匀，并有大量形貌不规则的小尺寸纳米颗粒，因此不具有作为SERS检测的应用价值。

实施例5

将孔雀石绿用乙腈溶解后配制成100mg/mL的标准溶液，然后用乙腈稀释成0.001ng/mL、0.01ng/mL、0.02ng/mL、0.03ng/mL、0.04ng/mL、0.05ng/mL、0.06ng/mL、0.07ng/mL、0.08ng/mL、0.09ng/mL、0.1ng/mL、0.5ng/mL、1ng/mL和10ng/mL的溶液。然后将不同浓度的标准溶液分别加入到等体积的银纳米线水溶胶(按照实施例1方法制备)中，混匀后移取5μL至载玻片，35℃下烘干后，采用633nm、5mW激光束进行测试，采集400-2000cm^-1波数段的拉曼数据，进行两次独立测试后，取平均值，结果如图6。

实施例6

将结晶紫用乙腈溶解后配制成100mg/mL的标准溶液，然后用乙腈稀释成0.001ng/mL、0.01ng/mL、0.02ng/mL、0.03ng/mL、0.04ng/mL、0.05ng/mL、0.06ng/mL、0.07ng/mL、0.08ng/mL、0.09ng/mL、0.1ng/mL、0.5ng/mL、1ng/mL和10ng/mL的溶液。然后将不同浓度的标准溶液分别加入到等体积的银纳米线(按照实施例1方法制备)水溶胶中，混匀后移取5μL至载玻片，40℃下烘干后，采用633nm、5mW激光束进行测试，采集400～2000cm^-1波数段的拉曼数据，进行两次独立测试后，取平均值，结果如图7。

实施例7

将呋喃唑酮用乙腈溶解后配制成100mg/mL的标准溶液，然后用乙腈稀释成0.05μg/mL、0.1μg/mL、1μg/mL、5μg/mL和10μg/mL的溶液。然后将不同浓度的标准溶液分别加入到等体积的银纳米线水溶胶(按照实施例1方法制备)中，混匀后移取5μL至载玻片，45℃下烘干后，采用633nm、5mW激光束进行测试，采集400～2000cm^-1波数段的拉曼数据，进行两次独立测试后，取平均值，结果如图8。

实施例8

将氯霉素用甲醇溶解后配制成100mg/mL的标准溶液，然后用甲醇稀释成0.05μg/mL、0.1μg/mL、1μg/mL、5μg/mL和10μg/mL的溶液。然后将不同浓度的标准溶液分别加入到等体积的银纳米线水溶胶(按照实施例1方法制备)中，混匀后移取5μL至载玻片，40℃下烘干后，采用633nm、5mW激光束进行测试，采集400～2000cm^-1波数段的拉曼数据，进行两次独立测试后，取平均值，得到图9。

实施例9

将结晶紫用乙腈溶解后配制成100mg/mL的标准溶液，然后用乙腈稀释成0.1ng/mL的溶液。然后将0.1ng/mL浓度的结晶紫标准溶液加入到等体积的银纳米线水溶胶中，混匀后移取5μL至载玻片，40℃下烘干后，采用633nm、5mW激光束进行测试，采集400～2000cm^-1波数段的拉曼数据。

重复实施例1的步骤，分别制备银纳米线，独立进行10次测试基板的制备与测试，测试方法同上。每次制备的测试板各取10个测试点进行测试，取10条测试曲线的平均值作为该基板的测试曲线进行数据分析，测试结果表明在440cm^-1、1176cm^-1及1617cm^-1波数下峰强度的相对标准偏差(RSD)分别为14.1％、11.2％、9.8％，表明该基底具有较好的重现性。所得SERS图谱如图10所示。

利用所测的数据，进行增强因子的计算：

$EF=\left(\frac{I_{SERS}}{I_{norm}}\right)\left(\frac{N_{norm}}{N_{SERS}}\right)---\left(1\right)$

$AEF=\left(\frac{I_{SERS}}{I_{norm}}\right)\left(\frac{C_{norm}}{C_{SERS}}\right)---\left(2\right)$

(1)为增强因子(EF)的公式，(2)为分析增强因子(AEF)的公式，AEF适用于溶胶体系的SERS基底及分析化学。基于结晶紫的最强特征峰1617cm^-1，实施例3所制备的银纳米线基底对结晶紫的标准溶液的增强因子为4.7×10⁷，与通常情况下所测的增强因子10⁴～10⁶数值范围相比，实施例1所制备银纳米线在用于结晶紫的SERS检测增强效应明显。

需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项目技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。