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一种可快速灵敏检测抗生素的柔性纸基SERS基底的制备方法

一种可快速灵敏检测抗生素的柔性纸基sers基底的制备方法
[0001][0002]
技术领域
[0003]
本发明涉及表面增强拉曼散射(surface enhancement of raman scattering，sers)技术和生物医学检测技术领域，具体涉及一种在zno纳米棒基上构建三层等离子体异质结构的柔性纸基sers基底的制备方法。

背景技术：

[0004]
抗生素对多种革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌均有广谱活性。因此，它们被广泛用于细菌感染，其在机体组织中代谢后，主要以母体化合物的形式在尿液中排泄。但是抗生素的过度使用和滥用可能会对人类造成多种健康危害，如骨髓抑制、肝中毒、癌症等。一般情况下，多种抗生素会同时服用以增强活性，如阿莫西林(amo)、环丙沙星(cip)和四环素 (ttc)。因此，快速、高效检测尿中多种抗生素对合理指导抗生素使用至关重要。
[0005]
目前常用的抗生素检测方法是毛细管电泳和液相谱等与传统的检测方法相结合。虽然检测结果较好，但是操作程序复杂、耗时、成本高，阻碍了其现场应用。在过去的几年里，已经发展了一些新的定量方法，如电化学方法、荧光检测法和sers技术。在这些新的方法中，sers被认为是一种强大的快速化学分析工具，它提供了丰富的分子信息，检测快速便捷，并且具有高灵敏度。
[0006]
常见的sers基底大多采用刚性材料，如玻璃、硅和铝板等。这些传统的刚性sers基底的样品制备步骤较为繁琐，限制了其推广。因此，近年来，柔性sers基底得到了广泛的应用，尤其是最近研究的纸基sers柔性基底。除了柔性、便携性和廉价的优点外，这种多孔性的基底有利于分析物的快速富集。通过浸泡、喷墨打印和过滤等将各种纳米材料附着在纸张上的物理方法存在纳米颗粒团聚以及附着力差的问题。

技术实现要素：

[0007]
本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题。本发明提供了一种可快速灵敏检测抗生素的柔性纸基sers基底的制备方法。
[0008]
本发明的技术方案如下：一种可快速灵敏检测抗生素的柔性纸基sers基底，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
[0009]
s1：制备zno种子溶液，将其滴在纤维素滤纸片(cfp)上，于烘箱中加热，形成包覆种子的cfp，再浸入含有zn(no3)2和c6h
12
n4的生长溶液，进行水热反应，即可在cfp上原位合成zno纳米棒(即zno nrs)，得到cfp/zno基底。
[0010]
s2：将agno3溶液加热后，用柠檬酸钠还原，再在溶液中加入cfp/zno基底，搅拌反应即可将ag纳米颗粒(ag nps)负载在cfp/zno上，制备成cfp/zno/ag基底。
[0011]
s3：将cfp/zno/ag基底浸泡在haucl4中反应，取出基底清洗干燥，得到 cfp/zno/
ag@au@agcl基底。然后用抗坏血酸(aa)进一步还原agcl，即可得到 cfp/zno/ag@au@ag基底。
[0012]
优选地，上述一种可快速灵敏检测抗生素的柔性纸基sers基底，其特征在于，s1中在 cfp上原位合成zno纳米棒的直径约为500nm，长度约为3μm，属于正交结构。
[0013]
优选地，上述一种可快速灵敏检测抗生素的柔性纸基sers基底，其特征在于，s3中 cfp/zno/ag@au@ag基底上的ag@au@ag三层异质结构由尺寸约为40nm的多孔内芯、固体中间层和外壳组成。
[0014]
进一步地，三层异质结构中，在ag(111)晶核和晶外层的约3nm处可以清晰地观察到 ag(111)相的晶格间距，而au(111)相出现在中间层的约10nm处。
[0015]
上述一种可快速灵敏检测抗生素的柔性cfp/zno/ag@au@ag基底可用于对抗生素阿莫西林(amo)、环丙沙星(cip)和四环素(ttc)的检测。
[0016]
本发明具有如下优异效果：
[0017]
1)本发明通过原位合成的方法在cfp上生长团簇状zno nrs，然后通过化学还原在znonrs上沉积三层等离子体异质结构(ag@au@ag)，极大增强了基底的sers信号强度。
[0018]
2)纤维素滤纸片(cfp)的毛细管作用和zno的强吸附能力可以实现分析物的快速富集，在抗生素溶液中浸泡10min即可达到吸附平衡。
[0019]
3)该基底的灵敏度高，r6g、amo、cip和ttc的检出限分别达到10-13
m、10-9
m、 10-8
m和10-8
m，以613cm-1
处的峰为校准点，r6g为探针分子，计算基底的增强因子ef 数值高达2.60
×
107。
[0020]
4)该基底具有良好的均一性，在基底上任选20个点，进行sers测试，在613cm-1
处的峰强度基本保持不变，统计峰的强度，相对标准偏差(rsd)约为10％。
[0021]
5)该基底具有优异的重现性，制备了5个不同的生产批次的样品，进行sers测试，在 613cm-1
处的峰强度基本保持不变，统计峰的强度，相对标准偏差(rsd)只有5.1％。
[0022]
6)该基底具有优良的稳定性，将在1μm罗丹明6g(r6g)溶液中浸泡过的基底置于空气中，在相同的测试条件下每3天测量一次，30天后的峰值强度仍可达到初始强度的67％。
[0023]
7)该基底具有极佳的机械强度，在对其进行折叠30次处理后，sers活性仍然保持不变，在强力超声作用下，基底在超声180min后仍保持初始的71％的sers信号强度。
[0024]
8)该基底具有很好的选择性，在0.1mm的三种抗生素的水溶液中加入0.1mm的各种无机盐(nacl、na2co3、mgso4、kcl、fecl2、cacl2)和有机物(赖氨酸、组氨酸、l-胱氨酸、尿素、葡萄糖)来测定选择性。在加入干扰物种后，它们的个别特征峰强度受到的干扰只有15％的波动。
附图说明
[0025]
图1为cfp/zno/ag@au@ag基底浸泡在不同浓度的r6g水溶液中得到的sers光谱。
[0026]
图2为cfp/zno/ag@au@ag基底任选20个位置的sers测试结果。
[0027]
图3为5个不同批次制备的cfp/zno/ag@au@ag基底的sers测试结果。
[0028]
图4为cfp/zno/ag@au@ag基底sers信号强度和放置时间的关系。
[0029]
图5为cfp/zno/ag@au@ag基底sers信号强度和折叠次数的关系。
[0030]
图6为cfp/zno/ag@au@ag基底sers信号强度和超声时间的关系。
[0031]
图7为cfp/zno基底(对比例1)、cfp/zno/ag基底(对比例2)、cfp/zno/ag@au基底(对比例3)和cfp/zno/ag@au@ag基底(实施例1)在吸附r6g以后的sers光谱。
[0032]
图8a-c分别为amo(a)、cip(b)和ttc(c)在不同浓度下的拉曼谱图；图8d-f 分别为amo(d)、cip(e)和ttc(f)的拉曼信号i与浓度对数lg(c)的线性拟合曲线图；
[0033]
图8g-i分别为amo(g)、cip(h)和ttc(i)(浓度均为0.1mm)加入干扰物质(浓度为0.1mm)后特征峰强度的波动。
[0034]
图9a-c分别为cfp(a)、cfp/zno(b)和cfp/zno/ag@au@ag(c)的sem(扫描电子显微镜)图像。
[0035]
具体实施方法
[0036]
为了更好地理解本发明的技术方案，将以具体的实施例、对比例和应用实施例来作进一步的详细说明，但方案不限于此。
[0037]
实施例1.cfp/zno/ag@au@ag基底的制备
[0038]
s1：将2
×
2cm2的纤维素滤纸片(cellulose filte rpaper，cfp)置于乙醇中清洗，然后在氮气中干燥。将30mm的zn(ch3coo)2溶于30ml乙醇中，在60℃下制备了zno种子溶液。将种子溶液在110℃下一滴一滴地涂覆在cfp上，然后将其置于150℃的热烘箱中5h。将25mm的zn(no3)2和25mm的c6h
12
n4溶于200ml水中，室温下连续搅拌2h，制备出生长溶液。将包覆种子的cfp浸入生长溶液中，转移到100ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在150℃下反应4h，即可在cfp上原位合成zno纳米棒(即zno nrs)。最后，将cfp小心地从溶液中取出，用水清洗并在n2中干燥，得到cfp/zno基底。
[0039]
s2：将10ml的0.2m的agno3溶液在搅拌下加热至60℃，再加入10ml的0.05m 的柠檬酸钠溶液。5min后，取一个cfp/zno基底，在90℃下搅拌反应1h。最后取出基底，用水清洗并在n2中干燥。即可将ag纳米颗粒(agnps)负载在cfp/zno上，制备成 cfp/zno/ag基底。
[0040]
s3：将cfp/zno/ag基底浸泡在2ml的1mm的haucl4中10min，取出基底，用水清洗并在n2中干燥，得到cfp/zno/ag@au@agcl基底。然后用0.01m的抗坏血酸(aa)进一步还原agcl10min，即可得到cfp/zno/ag@au@ag基底。
[0041]
对比例1.cfp/zno基底的制备
[0042]
将2
×
2cm2的纤维素滤纸片(cellulose filter paper，cfp)置于乙醇中清洗，然后在氮气中干燥。将30mm的zn(ch3coo)2溶于30ml乙醇中，在60℃下制备了zno种子溶液。将种子溶液在110℃下一滴一滴地涂覆在cfp上，然后将其置于150℃的热烘箱中5h。将 25mm的zn(no3)2和25mm的c6h
12
n4溶于200ml水中，室温下连续搅拌2h，制备出生长溶液。将包覆种子的cfp浸入生长溶液中，转移到100ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在150℃下反应4h，即可在cfp上原位合成zno纳米棒(即zno nrs)。最后，将cfp小心地从溶液中取出，用水清洗并在n2中干燥，得到cfp/zno基底。
[0043]
对比例2.cfp/zno/ag基底的制备
[0044]
s1：将2
×
2cm2的纤维素滤纸片(cellulose filter paper，cfp)置于乙醇中清洗，然后在氮气中干燥。将30mm的zn(ch3coo)2溶于30ml乙醇中，在60℃下制备了zno种子溶液。将种子溶液在110℃下一滴一滴地涂覆在cfp上，然后将其置于150℃的热烘箱中5h。将25mm的zn(no3)2和25mm的c6h
12
n4溶于200ml水中，室温下连续搅拌2h，制备出生长溶液。将包覆种子的cfp浸入生长溶液中，转移到100ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在150℃下
反应4h，即可在cfp上原位合成zno纳米棒(即zno nrs)。最后，将cfp小心地从溶液中取出，用水清洗并在n2中干燥，得到cfp/zno基底。
[0045]
s2：将10ml的0.2m的agno3溶液在搅拌下加热至60℃，再加入10ml的0.05m 的柠檬酸钠溶液。5min后，取一个cfp/zno基底，在90℃下搅拌反应1h。最后取出基底，用水清洗并在n2中干燥。即可将ag纳米颗粒(ag nps)负载在cfp/zno上，制备成 cfp/zno/ag基底。
[0046]
对比例3.cfp/zno/ag@au基底的制备
[0047]
s1：将2
×
2cm2的纤维素滤纸片(cellulose filter paper，cfp)置于乙醇中清洗，然后在氮气中干燥。将30mm的zn(ch3coo)2溶于30ml乙醇中，在60℃下制备了zno种子溶液。将种子溶液在110℃下一滴一滴地涂覆在cfp上，然后将其置于150℃的热烘箱中5h。将25mm的zn(no3)2和25mm的c6h
12
n4溶于200ml水中，室温下连续搅拌2h，制备出生长溶液。将包覆种子的cfp浸入生长溶液中，转移到100ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在150℃下反应4h，即可在cfp上原位合成zno纳米棒(即zno nrs)。最后，将cfp小心地从溶液中取出，用水清洗并在n2中干燥，得到cfp/zno基底。
[0048]
s2：将10ml的0.2m的agno3溶液在搅拌下加热至60℃，再加入10ml的0.05m 的柠檬酸钠溶液。5min后，取一个cfp/zno基底，在90℃下搅拌反应1h。最后取出基底，用水清洗并在n2中干燥。即可将ag纳米颗粒(ag nps)负载在cfp/zno上，制备成 cfp/zno/ag基底。
[0049]
s3：将cfp/zno/ag基底浸泡在2ml的1mm的haucl4中10min，取出基底，用水清洗并在n2中干燥，得到cfp/zno/ag@au@agcl基底，再用3m的nh3·
h2o洗涤基底，去除agcl，即可得到cfp/zno/ag@au基底。
[0050]
取实施例1制备的cfp/zno/ag@au@ag基底进行性能测试，包括灵敏度测试、均一性测试、重现性测试、稳定性测试和机械强度测试。
[0051]
1)灵敏度测试：将实施例1制备的cfp/zno/ag@au@ag基底浸泡在10-6-10-13
m不同浓度的r6g水溶液中，并在空气中干燥后，在功率为0.50mw的532nm激光条件下(如无特殊说明，均为此检测条件)，进行sers测试，图1显示了r6g在10-6-10-13
m浓度范围内的sers光谱，基底对r6g的检出限可达10-13
m。以613cm-1
处的峰为校准点，计算得到增强因子ef数值高达2.60
×
107，基底具有高灵敏度。
[0052]
2)均一性测试：将实施例1制备的cfp/zno/ag@au@ag基底浸泡在10-6
m的r6g水溶液中，并在空气中干燥，然后在基底上任选20个位置，在相同条件下进行sers测试，结果如图2所示，613cm-1
处的峰的强度基本保持不变，对峰的强度进行统计，其相对标准偏差(rsd)为10.35％，基底具有良好的均一性。
[0053]
3)重现性测试：按照实施例1分别制备5个不同批次的cfp/zno/ag@au@ag基底，浸泡在10-6
m的r6g水溶液中，并在空气中干燥，在相同条件下进行sers测试，结果如图 3所示，对613cm-1
处的峰的强度进行统计，其相对标准偏差(rsd)仅有5.1％，基底具有优异的重现性。
[0054]
4)稳定性测试：将实施例1制备的cfp/zno/ag@au@ag基底浸泡在1μm的r6g 水溶液中，并在空气中干燥，在相同条件下每3天进行一次sers测试，结果如图4所示，在放置30天以后，613cm-1
处的峰值强度仍然是第一次测试时强度的67％，说明基底具有优良的稳定性，可长时间保存。
[0055]
5)机械强度测试：将实施例1制备的cfp/zno/ag@au@ag基底进行折叠处理，在折叠
30次以后，进行测试，结果如图5所示，基底的sers活性仍然保持不变。对基底在1000 w超声功率条件下分别进行强力超声30、60、120和180min处理，结果如图6所示，在超声作用180min后，基底仍保持初始的71％的sers强度，说明基底具有极佳的机械强度，可在恶劣环境下使用。
[0056]
下面将实施例1和对比例1、2、3进行比较分析：
[0057]
以r6g作为探针分子，评价实施例1和对比例1、2、3所制备出基底的sers活性。cfp/zno基底(对比例1)、cfp/zno/ag基底(对比例2)、cfp/zno/ag@au基底(对比例 3)和cfp/zno/ag@au@ag基底(实施例1)在吸附r6g以后的得到的sers光谱如图7 所示。其中，cfp/zno基底对r6g几乎没有拉曼信号，说明zno是一种非活性sers材料。在zno上修饰上ag nps后，可在cfp/zno/ag基底上清晰地发现r6g的特征峰。 cfp/zno/ag@au基底与cfp/zno/ag基底相比，sers响应略有提高。而 cfp/zno/ag@au@ag基底在cfp/zno/ag基底上进一步覆盖了一层银层，由于等离子体耦合效应，基底产生了极强的sers信号。在613cm-1
处，cfp/zno/ag@au@ag基底的峰强度约为cfp/zno/ag基底的3倍，展现出优异的sers活性。
[0058]
应用实施例1：3种抗生素(amo、cip和ttc)的定量sers检测
[0059]
1)拉曼信号强度和抗生素浓度的数量关系：将系列浓度的3种抗生素(amo、cip和ttc) 在按照实施例1制备的cfp/zno/ag@au@ag基底上进行定量sers检测，吸附时间为10min。拉曼谱图如图8a-c所示，拉曼特征峰的强度(i)随抗生素浓度(c)的降低而降低。选取 1353cm-1
(amo)、1391cm-1
(cip)和1282cm-1
(ttc)的特征峰进行强度统计，拟合得到峰强度与抗生素浓度的对数之间的线性响应关系，拟合曲线图如图8d-f所示。相应的线性方程、线性范围和检出限如表1所示。
[0060]
表1.三种抗生素对应的线性方程、线性范围和检出限
[0061][0062]
2)抗生素sers检测的抗干扰能力：在0.1mm的3种抗生素水溶液中加入0.1mm的各种无机盐(nacl、na2co3、mgso4、kcl、fecl2、cacl2)和有机物(赖氨酸、组氨酸、l
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胱氨酸、尿素、葡萄糖)来测定抗干扰能力。与未添加干扰物质的溶液相比，加入干扰物物质以后，如图8g-i所示，特征峰强度只有15％的波动，说明用按照实施例1制备的cfp/zno/ag@au@ag基底检测amo、cip和ttc时，该方法对于多种无机盐和有机物均具有较强的抗干扰能力。
[0063]
3)抗生素sers检测在人体尿液中的应用：将已知浓度的amo、cip和ttc加到稀释 100倍后人体尿液样本中，采用标准加入法，结合上述线性方程计算得到计算浓度，检测结果如表2所示。amo、cip和ttc的回收率均在90％-106％之间。对于3种抗生素的每一个浓度，在相同条件下检测3次，rsd均在10％以内。
[0064]
表2.人体尿液中amo、cip和ttc的sers检测
[0065][0066]
本发明通过原位合成的方法在cfp上生长团簇状zno nrs，再由化学还原法在zno nrs 上沉积三层ag@au@ag等离子体异质结构，显著提高了sers基底的灵敏度、均一性、重现性、稳定性和机械强度。由于cfp的毛细管作用和zno纳米材料的强吸附能力，实现了抗生素的10min快速sers检测。并且这种基底可以很好地应用于对于抗生素amo、cip 和ttc的检测，在医药医学等领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种可快速灵敏检测抗生素的柔性纸基sers基底，其特征在于，所述sers基底包括纤维素滤纸片，纸基上生长的zno纳米棒，以及在zno纳米棒上构建的三层ag@au@ag等离子体异质结构。2.根据权利要求1所述的柔性纸基sers基底，其特征在于，所述的纤维素滤纸片具有毛细管作用。3.根据权利要求1所述的柔性纸基sers基底，其特征在于，所述的zno纳米棒直径约为500nm，长度约为3μm，属于正交结构。4.根据权利要求1所述的柔性纸基sers基底，其特征在于，所述的三层ag@au@ag等离子体异质结构由尺寸约为40nm的多孔内芯、固体中间层和外壳组成。进一步地，三层异质结构中，在ag(111)晶核和晶外层的约3nm处可以清晰地观察到ag(111)相的晶格间距，而au(111)相出现在中间层的约10nm处。5.根据权利要求1～4任一项所述的柔性sers基底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：制备zno种子溶液，将其滴在纤维素滤纸片(cfp)上，于烘箱中加热，形成包覆种子的cfp，再浸入含有zn(no3)2和c6h
12
n4的生长溶液，进行水热反应，即可在cfp上原位合成zno纳米棒(即zno nrs)，得到cfp/zno基底。s2：将agno3溶液加热后，用柠檬酸钠还原，再在溶液中加入cfp/zno基底，搅拌反应即可将ag纳米颗粒(agnps)负载在cfp/zno上，制备成cfp/zno/ag基底。s3：将cfp/zno/ag基底浸泡在haucl4中反应，取出基底清洗干燥，得到cfp/zno/ag@au@agcl基底。再用抗坏血酸(aa)进一步还原agcl，即可得到cfp/zno/ag@au@ag基底。6.根据权利要求5所述的柔性sers基底的制备方法，其特征在于，s1中zno种子溶液的制备温度优选为60℃。7.根据权利要求5所述的柔性sers基底的制备方法，其特征在于，s1中水热反应条件优选为150℃下反应4h。8.根据权利要求5所述的柔性sers基底的制备方法，其特征在于，s2中agno3和柠檬酸钠的用量比为4:1。9.根据权利要求5所述的柔性sers基底的制备方法，其特征在于，s3中用0.01m的抗坏血酸(aa)还原agcl的用时优选为10min。

技术总结

本发明涉及表面增强拉曼散射(surface enhancement ofRaman scattering，SERS)技术和生物医学检测技术领域，具体涉及一种在ZnO纳米棒基上构建三层等离子体异质结构的柔性纸基SERS基底的制备方法及应用。通过原位合成的方法在纤维素纸基上生长团簇状ZnO纳米棒，再由化学还原法在ZnO纳米棒上沉积三层等离子体异质结构(Ag@Au@Ag)，显著提高了SERS基底的灵敏度、均一性、重现性、稳定性和机械强度。基底可以很好地实现对于抗生素阿莫西林(AMO)、环丙沙星(CIP)和四环素(TTC)的快速、高效检测。测。