一种表面增强拉曼光谱基底4-MBA-MA-Cit-AgNPs及其应用的制作方法

本发明涉及表面增强拉曼光谱技术领域，更具体地涉及一种特异性鉴别mn²⁺的表面增强拉曼光谱(sers)基底及其制备和应用。

背景技术：

表面增强拉曼散射光谱(sers)是一种基于检测分子振动的一种表面分析的技术，通过分析吸附在金属基底中的物质的振动，得到吸附物质的结构等信息，进而确定物质的种类。通过将检测分子吸附到合适的金属纳米粒子上，利用金属纳米粒子的电磁场效应，放大分析振动信息，得到更准确光谱信号。表面增强拉曼散射光谱技术具有的高灵敏度特点使得该技术可以检测单分子物质，进而应用于各类化学分析的检测中。

金属离子污染的消除在环境污染中越发重要，由于金属离子一旦进入人体不易排出，同时金属离子对人体各类系统的破坏产生不可小觑的危害。近年来，各类检测锰离子(mn²⁺)的方法层出不穷，有量子点荧光法，电感耦合等离子体原子发射光谱(icp-aes)，比色法，火焰原子吸收光谱法(faas)，阳极溶出伏安法，荧光光谱法，石墨炉原子吸收光谱法等，这些方法操作复杂，耗时费力。

而利用表面增强拉曼散射光谱(sers)特异性检测金属离子的关键在于基底的制备，在拉曼光谱检测中，常存在金属纳米材料稳定性差的问题。所以制备一种稳定性高，灵敏度高的特异性检测mn²⁺的表面增强拉曼光谱基底具有现实的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对不同聚集程度的银纳米粒子引起拉曼信号增强的问题，通过合成柠檬酸三钠、三聚氰胺(ma)和4-巯基苯甲酸(4-mba)修饰的银纳米粒子作为基底材料，与不同浓度的二价锰离子来实现银纳米粒子聚集程度的控制，实现不同增强基底下的拉曼信号的检测。

本发明采用的技术方案是：一种表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps，是以柠檬酸三钠、三聚氰胺和4-巯基苯甲酸修饰银纳米粒子制备的表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps。

一种表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps的制备方法，包括如下步骤：将agno3加热煮沸后加入柠檬酸三钠，煮沸状态下搅拌1～2h后，冷却至室温，加入4-mba和ma，室温下继续搅拌2～3h，得到4-mba-ma-cit-agnps。

本发明还提供表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps在特异性检测mn²⁺中的应用。

优选的，利用表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps定性检测mn²⁺，方法如下，于上述的表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps中，加入含有mn²⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅板上，烘干水分后进行拉曼光谱检测，观察1076cm^-1与1587cm^-1处拉曼信号峰强度的变化。

优选的，利用表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps半定量检测mn²⁺，方法如下，于上述的表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps中，加入含有mn²⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅板上，烘干水分后进行拉曼光谱检测，测定1076cm^-1与1587cm^-1处拉曼信号峰强度，计算i1076/i1587比值。

优选的，所述含有mn²⁺的溶液是浓度范围在5×10^-5mol/l～4×10^-4mol/l之间的mn²⁺标准溶液，或含有mn²⁺的待测样品溶液。

本发明以柠檬酸三钠，三聚氰胺和4-巯基苯甲酸对银纳米粒子进行修饰，合成了新型的表面增强拉曼基底。二价锰离子与修饰后的银纳米粒子表面基团进行识别结合后，与银纳米基底材料团聚，不同浓度的二价锰离子与银纳米粒子团聚程度不同，产生不同强度的拉曼信号，实现二价锰离子的选择性检测。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明，由于不同浓度的二价锰离子与修饰的银纳米粒子的表面基团进行识别结合，产生不同团聚程度的银纳米粒子，进而产生不同强度的拉曼信号，实现不同增强基底下的拉曼信号的检测，从而对二价锰离子进行定性或半定量检测。

2、本发明设计合成出具有稳定性好、灵敏度高的三聚氰胺，4-巯基苯甲酸和柠檬酸修饰的银纳米粒子，在一定程度上解决了金属纳米材料稳定性差的问题。

附图说明

图1是实施例1制备的4-mba-ma-cit-agnps的tem图。

图2是实施例1添加3×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的tem图。

图3a是实施例1制备的4-mba-ma-cit-agnps的动态光散射图。

图3b是实施例1加入不同浓度mn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的动态光散射柱状图。

图4a是实施例1制备的4-mba-ma-cit-agnps的zeta电位图。

图4b是实施例1加入3×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的zeta电位图。

图5是实施例1制备的4-mba-ma-cit-agnps与加入5×10^-5mol/l～8×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的紫外-可见吸收光谱图(uv-vis)。

图6是实施例1中cit、4-mba、ma和4-mba-ma-cit-agnps的红外光谱图。

图7a是实施例1制备的4-mba-ma-cit-agnps的xps全谱图。

图7b是ag3d(b)的xps图。

图7c是c1s(c)的xps图。

图8是实施例1制备的4-mba-ma-cit-agnps与加入3×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的x-射线粉末衍射图(xrd)。

图9a是实施例1中cit、4-mba、ma和4-mba-ma-cit-agnps的sers光谱图。

图9b是实施例1中cit-agnps与加入3×10^-4mol/lmn²⁺的cit-agnpssers光谱图。

图10是实施例1中不同种类金属离子对4-mba-ma-cit-agnps柱状图。

图11a是实施例2中加入5×10^-5mol/l～4×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnpssers光谱图。

图11b是实施例2加入5×10^-5mol/l～4×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnpssers光谱中i1076/i1587线性拟合图。

具体实施方式

(一)特异性检测mn²⁺的表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps的制备

制备方法：于250ml锥形烧瓶中，加入100ml(0.001mol/l)的agno3加热煮沸后加入5ml0.035mol/l柠檬酸三钠，煮沸状态下继续搅拌1h，冷却至室温。加入0.2ml4-mba(0.001mol/l)和0.4mlma(0.001mol/l)，室温下继续搅拌2h，得到4-mba-ma-cit-agnps。6000r离心10min，水洗，重新分散到100ml水中。放入4℃冰箱中保存。

对比例：将100ml的agno3溶液(0.001mol/l)在搅拌情况下加热煮沸，爆沸情况下迅速加入5ml0.035mol/l柠檬酸三钠(cit)，混合溶液继续强烈搅拌加热2～3h，直到溶液变为黄色溶胶，形成柠檬酸修饰的银纳米粒子基底cit-agnps，冷却至室温并放入4℃冰箱备用。

(二)表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps对mn²⁺响应

方法：分别在15ml离心管中，加入5ml制备的4-mba-ma-cit-agnps或cit-agnps，然后分别加入30μl浓度范围为0.5×10^-4mol/l～8×10^-4mol/l的mn²⁺溶液，混合均匀，最后加入三次蒸馏水稀释到10ml，室温放置15min。

1、图1是4-mba-ma-cit-agnps的tem图。由图1可见，4-巯基苯甲酸(4-mba)与三聚氰胺(ma)以及柠檬酸三钠(cit)修饰的银纳米粒子呈现球形，粒径大约10nm。在4-mba与ma联合作用修饰下，合成的银纳米粒子表面有良好的静电作用力，能改进银纳米粒子自发的聚集导致颗粒变大的缺点，使合成的银纳米粒子能较稳定的分散在水溶液中。

2、图2是添加3×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的tem图。由图2可见，加入3×10^-4mol/lmn²⁺后，可以看到银纳米粒子团聚，导致颗粒变大，说明二价锰离子的加入可以导致银纳米粒子颗粒变大。

3、图3a是4-mba-ma-cit-agnps的动态光散射图(dls)。图3b是加入不同浓度mn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的动态光散射柱状图。图3a中动态光散射图中纳米粒子粒径与透射电镜表征得出的结论一致，可以看出4-巯基苯甲酸与三聚氰胺修饰的单分散银纳米粒子半峰宽较小，说明合成的材料粒径比较均匀，三聚氰胺与4-巯基苯甲酸对银纳米粒子起很好的稳定作用，并且粒径为10nm，dls结果与tem得出的结论一致。图3b是加入3、4、5、6、7、8×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnpsdls图。分析图3b，在加入3×10^-4mol/l～8×10^-4mol/lmn²⁺时的4-mba-ma-cit-agnps粒径依次增大，分别为123nm，187nm，225nm，256nm，297nm，330nm。说明不同浓度的mn²⁺的加入引起4-mba-ma-cit-agnps的不同程度的聚集，使银纳米粒子的粒径呈现递增的趋势。

4、图4a是4-mba-ma-cit-agnps，图4b是加入3×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的zeta电位图。由图4a分析可以看出4-mba-ma-cit-agnps的表面电荷的性质呈电中性，zeta电位值显示为0.064mv，说明4-巯基苯甲酸、柠檬酸三钠与三聚氰胺共同修饰在银纳米粒子表面，导致银纳米粒子表面接近中性。由图4b，在加入3×10^-4mol/lmn²⁺后，银纳米粒子表面电荷依旧显示电中性，zeta电位值显示为0.026mv，说明锰离子与银纳米粒子表面的修饰粒子结合，没有破坏银纳米粒子的稳定性。

5、图5是4-mba-ma-cit-agnps与加入0.5×10^-4mol/l～8×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnps的紫外-可见吸收光谱图(uv-vis)。由图5中分散银纳米粒子的曲线可以看出在4-mba-ma-cit-agnps在402nm左右有出现银纳米粒子的特征紫外-可见吸收峰，标志着银纳米粒子的成功合成。随着mn²⁺浓度的增加，可见在402nm处的峰逐渐降低，添加3×10^-4mol/lmn²⁺时在600nm处出现新的吸收峰，当mn²⁺浓度达到5×10^-4mol/l时，由于600nm处的峰红移到620nm，继续增加浓度到8×10^-4mol/l时620nm处峰强度基本不变，可能是mn²⁺浓度引起聚集程度最大导致强度不再变化。

6、图6是柠檬酸三钠(cit)和4-mba和ma和4-mba-ma-cit-agnps的红外光谱图。由图6可知，2960cm^-1属于-ch2的伸缩振动，1600cm^-1属于羧酸根的不对称伸缩振动峰，1395cm^-1属于羧酸根对称伸缩振动，1292cm^-1属于是c-o伸缩振动吸收峰，616cm^-1归属为羧酸根的弯曲振动峰。在4-mba的红外光谱图中，818cm^-1属于苯环的对位二取代特征峰，1450-1620cm^-1属于苯环骨架振动峰，1395cm^-1属于羧酸根对称伸缩振动，2547cm^-1属于-s-h的特征振动。在ma的红外光谱图中，3440cm^-1属于-nh2不对称伸缩振动，830cm^-1属于n-h变形振动。4-mba-ma-cit-agnps中出现在3460cm^-1，1620cm^-1，1395cm^-1分别属于ma中-nh2不对称伸缩振动，4-mba中苯环骨架振动，羧酸根的对称伸缩振动，在3000-3500cm^-1的-nh2的特征峰发生了移动，说明了ma与agnps通过-nh2连在一起，同时巯基的特征峰消失，说明4-mba通过巯基与agnps连在一起。证明了柠檬酸三钠，4-mba和ma成功修饰到银纳米粒子上。添加3×10^-4mol/lmn²⁺后，红外谱图与未添加锰离子一致，说明锰离子的加入没有改变物质结构。

7、图7a是4-mba-ma-cit-agnps，图7b是ag3d、图7c是c1s(c)的xps图。由图7a可知367.7ev是ag3d5/2的结合能和372.9ev是ag3d3/2的结合能，结果直接说明了合成结果中存在银纳米粒子。同时产生的402ev属于三聚氰胺中的n1s，表明三聚氰胺成功修饰到合成的银纳米粒子中，162ev属于4-mba的s2p，表明4-mba成功修饰在银纳米粒子上。在图7b中由银纳米粒子的xps图可得367.7ev属于ag3d5/2的结合能，373.7ev来自于ag3d3/2的结合能，实验结果证明了存在银纳米粒子。由图7c的c1s的谱图拟合所得到的四个峰可以看出，结合能283.8ev，286.1ev，284.8ev，286.7ev则来自于三聚氰胺与4-巯基苯甲酸中的c-c，c-n，c＝o，c-o上的碳峰，进一步证明了纳米粒子中成功修饰了三聚氰胺与4-巯基苯甲酸。

8、图8是4-mba-ma-cit-agnps与加入3×10^-4mol/lmn²⁺4-mba-ma-cit-agnps的x-射线粉末衍射图(xrd)。在图8中，可知银纳米粒子在38.2°，44.4°，64.6°，77.5°处出现了4个特征衍射峰，与银的4个晶面(111)，(200)，(220)，(311)的对应一致，表明成功合成了agnps。加入3×10^-4mol/lmn²⁺后在38.2°，44.4°，64.6°，77.5°出现4个特征衍射峰，与4个晶面(111)，(200)，(220)，(311)分别对应。由此得出，加入锰离子前后，都出现由于ag的衍射峰，并且两者位置完全相同，表明合成的ag中没有杂相，并且锰离子的加入不改变银的晶体结构。

9、图9a是柠檬酸三钠(cit)、4-mba、ma和4-mba-ma-cit-agnps的sers光谱图。图9a中4-mba-ma-cit-agnps中1587cm^-1归属为4-巯基苯甲酸中苯环骨架伸缩振动峰，1076cm^-1归属为4-巯基苯甲酸中苯环中c-h的面内变形振动，676cm^-1归属为三聚氰胺中特征振动。图9b是cit-agnps与加入3×10^-4mol/lmn²⁺的cit-agnpssers光谱图。由图9b可以得出添加3×10^-4mol/lmn²⁺对cit-agnps拉曼信号不产生影响，进而排除了cit对mn²⁺造成的影响，表明4-mba与ma可以与mn²⁺结合引起拉曼峰信号的变化。

(三)表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps对mn²⁺的特异性

方法：分别在11支15ml离心管中，加入5ml制备的4-mba-ma-cit-agnps，然后分别加入30μl浓度为1×10^-1mol/l的mn²⁺，k⁺，na⁺，mg²⁺，sr²⁺，sn²⁺，co²⁺，cu²⁺，ni²⁺，cr³⁺，fe³⁺金属离子，加入蒸馏水稀释到10ml，使金属离子浓度达到3×10^-4mol/l，放置15min之后进行拉曼光谱检测。

图10是不同种类金属离子对4-mba-ma-cit-agnps柱状图。为了测定其他离子是否会对二价锰离子的检测存在干扰，添加了部分碱金属离子(na⁺，k⁺)与碱土金属离子(mg²⁺，sr²⁺)以及过渡金属离子(cr³⁺，fe³⁺，co²⁺，ni²⁺，cu²⁺)还有其他金属离子(sn²⁺)对共存离子干扰性进行检测。通过图10柱状图，可以更直观的看到加入锰离子后，i1076/i1587两峰强度比其他金属离子产生的强度比强，通过强度的对比能反应银纳米材料对锰离子的特异性检测。

实施例2。

表面增强拉曼光谱基底4-mba-ma-cit-agnps半定量检测mn²⁺

(一)标准曲线绘制

制备方法：于250ml锥形烧瓶中，加入100ml(0.001mol/l)的agno3加热煮沸后加入5ml0.035mol/l柠檬酸三钠，煮沸状态下继续搅拌1h，冷却至室温。加入0.2ml4-mba(0.001mol/l)与0.4mlma(0.001mol/l)，室温下继续搅拌2h，得到4-mba-ma-cit-agnps。6000r离心10min，水洗，重新分散到100ml水中。放入4℃冰箱中保存，备用。

分别在15ml离心管中，加入5ml制备的4-mba-ma-cit-agnps，然后分别加入30μl不同浓度mn²⁺标准溶液，加入蒸馏水定容至10ml，混合均匀，制得含mn²⁺标准浓度分别为0、0.5、1、1.5、2、3、4×10^-4m的功能化4-mba-ma-cit-agnps待测溶液，室温放置15min。

将不同浓度的待测溶液滴入硅片上，烘干水分，置于拉曼光谱仪中，于入射测试波长532nm下进行检测。

图11a是加入5×10^-5mol/l～4×10^-4mol/lmn²⁺的4-mba-ma-cit-agnpssers光谱图。从图11a中可以看到加5×10^-5mol/l～4×10^-4mol/lmn²⁺后4-mba-ma-cit-agnps的特征拉曼峰位置不变，sers光谱图信号峰明显增强，尤其是1587cm^-1处归属为苯环骨架伸缩振动峰与1076cm^-1处归属为苯环c-h的面内变形振动峰，有明显的增强趋势。

图11b是根据图11a，取峰1076cm^-1与峰1587cm^-1拉曼强度信号，计算峰1076cm^-1与峰1587cm^-1拉曼强度比值(i1076/i1587)，以i1076/i1587为纵坐标，mn²⁺浓度为横坐标进行线性拟合，如图11b所示。由图11b可知，mn²⁺浓度在5×10^-5mol/l～4×10^-4mol/l范围内，两峰比值i1076/i1587呈线性递增趋势，该范围内两峰出现同等程度的递变规律，呈现良好的线性关系，线性方程为y＝0.00371x-0.32904，线性系数r²＝0.993，该范围内线性范围宽。说明mn²⁺的加入引起银纳米粒子的聚集导致银纳米sers信号的增强，可以以此进行定量分析。

(二)实际样品测定

方法：在15ml离心管中，加入5ml制备的4-mba-ma-cit-agnps，然后加入30μl含有mn²⁺的实际待测样品溶液，加入蒸馏水定容至10ml，混合均匀，制得待测样品溶液。

将待测样品溶液滴入硅片上，烘干水分，置于拉曼光谱仪中，于入射测试波长532nm下进行检测，计算峰1076cm^-1与峰1587cm^-1强度比值(i1076/i1587)，根据线性方程即可计算出样品中mn²⁺的浓度。