阅读说明：本技术 一种特异性检测Ni2+的表面增强拉曼光谱基底及其制备方法和应用 (surface-enhanced Raman spectroscopy substrate for specifically detecting Ni 2+ and preparation method and application thereof ) 是由 张谦 曹雪 张玲 夏立新 孙谦 康博淳 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种特异性检测金属Ni~(2+)的表面增强拉曼光谱基底及其制备方法和应用所述表面增强拉曼光谱基底的制备方法如下：在磁力搅拌下,将NaBH_4加入到的AgNO_3溶液中,得到亮黄色AgNPs溶液,继续搅拌5min后备用,得到AgNPs溶液；将的谷胱甘肽和L-半胱氨酸加入到AgNPs溶液中搅拌,得到目标产物。通过不同浓度的二价镍离子与GSH-Cys-AgNPs中氨基与羧酸基团强力结合,实现纳米基底的不同程度的聚集,通过检测特征峰的拉曼信号来反映Ni~(2+)的浓度。本发明方法具有工艺简单、可操作性强等优点,对制备高性能表面增强拉曼光谱基底具有借鉴意义。(The invention discloses a surface-enhanced Raman spectrum substrate for specifically detecting metal Ni 2+ , a preparation method thereof and a preparation method applying the surface-enhanced Raman spectrum substrate.)

一种特异性检测Ni2+的表面增强拉曼光谱基底及其制备方法 和应用

技术领域

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Ni²⁺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。

镍是生物群的重要组成部分，具有重要的生物功能。它可以与氨基酸、多肽、磷酸盐等生物配体模型如核酸形成复合物，在各种酶活性中发挥重要作用，如氢化酶、超氧化物歧化酶、弱还原性双加氧酶、乙酰辅酶、一氧化碳脱氢酶、催化过程等。然而，我们所需要的镍量是非常少的，镍离子在任何一种生物体中过量都可能导致不良的健康影响，如皮炎，过敏，致癌，甚至细胞死亡。因此，工业、环境和食品样品中Ni²⁺的检测和定量变得越来越重要。目前检测Ni²⁺的方法主要有分光光度法和电位法。这些方法检测周期长，造成人力物力的消耗使成本高，因此需要运用成本低，灵敏度高，操作简单的方法实现Ni²⁺的检测。

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Ni²⁺的表面增强拉曼光谱基底具有现实的意义。

发明内容

本发明的目的在于通过表面增强拉曼散射光谱技术实现对二价镍离子的选择性检测。

本发明采用的技术方案是：一种特异性检测Ni²⁺的表面增强拉曼光谱基底，所述表面增强拉曼光谱基底是以还原型谷胱甘肽和L-半胱氨酸修饰的银纳米粒子制备的基底。

上述的一种特异性检测Ni²⁺的表面增强拉曼光谱基底的制备方法，包括如下步骤：

1)在750r/min磁力搅拌下，将NaBH₄加入到的AgNO₃溶液中，得到亮黄色AgNPs溶液，继续搅拌5min后备用，得到AgNPs溶液；

2)将的谷胱甘肽和L-半胱氨酸加入到步骤1)制备的AgNPs溶液中搅拌，得到目标产物。

上述的一种特异性检测Ni2+的表面增强拉曼光谱基底的制备方法，反应全部在冰水浴条件下进行。

上述的一种特异性检测Ni²⁺的表面增强拉曼光谱基底的制备方法，按摩尔比，NaBH₄：AgNO₃＝1：0.03-0.06。

上述的一种特异性检测Ni²⁺的表面增强拉曼光谱基底的制备方法，按摩尔比，谷胱甘肽：L-半胱氨酸：AgNPs＝1：4-6：80-90。

上述的一种特异性检测Ni²⁺的表面增强拉曼光谱基底的制备方法，所述的搅拌时间为1-3h。

上述的表面增强拉曼光谱基底在特异性检测Ni²⁺中的应用。

上述的应用，方法如下，于上述的表面增强拉曼光谱基底中，加入含有Ni²⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅片上，进行拉曼光谱检测，观察797cm^-1与1639cm^-1处拉曼信号峰强度的变化。

上述的应用，利用表面增强拉曼光谱基底定量检测Ni²⁺，方法如下，于上述的表面增强拉曼光谱基底中，加入含有Ni²⁺的溶液，搅拌均匀后，置于硅片上，进行拉曼光谱检测，测定797cm^-1与1639cm^-1处拉曼信号峰强度，计算I_797cm ^-1/I_1639cm ^-1比值。

上述的应用，所述的含有Ni²⁺⁺的溶液是Ni²⁺标准溶液或含有Ni²⁺的待测样品溶液；Ni²⁺溶液是浓度为1×10^-8mol/L-1×10^-3mol/L。

本发明的原理是：以还原型谷胱甘肽和L-半胱氨酸修饰的银纳米粒子，合成了新型的表面增强拉曼基底材料，二价镍离子与修饰后的银纳米粒子表面氨基和羧酸基团进行识别后，与经过修饰的银纳米基底材料团聚，不同浓度的二价镍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增强，实现二价镍离子的选择性检测。

本发明具有如下有益效果

1、本发明，由于不同浓度的二价镍离子与还原型谷胱甘肽和L-半胱氨酸修饰的银纳米粒子的表面基团的识别结合，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增强，实现对基底拉曼信号的检测，从而对二价镍离子进行定性或定量检测。

2、本发明设计合成的还原型谷胱甘肽和L-半胱氨酸修饰的银纳米粒子基底材料，具有稳定性好、灵敏度高的优点，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GSH-Cys-AgNPs的动态光散射图(DLS)。

图2是实施例1加入不同浓度Ni²⁺GSH-Cys-AgNPs的动态光散射的柱状图。

图3a是实施例1制备的GSH-Cys-AgNPs的Zeta电位图。

图3b是实施例1加入7×10^-5mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的Zeta电位图。

图4a是实施例1制备的GSH-Cys-AgNPs的紫外-可见吸收光谱图(UV-vis)。

图4b是实施例1制备的加入1.0×10^-8mol/L-1.0×10^-3mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的紫外-可见吸收光谱图(UV-vis)。

图5是实施例1中GSH，Cys与GSH-Cys-AgNPs红外光谱图(FT-IR)；

其中a是GSH；b是Cys；c是GSH-Cys-AgNPs。

图6是实施例1制备的GSH-Cys-AgNPs与加入7×10^-5mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的X-射线粉末衍射图(XRD)

其中a是GSH-Cys-AgNPs；b是GSH-Cys-AgNPs。

图7是实施例1中GSH，Cys，GSH-Cys-AgNPs(c)和加入5×10^-5mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的SERS光谱图；

其中a是GSH，b是Cys，c是GSH-Cys-AgNPs，d是加入5×10^-5mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs。

图8是实施例1中加入1.0×10^-8mol/L-5×10^-4mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs SERS光谱图。

图9是实施例1中加入1.0×10^-8mol/L-5×10^-4mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs SERS光谱中I_797cm ^-1/I_1639cm ^-1线性拟合图。

图10是实施例2中加入不同种类金属离子的GSH-Cys-AgNPs SERS光谱图。

图11是实施例2中加入不同种类金属离子的GSH-Cys-AgNPs柱状图。

具体实施方式

实施例1。

(一)特异性检测Ni²⁺的表面增强拉曼光谱基底GSH-Cys-AgNPs的制备

制备方法:冰水浴中750r/min磁力搅拌下，将0.004g NaBH₄加入到44ml 0.1mM的AgNO₃溶液中，得到亮黄色AgNPs溶液，继续搅拌5min后备用，将1000μl 50μM的谷胱甘肽(GSH)和5000μl 50μM的L-半胱氨酸(Cys)加入到制备好的AgNPs溶液中搅拌2h，确保GSH和Cys完全自组装到AgNPs表面。反应结束后，把冰槽取走使溶液达到室温。

(二)表面增强拉曼光谱基底GSH-Cys-AgNPs对Ni²⁺的响应

方法：分别在15mL离心管中，加入5mL制备的GSH-Cys-AgNPs溶液，然后分别加入50μL浓度范围为1.0×10^-8mol/L-1.0×10^-3mol/L的Ni²⁺溶液，加入三次蒸馏水稀释到10mL，混合均匀，震荡6min后备用。

1、图1是GSH-Cys-AgNPs的动态光散射图(DLS)。由图1可见，谷胱甘肽和L-半胱氨酸修饰的银纳米粒子粒径较小并且比较均一，平均10nm，图中半峰宽较小更进一步说明谷胱甘肽和L-半胱氨酸修饰纳米粒子具有良好的稳定性，并且使粒径较集中。

2、图2是加入不同浓度Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的柱状图。通过对比图1和图2，加入2.5×10^-8mol/L,7×10^-8mol/L,5×10^-7mol/L,7×10^-7mol/L,2.5×10^-6mol/L,5×10^-6mol/L,1×10^-6mol/L,5×10^-5mol/L,1×10^-4mol/L,5×10^-4mol/L,7×10^-4mol/L Ni²⁺后银纳米粒子的粒径依次增大为26.36nm,29.02nm,38.78nm,41.50nm,43.31nm,54.01nm,56.10nm,62.41nm,73.73nm,107.30nm,114.10nm。表明Ni²⁺的加入使银纳米粒子明显团聚，粒径增大。

3、图3a是GSH-Cys-AgNPs的Zeta电位图。由图3a可见GSH-Cys-AgNPs表面电荷呈负电性，Zeta电位值是-11.1mV，由于GSH和Cys的修饰使银纳米结构表面呈现负电荷。

4、图3b是加入7×10^-5mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的Zeta电位图。由图3b可见，7×10^-5mol/L Ni²⁺的加入，Zeta电位值是-15.1mV说明银纳米粒子表面仍然呈现负电荷。

5、图4a是GSH-Cys-AgNPs的紫外-可见吸收光谱图(UV-vis)。图4b是加入50μL浓度为0、1.0×10^-8mol/L-1.0×10^-3mol/L Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的紫外-可见吸收光谱图(UV-vis)。由图4a可见，GSH和Cys修饰的银纳米粒子在405nm左右出现明显银纳米粒子形成的特征吸收峰，说明成功合成了银纳米粒子。从图4b可以看到随着Ni²⁺浓度的增加，溶液颜色由亮黄色变为橙色最后变为紫色，在405nm处的峰逐渐降低，在520nm处出现新峰，并逐渐变大，可能是Ni²⁺的加入引起聚集程度变大导致的。

6、图5是GSH(a),Cys(b)与GSH-Cys-AgNPs(c)红外光谱图(FT-IR)。从图中GSH和Cys的-SH键的特征峰2521.66和2548.76cm^-1明显消失。结果表明，GSH和Cys通过-SH基团成功地修饰到AgNPs表面。

7、图6是GSH-Cys-AgNPs与加入7×10^-5mol/L Ni²⁺GSH-Cys-AgNPs的X-射线粉末衍射图(XRD)。在图6中，可知银纳米粒子在38.00°,44.51°,64.40°,77.50°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，表明成功合成了银纳米粒子。加入7×10^-5mol/L Ni²⁺后也在38.00°,44.51°,64.40°,77.50°出现4个特征衍射峰，与银的4个晶面(111),(200),(220),(311)分别对应。由此得出，加入Ni²⁺前后，都出现Ag的衍射峰，并且两者位置完全相同,表明合成的Ag中没有其他杂质,Ni²⁺的加入不改变银的晶体结构。

8、图7是谷胱甘肽(a),半胱氨酸(b)的拉曼光谱和GSH-Cys-AgNPs(c)以及添加5×10^-5mol/L Ni²⁺GSH-Cys-AgNPs(d)的SERS光谱图。由图7中GSH-Cys-AgNPs曲线可以看出，在655cm^-1处的宽频带为CS拉伸，但也有可能这一条带含有一定的COO^-振动的贡献。484cm^-1较强的谱带较难解释，我们认为这可能与表面氧拉伸振动有关。COO^-在797cm^-1处出现形变带，C-COO^-在922cm^-1处出现形变带。C-COO^-和C-COOH中C-C的拉伸所产生的在928cm^-1的条带较宽，1056cm^-1为CN的拉伸条带。在1150cm^-1处属于C-O不对称拉伸振动，1400cm^-1左右COO^-对称拉伸不明显。这种振动可能不会因为其相对于金属表面的方向而增强。羰基在1639cm^-1处峰为伸缩振动。对比c和d的两条曲线，可以发现特征峰的峰形没有变化，在797cm^-1和1639cm^-1处的拉曼信号明显增强。结果表明，Ni²⁺的加入使纳米粒子聚集，使谷胱甘肽和半胱氨酸拉曼信号增强。

9、图8是加入不同浓度Ni²⁺的GSH-Cys-AgNPs的SERS光谱图。由图8可见，GSH-Cys-AgNPs中加入不同浓度镍离子后，从拉曼曲线中可以看到在797cm^-1与1639cm^-1处修饰在AgNPs表面的GSH和Cys的拉曼信号峰强度比值呈递增趋势。说明Ni²⁺的加入引起银纳米粒子的聚集导致修饰在AgNPs表面的GSH和Cys的拉曼信号的增强。

10、图9是根据图8取797cm^-1和1639cm^-1处修饰在AgNPs表面的GSH和Cys的拉曼信号，计算797cm^-1和1639cm^-1峰强度比值(I_797cm ^-1/I_1639cm ^-1)，以I_797cm ^-1/I_1639cm ^-1为纵坐标，以Ni^{2 +}浓度为横坐标，线性拟合图如图9所示。由图9可见，Ni²⁺浓度在1×10^-8mol/L-5×10^-4mol/L范围内拟合曲线呈线性关系，线性方程为y＝0.01168x+0.46929，R²＝0.99209。

(三)表面增强拉曼光谱基底GSH-Cys-AgNPs对Ni²⁺的特异性

方法：分别在16支15mL离心管中，加入5mL制备的GSH-Cys-AgNP悬浊液，然后分别加入50μL浓度为1×10^-4mol/L的Ca²⁺,K⁺,Na⁺,Mg²⁺,Sr²⁺,Sn²⁺,Co²⁺,Cu²⁺,Mn²⁺,Fe²⁺,Hg²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Al³⁺,Zn²⁺,Ni²⁺等金属离子，加入三次蒸馏水稀释到10mL,震荡6min之后进行拉曼光谱检测。

图10是不同种类金属离子对GSH-Cys-AgNPs的SERS光谱图。

图11是不同种类金属离子对GSH-Cys-AgNPs拉曼峰强度比的柱状图。为了测定其他离子是否会对Ni²⁺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(Mg^{2 +},Sr²⁺)以及过渡金属离子(Mn²⁺,Fe²⁺,Co²⁺)还有其他金属离子(Sn²⁺)对共存离子干扰性进行检测。由图11柱状图，可以更直观的看到加入Ni²⁺后，I_797cm ^-1/I_1639cm ^-1两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纳米材料对Ni²⁺的特异性检测。

实施例2。

表面增强拉曼光谱基底GSH-Cys-AgNPs定量检测Ni²⁺

(一)标准曲线绘制

方法:于250mL圆形烧瓶中，冰水浴中强烈磁力搅拌下，将0.004g NaBH₄加入到44ml 0.1mM的AgNO₃溶液中，得到亮黄色AgNPs溶液，继续搅拌5min后备用，将1000μl 50μM的谷胱甘肽(GSH)和5000μl 50μM的L-半胱氨酸(Cys)加入到制备好的AgNPs溶液中搅拌约2h,确保GSH和Cys完全自组装到AgNPs表面。反应结束后，把冰槽拿走使溶液达到室温。

分别在15mL离心管中，加入5mL制备的GSH-Cys-AgNPs，然后分别加入50μL不同浓度的Ni²⁺标准溶液，加入蒸馏水定容至10mL，混合均匀，将一系列标准浓度分别为1×10^{- 8}mol/L-1.0×10^-3mol/L的Ni²⁺溶液加入到待测GSH-Cys-AgNPs溶液，震荡6min后备用。

将待测GSH-Cys-AgNPs溶液滴入硅片上，置于拉曼光谱仪中，于入射测试波长532nm下进行检测。

(二)实际样品测定

方法：在15mL离心管中，加入5mL制备的GSH-Cys-AgNPs，然后加入50μL含有不同浓度Ni²⁺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，置于拉曼光谱仪中，于入射测试波长532nm下进行检测，计算797cm^-1和1639cm^-1峰强度比值(I_797cm ^-1/I1639_cm ^-1)，根据线性方程即可计算出样品中Ni²⁺的浓度。