基于PVDF膜的SERS基底、基于该基底的拉曼检测系统及其应用

摘要

本发明公开了一种基于PVDF膜的SERS基底、基于该基底的拉曼检测系统及其应用，该SERS基底通过以下步骤制备得到：1)制备金纳米颗粒溶液；2)将PVDF膜使用无水乙醇浸泡活化；3)将步骤2)得到的PVDF膜浸入步骤1)得到的金纳米颗粒溶液中，使金纳米颗粒沉积在PVDF膜上，从而得到所述SERS基底。本发明的SERS基底通过对PVDF膜采用乙醇活化处理，使得金纳米颗粒能致密且均匀地覆盖在PVDF膜表面，且SERS基底的制备方法简单，工艺可控，制备成本低，能实现大面积、大规模、高效率生产。本发明中的便携式拉曼检测系统兼具气体和液体样品的快速、实时检测功能，能实现气体污染物和水体pH的灵敏检测。

说明书

技术领域

本发明涉及表面增强拉曼技术领域，特别涉及一种基于PVDF膜的SERS基底、基于该基底的拉曼检测系统及其应用。

背景技术

环境污染是一个全球性的重大问题，严重威胁着生态系统的稳定和人类的健康，其中气体污染物和液体污染物对生态经济的可持续发展有不可忽视的破坏。传统的分析方法如高效液相色谱法(HPLC)和气相色谱-质谱联用法(GC-MS)对气体和液体污染物的检测具有高灵敏度，也是定量分析的“金标准”。然而，这些方法主要依靠大型的商业化昂贵的设备，对经验丰富的专业人员有一定的要求，且需要繁冗的预处理过程和复杂的分析方法，并不适用于各种环境如河流、大气中的现场检测，也无法表征被分析区域内的动态变化。因此，迫切需要开发一种经济、高效、便携的现场检测设备，实现污染物的快速响应与实时监测。

SERS(表面增强拉曼光谱)是一种极具有潜力的分析工具，因其超高灵敏度、特异性指纹图谱和样品需求量少的独特优势被广泛应用于化学分析、生物医学、食品安全和环境监测等领域。目前，基于SERS技术的水体有机污染物的分析技术多有报道。比如，Tang等人将银纳米颗粒和银微球组装到氧化锌纳米棒上检测到低至10

目前，已经有研究者开发出基SERS的流体污染物的现场检测技术。例如，Pfannkuche等人提出一种实现严重污染的海水中的多环芳烃的原位非定量检测SERS传感技术，然而其检测限较高(150ng/L)，无法分析海水中低浓度的多环芳烃(Mar.Pollut.Bull.2012,64(3),614-626)。Xia等人采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)包覆1-丙硫醇修饰的Au@Ag纳米颗粒单层膜作为SERS基底，实现了芳香烃蒸汽的在线检测，但PDMS层会导致激光和SERS信号的传播损耗(RSC Adv.2016,6(58),53289-53295)。除此之外，传统的SERS基底是以刚性平面基板(例如硅，铜，石英或玻璃)为衬底进行加工，其通用性较差，无法准确分析在微通道、曲面上的样品，且对气体的检测有很大的局限性。低成本的柔性基材(如滤纸，棉织物和胶带)因其价格低廉，覆盖效果好适用于复杂的样品表面而受到广泛关注。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)膜具有高渗透性和可调孔径，其固有的粗糙度有利于产生“热点”，可作为制备SERS基底的替代材料。Gao等用注射过滤器将银纳米团簇固定到PVDF膜上，实现了水中福美铁的快速、高灵敏度检测，然而镀银纳米结构PVDF膜稳定性差，不利于环境水中的连续在线监测(ACS Appl.Mater.Inter.2013,5(15),7308-7314)。除透水性外，PVDF膜还具有优异的透气性、便携性和与微流体设备的兼容性，可用于空气中环境污染物的快速检测。

所以PVDF膜有望作为制备高活性的SERS基底，并用于气体或液体的检测，但现在缺少可靠的方案。

有鉴于此，我们基于PVDF膜制备了高SERS活性的柔性基底，并将其封装在便携式拉曼检测系统，实现气体污染物和水体pH的快速、实时、灵敏检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于PVDF膜的SERS基底、基于该基底的拉曼检测系统及其应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种基于PVDF膜的SERS基底，该SERS基底通过以下步骤制备得到：

1)制备金纳米颗粒溶液；

2)将PVDF膜使用无水乙醇浸泡活化；

3)将步骤2)得到的PVDF膜浸入步骤1)得到的金纳米颗粒溶液中，使金纳米颗粒沉积在PVDF膜上，从而得到所述SERS基底。

优选的是，所述步骤2)具体为：将PVDF膜浸入无水乙醇中10-20min；

所述步骤3)具体为：将步骤2)得到的PVDF膜浸泡在所述步骤1)得到的金纳米颗粒溶液中6-12h，然后取出沉积有金纳米颗粒的PVDF膜，清洗后置于去离子水中封闭保存。

优选的是，所述步骤1)具体包括：

1-1)配置氯金酸溶液和柠檬酸钠溶液，在沸水中依次加入氯金酸溶液和柠檬酸钠溶液，搅拌下持续沸腾，反应后冷却至室温，得到金颗粒种子液一；

1-2)在水中加入氯金酸溶液得到前驱液A；在水中加入柠檬酸钠溶液和抗坏血酸溶液，得到前驱液B；

1-3)在水中加入步骤1-1)得到的金颗粒种子液一，室温搅拌中同时逐滴加入步骤二配制的前驱液A和前驱液B，加样结束后混合物沸腾反应，反应结束后冷却至室温得到金颗粒种子液二；

1-4)在水中加入步骤1-3)得到的金颗粒种子液二，室温搅拌中同时逐滴加入步骤二配制的前驱液A和前驱液B，加样结束后混合物沸腾反应，反应结束后冷却至室温得到金纳米颗粒溶液。

本发明还提供一种便携式拉曼检测系统，其包括如上所述的SERS基底以及计算机、光谱仪、激光器、微流控器件、微型真空泵、供电装置。

优选的是，所述微流控器件具有基底腔，所述SERS基底配合设置在所述基底腔内；

所述供电装置为所述微型真空泵供电，所述微型真空泵将基底腔内的待检测液体或气体样品迅速地从SERS基底一侧抽到另一侧，所述激光器发出的激光照射至所述SERS基底上的待测样品上，所述光谱仪采集所述SERS基底上的待测样品发出的拉曼散射光信号，并传输至所述计算机中得到待测样品的拉曼光谱。

优选的是，所述基底腔具有至少一个入口和一个出口。

本发明还提供一种如上所述的便携式拉曼检测系统用于溶液pH的检测的应用，该便携式拉曼检测系统对溶液pH进行检测的方法包括以下步骤：

S1、将所述SERS基底在含4-MBA的乙醇溶液中浸泡，之后用乙醇和去离子水清洗，得到修饰有4-MBA的SERS基底：PVDF-AuNPs-MBA基底；

S2、将PVDF-AuNPs-MBA基底置于所述微流控器件的基底腔中，通过所述微型真空泵将基底腔内的待检测液体或气体样品迅速地从PVDF-AuNPs-MBA基底一侧抽到另一侧；

S3、所述激光器发出的激光照射至所述PVDF-AuNPs-MBA基底上，所述光谱仪采集所述PVDF-AuNPs-MBA基底上的待测溶液发出的拉曼散射光信号，并传输至所述计算机，得到待测溶液的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算得到待测溶液的pH值。

本发明还提供一种如上所述的便携式拉曼检测系统用于气体检测的应用，该便携式拉曼检测系统对气体进行检测的方法包括以下步骤：

S1、将所述SERS基底置于所述微流控器件的基底腔中，通过所述微型真空泵将基底腔内的待检测液体或气体样品迅速地从SERS基底一侧抽到另一侧；

S2、所述激光器发出的激光照射至所述SERS基底上，所述光谱仪采集所述SERS基底上的待测气体发出的拉曼散射光信号，并传输至所述计算机，得到待测气体的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算分析得到待测气体的成分和浓度。

本发明还提供一种如上所述的便携式拉曼检测系统用于香烟烟雾检测的应用，该便携式拉曼检测系统对香烟烟雾进行检测的方法包括以下步骤：

S1、使用注射器收集香烟烟雾，然后在所述注射器的头部安装过滤器；

S2、将所述SERS基底置于所述微流控器件的基底腔中，通过所述微型真空泵将所述注射器中的香烟烟雾从SERS基底一侧抽到另一侧；

S3、所述激光器发出的激光照射至所述SERS基底上，所述光谱仪采集所述SERS基底上的香烟烟雾发出的拉曼散射光信号，并传输至所述计算机，得到香烟烟雾的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算分析得到香烟烟雾的组分和各组分的浓度。

本发明还提供一种如上所述的便携式拉曼检测系统用于香烟烟雾检测的另一种应用，该便携式拉曼检测系统对香烟烟雾进行检测的方法包括以下步骤：

S1、使用注射器收集香烟烟雾；

S2、将所述SERS基底置于所述微流控器件的基底腔中，通过所述微型真空泵将所述注射器中的香烟烟雾从SERS基底一侧抽到另一侧；

S3、所述激光器发出的激光照射至所述SERS基底上，所述光谱仪采集所述SERS基底上的香烟烟雾发出的拉曼散射光信号，并传输至所述计算机，得到香烟烟雾的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算分析得到香烟烟雾的组分和各组分的浓度。

本发明的有益效果是：

本发明的SERS基底通过对PVDF膜采用乙醇活化处理，使得金纳米颗粒能致密且均匀地覆盖在PVDF膜表面，且SERS基底的制备方法简单，成本低，工艺可控，制备成本低，能实现大面积、大规模、高效率生产。

本发明中的便携式拉曼检测系统不同于现有的商业化的检测设备，其造价低廉，操作简单，受众更广，具有良好的产品开发潜力。

本发明中的便携式拉曼检测系统兼具气体和液体样品的检测功能，能实现气体污染物和水体PH的快速、实时、灵敏检测，可适用于实际工作生活中的各种应用场景如河流、烧烤店等的即时检测，本发明的便携式拉曼检测系统在现场的即时检测与定点的连续监测方面有很好的应用前景。

附图说明

图1：本发明的便携式拉曼检测系统的结构示意图；

图2：实施例1中两种亲水处理方式的结果对比；

图3：PVDF-AuNPs的扫描电子显微镜图片；

图4：SERS基底性能表征结果；

图5：实施例7中的检测结果；

图6：实施例8中的检测结果；

图7：实施例9和实施例10中的检测结果；

图8：实施例6中的SERS基底在微流控器件上配合设置的结构示意图。

附图标记说明：

1—计算机；2—光谱仪；3—激光器；4—微流控器件；5—SERS基底；6—微型真空泵；7—供电装置；8—采集光纤；9—激发光纤；10—光学检测头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

本实施例提供一种基于PVDF膜的SERS基底，该SERS基底通过以下步骤制备得到：

一、制备金纳米颗粒溶液

1、配置浓度为1％(w/v)的氯金酸溶液和浓度为4％(w/v)的柠檬酸钠溶液，在沸水中依次加入氯金酸溶液和柠檬酸钠溶液，在100～200mL的沸水中加入2～8mL氯金酸溶液，随后加入2～4mL柠檬酸钠溶液，搅拌下持续沸腾30min后，冷却至室温，得到金颗粒种子液一：12nm的金颗粒种子液；

2、配制前驱液：在10mL水中加入0.21～0.4mL的1％(w/v)的氯金酸，得到前驱液A；在10mL水中加入0.13～0.25mL的1％(w/v)的柠檬酸钠溶液和0.26～0.5mL的1％(w/v)抗坏血酸溶液，得到前驱液B；

3、在28.5mL的水中加入1.5～2mL的步骤1-1)得到的12nm的金颗粒种子液，室温搅拌中同时逐滴加入步骤二配制的前驱液A和前驱液B，加样结束后混合物沸腾反应0.5～1h，反应结束后冷却至室温得到金颗粒种子液二：20nm的金颗粒种子液；

4、在28.5mL的水中加入7～9mL的步骤1-3)得到的20nm的金颗粒种子液，室温搅拌中同时逐滴加入步骤二配制的前驱液A和前驱液B，加样结束后混合物沸腾反应0.5～1h，反应结束后冷却至室温得到浓度大致为2～3×10

二、制备SERS基底

1、通过离心法将步骤一制备的金纳米颗粒溶液浓缩6～10倍，4℃保存，以备后用。

2、将大小为1～9cm

3、待PVDF膜彻底润湿后浸入步骤1所得的金纳米颗粒溶液中6～12h，使得金纳米颗粒(AuNPs)沉积在PVDF膜上；

4、将沉积AuNPs的PVDF膜小心地从金纳米颗粒溶液中取出，彻底清洗后置于去离子水中封闭保存，得到SERS基底：PVDF-AuNPs基底。

由于-CF

本实施例中还提供采用硅烷化亲水处理的SERS基底作为对比以进行进一步说明。

采用硅烷化处理的SERS基底的制备方法为：

1、通过离心法将实施例一中的步骤一制备的金纳米溶液浓缩6～10倍，4℃保存，以备后用；

2、将大小为1～9cm

3、硅烷化的PVDF膜浸入步骤1所得的金纳米溶液中6～12h；

4、将沉积AuNPs的PVDF膜小心地从金纳米溶液中取出，彻底清洗后置于去离子水中封闭保存。得到硅烷化处理的SERS基底。对其进行扫描电子显微镜观察，结果如图2d、2e所示，可以看出PVDF膜表面只有很少的金纳米颗粒附着。从而可以说明乙醇处理的PVDF膜比硅烷化处理的PVDF膜具有显著的优势。因此，本发明的SERS基底是以乙醇处理的PVDF膜为衬底制备所得。

图2a为乙醇处理和硅烷化处理的PVDF膜吸附金纳米后的照片，其中APTES-treated表示硅烷化处理的结果，另一个表示乙醇处理的结果。图2b和2c为乙醇处理的PVDF膜吸附金纳米后的扫描电子显微镜图片。图2d、2e为硅烷化处理的PVDF膜吸附金纳米后的扫描电子显微镜图片。图3为PVDF/AuNPs的扫描电子显微镜图片。

实施例2

对实施例1制得的SERS基底，检测其对不同浓度的4-MBA的SERS敏感性，具体步骤为：取一片制备好的SERS基底，将其剪切成相同大小，并分别浸泡在10

实施例3

对实施例1制得的SERS基底的进行重复性检测，具体步骤为：取10个大小相同的SERS基底，将其浸泡在10

实施例4

对实施例1制得的SERS基底的进行均一性检测，具体步骤为：取一片制备好的SERS基底，将其浸泡在10

实施例5

对实施例1制得的SERS基底的进行稳定性检测，具体步骤为：取一片制备好的SERS基底，保存在去离子水中，采集其在30天内的SERS信号变化。以10

图4中为SERS基底性能表征结果，其中，(a,b)为不同浓度的4-MBA溶液在SERS基底上所得到的SERS光谱，图4a中曲线由上至下依次为10

实施例6

参照图1，本实施例提供一种便携式拉曼检测系统，其包括实施例1的SERS基底5以及计算机1、光谱仪2、激光器3、微流控器件4、微型真空泵6、供电装置7。

其中，微流控器件4具有基底腔(图中未示出)，SERS基底5配合设置在基底腔内；供电装置7为微型真空泵6供电，微型真空泵6将基底腔内的待检测液/气样品迅速地从PVDF-AuNPs基底5一侧抽到另一侧，参照图8；激光器3发出的激光照射至SERS基底5上的待测样品上，光谱仪2采集SERS基底5上的待测样品发出的拉曼散射光信号，并传输至计算机1中得到待测样品的拉曼光谱。在一种实施例中，还包括光学检测头10，光学检测头用于将激光照射到SERS基底5上以及采集拉曼散射光。激光器3通过激发光纤9与光学检测头10连接，光谱仪2通过采集光纤8与光学检测头10连接。

SERS基底5具有透气性能，本实施例的便携式拉曼检测系统即可用于气体检测也可用于液体检测，对于液体检测，基底腔具有至少一个入口和一个出口。

实施例7

本实施例提供一种便携式拉曼检测系统用于溶液pH的检测的应用，本实施例中采用实施例6的便携式拉曼检测系统对溶液pH进行检测，其方法包括以下步骤：

S1、将SERS基底在含4-MBA的乙醇溶液中浸泡，之后用乙醇和去离子水清洗，得到修饰有4-MBA的SERS基底：PVDF-AuNPs-MBA基底；4-MBA分子通过巯基与基底上的金纳米稳定结合，其羧基对不同的pH值溶液极为敏感，因此可以作为水体pH的响应分子；

S2、将PVDF-AuNPs-MBA基底置于微流控器件的基底腔中，通过微型真空泵将基底腔内的待检测液/气样品迅速地从SERS基底一侧抽到另一侧；

S3、激光器发出的激光照射至PVDF-AuNPs-MBA基底上，光谱仪采集PVDF-AuNPs-MBA基底上的待测溶液发出的拉曼散射光信号，并传输至计算机，得到待测溶液的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算得到待测溶液的pH值。具体计算时预先获取不同pH值的标液的拉曼光谱，从而可得到pH值与拉曼光强的标准曲线，利用该标准曲线即可通过拉曼光强得到对应的pH值。

本实施例中，通过不断注入待测溶液，可实现溶液pH的连续检测；对于不同的待测溶液，可通过微型泵间隔一定时间注入来实现连续检测。

本实施例中，还进一步提供对不同pH缓冲液进行pH值检测的实施例，具体步骤为：

1、将制备好的SERS基底在3～5mM的4-MBA乙醇中浸泡1～2h，结束后分别用乙醇和去离子水彻底清洗，得到4-MBA修饰基底PVDF-AuNPs-MBA；

2、制备具有不同pH的PBS缓冲液，pH范围涵盖酸性到碱性的区间；

3、将步骤一所得PVDF-AuNPs-MBA基底放置到微流控器件的基底腔中，将缓冲液从微流控的入口注入腔中，每种缓冲液的注入相隔10秒钟，并在微型真空泵的驱动下快速渗透基底；

4、使用便携式拉曼检测系统对步骤3中的缓冲液的动态变化进行SERS测试，所使用的激发功率为10～20mW，积分时间为100～200ms。

以pH 4～pH 12缓冲液为例，采集功率为10mW、积分时间为100ms时，结果如图5所示，从5a、5b可以看出示，COO峰的SERS强度随pH值的升高而升高，而C＝O峰的SERS强度则呈相反的趋势，且两个峰的强度比与pH值有良好的线性关系。除此之外，图5c表明的便携式拉曼系统在pH 4和pH10缓冲液的连续交替变化时具有良好的pH传感再现性，也可以快速响应水环境的pH动态变化。图5中：(a)检测系统对pH 4.0～pH 12.0的缓冲溶液采集到的SERS光谱；(b)根据COO和C＝O强度比值所得的pH标准曲线；(c)pH4.0和pH 10.0交叉注入基底腔时所得的COO和C＝O强度和强度比值的动态变化。

实施例8

本实施例提供一种便携式拉曼检测系统用于气体检测的应用，本实施例以4-MBA模拟待测气体分子(4-MBA含有苯环，并且在乙醇溶液中易挥发产生低浓度的气体分子)，该便携式拉曼检测系统对4-MBA气体分子进行检测的方法包括以下步骤：

1、取3～5mL的3～6mM的4-MBA乙醇溶液装在20mL棕色瓶中，使其随着乙醇挥发产生低浓度的4-MBA气体分子；

2、将微流控器件倒置在棕色瓶口，打开微型真空泵，在其驱动下，气体分子进入基底腔与基底相互作用一定时间；

激光器发出的激光照射至SERS基底上，光谱仪采集SERS基底上的待测气体发出的拉曼散射光信号，并传输至计算机，得到待测气体的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算分析得到待测气体的成分和浓度。激发功率为10～20mW，积分时间为100～200ms，检测不同作用时长下的拉曼光谱。

以5mL的5mM的4-MBA乙醇溶液为例，采集功率为10mW、积分时间为100ms时，结果如图6所示，对于低浓度气体分子的SERS检测，的便携式拉曼系统可以在30s内做出响应，且随泵吸时间的延长，气体分子的信号逐渐增强。图6中：(a)检测系统对低浓度4-MBA的检测信号与抽气时间的关系；(c)1075cm

实施例9

本实施例提供一种便携式拉曼检测系统基于过滤法用于香烟烟雾检测的应用，该便携式拉曼检测系统对香烟烟雾进行检测的方法包括以下步骤：

S1、使用20～50mL的注射器收集香烟烟雾(主流烟气或侧流烟气)，然后在注射器的头部安装0.22μm的注射型过滤器；

S2、将SERS基底置于微流控器件的基底腔中，通过微型真空泵将注射器中的香烟烟雾从SERS基底的一侧抽到另一侧，使烟气和SERS基底充分反应；

S3、激光器发出的激光照射至SERS基底上，光谱仪采集SERS基底上的香烟烟雾发出的拉曼散射光信号，并传输至计算机，得到香烟烟雾的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算分析得到香烟烟雾的组分和各组分的浓度。

所使用的激发功率为10～30mW，积分时间为1～2s。以50mL注射器收集烟气为例，激发功率为30mW、积分时间为2s时，结果如图7a所示，的便携式拉曼系统采用过滤法可以灵敏地区分出主流烟气(Filtering-MS)和侧流烟气(Filtering-SS)，其光谱信号的巨大差异表明两种烟气的成分不同，相比主流烟气，侧流烟气含有更多的水分和碱性物质。图7a、7b中Blank为空白对照组。

实施例10

本实施例提供一种便携式拉曼检测系统基于非过滤法用于香烟烟雾检测的应用，该便携式拉曼检测系统对香烟烟雾进行检测的方法包括以下步骤：

S1、使用20～50mL的注射器收集香烟烟雾(主流烟气或侧流烟气)；

S2、将SERS基底置于微流控器件的基底腔中，通过微型真空泵将注射器中的香烟烟雾从SERS基底的一侧抽到另一侧，使烟气和SERS基底充分反应；

S3、激光器发出的激光照射至SERS基底上，光谱仪采集SERS基底上的香烟烟雾发出的拉曼散射光信号，并传输至计算机，得到香烟烟雾的拉曼光谱，根据该拉曼光谱计算分析得到香烟烟雾的组分和各组分的浓度。

所使用的激发功率为10～30mW，积分时间为1～2s。以50mL注射器收集烟气为例，激发功率为30mW、积分时间为2s时，结果如图7b所示，的便携式拉曼系统采用非过滤法同样可以对主流烟气(Non-Filtering-MS)和侧流烟气(Non-Filtering-SS)进行区分，且相比过滤法，基于非过滤法采集到的拉曼信号披露了更多的光谱信息，对主流烟气和侧流烟气的成分分析提供更多的依据。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。