本發(fā)明涉及一種聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底及其制備方法，具有高靈敏度以及重復(fù)性和穩(wěn)定性。

背景技術(shù)：

表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)技術(shù)能提供痕量化學(xué)物質(zhì)的分子振動信息，其信號強(qiáng)度比待測物質(zhì)的自發(fā)Raman信號高出4～15數(shù)量級，在生物分析和環(huán)境污染物監(jiān)測方面具有巨大的應(yīng)用潛力和價值。由于金(Au)、銀(Ag)等在可見光區(qū)其表面等離子基元能夠激發(fā)并促使其結(jié)構(gòu)周圍的局部電磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，引起表面或附近的分子拉曼散射強(qiáng)度增強(qiáng)，而廣泛用于SERS基底制備中。如采用化學(xué)還原方法直接制備不同尺寸或形貌的納米Au、Ag顆粒、納米片、納米柱、納米線等，或通過化學(xué)組裝方法將Au納米粒子組裝在各種襯底或模板上可獲得具有較高的靈敏度的SERS基底，但檢測的穩(wěn)定性和重復(fù)性較差。這主要由于納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象難以控制，使得納米顆粒的分布具有隨機(jī)性，而這種現(xiàn)象在光學(xué)顯微鏡下是難以察覺的。正是由于這種納米結(jié)構(gòu)分布不均一和有效位點范圍不可見等問題的存在，導(dǎo)致了在光學(xué)顯微平臺下激光束聚焦于不同位點時，其增強(qiáng)效應(yīng)有很大的差別。隨著對SERS深入研究發(fā)現(xiàn)，將納米單元組裝成各種維度的復(fù)雜有序納米結(jié)構(gòu)可以獲得不同于單個納米單元的一些特異性能。當(dāng)金屬納米單元通過長程效應(yīng)致密排列時,由于局域表面等離子體共振(localized surface plasmon resonance,LSPR)效應(yīng)，特定表面的“熱點”會明顯增加，從而提供額外的SERS增強(qiáng)效應(yīng)，與無序的金屬納米結(jié)構(gòu)相比，復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)因子(enhancementfactor,EF)有時甚至要提高好幾個數(shù)量級。因此,借助現(xiàn)代納米技術(shù)來構(gòu)筑高度有序納米結(jié)構(gòu)的SERS基底，對于拓展SERS的研究范圍和應(yīng)用領(lǐng)域起著重要的作用。

如前所述，納米結(jié)構(gòu)之間的等離子體共振是產(chǎn)生SERS效應(yīng)的關(guān)鍵，因此可以通過制備較大面積的有序結(jié)構(gòu)陣列或者通過金納米粒子大面積密集、均一的組裝來獲得增強(qiáng)效應(yīng)顯著、穩(wěn)定均一、重現(xiàn)性好的SERS基底。所謂的大面積組裝相對于納米結(jié)構(gòu)尺度和聚焦光斑大小而言。由于在拉曼檢測過程中，激光的聚焦光斑大小一般為1～3μm，因此，所得組裝結(jié)構(gòu)一般要求大于或數(shù)倍于激光光斑大小。如Tang等將尺寸為5μm的α-Fe₂O₃枝晶表面等離子體處理后，在其表面通過化學(xué)修飾后，獲得了Au納米粒子嫁接的α-Fe₂O₃枝晶復(fù)合材料，其在結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下可見，SERS增強(qiáng)效果明顯，且重復(fù)性好。上述方法獲得α-Fe₂O₃枝晶復(fù)合材料在拉曼檢測中需要配置為懸浮溶液后滴涂于硅片后再進(jìn)行測試，且需要對硅片進(jìn)行處理，步驟較繁瑣。近年來，基于聚合物材料的SERS基底由于具有良好的機(jī)械性能，便于攜帶，且易于表面結(jié)構(gòu)修飾，能夠隨意剪裁與其他結(jié)構(gòu)或器件集成等諸多優(yōu)點，而受到了廣泛重視。

我們最新研究發(fā)現(xiàn)POM/PLLA熔融共混薄膜表面具有微米尺寸的球晶結(jié)構(gòu)單元的同時具有納米孔洞構(gòu)造，一方面，利用PLLA組分的在POM/PLLA材料中特殊相結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)納米粒子在聚合物基體中的有序分布，增加“熱點”數(shù)，獲得額外的SERS增強(qiáng)效應(yīng)，使得檢測具有高靈敏度；另一方面，其表面納米結(jié)構(gòu)的排列(球晶結(jié)構(gòu)單元及孔洞分布)具有統(tǒng)計學(xué)上的均一性，更重要是微米尺寸的球晶結(jié)構(gòu)可以在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，從而能夠保證在基底的邊界范圍內(nèi)激光束總能聚焦于有效位點，使得檢測結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。不難預(yù)測，這種具有微、納米尺寸范圍內(nèi)的多形態(tài)和多層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的聚甲醛/聚乳酸SERS基底，在高靈敏穩(wěn)定的SERS檢測以及區(qū)域成像研究方面將具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是為了避免SERS檢測存在的靈敏度低、重復(fù)性差等問題，提供一種聚甲醛/聚乳酸SERS基底。

本發(fā)明的聚甲醛/聚乳酸SERS基底包括聚甲醛/聚乳酸聚合物膜、以及負(fù)載在POM/PLLA聚合物膜上的金屬納米粒子。

所述的聚甲醛/聚乳酸聚合物膜具有微米尺寸的球晶結(jié)構(gòu)，通過胺解反應(yīng)后，環(huán)帶球晶結(jié)構(gòu)內(nèi)帶有納米尺寸的孔洞。

進(jìn)一步，所述的環(huán)帶球晶結(jié)構(gòu)單元尺寸大小為2～200μm，孔洞的孔徑大小為10～100nm。

進(jìn)一步，所述的被負(fù)載的金屬納米粒子是具有表面增強(qiáng)拉曼活性的金屬納米粒子，優(yōu)選為金、銀中的至少一種；所述的納米粒子形貌為納米顆粒、納米三角形、納米棒、納米線中的至少一種；所屬的納米粒子的尺寸為10～2000nm，優(yōu)選為10～100nm。

進(jìn)一步，所述的聚合物/聚乳酸聚合物膜用含有氨基官能團(tuán)的修飾劑進(jìn)行化學(xué)改性處理，優(yōu)選的，所述的含有氨基官能團(tuán)的修飾劑為乙二胺、己二胺中的至少一種。氨基官能團(tuán)能有效與金屬納米粒子形成牢固的化學(xué)絡(luò)合結(jié)構(gòu)，保證了金屬納米粒子在聚合物膜的牢固負(fù)載。

本發(fā)明的另一個目的是提供上述聚甲醛/聚乳酸SERS基底的制備方法，包括如下步驟：

(1)通過熔融共混方法制備得到聚甲醛/聚乳酸復(fù)合膜；

將POM和PLL按照重量比80：20～20：80加入到哈克混煉機(jī)內(nèi)，在190℃熔融共混后制備得到厚度約為20～100μm的樣品薄片；然后置于135℃～155℃下退火5～30min，獲得POM/PLLA共混薄膜。

其中退火溫度優(yōu)選141℃，退火時間優(yōu)選10min。

(2)將上述膜浸泡于表面修飾劑溶液中反應(yīng)6～24h，反應(yīng)溫度60℃，取出后烘箱干燥備用；

如需要增加膜的孔隙率，在與表面修飾劑溶劑反應(yīng)前，可用0.2M～1M的NaOH溶液室溫浸泡處理6～24h，此步驟非必需。

所述的表面修飾劑為含有氨基官能團(tuán)的修飾劑，優(yōu)選為乙二胺、己二胺中的至少一種，濃度為3％～12％(w/w)。

(3)將上述膜放入金屬納米粒子的前驅(qū)體溶液中常溫浸泡6～24h；

所述的金屬納米粒子前驅(qū)液，為金、銀中的至少一種的金屬離子溶液，優(yōu)選為HAuCl₄、AgNO₃中的至少一種，濃度為0.1～10mM，優(yōu)選為1～5mM，金屬納米粒子前驅(qū)液的濃度可以根據(jù)聚合膜空隙率等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

(4)將上述膜浸泡于還原劑溶液中反應(yīng)30min～120min。

所述的還原劑溶液為檸檬三酸鈉、聚苯胺溶液中的至少一種，濃度為5％～10％(w/w)。

本發(fā)明的又一個目的是提供上述聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底在羅丹明6G和葡萄糖檢測中的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底，選用POM/PLLA共混物體系，該體系屬于典型熔體相容結(jié)晶/結(jié)晶聚合物共混體系。兩組份間熔點非常接近，但PLLA與POM之間結(jié)晶動力學(xué)差異很大，表現(xiàn)為POM的結(jié)晶速率很快，相比之下，PLLA的結(jié)晶速率非常緩慢。因此，在很寬的組份比例范圍內(nèi)，PLLA/POM共混體系呈現(xiàn)分步結(jié)晶行為。POM結(jié)晶過程“快結(jié)晶、慢擴(kuò)散”的特點，使得仍處于無定形狀態(tài)的PLLA分子鏈主要分布在POM片晶之間，共混體系中形成納米尺度的類似“雙連續(xù)相”結(jié)構(gòu)：POM片晶間填充的PLLA可以作為高效致孔劑，制備環(huán)帶球晶結(jié)構(gòu)多孔POM材料。一方面，PLLA在POM片晶間填充，使得POM晶體框架與PLLA富集相在很寬的組份比例范圍內(nèi)均能夠維持較高的連續(xù)度，環(huán)帶球晶尺寸在微米/亞微米尺寸范圍可調(diào)。另一方面，PLLA在POM片晶間填充，尺寸處于納米尺度，可以根據(jù)結(jié)晶溫度，POM/PLLA組分比例等有效控制多孔材料的孔徑，并且與熱力學(xué)不相容共混體系(如聚苯乙烯/聚乳酸二元聚合物體系)相分離形成雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)相比，其相態(tài)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，最終得到孔徑尺寸也不會在退火過程中，發(fā)生孔徑增大的現(xiàn)象；

(2)本發(fā)明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底，一方面，利用PLLA組分的在POM/PLLA材料中特殊相結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)納米金屬粒子在聚合物基體中有序分布，增加“熱點”數(shù)，獲得額外的SERS增強(qiáng)效應(yīng)，使得檢測具有高靈敏度；另一方面，其表面微納米結(jié)構(gòu)的排列(球晶結(jié)構(gòu)單元及孔洞分布)具有統(tǒng)計學(xué)上的均一性；更重要是，微米尺寸的球晶結(jié)構(gòu)可以在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，從而能夠保證在基底的邊界范圍內(nèi)激光束總能聚焦于有效位點，使得檢測結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性；

(3)本發(fā)明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底，與傳統(tǒng)的溶膠型SERS基底相比，便于攜帶，且易于表面結(jié)構(gòu)修飾，能夠隨意剪裁；

(4)本發(fā)明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底制備方法，將POM/PLLA熔融共混薄膜與氨基修飾劑反應(yīng)，在引入氨基官能團(tuán)的同時實現(xiàn)了POM/PLLA共混薄膜的多孔化，步驟簡單，重復(fù)性好，適合批量生產(chǎn)。

(5)本發(fā)明提供的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底可應(yīng)用在羅丹明6G和葡萄糖檢測，跟現(xiàn)有檢測限比，靈敏度更高，特別是對羅丹明6G的檢測限可達(dá)到10^-19mol/L。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的經(jīng)胺解后的POM/PLLA聚合物基底的SEM圖，放大倍數(shù)1000倍；

圖2為本發(fā)明制備的含有納米金POM/PLLA聚合物基底的SEM圖，放大倍數(shù)1000倍；

圖3為本發(fā)明制備的含有納米金POM/PLLA聚合物基底的SEM圖，放大倍數(shù)25000倍；

圖4為本發(fā)明制備的含有納米金POM/PLLA聚合物基底的光學(xué)顯微鏡照片；

圖5為本發(fā)明制備的含有納米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底對羅丹明6G的表面增強(qiáng)拉曼譜圖；

圖6為本發(fā)明制備的含有納米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底對葡萄糖的表面增強(qiáng)拉曼譜圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于此。本發(fā)明實施例中所使用的試驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實施例中使用的材料，試劑，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。本發(fā)明未特別說明的百分比均為重量百分比。

實施例1：制備含有納米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：

(1)熔融共混制備聚甲醛/聚乳酸聚合物膜

將按50∶50重量比稱取POM和PLLA，然后倒入哈克混煉機(jī)內(nèi)，在190℃熔融共混。具體實驗操作如下：原料先在預(yù)混轉(zhuǎn)速為20rpm下混煉2min，接著在轉(zhuǎn)速50rpm下混煉5min；取出共混物后放在190℃平板硫化機(jī)上，待樣品充分熔融后，在40MPa下熱壓3min；之后快速的轉(zhuǎn)移到室溫的平板硫化機(jī)上40MPa下冷壓1min；制備得到厚度約為50μm的樣品薄片。通過熱臺控制樣品溫度，將上述樣品指的薄膜快速升溫到190℃恒溫10min以消除熱歷史，在10MPa下保壓3分鐘，取出片料。再降溫到141℃，達(dá)到溫度后在10MPa下保壓30分鐘。最后取出，冷壓90s，獲得POM/PLLA共混薄膜。

(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反應(yīng)

將壓制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入60mg/mL的己二胺/異丙醇溶液中反應(yīng)6h，反應(yīng)結(jié)束后，用純水以及乙醇交替反復(fù)洗滌薄膜，直至洗液呈中性。薄膜形貌采用掃描電鏡進(jìn)行觀察，如圖1所示，放大倍數(shù)1000倍。

(3)POM/PLLA膜表面納米Au原位生成

將胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入150ml，0.25mM的氯金酸水溶液中100℃反應(yīng)0.5h，之后高速攪拌的同時加入1ml檸檬酸三鈉水溶液(10％)反應(yīng)45min，反應(yīng)結(jié)束后將薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥備用。形貌采用掃面電鏡進(jìn)行觀察，如圖2(放大倍數(shù)1000倍)和圖3(放大倍數(shù)25000倍)所示。

實施例2：制備含有納米銀的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：

(1)熔融共混制備聚甲醛/聚乳酸聚合物膜

將按70∶30重量比稱取POM和PLLA，然后倒入哈克混煉機(jī)內(nèi)，在190℃熔融共混。具體實驗操作如下：原料先在預(yù)混轉(zhuǎn)速為20rpm下混煉2min，接著在轉(zhuǎn)速50rpm下混煉5min；取出共混物后放在190℃平板硫化機(jī)上，待樣品充分熔融后，在40MPa下熱壓3min；之后快速的轉(zhuǎn)移到室溫的平板硫化機(jī)上40MPa下冷壓1min；制備得到厚度約為50μm的樣品薄片。通過熱臺控制樣品溫度，將上述樣品指的薄膜快速升溫到190℃恒溫10min以消除熱歷史，，在10MPa下保壓3分鐘，取出片料。再降溫到141℃，達(dá)到溫度后在10MPa下保壓30分鐘。最后取出，冷壓90s，獲得POM/PLLA共混薄膜。

(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反應(yīng)

將壓制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入60mg/mL的己二胺/異丙醇溶液中反應(yīng)6h，反應(yīng)結(jié)束后，用純水以及乙醇交替反復(fù)洗滌薄膜，直至洗液呈中性。

(3)POM/PLLA膜表面納米銀原位生成

將胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入150ml，0.25mM的硝酸銀水溶液中100℃反應(yīng)0.5h，之后高速攪拌的同時加入1mL檸檬酸三鈉水溶液(10％)反應(yīng)20min，反應(yīng)結(jié)束后將薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥備用。

實施例3：制備含有納米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：

(1)熔融共混制備聚甲醛/聚乳酸聚合物膜

將按50∶50重量比稱取POM和PLLA，然后倒入哈克混煉機(jī)內(nèi)，在190℃熔融共混。具體實驗操作如下：原料先在預(yù)混轉(zhuǎn)速為20rpm下混煉2min，接著在轉(zhuǎn)速50rpm下混煉5min；取出共混物后放在190℃平板硫化機(jī)上，待樣品充分熔融后，在40MPa下熱壓3min；之后快速的轉(zhuǎn)移到室溫的平板硫化機(jī)上40MPa下冷壓1min；制備得到厚度約為50μm的樣品薄片。通過熱臺控制樣品溫度，將上述樣品指的薄膜快速升溫到190℃恒溫10min以消除熱歷史，，在10MPa下保壓3分鐘，取出片料。再降溫到141℃，達(dá)到溫度后在10MPa下保壓30分鐘。最后取出，冷壓90s，獲得POM/PLLA共混薄膜。

(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反應(yīng)

將壓制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入3％乙二胺/異丙醇溶液中反應(yīng)24h，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)結(jié)束后，用純水以及乙醇交替反復(fù)洗滌薄膜，直至洗液呈中性。

(3)POM/PLLA膜表面納米Au原位生成

將胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入0.1mM的氯金酸水溶液中常溫反應(yīng)6h，之后高速攪拌的同時加入1ml檸檬酸三鈉水溶液(5％)反應(yīng)30min，反應(yīng)結(jié)束后將薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥備用。

實施例4：制備含有納米銀的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底：

(1)熔融共混制備聚甲醛/聚乳酸聚合物膜

將按70∶30重量比稱取POM和PLLA，然后倒入哈克混煉機(jī)內(nèi)，在190℃熔融共混。具體實驗操作如下：原料先在預(yù)混轉(zhuǎn)速為20rpm下混煉2min，接著在轉(zhuǎn)速50rpm下混煉5min；取出共混物后放在190℃平板硫化機(jī)上，待樣品充分熔融后，在40MPa下熱壓3min；之后快速的轉(zhuǎn)移到室溫的平板硫化機(jī)上40MPa下冷壓1min；制備得到厚度約為50μm的樣品薄片。通過熱臺控制樣品溫度，將上述樣品指的薄膜快速升溫到190℃恒溫10min以消除熱歷史，，在10MPa下保壓3分鐘，取出片料。再降溫到141℃，達(dá)到溫度后在10MPa下保壓30分鐘。最后取出，冷壓90s，獲得POM/PLLA共混薄膜。

(2)POM/PLLA共混薄膜胺解反應(yīng)

將壓制得到的POM/PLLA薄膜裁剪成2cm×2cm小片，浸入12％己二胺/異丙醇溶液中反應(yīng)15h，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)結(jié)束后，用純水以及乙醇交替反復(fù)洗滌薄膜，直至洗液呈中性。

(3)POM/PLLA膜表面納米銀原位生成

將胺解后的POM/PLLA膜清洗干燥之后投入10mM的硝酸銀水溶液中常溫反應(yīng)24h，之后高速攪拌的同時加入1mL檸檬酸三鈉水溶液(6％)反應(yīng)120min，反應(yīng)結(jié)束后將薄膜取出，清洗干燥，真空40℃干燥備用。

實施例5：

將實施例1中步驟(3)氯金酸濃度更換為1mM，其他實驗條件不變，制備得到含有納米金的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底。

實施例6：

將實施例1中步驟(3)硝酸銀濃度更換為5mM，其他實驗條件不變，制備得到含有納米銀的聚甲醛/聚乳酸SERS聚合物基底。

應(yīng)用實施例7：含有納米金的聚甲醛/聚乳酸聚合物基底用于羅丹明6G的SERS檢測

配置0.1mol/L的羅丹明6G水溶液，并通過逐級稀釋的方法配置一系列濃度溶液。用移液槍吸取20μL不同濃度的羅丹明6G溶液滴加到含有納米金的POM/PLLA聚合物基底上，使用顯微拉曼光譜儀進(jìn)行檢測，在顯微鏡下該基底環(huán)帶球晶花紋可見，如圖4所示，從電子顯微鏡照片(圖3)可見，其表面納米孔洞的排列具有統(tǒng)計學(xué)上的均一性，從而能夠保證在基底的環(huán)帶球晶的邊界范圍內(nèi)激光束總能聚焦于有效位點，掃描區(qū)域如圖4中方框所在區(qū)域內(nèi)。從而使得測試結(jié)果具有良好的重復(fù)性，特征峰強(qiáng)的RSD值均小于20％；拉曼激發(fā)光波長為785nm，激光功率為1mW，累計時間10S，檢測結(jié)果如圖5所示。圖中曲線從上到下依次是濃度為1×10^-4mol/L、1×10^-6mol/L、1×10^-12mol/L、1×10^-17mol/L、1×10^-19mol/L

應(yīng)用實施例8：含有納米金的聚甲醛/聚乳酸聚合物基底用于葡萄糖的SERS檢測

配置0.1mol/L的葡萄糖水溶液，并通過逐級稀釋的方法配置一系列濃度溶液。用移液槍吸取20μL不同濃度的葡萄糖溶液滴加到含有納米金的POM/PLLA聚合物基底上，使用顯微拉曼光譜儀進(jìn)行檢測，拉曼激發(fā)光波長為785nm，激光功率為1mW，累計時間10S，檢測結(jié)果如圖6所示。圖中曲線從上到下依次是濃度為1×10^-3mol/L、1×10^-4mol/L、1×10^-5mol/L、1×10^-6mol/L、1×10^-7mol/L、1×10^-8mol/L、1×10^-9mol/L，特征峰強(qiáng)的RSD值均小于20％。

上述實施例并非是對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。