一种基于石墨烯的表面增强拉曼散射探针的制备方法转让专利
申请号 : CN201210017317.7
文献号 : CN102590173B
文献日 : 2014-06-11
发明人 : 王著元 , 陈辉 , 崔一平 , 宗慎飞
申请人 : 东南大学
摘要 :
本发明的SERS探针采用石墨烯-金属纳米粒子复合结构作为表面增强拉曼的基底，与传统的以金属纳米粒子溶胶为增强基底的SERS探针相比，SERS信号明显增强，且石墨烯表面的金属纳米粒子均一可控。其主要原因是由于金纳米粒子是以分散的状态存在于硅片表面的,粒子与粒子之间不能够产生足够多的“热点”,而金纳米粒子聚集在氧化石墨烯表面,导致了电磁场增强效应,从而出现了更强的SERS效应。
权利要求 :
1.一种基于石墨烯的表面增强拉曼散射探针的制备方法，其特征在于该探针采用石墨烯与金属纳米粒子的复合结构作为基底，金属纳米粒子沉积在石墨烯表面，所述石墨烯的表面采用带正电的聚电解质进行修饰，所述金属纳米粒子为金、银纳米颗粒或金纳米棒，拉曼标记物吸附在金属纳米粒子上；
该制备方法包括以下步骤：
步骤1）.制备金纳米颗粒、银纳米颗粒或金纳米棒；
步骤2）.制备水溶性的石墨烯；
步骤3）.步骤2）得到的石墨烯采用带正电的聚电解质进行修饰，得到的石墨烯表面带正电；
步骤4）.在步骤3）得到的石墨烯表面组装金属纳米粒子，得到石墨烯-金属纳米粒子的复合结构；
步骤5）.在步骤4）得到的复合结构表面接上拉曼标记物，即制备得到SERS探针；
所述步骤2）中制备的石墨烯，是采用氧化还原的方法。
说明书 :
一种基于石墨烯的表面增强拉曼散射探针的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及纳米材料学和生物分析化学领域，具体涉及基于石墨烯的表面增强拉曼基底及其制备方法，该基底具有优异的表面增强拉曼特性。该制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好。
背景技术
[0002] 作为近几年兴起的一种光学探测技术，表面增强拉曼散射（SERS）技术由于结合了传统拉曼散射和等离子激元波增强的优势，在其诞生后的短短几年内就得到了飞速发展。SERS突破了传统拉曼散射存在的散射截面低而带来的瓶颈，避免了荧光光谱成像中存在的光漂白以及荧光标记的毒性等问题，是当前国际上备受瞩目的研究焦点，已成功地应用于材料分析、生物分子探测、蛋白质相互作用研究等领域。SERS技术由于具有可以避免荧光标记中的光漂白，降低对细胞的毒性，提供丰富的光谱信息等优势，成为人们研究的热点。尽管关于SERS探针的结构和制备方法已有大量报道，但能适用于生物活体的探针并不多，并且制备方法较为繁琐，灵敏度、稳定性和生物兼容性尚有待进一步提高。
[0003] 2004年, 英国曼彻斯特大学的安德烈.海姆等人成功制备并观察到了由一层密2
集的、处于蜂窝状晶体点阵上的碳原子以sp 杂化连接形成的单原子层二维原子晶体石墨烯( Graphene)，它是世界上最薄的新型二维纳米材料, 其厚度仅为0. 35 nm。石墨烯优异的电学、力学和热学性质使其成为近年来纳米领域研究的热点,而基于石墨烯的金属纳米粒子-石墨烯的复合结构作为表面增强拉曼的基底，具有高SERS活性及均一性，目前我们正在发展一种基于纳米粒子-石墨烯复合体系的生物相容性SERS基底,用于细胞内生物分子的检测。
集的、处于蜂窝状晶体点阵上的碳原子以sp 杂化连接形成的单原子层二维原子晶体石墨烯( Graphene)，它是世界上最薄的新型二维纳米材料, 其厚度仅为0. 35 nm。石墨烯优异的电学、力学和热学性质使其成为近年来纳米领域研究的热点,而基于石墨烯的金属纳米粒子-石墨烯的复合结构作为表面增强拉曼的基底，具有高SERS活性及均一性，目前我们正在发展一种基于纳米粒子-石墨烯复合体系的生物相容性SERS基底,用于细胞内生物分子的检测。
发明内容
[0004] 技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的第一目的为：提供一种基于石墨烯的新型SERS探针，该探针具有高SERS活性及均一性；本发明的第二目的为：提供一种该新型SERS探针的制备方法，该制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好。
[0005] 技术方案：本发明的SERS探针采用石墨烯-金属纳米粒子复合结构作为表面增强拉曼的基底，与传统的以金属纳米粒子溶胶为增强基底的SERS探针相比，SERS信号明显增强，且石墨烯表面的金属纳米粒子均一可控。实现方法简述如：首先制备得到氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯采用聚电解质进行功能化修饰后再还原成石墨烯，利用静电吸附的作用将金属纳米粒子沉积在石墨烯的表面。
[0006] 本发明的新型SERS探针的制备方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1）. 制备各种不同结构的金属纳米粒子；
[0008] 步骤2）. 制备水溶性的石墨烯溶液；
[0009] 步骤3）. 在步骤2）得到的石墨烯再采用阳离子的聚电解质进行修饰，使得石墨烯表面带正电；
[0010] 步骤4）. 在步骤3）得到的阳离子电解质/石墨烯表面组装金属纳米粒子，得到石墨烯-金属纳米粒子的符合结构；
[0011] 步骤5）. 在步骤4）得到的复合结构表面接上SERS标记物，即制备得到SERS探针。
[0012] 所述步骤1）中的金属纳米粒子为金纳米粒子颗粒，银纳米颗粒，金纳米棒。
[0013] 所述步骤2）中制备的氧化石墨烯水溶液，是采用氧化还原的方法。
[0014] 所述步骤5）的SERS标记物为易于通过化学键插入或静电作用吸附到金属表面的拉曼标记物，该SERS标记物具有较大拉曼散射截面。
[0015] 有益效果：与现有技术相比，本发明的基于石墨烯的新型探针及其制备方法具有如下优点：
[0016] 1、本发明利用石墨烯-金属纳米粒子的复合结构作为SERS基底，与传统的以金属纳米粒子溶胶为增强基底的SERS探针相比，SERS信号明显增强，且石墨烯表面的金属纳米粒子均一可控；
[0017] 2、本发明的制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好，复合结构纳米粒子和SERS标记物也只需要极少量就可以完成探针的制备。
附图说明
[0018] 图1是基于石墨烯的SERS探针的结构示意图；
[0019] 图2是以DTNB分子为SERS标记物，以石墨烯-金纳米颗粒复合物为基底的探针的SERS光谱，激发波长为633 nm；
[0020] 图3是以DTNB分子为SERS标记物，以石墨烯-银纳米颗粒复合物为基底的探针的SERS光谱，激发波长为633 nm；
[0021] 图4是以DTNB分子为SERS标记物，以石墨烯-金纳米棒复合物为基底的探针的SERS光谱，激发波长为633 nm。
具体实施方式
[0022] 本发明的SERS探针采用石墨烯-金属纳米粒子复合结构作为表面增强拉曼的基底，实现方法简述如：采用改良的Hummer方法制备得到氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯采用聚电解质进行功能化修饰后再还原成石墨烯，利用静电吸附的作用将金属纳米粒子沉积在石墨烯的表面，然后将SERS标记物吸附在金属纳米上，形成SERS探针。
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
[0024] 实施例1分别以石墨烯-金纳米颗粒，石墨烯-银纳米颗粒，实例2以石墨烯-金纳米棒的复合结构作为SERS基底，以5,5二硫代双（2-硝基苯甲酸）（DTNB）作为SERS标记物为例进行说明。
[0025] 实施例1
[0026] 制备以石墨烯-金属纳米粒子复合结构作为SERS基底，5,5二硫代双（2-硝基苯甲酸）（DTNB）为SERS标记物的探针，金属纳米粒子分别选择金纳米颗粒，金核银壳纳米颗粒，该方法包括如下步骤：
[0027] 1）制备金纳米粒子：在50 ml的去离子水中加入0.5ml 1%的四氯金酸，在不断地搅拌下加热至沸腾后，加入0.5ml 1%的柠檬酸钠，继续搅拌加热，保持沸腾15min后，停止加热，继续搅拌，冷却至室温，备用。所得金纳米颗粒的直径约为48 nm。
[0028] 制备银纳米粒子：在90 ml的去离子水中加入90mg硝酸银粉末，不断搅拌下加热至沸腾后，加入10ml 1%的柠檬酸钠，继续搅拌加热，保持沸腾约1h后，停止加热，继续搅拌，冷却至室温，备用。所得银纳米颗粒的直接约为45nm。
[0029] 2）制备水溶性的石墨烯。
[0030] 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包裹的石墨烯的制备：首先制备得到氧化石墨烯，将1 g石墨、23 ml 98%浓硫酸置于100 ml烧杯中混合均匀，搅拌12h，将温度控制低于20℃后，加入4g KMnO4，继续搅拌1h，移至40℃水浴中，继续搅拌30min，控制温度在90-100 °C，向烧杯中加入去离子水，将反应液稀释至80-100 ml，搅拌30min后加入10ml 30%双氧水，溶液变成亮黄色，趁热过滤, 用5% HCl 和蒸馏水充分洗涤至接近中性，真空烘干，得到氧化石墨（graphite oxide）。将上述制备得到的氧化石墨加入适量去离子水中，进行超声热剥离1h，得到0.25mg/ml的氧化石墨烯（graphene oxide）的均匀分散溶液。
[0031] 100 ml 氧化石墨烯(0.25mg/ml)溶液中加入400 mg PVP，搅拌12 h，然后加入35µL水合肼(50%) 和 400µL氨水（25%）。充分搅拌几分钟后，控制温度为90℃继续反应
1h。 得到的黑色溶液离心清洗两次后分散到25ml去离子水中，得到均匀的PVP/石墨烯（reduced grapheme oxide）的分散溶液 (1 mg/ml)。
1h。 得到的黑色溶液离心清洗两次后分散到25ml去离子水中，得到均匀的PVP/石墨烯（reduced grapheme oxide）的分散溶液 (1 mg/ml)。
[0032] 3）制备采用阳离子的聚电解质进行修饰的石墨烯：1mlNaCl溶液中（含有10mgPAH）加入3ml PVP /RGO溶液，搅拌3小时，离心清洗两次，分散于6ml 去离子水中，即得到PAH /RGO。
[0033] 4）石墨烯-金属纳米粒子复合物的制备：160µL PAH/RGO溶液加入10-12ml 金胶中，或是10-15ml银胶中，过夜搅拌，离心后分散于1ml水中，即得到RGO@PAH@AuNPs和RGO@PAH@AgNPs。
[0034] 5）上述溶液中加入3µL 10mM DTNB，搅拌2h后，离心一次，分散于1ml水中，即得到基于石墨烯的一种新型SERS探针，RGO@PAH@AuNPs @DTNB，RGO@PAH@AgNPs@DTNB。
[0035] 作为对比，分别取10-12ml 金胶和10-15ml银胶，各加入3ul 10mM DTNB，搅拌2h后，离心一次分散于1ml水中，得到传统的SERS探针，AuNPs @DTNB 和AgNPs@DTNB。
[0036] 探测SERS光谱时，分别将AuNPs @DTNB SERS（探针1），RGO@PAH@AuNPs @DTNB（探针2）滴于硅片上，并固定在共焦拉曼光谱仪上，测得光谱。激光源为633 nm的氩离子激光器，样品上的照射功率为1.2 mW，积分时间为30 s。结果表明，探针2的SERS信号明显强于在探针1的SERS信号（图2 为RGO@PAH@AuNPs @DTNB的SERS光谱图）。分别探测AgNPs @DTNB和RGO@PAH@AgNPs@DTNB的SERS光谱时，得到相同的结果（图3为RGO@PAH@AgNPs@DTNB的SERS光谱图）。其主要原因是由于金纳米粒子是以分散的状态存在于硅片表面的，粒子与粒子之间不能够产生足够多的“热点”，而金纳米粒子聚集在氧化石墨烯表面，导致了电磁场增强效应，从而出现了更强的SERS效应。
[0037] 实施例2
[0038] 石墨烯-金纳米棒的复合结构作为SERS基底，以5,5二硫代双（2-硝基苯甲酸）（DTNB）作为SERS标记物的探针，该方法包括如下步骤：
[0039] 1）制备聚苯乙烯磺酸钠（PSS）修饰的金纳米棒溶液，并标记拉曼分子。首先制备金种子，室温下将2.5ml 0.2M十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶液与1.5ml 1.0mM四氯金酸溶液混合，剧烈搅拌并加入0.6ml 0.01M冰镇的硼氢化钠溶液，2分钟后停止搅拌即得棕黄色的种子溶液。然后配制生长溶液，室温下在50ml 0.2M CTAB溶液中依次加入如下试剂：2~4ml 4mM 硝酸银溶液，5ml 15mM 四氯金酸溶液，45ml去离子水，缓慢搅拌均匀。随后加入
1.5ml~3ml 0.08M抗坏血酸至溶液变为无色。最后加入1ml种子溶液，静置10~20min即得金纳米棒溶液。所得金纳米棒尺寸约15nm×45nm。
1.5ml~3ml 0.08M抗坏血酸至溶液变为无色。最后加入1ml种子溶液，静置10~20min即得金纳米棒溶液。所得金纳米棒尺寸约15nm×45nm。
[0040] 取上述溶液10ml 离心清洗两次以除去表面的CTAB，分散回8-10ml水中，然后加入3ul DTNB搅拌2h后，加入2ml 10mg/ml 聚苯乙烯磺酸钠（PSS），搅拌3h后，离心一次分散到10ml水中，得到Aurods@DTNB@PSS溶液。
[0041] 2）制备水溶性的石墨烯（见实例1步骤2）。
[0042] 3）制备采用阳离子的聚电解质进行修饰的石墨烯(见实例1步骤3)。
[0043] 4）石墨烯-金纳米棒复合物的制备：8-10ml Aurods@DTNB@PSS溶液中加入200 ul PAH/RGO溶液，过夜搅拌，离心一次后分散于1ml水中，即得到RGO@PAH@(Aurods@DTNB@PSS)探针。（由于SERS标记物在步骤1中已标记，故此实例中共有四个步骤）。
[0044] 探测SERS光谱时，分别将Aurods@DTNB@PSS（探针1）和RGO@PAH@(Aurods@DTNB@PSS)（探针2）滴于硅片上，并固定在共焦拉曼光谱仪上，测得光谱。激光源为633 nm的氩离子激光器，样品上的照射功率为1.2 mW，积分时间为30 s。结果表明，探针2的SERS信号明显强于在探针1的SERS信号（图4为RGO@PAH@(Aurods@DTNB@PSS)的SERS光谱图）。其主要原因是由于金纳米棒是以分散的状态存在于硅片表面的，棒与棒之间不能够产生足够多的“热点”，而金纳米棒聚集在氧化石墨烯表面，导致了电磁场增强效应，从而出现了更强的SERS效应，。
[0045] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。