CN115825036B - 一种原位电化学sers光谱选择性筛查分子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面拉曼增强检测技术领域，公开了一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，制备金纳米三角锥形二聚体阵列的SERS基底；将PbS量子点的封端配体分子由油酸置换为3‑巯基丙酸分子；对SERS基底清洁后滴加PbS量子点溶液于SERS基底，待甲醇溶剂挥发后得到负载PbS量子点的SERS基底；将SERS基底和PbS量子点修饰的SERS基底分别作为工作电极，用于原位电化学SERS光谱检测。本发明利用PbS量子点介电效应二次增强SERS基底的检测灵敏度，利用原位电化学电势调控技术三次增强SERS基底，通过简单的电势调控筛选检测不同种类的痕量分子，检测灵敏度和准确性高、选择性强。

Description

一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法

技术领域

本发明属于表面拉曼增强检测技术领域，尤其涉及一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法。

背景技术

目前，表面增强拉曼散射(SERS)光谱技术的发现突破了拉曼光谱的灵敏度限制，为更灵敏的分子检测开辟了新途径。由于贵金属纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，吸附在贵金属纳米结构上的分子，其拉曼散射截面积能够得到10⁸～10¹²量级的增强。由于其对化学结构和增强因子的高灵敏度和指纹识别能力，SERS已广泛应用于化学，生物学和医学等领域的分子检测识别中。然而由于不同分子可能具有相同的分子结构基团而产生严重的重叠峰，SERS技术往往只适用于对单一分子的检测，适用范围较窄。

电化学表面增强拉曼散射(EC-SERS)光谱技术，是借助于电化学方法和特定的具有SERS探针作用的电极来获取电解质溶液中分子的振动信息。原位EC-SERS检测，是通过改变工作电极的电势，即费米能级，来调节电极-电解质系统的性质，包括界面电解质的介电常数、分子的覆盖和/或吸附取向以及分子与电极表面的键合作用等。由于光电化学反应可以通过调控电极电势来进行控制，因此原位EC-SERS在探索复杂光电化学反应的物理和化学过程方面具有更多的优势。然而，目前在应用原位EC-SERS对混合分子进行选择性筛查上作用有限。因此，亟需设计一种新的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)由于不同分子可能具有相同的分子结构基团而产生严重的重叠峰，普通的SERS技术往往只适用于对单一分子的检测，适用范围较窄。

(2)目前应用原位EC-SERS对混合分子进行选择性筛查的作用有限。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法。

本发明是这样实现的，一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法包括：制备金纳米三角锥形二聚体阵列的SERS基底；将PbS量子点的封端配体分子由油酸置换为3-巯基丙酸分子；对SERS基底清洁后，滴加PbS量子点溶液于SERS基底上，待甲醇溶剂挥发后，得到负载PbS量子点的SERS基底；将SERS基底和PbS量子点修饰的SERS基底分别作为工作电极，用于原位电化学SERS光谱检测。

进一步，原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法包括以下步骤：

步骤一，制备具有SERS活性的金纳米三角锥形二聚体阵列；

步骤二，制备PbS量子点溶液；

步骤三，滴加PbS量子点溶液于清洁过的SERS基底上，待溶剂挥发后，得到负载单层PbS量子点的SERS基底；

步骤四，将负载单层PbS量子点的SERS基底作为工作电极，利用拉曼光谱仪和电化学工作站进行原位电化学SERS光谱检测。

进一步，步骤二中的PbS量子点溶液的封端配体分子为3-巯基丙酸分子、S^2-离子或α-S₈单质硫中的任意一种；PbS量子点的第一激子吸收峰为540nm，浓度为0.8μmol/L，分散溶剂为甲醇。

进一步，步骤三中的SERS基底的清洁方法为：用紫外臭氧清洁箱对SERS基底进行清洁处理30min后浸入到超纯水中，用微氮气流轻轻吹干。

进一步，步骤三中的PbS量子点溶液的滴加量为60μL，量子点的负载量为3.0×10¹²个/cm²，负载层数在单层以内。

进一步，步骤四中的原位电化学SERS光谱检测的测试条件为：电解质溶液为含有0.05mol/L Na₂S和0.1mol/L NaOH的溶液，电解质溶液的pH为13。

进一步，电解质溶液预先通入高纯Ar气30min，参比电极为Ag/AgCl参比电极，对电极为Pt线圈。

进一步，原位电化学测定时采用的电势为(0)-(-0.4)V。

进一步，光照条件为785nm的激光；曝光时间1s，采样间隔时间30s。

进一步，步骤四中的拉曼光谱仪的拉曼激光和SERS基底的消光光谱相匹配。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明提供了一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，特点是利用PbS量子点的介电效应二次增强SERS基底的检测灵敏度，利用原位电化学电势调控技术三次增强SERS基底，相比于普通拉曼和常规SERS只能检测单一化合物的问题，能够通过简单的电势调控筛选检测不同种类的痕量分子，并获得精细、准确的分子振动光谱，检测灵敏度高、选择性强、准确性高。

与现有技术相比，本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明提供的原位电化学调控筛选检测分子的方法采用极少量的PbS量子点对SERS基底产生二次增强，采用原位电化学调控对SERS基底产生三次增强，弥补了封端配体分子数量少使光谱信号过低的问题。本发明通过联用原位电化学SERS和PbS量子点，建立了一种灵敏度高、选择性强、准确性高的筛选识别分子的方法。

(2)本发明提供的原位电化学调控筛选检测分子的方法利用量子点的介电效应和原位电化学调控，增强了SERS基底的检测灵敏度，大大加强了对痕量光化学反应产物和极少量封端配体分子的光谱信号，相比于普通拉曼和常规SERS只能检测单一化合物的问题，能够通过简单的电势调控筛选检测不同种类的痕量分子，并获得精细、准确的分子振动光谱，方法简单易行，实际检测操作简便。

(3)本发明提供了一种简单易行、实际检测操作简便、灵敏度高、选择性强、准确性高的利用原位电化学SERS光谱技术筛选识别分子的方法。

(4)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：由于不同化合物容易产生严重重叠的分子光谱谱峰，SERS以及EC-SERS技术往往只适用于检测单一分子。本发明利用电化学技术调控电极的电势和电量，从而控制金纳米结构产生电子-空穴，进一步调控溶液中空穴牺牲剂发生光电化学反应的进程，以及局域表面等离激元产生的局域电场的增强情况，能够有效识别电化学电极体系内不同痕量分子的检测，为对混合物分子的高效筛查提供方法和参考依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的PbS量子点修饰SERS基底的消光光谱图；

图3是本发明实施例1提供的在(0)-(-0.4)V的原位电化学表面增强拉曼光谱图；

图4A是本发明实施例2提供的在(0)-(-0.4)V的原位电化学表面增强拉曼光谱图；

图4B是本发明实施例2提供的在(-0.4)-(0)V的原位电化学表面增强拉曼光谱图；

图5是本发明对比例1提供的拉曼光谱和对比例2的表面增强拉曼光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法包括以下步骤：

S101，制备具有SERS活性的金纳米三角锥形二聚体阵列；

S102，制备PbS量子点溶液；

S103，滴加PbS量子点溶液于清洁过的SERS基底上，待溶剂挥发后得到负载单层PbS量子点的SERS基底；

S104，将负载单层PbS量子点的SERS基底作为工作电极，利用拉曼光谱仪和电化学工作站进行原位电化学SERS光谱检测。

本发明实施例提供的步骤S102中的PbS量子点溶液的封端配体分子为3-巯基丙酸分子、S^2-离子或α-S₈单质硫中的任意一种；PbS量子点的第一激子吸收峰为540nm，浓度为0.8μmol/L，分散溶剂为甲醇。

本发明实施例提供的步骤S103中的SERS基底的清洁方法为：用紫外臭氧清洁箱对SERS基底清洁处理30min后浸入超纯水中，用微氮气流轻轻吹干。

本发明实施例提供的步骤S104中的拉曼光谱仪的拉曼激光和SERS基底的消光光谱相匹配。

作为优选实施例，本发明实施例提供的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法具体包括以下步骤：

步骤1，制备金纳米三角锥形二聚体阵列的SERS基底。

步骤2，将PbS量子点的封端配体分子从油酸置换为3-巯基丙酸(MPA)分子，PbS量子点第一激子吸收峰为540nm，浓度0.8μmol/L，分散溶剂为甲醇。

步骤3，对步骤1中的SERS基底清洁后，滴加60μL步骤2所得的PbS量子点溶液于SERS基底上，待甲醇溶剂挥发后，得到负载PbS量子点的SERS基底，PbS量子点的负载量为3.0×10¹²个/cm²，负载层数在单层以内。

步骤4，将步骤1所得的SERS基底和步骤3中所得的PbS量子点修饰的SERS基底分别作为工作电极，用于原位电化学SERS光谱检测。

本发明实施例提供的测试条件为：所使用的电解质溶液为含有0.05mol/LNa₂S和0.1mol/L NaOH的溶液，电解质溶液的pH为13；电解质溶液预先通入高纯Ar气30min；参比电极为Ag/AgCl参比电极(饱和KCl)，对电极为Pt线圈；原位电化学测定时采用的电势为(0)-(-0.4)V(相对于Ag/AgCl参比电极)；光照条件为785nm的激光；曝光时间1s，采样间隔时间30s。

本发明实施例提供的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法的具体原理如下：

1)a.激光照射下，金纳米二聚体阵列的局域等离激元在三棱锥形二聚体几个纳米的缝隙内产生局域电磁场，能够作为SERS探针检测溶液中的S^2-离子和光化学反应形成的痕量硫单质(α-S₈)。b.金纳米结构产生的局域表面等离激元驰豫为电子-空穴对，在(0)-(-0.1)V的电极电势下，电子能够通过导电玻璃传导到电路中，空穴氧化溶液中的S^2-离子形成α-S₈，其振动模式能够被SERS光谱检测到。c.在(-0.2)-(-0.4)V，即更负的电极电势下，由于电极表面富集了电子，局域表面等离激元产生的电子-空穴对无法有效分离，溶液中的S^2-离子难以形成a-S₈；而S^2-离子吸附在金纳米结构表面，能够形成稳定的化学键Au-S，而被SERS光谱检测到。

2)a.PbS半导体由于具有介电性，能够使金纳米结构的局域电磁场进一步得到增强，从而使(0)-(-0.2)V电势下的S^2-离子和α-S₈的光谱信号均得到了加强。b.在(-0.3)-(-0.4)V，由于电极表面电子增多，局域表面等离激元产生的局域电场得到更进一步的增强，从而检测到了PbS量子点封端配体MPA分子的SERS光谱信号。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

实施例1

本发明实施例提供的SERS基底的制备方法为：在预处理过的ITO导电玻璃上，通过角度分辨纳米球光刻技术和蒸镀技术制备金纳米三角柱二聚体阵列，得到具有偏光特性的、在785nm激光下具有局域表面等离激元效应的SERS基底(见图2)。

本发明实施例提供的原位电化学SERS光谱测定条件为：所使用的电解质溶液为含有0.05mol/L Na₂S和0.1mol/L NaOH的溶液，电解质溶液的pH为13；电解质溶液预先通入高纯Ar气30min；工作电极为SERS基底，参比电极为Ag/AgCl参比电极(饱和KCl)，对电极为Pt线圈；原位电化学测定时采用的电势为(0)-(-0.4)V(相对于Ag/AgCl参比电极)；光照条件为785nm的激光；激光出口强度在偏振片为0°时为0.53mW、在偏振方向为90°时为0.56mW；曝光时间1s，采样间隔时间30s。原位电化学SERS光谱测定时的目标物为光电化学反应中生成的硫化物以及工作电极上吸附的硫化物。

如图3所示，在0-(-0.2)V时，在SERS基底上探测到149、219、469和421cm^-1的拉曼特征峰，这些谱峰属于a-S₈的S-S伸缩和弯曲振动(见表1)。这是由于金纳米结构的局域等离激元驰豫为电子-空穴对，电子能够通过导电玻璃传导到电路中，空穴氧化溶液中的S^2-离子形成a-S₈，其振动模式能够被SERS光谱检测到。在(-0.2)-(-0.4)V时，观测315和262cm^-1的拉曼特征峰，这些谱峰属于Au-S伸缩振动。这是由于在负电势下电极表面富集了电子，局域表面等离激元产生的电子-空穴对无法有效分离，溶液中的S^2-离子较难形成a-S₈；而S^2-离子吸附在金纳米结构表面，能够形成稳定的化学键Au-S，而被SERS光谱检测到。

表1 3-巯基丙酸(MPA)分子的拉曼移位和振动模式归属

实施例2

本发明实施例提供的SERS基底的制作方式和原位电化学SERS光谱测定条件均与实施例1相同。不同之处在于，实施例2所使用的工作电极为经过PbS量子点修饰的SERS基底，所用PbS量子点的封端配体分子为3-巯基丙酸(MPA)分子。修饰SERS基底的具体做法为，将20μL的PbS量子点胶体溶液滴加于SERS基底上，量子点溶液分散均匀、待溶剂挥发后对所得实施例2进行原位电化学SERS测定。

原位电化学SERS光谱测定条件：所使用的电解质溶液为含有0.05mol/LNa₂S和0.1mol/L NaOH的溶液，电解质溶液的pH为13；电解质溶液预先通入高纯Ar气30min；工作电极为SERS基底，参比电极为Ag/AgCl参比电极(饱和KCl)，对电极为Pt线圈；原位电化学测定时采用的电势为(0)-(-0.4)V、以及(-0.4)-(0)V(相对于Ag/AgCl参比电极)；光照条件为785nm的激光；激光出口强度在偏振片为0°和90°时均为1.26mW；曝光时间1s，采样间隔时间30s。原位电化学SERS光谱测定时的目标物为光电化学反应中生成的硫化物、工作电极上吸附的硫化物、以及PbS量子点的封端配体MPA分子。

图2为PbS量子点修饰SERS基底的消光光谱，表明在785nm的激光照射下具有局域表面等离激元效应，能够作为电化学SERS工作电极进行检测。图4为该电极所得的原位电化学表面增强拉曼光谱。由图4所示，在(0)-(-0.2)V电势下的S^2-离子和α-S₈的光谱信号均得到了加强，这是由于PbS半导体由于具有介电性，能够使金纳米结构的局域电磁场进一步得到增强而获得强度更大的SERS信号。在(-0.3)-(-0.4)V，观测到C＝O在1627cm^-1的伸缩振动，CH₂在1426cm^-1的弯曲振动、在1286cm^-1的面外摇摆振动、在1191cm^-1的扭曲振动，C-C在1055cm^-1和1001cm^-1的伸缩振动等，均属于PbS量子点封端配体MPA分子的SERS光谱信号。这是由于负电势下电极表面电子增多，局域表面等离激元产生的局域电场得到更进一步的增强，从而检测到了痕量的封端配体MPA分子。(-0.4)-(0)V与(0)-(-0.4)V得到的SERS光谱基本一致。这些现象证明了可以通过电化学电势调控SERS基底对不同低浓度分子的筛选检测，良好的重现性表明选择性检测的有效性。

对比例1

为了和原位电化学SERS光谱作对比，在清洗过的载玻片上滴加20μL MPA纯液体，并在空气中测试了其普通拉曼光谱，测定方式为：光照条件为785nm的激光；激光出口强度为3.85mW；曝光时间10s。拉曼光谱结果如图5所示，由图5可以看出，普通拉曼测到的MPA分子谱峰信噪比较低。

对比例2

为了和原位电化学SERS光谱作对比，制备用MPA分子修饰的SERS基底，具体做法为，将20μL 10mmol/L的MPA甲醇溶液(pH＝5)滴加于SERS基底上，静置15min后，用甲醇淋洗基底表面，洗去多余的MPA分子，待甲醇挥发后对所得对比例2进行。SERS光谱的测定方式为：光照条件为785nm的激光；激光出口强度在偏振片为0°时为0.47mW、在偏振方向为90°时为0.42mW；曝光时间1s。SERS光谱结果如图5所示，由图5可以看出，金纳米结构得到的SERS谱图信噪比较好，MPA的部分特征峰得到了增强。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，其特征在于，原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法包括以下步骤：

步骤一，制备具有SERS活性的金纳米三角锥形二聚体阵列；

步骤二，制备PbS量子点溶液；

步骤三，滴加PbS量子点溶液于清洁过的SERS基底上，待溶剂挥发后，得到负载单层PbS量子点的SERS基底；

步骤四，将负载单层PbS量子点的SERS基底作为工作电极，利用拉曼光谱仪和电化学工作站进行原位电化学SERS光谱检测；

步骤二中的PbS量子点溶液的封端配体分子为3-巯基丙酸分子、S^2-离子或α-S₈单质硫中的任意一种；PbS量子点的第一激子吸收峰为540nm，浓度为0.8μmol/L，分散溶剂为甲醇；

步骤三中的PbS量子点溶液的滴加量为60μL，量子点的负载量为3.0×10¹²个/cm²；

步骤四中的原位电化学SERS光谱检测的测试条件为：电解质溶液为含有0.05mol/LNa₂S和0.1mol/L NaOH的溶液，电解质溶液的pH为13；

原位电化学测定时采用的电势为(0)-(-0.4)V；

步骤四中的拉曼光谱仪的拉曼激光和SERS基底的消光光谱相匹配。

2.如权利要求1所述的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，其特征在于，步骤三中的SERS基底的清洁方法为：用紫外臭氧清洁箱对SERS基底进行清洁处理30min后浸入到超纯水中，用微氮气流轻轻吹干。

3.如权利要求1所述的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，其特征在于，电解质溶液预先通入高纯Ar气30min，参比电极为Ag/AgCl参比电极，对电极为Pt线圈。

4.如权利要求1所述的原位电化学SERS光谱选择性筛查分子的方法，其特征在于，光照条件为785nm的激光；曝光时间1s，采样间隔时间30s。