專利名稱：一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于靈敏檢測分析技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種高重現(xiàn)性、超穩(wěn)定性的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙及其制備方法，以及其對農(nóng)藥殘留、爆炸物、興奮劑、環(huán)境污染物和非法添加劑等進(jìn)行現(xiàn)場檢測的應(yīng)用。
背景技術(shù):
表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)技術(shù)是一種重要的痕量分析檢測手段，可在極其復(fù)雜的體系中僅僅增強(qiáng)目標(biāo)分子或基團(tuán)而得到簡單明了的光譜信息，并可使增強(qiáng)因子達(dá)到IO14 -1O15,使單分子檢測成為可能。經(jīng)過幾十年的迅猛發(fā)展，圍繞化學(xué)方法和物理方法進(jìn)行SERS基底的制備方面進(jìn)行了各種探索，取得了許多可喜可賀的成績。但SERS技術(shù)還存在如SERS基底重現(xiàn)性差、穩(wěn)定性差的重要技術(shù)問題。目前的化學(xué)合成方法中，SERS基底的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性一般都比較差；物理方法方法中，可以實現(xiàn)SERS基底重現(xiàn)性和穩(wěn)定性的要求，但需要大型設(shè)備，且費時、費事。眾所周知，現(xiàn)場檢測是SERS技術(shù)最重要的應(yīng)用方向之一。而要實現(xiàn)對樣品的現(xiàn)場檢測，必須有與之相匹配的SERS基底。這樣的SERS基底必須滿足以下條件:一是簡單、易操作；二是重現(xiàn)性與穩(wěn)定性好；三是檢測靈敏度高；四是性價比高，經(jīng)受住市場的考驗。鑒于此，由于紙質(zhì)的SERS基底具備薄、輕、儲存能力大、制作工藝簡單、樣品采集容易、便于攜帶、低成本、可批量生產(chǎn)，容易吸附與富集待測分子等特點和優(yōu)勢，有望成為最佳選擇。目前，把貴金屬納米粒子沉積到紙質(zhì)材料上已見報道，這些研究都是在紙質(zhì)基底上進(jìn)行基礎(chǔ)研究。如中國專利申請CN102628809A公開了一種表面增強(qiáng)拉曼檢測試紙及其應(yīng)用，其通過物理氣相沉積或化學(xué)鍍技術(shù)在具有天然微納多級結(jié)構(gòu)的紙表面覆蓋貴金屬膜后得到。但該申請中在20-100微米尺度、400-1000nm的表面褶皺結(jié)構(gòu)的紙上覆蓋上5-90nm的貴金屬納米顆粒，在此基礎(chǔ)上采集得到的SERS信號差異性大、重現(xiàn)性差；即使對于信號強(qiáng)的羅丹明6G分子或氨基苯硫酚指示分子的信號也是時有時無。另外，在微米粗糙度的紙表面根本不可能完全覆蓋上IOOnm以下的貴金屬顆粒，勢必造成硫酸紙、報紙等紙質(zhì)材料本身的拉曼信號暴露出來，嚴(yán)重干擾甚至淹沒了待測分子的拉曼信號。最近，也有文獻(xiàn)報道在纖維素紙上打印貴金屬納米顆粒形成紙質(zhì)SERS基底(Anal.Chem.2010，82，9626 - 9630)，該文獻(xiàn)指出在紙上打印納米粒子之前，先用ASA對紙進(jìn)行疏水處理，從而來提高檢查靈敏度，但在微米粗糙度的紙張上打印納米顆粒，同樣不能解決其基底表面平整度的問題，從而使SERS信號的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性就得不到保證。應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的紙質(zhì)SERS基底，必須要從紙質(zhì)的表面平整化處理、單分散性最佳貴金屬納米顆粒的粒徑優(yōu)化、促使SERS信號的高重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，從而保證結(jié)果的可靠性。從而使紙質(zhì)SERS基底從實驗室走向田間地頭、超市、事發(fā)現(xiàn)場
發(fā)明內(nèi)容
針對目前由于紙質(zhì)SERS基底的表面呈微米結(jié)構(gòu)，其粗糙度大，貴金屬納米粒子只是通過簡單的物理方法沉積或打印上去，導(dǎo)致檢測信號不穩(wěn)定、信號重復(fù)性差；還會將紙質(zhì)本身的拉曼信號極大的增強(qiáng)，干擾待測分子的拉曼信號而不適合現(xiàn)場檢測等問題，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙，保證SERS檢測信號的重復(fù)性和穩(wěn)定性，提高了 SERS檢測效果。本發(fā)明的第二個目的是提供表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的制備方法。本發(fā)明的第三個目的是提供表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的用途。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙，在經(jīng)過無機(jī)氧化物納米粒子表面功能化處理后的紙張表面通過噴墨打印技術(shù)覆蓋上單分散性貴金屬納米顆粒層而形成表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙。上述方案的優(yōu)選方案是，所述無機(jī)氧化物納米粒子上指粒徑為100-150nm的二氧化硅(SiO2)或二氧化鈦(TiO2)。所述紙張為普通打印紙、濾紙或濾膜；所述表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的表面平整度為低于500nm的微納結(jié)構(gòu)。所述貴金屬納米顆粒是指粒徑為50_100nm的金、銀或金銀合金納米顆粒。所述貴金屬納米顆粒層厚為100-200nm,其在光斑范圍內(nèi)為低于IOOnm平整度的納米結(jié)構(gòu)。制備上述的一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的方法:包括如下步驟:
(1)將紙張放入無機(jī)氧化物納米粒子的溶膠中浸泡2-10分鐘后，按照傾斜角為15-25度緩慢取出烘干；或?qū)o機(jī)氧化物納米粒子的溶膠作為墨水打印到紙張上、烘干；
(2)將經(jīng)(I)處理后表面覆蓋有無機(jī)氧化物的紙張置于體積比為1:1000-200的3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)與乙醇的混合液或3-(三苯甲基巰基)丙酸與乙醇的混合液中，10-30分鐘后取出烘干得紙張基底；
(3)將貴金屬的前驅(qū)物水溶液加熱至沸騰，然后加入質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液反應(yīng)制得單分散性貴金屬納米顆粒；
(4)將(3)中貴金屬納米顆粒經(jīng)過5000轉(zhuǎn)/分鐘的離心，倒掉95%的上清液后，再按照每IOmL加入I 一 3mL的丙三醇來調(diào)節(jié)其粘度和表面張力，制得納米貴金屬墨水；
(5)將(4)中納米貴金屬墨水放在嗔墨打印機(jī)墨盒里，應(yīng)用壓電原理，驅(qū)使墨水打印到
(2)中的紙張基底上，得表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙。所述步驟(I)中無機(jī)氧化物納米粒子為粒徑為100_150nm的二氧化硅、二氧化鈦。所述步驟(3)中所述貴金屬為金、銀或金銀合金。所述步驟(4)中制得納米貴金屬墨水用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜來除去墨水中的大顆粒。本發(fā)明的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的用途主要有:
所述表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙應(yīng)用于生物或化學(xué)探針分子的現(xiàn)場檢測，所述探針分子為農(nóng)藥殘留、爆炸物、興奮劑類、環(huán)境污染物或添加劑分子。本發(fā)明的SERS打印試紙不僅適用于像羅丹明6G、對巰基苯胺等拉曼信號特別強(qiáng)的染料分子的檢測，還能適用于對農(nóng)藥殘留、興奮劑、爆炸物、有機(jī)污染物和添加劑等拉曼信號不太強(qiáng)的分子進(jìn)行檢測。拓展了 SERS打印試紙應(yīng)用對象和范圍，提高檢測的快速性與穩(wěn)定性。本發(fā)明先選用普通的打印紙、濾紙、相紙和濾膜等紙張進(jìn)行表面平整化處理，由于紙張的表面粗糙度很高，是微米尺度的纖維結(jié)構(gòu)，纖維表面還有幾百個納米的褶皺結(jié)構(gòu)，而這些微納結(jié)構(gòu)的表面含有極其豐富的羥基。而無機(jī)氧化物納米粒子如氧化硅或氧化鈦在水中可與水分子發(fā)生水合作用，并在紙張表面形成大量的氫鍵和物理吸附，即利用紙張表面的微納結(jié)構(gòu)和表面羥基與無機(jī)氧化物納米粒子產(chǎn)生氫鍵和物理吸附原理，使無機(jī)氧化物納米粒子固定在紙張的表面。再將表面覆蓋有無機(jī)氧化物的紙張置于體積比為1:1000-200的3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)與乙醇的混合液或3-(三苯甲基巰基)丙酸與乙醇的混合液中，10-30分鐘后取出烘干得紙張基底。同時，采用檸檬酸鈉還原的方法合成金、銀或金銀合金納米顆粒，即將含有金、銀或金銀合金這些貴金屬的水溶液加熱至沸騰，然后加入質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液反應(yīng)制得單分散性貴金屬納米顆粒。具體如下:
銀納米顆粒的合成就是將200 mL摩爾濃度為I mol / L的AgNO3水溶液加熱至沸騰，加入6 mL質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液，溶液顏色從先前的無色透明逐漸變成乳白色，并略帶綠色，繼續(xù)保持微沸3 h，停止反應(yīng)，水浴冷卻，即得到粒徑約為80 nm銀納米粒子，避光保存；
金納米顆粒的合成就是將200 mL質(zhì)量百分比為0.01%的HAuCl4水溶液加熱至沸騰，迅速加入1.4 mL質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液,約I min后溶液顏色從先前的淡黃色變成黑色，2 3min后又變成棕紅色，繼續(xù)保持微沸40min，停止反應(yīng)，水浴冷卻，即得到綜紅色粒徑約為55 nm的金納米粒子。金銀合金納米顆粒的合成就是利用在合成銀納米顆粒基礎(chǔ)上，添加適量的HAuCl4就可得到。本發(fā)明中貴金屬納米顆粒的制備還可根據(jù)需要，增加或減少檸檬酸鈉的量來得到控制合成納米顆粒大小的目的。再將制備的貴金屬納米顆粒經(jīng)過5000轉(zhuǎn)/分鐘的離心后，倒掉95%的上清液后，再按照每IOmL加入I 一 3mL的丙三醇來調(diào)節(jié)其粘度和表面張力，制得納米貴金屬墨水。再將納米貴金屬墨水放在嗔墨打印機(jī)中不同標(biāo)記的墨盒里，應(yīng)用壓電原理，驅(qū)使著墨水打印到處理后的紙張基底上，即得到表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙。由于紙張表面含有大量的功能化基團(tuán)如氨基或巰基，當(dāng)納米貴金屬墨水打印到紙張基底的表面時，就會發(fā)生配位作用。從而使納米貴金屬顆粒牢固的抓捕在固定的位置，避免了貴金屬納米顆粒在檢測是產(chǎn)生移動。在拉曼光譜儀下對上述表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙上進(jìn)行待測物質(zhì)檢測分析。本發(fā)明的科學(xué)原理分析:
一、紙張表面的平整化必要性的的SERS理論依據(jù):
SERS探究的是材料的表面性能，對于共聚焦拉曼光譜儀來說，由于光斑大小只有2個微米左右，材料表面的粗糙度最好在十幾個納米以下；對于便攜式拉曼光譜儀來說，雖說光斑大小在10個微米左右，表面粗糙度要求也要在幾十個納米以下。而一般情況下紙張表面粗糙度都很高，是微米尺度的纖維結(jié)構(gòu)。要想實現(xiàn)高重復(fù)性和高穩(wěn)定性檢測，必須對紙張表面進(jìn)行平整化處理。本發(fā)明采用Si02、TiO2等無機(jī)納米氧化物表面的羥基通過共價耦合與APTMS產(chǎn)生作用，從而在紙張表面修飾上大量的氨基。二、紙張表面潔凈化處理必要性的SERS檢測依據(jù):
SERS檢測的一個基本要求是對SERS基底本身不能帶來干擾。而原始紙張在加工的過程中添加了多種化學(xué)物質(zhì)，背景峰比較復(fù)雜。當(dāng)在紙張表面覆蓋上非拉曼活性的無機(jī)納米氧化物時，避免了紙張自身的拉曼信號對待測物的干擾。三、無機(jī)納米氧化物與紙質(zhì)表面作用的原理:
紙張表面含有的大量豐富的羥基與納米氧化物產(chǎn)生氫鍵作用，同時紙張表面的微納結(jié)構(gòu)和無機(jī)納米氧化物可以產(chǎn)生物理吸附，從而固定住無機(jī)氧化物納米顆粒。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
1、本發(fā)明提出一種利用紙張表面多羥基與非拉曼活性物質(zhì)無機(jī)納米氧化物顆粒發(fā)生弱的相互作用，并在無機(jī)納米氧化物上通過化學(xué)方法修飾上功能基團(tuán)，使這些基團(tuán)主動抓捕和固定貴金屬納米顆粒，同時納米氧化物起到平整化和覆蓋紙張本身信號的作用，從而保證SERS檢測的重復(fù)性和穩(wěn)定性。2、由于本發(fā)明首先對紙張的表面進(jìn)行平整化和潔凈化處理，使打印試紙具有了在硅片或玻璃片等載體上制備出的SERS基底的基本性能，避免因紙質(zhì)材料本身的拉曼信號而干擾待測分子的拉曼信號，提高其檢測的效果。3、對Si02、TiO2等無機(jī)氧化物納米顆粒對紙張表面進(jìn)行功能化處理，修飾上大量的氨基或巰基，氨基或巰基上的氮原子與貴金屬金或銀產(chǎn)生配位作用，形成配位鍵，從而抓捕和固定貴金屬納米顆粒，當(dāng)待測物溶液滴加到其基底上時，在激光的照射下，納米粒子位置也相對固定，從而保證了電磁場的相對穩(wěn)定，提高檢測信號的穩(wěn)定性與重復(fù)性。4、選用單分散性的貴金屬納米顆粒，保證了電磁場強(qiáng)度的相對穩(wěn)定；并使其粒徑在50-100nm范圍內(nèi)，保證了檢測信號的最大增強(qiáng)。5、拓展了 SERS打印試紙應(yīng)用對象和范圍:本發(fā)明的SERS打印試紙不僅適用于像羅丹明6G、對巰基苯胺等拉曼信號特別強(qiáng)的染料分子的檢測，還能適用于對農(nóng)藥殘留、興奮齊U、爆炸物、有機(jī)污染物和添加劑等拉曼信號不太強(qiáng)的分子進(jìn)行檢測。6、本發(fā)明的SERS打印試紙?zhí)岣吡藢盘柕目焖贆z測，實現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測技術(shù)從實驗室走向田間地頭、農(nóng)貿(mào)市場、超市等事件現(xiàn)場，并反過來推動了拉曼光譜儀的發(fā)展。7、本發(fā)明的原材料價格相當(dāng)便宜，制作工藝也很簡單，采用打印的方式，大大提高了紙張基底的性能，性價比高，樣品采集容易、便于攜帶、可生物可降解、環(huán)境友好、可批量生產(chǎn)。8、本發(fā)明的SERS打印試紙適用于固、液、氣三態(tài)物質(zhì)的檢測:液態(tài)物質(zhì)的檢測是可以將液體直接滴加到表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙上或?qū)⒈砻嬖鰪?qiáng)拉曼光譜打印試紙浸入其中來進(jìn)行檢測；對于固體物質(zhì)的檢測，可以先將表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙潤濕，再用其對待測物進(jìn)行擦拭，使待測物萃取到試紙上；對于氣體的檢測，可以將表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙潤濕后,放入到注射器內(nèi)，然后將待測氣體抽入,從而使待測氣體擴(kuò)散富集到表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙上。
9、SERS打印試紙是平整和潔凈的SERS基底，又是便攜的SERS基底。因此，它不僅適用于實驗室的激光共聚焦顯微拉曼，尤其適用于便攜式拉曼光譜儀，通過打印上金、銀或金包銀的貴金屬納米顆粒，激光波長可選擇從532nm、633nm或785nm,并可通過打印的次數(shù)來調(diào)節(jié)表面等離子共振峰的位置，從而選擇最優(yōu)的激光波長。10、由于貴金屬納米粒子在溶膠狀態(tài)下容易團(tuán)聚，在干態(tài)條件下容易和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。而本發(fā)明采用打印形成的SERS基底打印試紙，適宜于真空包裝或充氮包裝，從而大大延長了其保質(zhì)期。


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下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1:不同種類原始紙張的掃描電鏡圖:(a)普通打印紙；(b)濾紙；(C)濾膜；(d)相紙。圖2:不同粒徑二氧化硅納米小球的掃描電鏡圖:(a)粒徑為150nm 二氧化硅納米小球的掃描電鏡圖；(b)粒徑為200nm 二氧化硅納米小球的掃描電鏡圖。圖3:在紙張表面修飾上二氧化硅納米小球后的掃描電鏡圖:(a)紙張表面修飾上粒徑為150nm 二氧化硅納米小球后的掃描電鏡圖；(b)紙張表面修飾上粒徑為200nm 二氧化硅納米小球后的掃描電鏡圖。圖4:在二氧化硅納米小球的氨基化的FT-1R譜圖:圖中曲線⑴是未修飾的二氧化硅，曲線(2)是修飾了 APTMS的二氧化硅。圖5:單分散性的銀納米顆粒的掃描電鏡圖(a)和紫外-可見光譜圖(b)。圖6:單分散性的金納米顆粒的掃描電鏡圖(a)和紫外-可見光譜圖(b)。圖7:在表面覆蓋有氨基化的二氧化硅小球的紙張上打印銀納米顆粒，(a)掃描電鏡圖，(b)X-光粉末衍射。圖8:金墨水打印在普通紙張上的光學(xué)圖和模擬打印光斑的形狀。圖9:銀墨水打印在經(jīng)無機(jī)氧化物納米顆粒表面處理后的濾紙基底上的光學(xué)對照圖。圖10:金、銀復(fù)合打印在紙張基底上的掃描電鏡圖:(a)是金銀同時打印(即彩打模式)的掃描電鏡圖；(b)是在(a)的基礎(chǔ)上再打印I次銀；(C)是在(a)的基礎(chǔ)上再打印一次金；(d)是在(a)的基礎(chǔ)上再同時打印金、銀的掃描電鏡圖。掃描電鏡圖的下層是其對應(yīng)的光學(xué)照片。圖11:應(yīng)用銀納米顆打印的SERS打印試紙對結(jié)晶紫(CV)的靈敏性SERS光譜圖。圖12:針對R6G進(jìn)行3D-SERS光譜圖，Ca)未表面處理的普通紙張，(b)本發(fā)明的紙張基底。圖13:銀納米顆粒打印SERS打印試紙對R6G的重復(fù)性檢測的SERS譜圖。圖14:銀納米顆粒打印SERS打印試紙對R6G的穩(wěn)定性檢測的SERS譜圖。圖15:銀納米顆粒打印SERS打印試紙對農(nóng)藥殘留的檢測SERS譜圖:(a)福美雙；(b)對硫磷。圖16:銀納米顆粒打印SERS打印試紙對爆炸物TNT的檢測SERS譜圖。圖17:銀納米顆粒打印SERS打印試紙對不同興奮劑的檢測SERS譜圖(a)巴比妥；(b)那可汀；(c)搖頭丸；(d)鹽酸罌粟堿。圖18:銀納米顆粒打印SERS打印試紙用于便攜式拉曼光譜儀對農(nóng)藥福美雙殘留的檢測SERS譜圖。圖19:銀納米顆粒打印SERS打印試紙用于便攜式拉曼光譜儀對興奮劑的痕量殘留檢測SERS譜圖。圖20:本發(fā)明的SERS打印試紙用于固體(a)、氣體(b)和液體(C)檢測的實物光學(xué)照片。圖21:本發(fā)明的SERS打印試紙用于富集檢測。
具體實施例方式本發(fā)明首先是對紙張表面進(jìn)行平整化和潔凈化處理，在此基礎(chǔ)上再對紙張進(jìn)行功能化，使打印上的貴金屬納米顆粒能夠牢固的結(jié)合在紙張上，從而實現(xiàn)對待測目標(biāo)物的高重復(fù)性和超穩(wěn)定性現(xiàn)場快速檢測，同時拓展了 SERS應(yīng)用檢測的范圍和領(lǐng)域。具體實施例如下:
實施例1:一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的制備方法:包括如下步驟:
(1)將將紙張放入粒徑為150nm的二氧化硅納米粒子的溶膠中浸泡10分鐘后，按照傾斜角為15度緩慢取出，平放在干燥箱內(nèi)，80°C干燥60分鐘；
(2)將經(jīng)(I)處理后表面覆蓋有二氧化硅的紙張置于體積比為1:200的3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)與乙醇的混合液中，30分鐘后取出烘干得紙張基底；
(3)將金的水溶液加熱至沸騰，然后加入質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液反應(yīng)制得單分散性金納米顆粒；
(4)將(3)中金納米顆粒經(jīng)過5000轉(zhuǎn)/分鐘的離心，倒掉95%的上清液后，再按照每IOmL加入3mL的丙三醇來調(diào)節(jié)其粘度和表面張力，制得納米銀墨水；并用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜來除去墨水中的大顆粒。(5)將(4)中納米金墨水放在嗔墨打印機(jī)墨盒里，應(yīng)用壓電原理，驅(qū)使納米金墨水打印到(2)中的紙張基底上，得表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)打印試紙。實施例2:—種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的制備方法:包括如下步驟:
(1)將粒徑為IOOnm的二氧化鈦納米粒子的溶膠作為墨水打印到紙張上，然后平放在干燥箱內(nèi)，80°C干燥30分鐘；
(2)將經(jīng)(I)處理后表面覆蓋有二氧化鈦的紙張置于體積比為1:1000的3-(三苯甲基巰基)丙酸與乙醇的混合液中，10分鐘后取出烘干得紙張基底；
(3)將銀的水溶液加熱至沸騰，然后加入質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液反應(yīng)制得單分散性銀納米顆粒；
(4)將(3)中銀納米顆粒經(jīng)過5000轉(zhuǎn)/分鐘的離心，倒掉95%的上清液后，再按照每IOmL加入ImL的丙三醇來調(diào)節(jié)其粘度和表面張力，制得納米銀墨水；用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜來除去墨水中的大顆粒。
(5)將(4)中納米銀墨水放在噴墨打印機(jī)墨盒里，應(yīng)用壓電原理，驅(qū)使納米銀墨水打印到(2)中的紙張基底上，得表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)打印試紙。實施例3:表面處理并功能化的SERS打印試紙在共聚焦激光顯微拉曼光譜儀中對目標(biāo)分子檢測
(I)紙張的選擇
由于采用打印的方式來實現(xiàn)SERS紙張基底的制備，就選擇常見的打印紙、濾紙、濾膜和相紙(分別對應(yīng)于圖1中的a、b、c、d)。從圖中可以看出這些紙的表面都是由數(shù)十個微米的纖維結(jié)構(gòu)或數(shù)個微米的單元構(gòu)成。(2) 二氧化硅納米小球合成與選擇
二氧化硅是一種無毒、無味、無污染的非金屬材料，并具有光學(xué)透明性、非拉曼活性、生物兼容性等特點。本實驗所使用的前驅(qū)物是TE0S，以NH3為催化劑、乙醇為溶劑，首先將TEOS和適量的乙醇混合加入500mL帶有磨口塞的三頸錐圓底燒瓶中，用磁力攪拌器以固定轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?min,使TEOS與乙醇充分混合；同樣將適量的去離子水和氨水混合，并以固定轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分進(jìn)攪拌均勻后將其迅速的加入到上述反應(yīng)液中，以750轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢枞昼姾?，再?00轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?5-18h，即可制得二氧化硅納米溶膠溶液。在實驗過程中，氨水的加入必須迅速，反應(yīng)容器的容積不能太小，以免分散不均勻引起二氧化娃粒子的團(tuán)聚形成顆粒過大。如圖2所示是在25攝氏度條件下，TEOS的體積為3.5mL、水為1.4mL、氨水為3mL和4mL得到的粒徑分別為150nm和200nm的二氧化硅小球。所以考慮到紙張的表面結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中無機(jī)氧化物納米粒子可以選擇150nm或200nm的二氧化硅或二氧化鈦的小球作為紙張表面填充劑。(3)將二氧化硅小球修飾到紙張表面及其氨基化處理
由于紙張表面含有大量的羥基，其可以與活性二氧化硅納米粒子產(chǎn)生氫鍵作用，同時紙張表面的微納結(jié)構(gòu)和無機(jī)納米氧化物可以產(chǎn)生物理吸附。如圖3所示是粒徑分別為150nm和200nm的二氧化硅小球修飾到普通打印紙上的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，紙張表面的粗糙度大幅度下降，有利于后面貴金屬納米粒子的固定和最終的SERS檢測。將合成好的二氧化硅納米溶膠溶液迅速地滴加ImL的3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)中，用磁力攪拌器攪拌即可得到氨基功能化的二氧化硅小球。如圖4中的兩條曲線分別表示了未修飾的二氧化硅(1)、APTMS修飾的二氧化硅(2)的紅外譜圖。據(jù)比較中發(fā)現(xiàn)APTMS修飾的二氧化硅納米粒子在1400-1460CHT1范圍內(nèi)顯示了氨基的特征峰。在實際紙張的處理過程中，只需把覆蓋上二氧化硅涂層的紙張浸泡在APTMS溶液中即可。(4)單分散性貴金屬納米顆粒的合成、打印墨水的研制以及打印SERS基底試紙 銀納米粒子的合成:將200 mL摩爾濃度為I mol / L的AgNO3水溶液加熱至沸騰，力口
入6 mL質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液，溶液顏色從先前的無色透明逐漸變成乳白色，并略帶綠色，繼續(xù)保持微沸3 h,停止反應(yīng)，水浴冷卻，即得到粒徑約為80 nm的銀納米粒子，避光保存。如需合成不同大小的銀納米粒子，只要改變加入的檸檬酸鈉的量即可。如圖5所示是合成的粒徑為60nm的銀納米顆粒掃描電鏡圖(a)和與其對應(yīng)的紫外-可見光譜圖(b)。金納米顆粒的合成:將200 mL質(zhì)量百分比為0.01%的HAuCl4水溶液加熱至沸騰，迅速加入1.4 mL質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液,約I min后溶液顏色從先前的淡黃色變成黑色，2 3min后又變成棕紅色，繼續(xù)保持微沸40min，停止反應(yīng)，水浴冷卻，即得到綜紅色粒徑約為55 nm的金納米粒子。如需合成不同大小的金納米粒子，只要改變加入的檸檬酸鈉的量即可。圖6給出的是粒徑為50nm的單分散性金納米顆粒掃描電鏡圖(a)和與其對應(yīng)的紫外-可見光譜圖(b)。將上述合成好的金或銀納米顆粒，經(jīng)過每分鐘5000轉(zhuǎn)離心，倒掉95%的上清液，根據(jù)打印要求，在濃縮液中按照每IOmL加入I到3mL的丙三醇來調(diào)節(jié)粘度和表面張力，從而達(dá)到最佳的打印狀態(tài)。為了防止堵塞打印頭，用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜來除去墨水中的大的顆粒。選擇噴墨打印機(jī)將納米貴金屬墨水,采用MEMS工藝壓電原理,驅(qū)使著納米貴金屬墨水打印到紙張基底上，使墨水噴射出去來制得SERS打印試紙。注意供墨系統(tǒng)要單獨配置。修飾好后的紙張經(jīng)過功能化以后，放入噴墨打印機(jī)中進(jìn)行打印，根據(jù)需要打印出符合不同需要的SERS打印試紙。如圖7所示是覆蓋有氨基化的二氧化硅納米粒子的紙張基底上打印銀墨水的掃描電鏡圖(7a)和X光粉末衍射(7b)。從圖7a中可以看出銀納米顆粒已經(jīng)均勻的打印到紙張上，圖7b中反映出歸屬于銀的特征峰。如圖8所示是將金墨水打印到A4紙上的文字，其右圖是模擬打印光斑的形狀。同時，我們還可以用銀墨水進(jìn)行打印，如圖9所示是用銀墨水在濾紙上進(jìn)行打印的前后試紙對比圖，左側(cè)為普通濾紙，右側(cè)是用銀墨水進(jìn)行打印后濾紙基底。當(dāng)然，也可以將金納米墨水和銀納米墨水放在不同的墨盒里，進(jìn)行不同次數(shù)的復(fù)合打印，或者在復(fù)合打印的基礎(chǔ)上再打印金納米顆?；蜚y納米顆粒。如圖10所示,其中a是金銀同時打印(即彩打模式)的掃描電鏡圖；b是在a的基礎(chǔ)上再打印I次銀；c是在a的基礎(chǔ)上再打印一次金；d是在圖a的基礎(chǔ)上再同時打印金和銀的掃描電鏡圖。各個掃描電鏡圖的下層是其對應(yīng)的光學(xué)照片?？擅黠@地發(fā)現(xiàn)用不同墨水進(jìn)行打印處理后的SERS打印試紙的外觀顏色略有不同。(5) SERS打印試紙的SERS靈敏性、穩(wěn)定性和重復(fù)性研究
為了檢驗SERS打印試紙的靈敏性，在本申請中以結(jié)晶紫(CV)作為探針分子來考察其檢測靈敏性。圖11中a、b，c和d分別是打印金三次，打印金銀復(fù)合物三次，打印銀三次，打印銀三次再打印銀一次所對應(yīng)的SERS光譜圖，可以看出檢測限為10_7和10_8M。其中銀的靈敏性要優(yōu)于金，復(fù)合的要優(yōu)于單獨的。另外，主要的特征指紋峰都可以檢測出來，背景干擾很小，表面對紙張進(jìn)行處理后，有利于對待測物的檢測。為了研究打印試紙的重復(fù)性，選擇了 R6G作為探針分子進(jìn)行研究。首先考察其三維SERS光譜圖。圖12中a和b分別是未經(jīng)表面處理的普通紙張與本發(fā)明的紙張基底的3D-SERS譜圖。從圖中可以明顯看出處理后的打印試紙明顯要優(yōu)于非處理的。為了進(jìn)一步研究SERS打印試紙的重復(fù)性，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)研究來探討SERS打印試紙的重復(fù)性。選取R6G四個位移處1310CHT1，1362cm_1,1511cm_1,1649cm_1作為研究對象進(jìn)行實驗。研究表明當(dāng)RSD低于20%時，表面基底的信號重復(fù)性好，基底可靠。從圖13中可以看出，RSD都低于20%，表面該打印試紙有很好的信號重復(fù)性，可以用于實際樣品的檢測。如果對紙張不進(jìn)行平整化和功能化處理，發(fā)現(xiàn)信號的穩(wěn)定性有明顯的變化，如圖14所示，RSD上都大于20%，表面在該條件下的SERS信號的穩(wěn)定性較差，因此對紙張表面進(jìn)行平整化和功能化是極其重要的一步。(6) SERS打印試紙對農(nóng)藥、爆炸物和興奮劑類物質(zhì)的檢測
為了進(jìn)一步驗證本發(fā)明的SERS打印試紙現(xiàn)場檢測的可能性和可行性，就選用農(nóng)藥殘留、爆炸物和興奮劑類實用性的目標(biāo)分子進(jìn)行檢測，圖15給出的是不同應(yīng)用分子的檢測結(jié)果圖。圖15a給出的是農(nóng)藥福美雙在激光共聚焦拉曼光譜儀下選用532nm和785nm波長條件下得到的譜圖，顯示了該打印試紙良好的檢測效果；同樣對于圖15b中農(nóng)藥對硫磷來說，在上述兩個波長條件下都可以得到很好的實驗檢測。證明了本發(fā)明的SERS打印試紙不僅可以用于實驗室里的染料分子，還可以用于實際的農(nóng)藥檢測。同樣，選用實用性很強(qiáng)的應(yīng)用分子爆炸物TNT，也能得到很好的檢測結(jié)果。圖16給出的是爆炸物TNT的SERS譜圖，從圖中可以同樣看出TNT的主要特征峰都可以很明顯的觀察到。對于毒品來說，檢測意義及其重大，圖17給出的是四種興奮劑類物質(zhì)的SERS光譜圖，并分別給出了各自的檢測限。結(jié)果顯示，這種試紙有很低的檢測限，對于該打印試紙來說，顯示出其強(qiáng)大的應(yīng)用前景。
實施例4:表面處理并功能化的SERS打印試紙在便攜式拉曼光譜儀的現(xiàn)場檢測農(nóng)藥殘留的實驗室分析與檢測主要依賴于大型儀器完成，而快速的痕量農(nóng)殘監(jiān)測和現(xiàn)場實時檢測還是空白。一般農(nóng)藥分子的散射截面較小、親水性較差，是SERS檢測的一個難題。由于本發(fā)明中對普通打印紙的表面進(jìn)行了平整化和功能化處理，使處理后的紙張基底在吸附和富集待測目標(biāo)物上的特性，導(dǎo)致其在靈敏性、重復(fù)性和穩(wěn)定性上較傳統(tǒng)的基底都有較大的提高，促使其在現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用。圖18給出了紙質(zhì)SERS試紙在便攜式拉曼光譜儀應(yīng)用于農(nóng)藥福美雙目標(biāo)物殘留的檢測的光譜圖與所用便攜式儀器，結(jié)果表明其達(dá)到國家檢測限的標(biāo)準(zhǔn)。
實施例5:本發(fā)明的SERS打印試紙在現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用
為了進(jìn)一步驗證該打印試紙在現(xiàn)場檢查中的應(yīng)用，我們模擬了娛樂場所等非法使用興奮劑類藥品的可能接觸到的物品上痕量殘留物的檢測。如圖19中第一排給出的遙控器上殘留搖頭丸成分的檢測，結(jié)果顯示很好的信號強(qiáng)度；圖19中第二排給出的是吸毒分子靜脈注射用的器具上殘留那可汀殘留的SERS譜圖；圖19中第三排給出的是毒品交易時在紙巾上殘留的興奮劑巴比妥痕量物種的SERS檢測結(jié)果。所有現(xiàn)場模擬實驗表明:本發(fā)明中的SERS試紙有很好的檢測效果。由于本發(fā)明的SERS打印試紙的結(jié)構(gòu)特點及其平整化和功能化后所賦予的特性，拓展了 SERS打印試紙對現(xiàn)場檢測應(yīng)用范圍，使其具有廣泛的應(yīng)用前景，如:
(a)對固體痕量殘留目標(biāo)物的檢測:如圖20a所示，只要將打印試紙用水浸濕了以后，放在目標(biāo)物所在的載體上進(jìn)行測拭一下，讓待測的分子萃取到試紙上，然后放在便攜性拉曼光譜儀下進(jìn)行現(xiàn)場檢測。(b)對于氣體樣品的檢測:如圖20b所示，也需將打印試紙浸濕了以后，放入一個密閉系統(tǒng)中如注射器，然后抽取待測氣體，封閉住出口，慢慢擠壓，濃縮氣體并讓待測氣體與濕潤的試紙充分接觸和萃取到其上。然后取出試紙放在便攜式拉曼光譜儀下進(jìn)行現(xiàn)場檢測。(C)對于液體的檢測:如圖20c所示，按照傳統(tǒng)的方法直接滴加到打印試紙上即可進(jìn)行拉曼現(xiàn)場檢測。(d)富集膜作用:
由于該SERS打印試紙的結(jié)構(gòu)和性能，可以先將SERS打印試紙剪成圓形，放入如圖21所示的由聚四氟乙烯材料構(gòu)成的富集裝置的卡槽內(nèi)，用注射器抽取含有待測目標(biāo)物的液體。然后將富集裝置卡入注射器的前端，根據(jù)需要慢慢擠壓注射器的后端，讓液體慢慢的流出，SERS打印試紙在這里就起到富集膜的作用。打開富集裝置的卡槽，取出SERS打印試紙，放在光譜儀下進(jìn)行檢測即可。對于氣體待測目標(biāo)物的操作方法與此類似。從上所述，本發(fā)明的SERS打印試紙實現(xiàn)了更低濃度的檢測，并提高了其檢測的靈敏性，同時拓展了現(xiàn)場檢測的功能應(yīng)用范圍。上述實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙，其特征在于:在經(jīng)過無機(jī)氧化物納米粒子表面功能化處理后的紙張表面通過噴墨打印技術(shù)覆蓋上單分散性貴金屬納米顆粒層而形成表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙，其特征在于:所述無機(jī)氧化物納米粒子指粒徑為100-150nm的二氧化硅或二氧化鈦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙，其特征在于:所述紙張為普通打印紙、濾紙或濾膜；所述表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的表面平整度為低于500nm的微納結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙，其特征在于:所述貴金屬納米顆粒是指粒徑為50-100nm的金、銀或金銀合金納米顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙，其特征在于:所述貴金屬納米顆粒層厚為100-200nm,其在光斑范圍內(nèi)為低于IOOnm平整度的納米結(jié)構(gòu)。
6.一種制備如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的方法:其特征在于:包括如下步驟: (1)將紙張放入無機(jī)氧化物納米粒子的溶膠中浸泡2-10分鐘后，按照傾斜角為15-25度緩慢取出烘干；或?qū)o機(jī)氧化物納米粒子的溶膠作為墨水打印到紙張上、烘干； (2)將經(jīng)(I)處理后表面覆蓋有無機(jī)氧化物的紙張置于體積比為1:1000-200的3-氨丙基三甲氧基硅烷與乙醇的混合液或3-(三苯甲基巰基)丙酸與乙醇的混合液中，10-30分鐘后取出烘干得紙張基底； (3)將貴金屬的水溶液加熱至沸騰，然后加入質(zhì)量百分比為1%檸檬酸鈉水溶液反應(yīng)制得單分散性貴金屬納米顆粒； (4)將(3)中貴金屬納米顆粒經(jīng)過5000轉(zhuǎn)/分鐘的離心，倒掉95%的上清液后，再按照每IOmL加入I 一 3mL的丙三醇來調(diào)節(jié)其粘度和表面張力，制得納米貴金屬墨水； (5)將(4)中納米貴金屬墨水放在嗔墨打印機(jī)墨盒里，應(yīng)用壓電原理，驅(qū)使墨水打印到(2)的紙張基底上，得表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中無機(jī)氧化物納米粒子為粒徑是100-150nm的二氧化硅或二氧化鈦。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟(3)中所述貴金屬為金、銀或金銀合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟(4)中制得納米貴金屬墨水用0.1mm的微孔的聚四氟乙烯膜來除去墨水中的大顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙的用途，其特征在于:所述表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙應(yīng)用于生物或化學(xué)探針分子的現(xiàn)場檢測，所述探針分子為農(nóng)藥殘留、爆炸物、興奮劑類、環(huán)境污染物或添加劑分子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高重現(xiàn)性、超穩(wěn)定性的表面增強(qiáng)拉曼光譜打印試紙及其制備方法，以及其對農(nóng)藥殘留、爆炸物、興奮劑、環(huán)境污染物和非法添加劑等進(jìn)行現(xiàn)場檢測的應(yīng)用。本發(fā)明利用紙張表面多羥基與非拉曼活性物質(zhì)無機(jī)納米氧化物顆粒發(fā)生弱的相互作用，并在無機(jī)納米氧化物上通過化學(xué)方法修飾上功能基團(tuán)，使這些基團(tuán)主動抓捕和固定貴金屬納米顆粒，同時納米氧化物起到平整化和覆蓋紙張本身信號的作用，從而保證SERS檢測的重復(fù)性和穩(wěn)定性。并提高了對拉曼信號的快速檢測，擴(kuò)大了其檢測的范圍，可適用于固、液、氣三態(tài)物質(zhì)的檢測。
文檔編號G01N21/65GK103115912SQ201310024149
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者楊良保, 劉洪林, 劉錦淮, 田中群 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院