一种Au@Ag-PATP@ZIF-8核壳SERS基底及其制备和应用
本发明属于化学分析检测领域，涉及一种sers基底的制备方法及其应用，特别涉及一种au@ag-patp@zif-8核壳sers基底及其制备方法和在水体含磷污染物检测中的应用。
背景技术：
1、磷酸盐是水体环境的主要营养盐之一，其浓度的检测有助于水质状况评估、农业和城市污水排放管理，并对预防水体富营养化大有裨益。一方面，对人体健康而言，长期过量摄入磷元素会影响钙的吸收，从而增加骨质疏松等风险，同时磷酸盐的过量摄入还可能与心血管疾病相关；另一方面，水环境营养过剩会致使藻类数量急剧增长，引起水体中溶氧量降低，从而影响水体中需氧生物生存，引起生态系统失衡。因此，对水环境中的磷酸盐含量进行监测是势在必行的举措。目前磷酸盐的检测方法主要有荧光分光光度计法、离子色谱法、还原法和分光光度法等，以上检测方法虽然技术成熟，结果较为准确，但都具有相应的缺点，如设备成本高、前处理步骤复杂、对检测者专业素质要求高以及易受其他物质干扰等，因而影响了它们的大规模应用。
2、表面增强拉曼散射(sers)技术作为一种灵敏性高、检测速度快以及具有良好的特异性和指纹性等优势的光谱分析技术，在环境污染监测、食品安全检测以及人体健康检测等许多重要领域取得了广泛且良好的实际应用效果。以金纳米颗粒为代表的传统sers基底具有制备简单以及形貌可调的优点，但其不具有各向异性，因而缺乏sers“热点”，其次金纳米颗粒调节局域等离子体共振(lspr)波段的方式不够灵活，且其化学性质不稳定，易在检测物的存在下发生聚沉，从而影响其检测限。因此，开发新的灵活可控调节lspr波段、化学性质稳定以及灵敏度高的sers基底仍是目前急需解决的问题。
3、金属有机框架(mofs)是一种新型多孔材料，具有稳定性好、孔径大小可控以及可修饰点位多等优势。研究表明，mofs可以有效稳定贵金属纳米颗粒并且可以有效富集待测物。其中沸石咪唑类金属有机框架(zif-8)因制备条件温和、化学稳定性好而被广泛应用。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种au@ag-patp@zif-8核壳sers基底的制备方法。
2、本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的au@ag-patp@zif-8核壳sers基底。该基底具有灵敏度高、重复性好、抗干扰能力强、检测速度快等优点。
3、本发明的再一目的在于提供上述au@ag-patp@zif-8核壳sers基底的应用。
4、本发明中，zif-8在磷酸盐存在下会发生降解，这是由于相比于zif-8的有机配体2-甲基咪唑，磷酸盐与锌离子可以形成更稳定的化合物，从而导致zif-8有机框架的裂解。当au@ag-patp@zif-8暴露在磷酸盐环境下时，zif-8结构崩塌，导致zif-8对au@ag-patpnrs拉曼信号的屏蔽作用减弱，表现出sers信号随着磷酸盐浓度的增加而逐渐增强，从而达到对磷酸盐的高灵敏检测。解决了贵金属纳米颗粒对磷酸盐吸附性差以及现有检测技术过程繁琐、成本高、耗时长等问题。
5、本发明的目的通过下述技术方案实现：
6、一种au@ag-patp@zif-8核壳sers基底的制备方法，包括以下步骤：
7、(1)通过种子生长法合成金纳米棒(au nrs)；
8、(2)在步骤(1)合成的金纳米棒(au nrs)外层包裹一层银壳，制得形貌均一、分散性良好的au@ag nrs；
9、(3)将拉曼信号分子patp修饰在步骤(2)中的au@ag nrs上，得到au@ag-patp nrs；
10、(4)通过锌离子和2-甲基咪唑的配位反应，在步骤(2)得到的au@ag-patp nrs外侧构建zif-8保护层，制备得到au@ag-patp@zif-8核壳sers基底；
11、步骤(1)中所述的金纳米棒(au nrs)的长轴尺寸为60～80nm，短轴尺寸为15～25nm，长径比为(2.4～5.4)：1，优选的，步骤(1)中所述金纳米棒(au nrs)的长轴尺寸为70±5nm，短轴尺寸为20±2nm，长径比为7：2。
12、作为优选，本发明所述步骤(1)的具体包括如下步骤：
13、(1.1)金种子合成阶段：将10mm haucl4溶液滴加到0.1m ctab溶液中，搅拌；然后将预先冷却的0.01m nabh4加入上述溶液中，继续搅拌后静置，得金种子溶液；
14、所述的haucl4溶液、ctab溶液、nabh4溶液的体积比为1：(30～50)：(2～4)；优选为1：40：2.8。
15、所述的搅拌速率为500～1000rpm；优选为700rpm。
16、所述的搅拌的时间为5～10min；优选为5min。
17、所述的继续搅拌的时间为5～10min；优选为5min。
18、所述的静置时间为1～3h；优选为2h。
19、所述的静置的温度为30±1℃。
20、(1.2)金纳米棒合成阶段：将ctab和油酸钠溶于水中，溶解后加入0.01m agno3溶液，搅拌后静置，加入超纯水和10mm haucl4水溶液，继续反应，然后加入1m盐酸，搅拌后加入0.1m抗坏血酸溶液，搅拌后加入(1.1)中制备好的金种子溶液，继续搅拌，最后将溶液静置；
21、所述的ctab和油酸钠的质量比为(4～7)：1；优选为5.7：1。
22、进一步的，将ctab和油酸钠溶于60ml水中，更进一步的，将1.68g ctab和0.2952g油酸钠溶于60ml水中。
23、所述的agno3溶液、超纯水、haucl4水溶液、盐酸、抗坏血酸溶液、金种子溶液的体积比为(20～40)：(400～700)：(50～70)：(50～70)：1：1；优选为28：573：62：62：1：1。
24、进一步的，将ctab和油酸钠的溶于水中得到的水溶液与haucl4水溶液的体积比为(8～12)：1；优选为10：1。
25、所述的搅拌速率为500～1000rpm；优选为700rpm；
26、所述的搅拌后静置，搅拌时间为5～10min，优选为5min；静置时间为10～20min，优选为10min。
27、所述的继续反应时间为1～3h；优选为1.5～2h。
28、所述的搅拌后加入0.1m抗坏血酸溶液，搅拌时间为10～20min，优选为15min。
29、所述的搅拌后加入(1.1)中制备好的金种子溶液，搅拌时间为2～5min，优选为2min。
30、所述的继续搅拌时间为2～5min，优选为2min。
31、最后将溶液在30±1℃静置12h以上；进一步的，所述的静置时间为12～36h；优选为12h。
32、(1.3)将(1.2)中静置结束的溶液离心洗涤并重悬于超纯水中，0～8℃(优选4℃)保存，得到au nrs溶液。
33、所述的离心洗涤条件为8000～10000rpm离心5～15min；优选为10000rpm离心12min，洗涤所用的溶液为超纯水，洗涤次数为1～3次(优选为2次)。
34、所述的超纯水与将ctab和油酸钠的溶于水中得到的水溶液的体积比为(1.5～2.5)：1；优选为2：1。
35、步骤(2)中所述au@ag nrs中银壳的横向壳层厚度为10～20nm，纵向壳层厚度为1～10nm，优选的，步骤(2)中所述au@ag nrs中银壳的横向壳层厚度为14±3nm，纵向壳层厚度为5±2nm。
36、进一步，步骤(2)中所述au@ag nrs长轴尺寸为70～90nm，短轴尺寸为40～60nm，长径比为(1.17～2.25)：1，优选的，步骤(2)中所述au@ag nrs长轴尺寸为80±5nm，短轴尺寸为45±5nm，长径比为1.78：1。
37、作为优选，本发明所述步骤(2)的具体包括如下步骤：
38、(2.1)将0.16m ctac溶液加入到步骤(1)的已制备好的au nrs溶液中，离心后重悬于超纯水中；
39、所述的ctac溶液和au nrs溶液的体积比为1：(100～300)；优选为1：200。
40、所述的离心条件为5000～10000rpm离心5～15min；优选为7000rpm离心10min。
41、所述的超纯水与au nrs溶液的体积比为(1～3)：1；优选为2：1。
42、(2.2)在(2.1)所得的重悬后的au nrs溶液中加入0.16m ctac溶液，在搅拌下依次加入0.1m抗坏血酸溶液和0.01m agno3溶液，搅拌后恒温反应；
43、所述的重悬后的au nrs溶液、ctac溶液、抗坏血酸溶液、agno3溶液的体积比为(4～7)：(4～7)：1：1；优选为5.7：5.7：1：1。
44、所述的搅拌速率为500～1000rpm；优选为700rpm。
45、所述的搅拌后恒温反应，搅拌时间为5～15min，优选为10min，恒温反应的温度为60±1℃。
46、所述的恒温反应时间为2～4h；优选为3h。
47、(2.3)反应结束后离心洗涤并重悬于超纯水中，避光0～8℃(优选4℃)保存，得到au@ag nrs溶液。
48、所述的离心洗涤条件为5000～10000rpm离心10～30min；优选为8500rpm离心20min，洗涤所用的溶液为超纯水，洗涤次数为1～3次(优选为2次)。
49、所述的超纯水与步骤(2.1)的au nrs溶液的体积比为(0.5～2)：1，优选为1：1。
50、步骤(3)中的拉曼信号分子为patp(对氨基苯硫酚)、4-mba(4-巯基苯甲酸)、mba(2-巯基苯甲酸)或4-mpy(4-巯基吡啶)，优选为patp。
51、作为优选，本发明所述步骤(3)的具体包括如下步骤：
52、将patp乙醇溶液加入到步骤(2)中制备好的au@ag nrs溶液中，充分反应后加入0.16m ctac溶液，离心并重悬于超纯水中，避光0～8℃(优选4℃)保存，得到au@ag-patpnrs溶液。
53、所述的patp乙醇溶液浓度为1～10mm；优选为5mm。
54、所述的patp乙醇溶液、au@ag nrs溶液、ctac溶液的体积比为(50～100)：(200～800)：1；优选为80：500：1。
55、所述的反应时间为1～3h；优选为1.5h。
56、所述的离心条件为5000～10000rpm离心10～30min；优选为8000rpm离心20min。
57、所述的超纯水与au@ag nrs溶液的体积比为(0.2～2)：1，优选为1：1。
58、优选的，步骤(4)中所述zif-8保护层的厚度为100～250nm，优选为180±15nm。
59、作为优选，本发明所述步骤(4)的具体包括如下步骤：
60、(4.1)将1mm ctab溶液加入1.32m 2-甲基咪唑溶液中，搅拌后依次加入24mmznno3·6h2o溶液和步骤(3)所制备的au@ag-patp nrs溶液，搅拌后室温静置；
61、所述的ctab溶液、2-甲基咪唑溶液、znno3·6h2o溶液、au@ag-patp nrs溶液的体积比为1：(5～10)：(5～10)：(5～10)；优选为1：7：7：7。
62、所述的搅拌速率为500～1000rpm；优选为700rpm。
63、所述的搅拌后依次加入，搅拌时间为5～10min，优选为5min。
64、所述的搅拌后室温静置，搅拌时间为5～20min，优选为10min。
65、所述的室温温度为20～35℃，优选为25±1℃。
66、所述的静置时间为1～6h；优选为3h。
67、(4.2)离心洗涤并重悬于甲醇中，0～8℃(优选4℃)保存，得到au@ag-patp@zif-8核壳sers基底。
68、所述的离心洗涤条件为3000～8000rpm离心5～15min；优选为5000rpm离心10min，洗涤所用的溶液为甲醇，洗涤次数为1～3次(优选为2次)。
69、所述的甲醇与au@ag-patp nrs溶液的体积比为(5～20)：1，优选为10：1。
70、一种au@ag-patp@zif-8核壳sers基底，通过上述制备方法制备得到。
71、上述au@ag-patp@zif-8核壳sers基底在水体含磷污染物检测中的应用。
72、一种利用au@ag-patp@zif-8核壳sers基底检测水体含磷污染物的方法，包括以下步骤：
73、(a)用超纯水配制不同浓度的磷酸盐溶液；将不同浓度的磷酸盐溶液与au@ag-patp@zif-8核壳sers基底混合，室温下充分反应；反应结束后将所得溶液进行sers测试，检测得到patp的拉曼信号；根据patp在1062cm-1或1579cm-1处的特征信号作磷酸盐浓度和sers信号强度变化量的工作曲线，其中0μm为空白对照(control)，sers信号强度变化量为相同特征信号下，不同浓度的磷酸盐溶液的sers信号强度与空白对照的sers信号强度之差；
74、(b)将待测样本与au@ag-patp@zif-8核壳sers基底混合，室温下充分反应；反应结束后将所得溶液进行sers测试，检测得到待测样本的patp的拉曼信号，计算待测样本的sers信号强度变化量；其中将待测样本替换为等体积的水作为空白对照，待测样本的sers信号强度变化量为相同特征信号下，待测样本的sers信号强度与空白对照的sers信号强度之差；
75、(c)将步骤(b)得到的待测样本的sers信号强度变化量带入步骤(a)所确定的工作曲线中，测定待测样本中的po43-浓度。
76、作为优选，所述的室温下充分反应的时间为30min以上；进一步为1h。
77、作为优选，步骤(a)中所述的不同浓度的磷酸盐溶液的浓度梯度为8～10个梯度，进一步为9个梯度；
78、作为优选，步骤(a)中所述的磷酸盐溶液的浓度范围为1×10-10m～1m；进一步为0.1mm～1m，更进一步为1～1250μm。
79、作为优选，步骤(a)中，不同浓度的磷酸盐溶液与au@ag-patp@zif-8核壳sers基底溶液的体积比为(0.5～2)：1，进一步为1：1。
80、作为优选，步骤(b)中，待测样本与au@ag-patp@zif-8核壳sers基底溶液的体积比为(0.5～2)：1，进一步为1：1。
81、作为优选，步骤(b)中所述的待测样本为含磷污染物的水体，包括自来水、地下水、河流、湖泊、池塘、水库、沼泽或海洋样品等。
82、磷酸盐与au@ag-patp@zif-8材料混合后，由于磷酸根离子与zif-8原配位离子2-甲基咪唑的竞争反应使zif-8骨架裂解从而释放出被包裹的au@ag-patp nrs，从而显示出随着磷酸盐浓度的增加，拉曼光谱中1062cm-1和1579cm-1处峰强度增加的现象，1062cm-1和1579cm-1处峰强度变化量与磷酸盐浓度呈线性关系。
83、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
84、1、本发明通过种子生长法合成了形貌均一、分散性良好的银包金纳米棒，其不仅可以通过调节纳米棒的尺寸以及纵向和横向的比例实现对lspr波段的灵活调谐，并且相比于单独的金纳米棒，在外层包裹银壳可以发挥金银的协同作用，且银壳厚度对sers信号有较大影响，银壳太薄无法完全发挥双金属的协同作用，银壳太厚又会屏蔽金核的sers增强效应，本发明所合成的银包金纳米棒银壳厚度适中，可显著增强sers信号，因而可以达到更高的灵敏度。
85、2、本发明利用锌离子和2-甲基咪唑的配位作用在银包金纳米棒外层构建物理屏障zif-8保护层，相比于单独的贵金属纳米颗粒，zif-8保护层的存在下可以有效避免贵金属纳米粒子的随机聚集，大大增强了贵金属纳米粒子的化学稳定性，极大提高了检测重现性、稳定性和抗干扰能力。
86、3、常规sers贵金属基底对磷酸根离子吸附能力弱，且磷酸根离子的拉曼散射截面小，从而常规的sers基底直接与磷酸根离子结合的检测方法灵敏度低，不能达到痕量检测。本发明利用磷酸盐与zif-8的原配位离子2-甲基咪唑之间的竞争关系而达到检测目的，同时zif-8也有效富集了待测物分子，提高了检测的准确性、灵敏度和选择性。相比于2-甲基咪唑，磷酸盐与zif-8中的锌离子之间的配位作用更强，因此使得体系中形成不溶性磷酸锌盐，从而致使zif-8骨架裂解，进而使被zif-8包裹的au@ag-patp nrs逐渐被释放，使之前由于zif-8包裹而被屏蔽的sers信号逐渐恢复，因此从光谱仪上可以观察到随着磷酸盐浓度的增加，sers信号逐渐增强。zif-8壳层厚度对磷酸盐的检测有较大影响，zif-8壳层厚度太薄则对au@ag-patp nrs的sers信号掩蔽程度较弱，导致在磷酸盐存在下zif-8裂解后sers信号恢复不明显，从而灵敏度降低；zif-8壳层太厚则其裂解所需的磷酸盐浓度较高，也将导致灵敏度下降。本发明所合成的au@ag-patp@zif-8的zif-8壳层厚度适中，对磷酸根离子具有较低的检测限以及较高的灵敏度，本发明为磷酸盐的检测提供了新的技术方法。
87、4、本发明所制备的sers基底对磷酸盐具有良好的抗干扰性、重复性及稳定性，在30天内sers性能可以保持较好的一致性且在一系列阴离子和阳离子等干扰离子的存在下对磷酸盐具有较好的选择性，该方法的检出限对应于1062cm-1处可达0.3μm，对应于1579cm-1处可达0.6μm，且在1～1250μm范围内sers信号强度对磷酸盐的浓度具备良好的线性响应，r2对应于1062cm-1处可达到0.992，对应于1579cm-1处可达到0.996，相比于现有检测磷酸盐的技术(如电化学法、荧光法等)，该方法具有重复性高、稳定性好、选择性强、仪器简单、检测时间短等特点，且该方法具有较低的检测限、较高的线性响应和较宽的检测范围。
88、5、本发明的检测原理为磷酸盐与zif-8的原配位离子2-甲基咪唑的竞争反应，因而可以使用任一拉曼报告分子，不用特意选择针对磷酸盐的识别探针。
89、6、本发明实现了对水体含磷污染物的快速准确检测，有潜力应用于预防水体富营养化以及水质检测方面的现场快速检测，具有良好的应用前景。
技术特征：
1.一种au@ag-patp@zif-8核壳sers基底的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
7.一种au@ag-patp@zif-8核壳sers基底，其特征在于：通过权利要求1～6任一项所述的制备方法制备得到。
8.权利要求7所述的au@ag-patp@zif-8核壳sers基底在水体含磷污染物检测中的应用。
9.一种利用权利要求7所述的au@ag-patp@zif-8核壳sers基底检测水体含磷污染物的方法，其特征在于：包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
技术总结
本发明公开一种Au@Ag‑PATP@ZIF‑8核壳SERS基底及其制备和应用。本发明所制备的SERS基底对磷酸盐具有良好的抗干扰性、重复性及稳定性，在30天内SERS性能可以保持较好的一致性且在一系列阴离子和阳离子等干扰离子的存在下对磷酸盐具有较好的选择性，该方法在1～1250μM范围内SERS信号强度变化量对磷酸盐的浓度具备良好的线性响应。该方法具有重复性高、稳定性好、选择性强、仪器简单、检测时间短等特点，且该方法具有较低的检测限、较高的线性响应和较宽的检测范围；实现了对水体含磷污染物的快速准确检测，有潜力应用于预防水体富营养化以及水质检测方面的现场快速检测，具有良好的应用前景。
技术研发人员：胡勇军,罗琴,张月寿,杨丽纯,徐雨林,孙岩,黄渊博
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5