本發(fā)明涉及功能材料制備和拉曼檢測領域，尤其涉及一種基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底及其制備方法。

背景技術：

表面增強拉曼散射(surfaceenhancedramanscattering，sers)是指吸附在粗糙金屬表面分子的固有拉曼信號被極大增強的現象，其增強因子可達14-16個數量級。sers因其檢測靈敏度高、指紋檢測特性、測定時間短、預處理簡便、不受水環(huán)境干擾等優(yōu)點，被廣泛應用于化學、生物、醫(yī)藥、食品、環(huán)境等領域中的分子監(jiān)測與分析。sers的增強機理主要是由于sers活性基底表面的金屬納米結構的等離子體振蕩而產生的局域電磁場與拉曼測試時的入射光和經檢測分子散射的散射光發(fā)生作用時而產生的增強。因此，基底的性能決定著sers測試的靈敏度和重現性。

近年來，為了得到更高的靈敏度和更低的檢測極限，科學家們把研究焦點放在了具有大量“熱點”(hotspots)的三維sers基底上。為了制造三維sers基底，通常需要使用電子束光刻、模板法沉積、電化學沉積等加工成本高、工藝難度大的技術，因此，找到一種簡單易行、成本較低且性能優(yōu)良的制備方法是非常必要的。

高分子刷是指高分子鏈一端固定在某個界面上而形成的一種聚合物組裝結構。通過高分子聚合物刷輔助制備金屬納米粒子復合材料因其合成方法多樣可控、界面穩(wěn)定性好、納米粒子尺寸和分布可調、可有效避免聚集等優(yōu)點，已被成功應用于生物傳感器領域。制備高分子刷/金屬納米粒子復合膜的方法主要分為原位(insitu)和非原位(exsitu)兩種方式。前者是將金屬離子靜電吸附于高分子刷表面，再通過聚合物中的基團或外加還原劑的作用在刷表面原位生成納米粒子。這種方法處理步驟少、簡單易行，但所生成的納米粒子粒徑一般較小，導致sers靈敏度差，且分布不均，不利于sers基底的實際應用。exsitu的方法是指將聚合物刷直接浸泡在已制備好的金屬納米粒子溶液中，通過靜電吸附等作用力將納米粒子固定在聚合物刷中。這種方法在sers基底構建中非常常見，但是，高分子刷的空間位阻效應會導致附著的納米粒子含量較少，且只能形成粒子分布于表面的二維結構，這極大的限制了sers基底的靈敏性。因此，迫切需要研發(fā)并提供一種增強效果好，穩(wěn)定性、重復性好的三維sers基底。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底及其制備方法。相比于傳統的將高分子刷單次浸泡入金屬納米粒子溶液中所制備的二維sers基底，本發(fā)明提出的通過多次重復浸泡過程所得到的三維sers基底具有更優(yōu)異的靈敏性、穩(wěn)定性和重現性。

本發(fā)明的技術原理：

poegma刷鏈中含有大量的乙二醇(ethyleneglycol，eg)基團，eg可以置換金屬納米粒子表面的檸檬酸根，通過多位點結合使金屬納米粒子牢固的固定在聚合物刷結構中。當poegma刷浸泡在金屬納米粒子溶液中一段時間后，n2吹干，負載納米粒子的鏈被束縛并限制在底層，當其再次浸入納米粒子溶液中時，沒有固定納米粒子的鏈仍有能力繼續(xù)負載納米粒子。多次重復這種浸泡-漂洗-吹干-再浸泡的過程，可增大納米粒子的負載量，通過大量金屬納米粒子產生的等離子體共振使電磁場增強，從而使拉曼增強效果得到顯著提高。

本發(fā)明的技術方案如下：

(1)金屬納米粒子的制備

所述金屬納米粒子選自金、銀等納米粒子中的一種。且納米粒子外層保護劑為檸檬酸根。

以銀納米粒子為例，可通過但不限于用以下方法制備：以agno3為銀源，nabh4為還原劑，檸檬酸鈉為保護劑，通過化學還原方法制備銀納米粒子溶液。

金屬納米粒子的尺寸約為5-100nm。

(2)高分子刷的制備

高分子刷為poegma高分子刷。

可采用但不限于采用單體甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(oegma)，通過atrp方法，在基底表面制備。

制備高分子刷的基底選自單晶硅、玻璃、金屬基底及聚合物基底等中的一種。

以單晶硅為例，首先需要進行基底的預處理，預處理步驟包括：首先對基底進行羥基化處理，然后用3-氨丙基三乙氧基硅烷進行硅烷化處理，最后在基底上接枝引發(fā)劑a-溴代異丁酰溴。

經預處理的基底置于反應器內，n2脫氣處理，另取一反應器，依次加入溶劑水和甲醇，配體2，2’-聯吡啶，催化劑cubr。在n2保護下，引發(fā)單體oegma的atrp聚合反應，使之在基底表面形成致密的刷狀聚合物。atrp反應時間為0.5-12h。

(3)制備基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底

將poegma高分子刷泡入上述制備好的金屬納米粒子溶液中20min-12h，經超純水多次漂洗后用n2吹干，再泡入金屬納米粒子溶液中，這種浸泡-漂洗-吹干-再浸泡的過程重復1-36次，通過層層堆疊原理，利用poegma中eg基團與金屬納米粒子表面的檸檬酸根的替換作用使納米粒子復合入高分子刷中，得到三維sers基底。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明提出的基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底的制備方法，具有成本低、操作方便、簡單易行等優(yōu)點；

(2)本發(fā)明提出的基于poegma刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底具有很強的拉曼增強特性，優(yōu)良的靈敏性和穩(wěn)定性，可長期保存。

(3)本發(fā)明所述三維sers基底對待測物不存在選擇性，可用于化學分析、生物分析、食品分析、環(huán)境分析、藥物分析等各個領域，應用廣泛。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例1制備基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底的過程示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1制備的基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底的掃描電子顯微鏡照片。

圖3為本發(fā)明實施例1制備的基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底對不同濃度綠膿素的拉曼檢測結果。

圖4為本發(fā)明實施例1制備的基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底對不同濃度大腸桿菌的拉曼檢測結果。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡述該發(fā)明的內容，但本發(fā)明的內容不僅僅局限于以下實施例，凡基于本發(fā)明內容所實現的技術均屬于本發(fā)明的范圍。

實施例1

一種基于高分子刷/金屬納米粒子復合膜的三維sers基底的制備方法，包括以下步驟：

(1)金屬納米粒子溶液的制備

以銀納米粒子為例，制備方法為：將1％硝酸銀溶液加入到1％檸檬酸鈉和水中，70℃保持10min后，快速加入0.1％的硼氫化鈉溶液，溶液立刻變?yōu)榱咙S色，保持1h后冷卻至室溫，所得溶液作為種子。之后，將1％檸檬酸鈉溶液加入80ml水中，加熱至沸騰15min后，再加入上述種子和1％硝酸銀溶液，保持沸騰1h后冷卻至室溫。再重復上述步驟一次，即可制備銀納米粒子溶液。所制備的銀納米粒子尺寸約為26nm。

(2)poegma刷的制備

以單晶硅做基底，預處理步驟為：首先用紫外-臭氧清洗機照射硅片30min，對硅片表面進行羥基化處理，然后用3-氨丙基三乙氧基硅烷進行硅烷化處理，最后在基底上接枝引發(fā)劑a-溴代異丁酰溴。

將接枝有引發(fā)劑的基底置于反應器內，n2脫氣處理，另取一反應器，依次加入溶劑水和甲醇，配體2，2’-聯吡啶，催化劑cubr，在n2保護下，引發(fā)單體oegma的atrp聚合反應，控制單體，催化劑，配體的比例為100∶1∶2，在基底表面形成致密的刷狀聚合物。當控制反應時間為7h時，可以得到厚度約為50nm的poegma高分子刷。反應結束后取出，用蒸餾水沖洗，n2吹干備用。

(3)poegma/金屬納米粒子復合膜的制備

將所制備的poegma刷泡入上述制備好的銀納米粒子溶液中20min，經超純水多次漂洗后用n2吹干，再泡入納米銀溶液中，這種浸泡-漂洗-吹干-再浸泡的過程重復14次，可以使poegma刷中負載有大量銀納米粒子，從而得到三維sers基底。

圖1為本實施例制備三維sers基底的過程示意圖。圖中a-e分別表示將poegma刷第一次浸泡入銀納米粒子溶液中；吹干后所得到的二維復合膜；再次浸泡入納米銀溶液中；吹干后得到多層膜；多次重復浸泡過程后，最終得到三維復合膜。

圖2為本實施例制備的三維sers基底的掃描電子顯微鏡照片。圖中可以看出，大量銀納米顆粒在高分子刷中分布均勻且致密，沒有明顯的聚集。另外，圖中明顯的褶皺和溝壑說明poegma高分子鏈確實包覆有多層納米粒子，該基底為三維結構。

圖3為在基底上滴加100μl不同濃度綠膿素，充分干燥后，以波長為532nm，光強為8mw的激光對基片表面進行拉曼檢測，激光照射時間為30s，檢測到綠膿素的表面增強拉曼信號圖。表明所述三維sers基底的信號一致性良好，檢測靈敏度高，對綠膿素的檢測極限可達到1x10^-12m?？蓱糜谛》肿由飿擞浳锏臋z測。

此外，本實施例制備的三維sers基底還可以用于細菌檢測。將三維sers基底浸泡于不同濃度的大腸桿菌pbs菌液中，在37℃、180rpm條件下處理6h后將片取出，經大量pbs漂洗后n2吹干。以波長為532nm，光強為8mw的激光對基片表面進行拉曼檢測，激光照射時間為50s，檢測到表面增強拉曼信號如圖4所示。表明所述三維sers基底的信號一致性良好，檢測靈敏度高，對大腸桿菌的最低檢測限可達到10cfu/ml。這樣的超靈敏性特性說明本發(fā)明所制備的三維sers基底完全可以應用于細菌檢測等生物檢測領域。