一種載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠的制備及其應用的制作方法

本發明屬于金屬納米-高分子水凝膠復合材料的制備及其在表面拉曼增強領域的應用，涉及一種載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠的制備及其作為拉曼基底的應用。

背景技術：

結晶紫是一種堿性的三苯甲烷類紫色染料，屬于非食品原料，是一種優良的生物染色劑。但也因其價格低廉、使用方便，具有抗菌等活性，常被違法濫用于水產養殖業。結晶紫及其代謝產物具有較高毒性、高殘留，長期接觸或服用后，易導致生命體得癌癥、畸變、突變等，對生命體及環境都有非常大的危害。因此這種堿性染料的殘留檢測是食品安全分析的重要問題之一。

目前檢測結晶紫的方法主要有液相色譜檢測和拉曼增強檢測，其中用于拉曼檢測的基底較多,比如以純金或純銀納米材料作為基底來檢測結晶紫，但其成本較高、操作相對繁瑣。鑒于以上諸多的缺點，有必要研究出一種能夠快速簡便檢測出結晶紫含量的基底。

PNIPAM是一種溫敏性水凝膠，溫敏性水凝膠結構中同時具有親水性和疏水性基團，當溫度發生變化時，這些基團的疏水作用和大分子鏈之間的氫鍵作用受到影響，從而水凝膠的網絡結構發生改變，產生體積相變。通過加入親水性線型PVA分子，可調控其整體的溫度響應速率，同時提高機械性能。將其與Ag納米粒子復合，可應用于藥物光熱控釋、催化及表面拉曼增強等領域。將PNIPAM/PVA-Ag NPs用于SERS檢測時，通過調節溫度，改變溫敏性水凝膠的體積大小，實現對凝膠中貴金屬納米粒子間距的調節，增強SERS信號。

技術實現要素：

針對現有技術在存在的問題，本發明提供了一種載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠基底的制備方法。本發明利用自由基聚合法制備出形貌可控的PNIPAM/PVA溫敏凝膠，再以硼氫化鈉為還原劑在凝膠體系中還原硝酸銀。操作簡單，無需復雜工藝設備，PNIPAM/PVA凝膠作為分散穩定劑，對具有電磁增強的納米銀顆粒能起到支撐保護作用。PNIPAM/PVA-AgNPs用于SERS檢測時，可以通過提高溫度，使凝膠網絡迅速收縮，以此調節Ag納米粒子的間距，同時整個基底的“熱點”的均一性得到提高，從而實現對待測分子的高靈敏度SERS檢測。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、采用自由基聚合法制備含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠：配制質量百分數為8％的NIPAM溶液，配制質量百分數為4％的PVA溶液，配制質量百分數為10％的引發劑APS溶液；按照體積比為1～5.7：1取NIPAM溶液和PVA溶液，加入適量的交聯劑MBA混合均勻，然后加入引發劑APS，常溫攪拌30分鐘后加入TEMED，攪拌5分鐘；其中，交聯劑MBA加入的量占整個體系的質量百分數為1.6％；引發劑APS加入的量占整個體系的質量百分數為12％；APS與TEMED的體積比為5:6；攪拌后放入20℃恒溫水浴箱，靜止20～24小時，制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠；將制得的水凝膠在蒸餾水中浸泡3～4天，期間每天換水以洗去未反應的NIPAM，將浸泡好的凝膠凍干；

步驟二、載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠的制備：配置質量體積濃度為0.002～0.010g/mL的硝酸銀溶液；將步驟一凍干的凝膠切成邊長約為5mm立方小塊后浸泡于上述硝酸銀溶液中，在25℃恒溫水浴箱中靜置48小時，凝膠充分溶脹后用蒸餾水沖洗2～4遍，待用；按硝酸銀與硼氫化鈉摩爾比為1:3的濃度配制硼氫化鈉溶液，將凝膠浸泡到該硼氫化鈉溶液中，靜置于4℃恒溫冰箱中反應20～24小時，取出后在蒸餾水中浸泡1天，每半天換一次水，所得產物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠。

將本發明載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠的制備方法制得的載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠用于拉曼測試。以所述載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠作為SERS基底材料，結晶紫分子為Raman探針分子，通過調節溫度控制拉曼信號強度。具體步驟如下：

步驟一、將所述SERS基底材料于室溫下分別充分浸泡在10^-10～10^-7mol/l濃度的結晶紫溶液中，然后將表面吸附了結晶紫分子的SERS基底材料取出，置于載玻片上晾干表面，制得檢測試樣，待用；

步驟二、將步驟一制得的檢測試樣置于雷尼紹激光拉曼光譜儀中，其中：激光波長為633nm，激光衰減功率為5％，在連續模式下，采用2～5s曝光時間，多次采集，分別測試25～45℃溫度范圍內結晶紫分子的SERS譜圖。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)本發明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠中，凝膠作為分散穩定劑，對具有電磁增強的納米銀顆粒能起到支撐保護作用。

(2)本發明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA凝膠作為SERS基底，具有貴金屬的光譜特性，且試樣制備簡單，成本低等優點。

(3)本發明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA凝膠作為SERS基底，內含網絡結構，具有強大的吸水能力，能快速吸附探針分子，相比于傳統的純銀納米材料基底，測試時穩定性更好。

(4)本發明所制備的載納米銀的PNIPAM/PVA凝膠作為SERS基底具有溫敏性，可以通過提高溫度，實現對結晶紫分子的高靈敏度SERS檢測。

(5)本發明制備的SERS基底還可用于非法食品添加劑羅丹明，三聚氰胺的檢測，檢測方法類似于檢測結晶紫。

附圖說明

圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)分別為對比例、實施例1和實施例2制備得的p-0，p-1，p-2凝膠的SEM照片；

圖2為對比例、實施例1和實施例2制備得到的凝膠平衡溶脹率與溫度的關系圖，其中，a、b、c分別對應對比例、實施例1和實施例2的p-0，p-1，p-2凝膠；

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為實施例2、實施例3和對比例制備得到的凝膠中銀納米顆粒TEM照片，其中，圖3(a)對應實施例2中的硝酸銀濃度為0.005g/mL的載銀p-2凝膠，圖3(b)對應實施例3中的硝酸銀濃度為0.010g/mL的載銀p-2’凝膠，圖3(c)對應對比例中的硝酸銀濃度為0.010g/mL的載銀p-0凝膠；

圖4為本發明實施例3制備的載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠為基底時室溫下檢測不同濃度(10^-10～10^-7mol/L)結晶紫的SERS圖譜；

圖5為本發明實施例3制備的載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠為基底在不同溫度下檢測10^-7M結晶紫的SERS圖譜；

圖6為本發明實施例3制備的載納米銀的PNIPAM/PVA溫敏凝膠為基底，結晶紫位移在1620cm^-1處的SERS強度與溫度的關系圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發明進行解釋說明，并不用以限制本發明。

本發明一種載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠的制備方法，將自由基聚合法制備出的PNIPAM/PVA溫敏水凝膠作為還原介質，在其網絡結構中還原出銀納米顆粒，將最后制備的材料作為SERS基底，分別浸泡在不同濃度的結晶紫探針分子溶液中一定時間，然后將表面吸附了探針分子的基底材料取出，置于載玻片上晾干后用于拉曼檢測。載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠中，水凝膠作為分散穩定劑，對具有電磁增強的納米銀顆粒能起到支撐保護作用，用其作為基底在常溫下檢測結晶紫，其檢測極限能達到10^-9數量級，同時還發現拉曼信號的強度隨溫度不同而發生變化。本發明公開的這種SERS基底制備方法簡單，溫度響應性好，在食品添加劑、農藥檢測和傳感等領域將具有廣闊的應用前景。

對比例：

制備載納米銀的PNIPAM復合溫敏凝膠，步驟如下：

步驟一、采用自由基聚合法制備聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)溫敏性水凝膠：

配制質量百分數為8％的N-異丙基丙稀酰胺(NIPAM)溶液，配制質量百分數為4％的PVA溶液，配制質量百分數為10％的引發劑過二硫酸銨(APS)溶液；取NIPAM溶液8mL，加入12.8mg的交聯劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)混合均勻，然后加入100μL引發劑APS，常溫攪拌30分鐘后加入120μL四甲基乙二胺(TEMED)，攪拌5分鐘；攪拌后放入20℃恒溫水浴箱，靜止20小時，制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-0，該p-0的SEM照片如圖1(a)所示；將制得的水凝膠在蒸餾水中浸泡3天，期間每天換水以洗去未反應的NIPAM，將浸泡好的凝膠凍干；

步驟二、載納米銀的PNIPAM復合溫敏凝膠的制備：

配置質量體積濃度為0.010g/mL的硝酸銀溶液；將步驟一凍干的凝膠切成邊長約為5mm立方小塊后浸泡于上述硝酸銀溶液中，在25℃恒溫水浴箱中靜置48小時，凝膠充分溶脹后用蒸餾水沖洗3遍，待用；按硝酸銀與硼氫化鈉摩爾比為1:3的濃度配制硼氫化鈉溶液，將凝膠浸泡到該硼氫化鈉溶液中，靜置于4℃恒溫冰箱中反應20小時，取出后在蒸餾水中浸泡1天，每半天換一次水，所得產物即為載納米銀的PNIPAM復合溫敏凝膠記為載銀p-0，該載銀p-0中銀納米顆粒TEM照片如圖3(c)所示。

實施例1：

制備載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠，包括以下步驟：

步驟一、采用自由基聚合法制備含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠：配制質量百分數為8％的NIPAM溶液，配制質量百分數為4％的PVA溶液，配制質量百分數為10％的引發劑APS溶液；

取6.8mL的NIPAM溶液和1.2mL的PVA溶液，加入12.8mg的交聯劑MBA混合均勻，然后加入100μL引發劑APS，常溫攪拌30分鐘后加入120μL TEMED，攪拌5分鐘；攪拌后放入20℃恒溫水浴箱，靜止24小時，制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-1，該p-1的SEM照片如圖1(b)所示；將制得的水凝膠在蒸餾水中浸泡4天，期間每天換水以洗去未反應的NIPAM，將浸泡好的凝膠凍干；

步驟二、載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠的制備：配置質量體積濃度為0.005g/mL的硝酸銀溶液；將步驟一凍干的凝膠切成邊長約為5mm立方小塊后浸泡于上述硝酸銀溶液中，在25℃恒溫水浴箱中靜置48小時，凝膠充分溶脹后用蒸餾水沖洗4遍，待用；按硝酸銀與硼氫化鈉摩爾比為1:3的濃度配制硼氫化鈉溶液，將凝膠浸泡到該硼氫化鈉溶液中，靜置于4℃恒溫冰箱中反應24小時，取出后在蒸餾水中浸泡1天，每半天換一次水，所得產物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠，記作載銀p-1。

實施例2：

制備載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠，基本過程與實施例1相同，不同僅在于，步驟一中NIPAM溶液和PVA溶液的所取的量不同，即取5.2mL的NIPAM溶液和2.8mL的PVA溶液，通過步驟一制得制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-2，該p-2的SEM照片如圖1(c)所示；經過步驟二后最終所得產物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠，記作載銀p-2，該載銀p-2的中銀納米顆粒TEM照片如圖3(a)。

實施例3：

制備載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠，基本過程與實施例1相同，不同僅在于，步驟一中NIPAM溶液和PVA溶液的所取的量不同，即取5.2mL的NIPAM溶液和2.8mL的PVA溶液；步驟二中硝酸銀溶液的質量體積濃度由0.005g/mL改為0.010g/mL；通過步驟一制得制得含PVA的PNIPAM溫敏性水凝膠，記為p-2，該p-2的SEM照片如圖1(c)所示；經過步驟二后最終所得產物即為載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠，記作載銀p-2’，該載銀p-2’的中銀納米顆粒TEM照片如圖3(b)。

從圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)可以看出，(沒載銀的)p-0、p-1、p-2凝膠的孔隙越來越小，越來越密集。故可知，水凝膠的形貌依賴PNIPAM和PVA的含量比，孔洞的多少隨著PVA含量增加而增加。這與PVA良好的親水性有關，使得凝膠在溶脹時吸收大量的水分子，冷凍干燥時水分子升華排除留下大量的孔洞結構。故親水成分越多孔洞越多。

圖2為本發明制備的不同PVA含量的PNIPAM/PVA溫敏凝膠平衡溶脹率與溫度的關系圖。結果顯示，a、b、c三條曲線對應三個不同PVA含量的p-0，p-1，p-2凝膠，其溶脹度均隨著溫度的升高而下降，表現出PNlPAM/PVA的溫度敏感性能。PVA含量越高的凝膠，其平衡溶脹率越大，這可能是由于PVA具有親水性，因而增加了凝膠平衡時的含水量，使其平衡溶脹率增大。

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)為實施例2、實施例3和對比例制備得到的載銀凝膠中銀納米顆粒TEM照片。對照圖3(b)和圖3(c)可以看出，實施例3和對比例中具有相同硝酸銀濃度，在相同的硝酸銀濃度下，孔徑越大的凝膠，所制備的銀納米顆粒越易聚集；對照圖3(a)和圖3(b)可以看出孔徑大小相同，硝酸銀濃度越多，所制備的銀納米顆粒越大。

實施例4：

利用實施例3制備得到的載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠(以下簡稱載銀凝膠)用于拉曼測試，以該載銀凝膠作為基底，在室溫下檢測不同濃度(10^-10～10^-7mol/L)結晶紫。步驟如下

步驟一、將多個SERS基底材料于室溫下分別充分浸泡在濃度為10^-10、10^-9、10^-8、10^-7mol/l濃度的結晶紫溶液中，然后將表面吸附了探針分子的基底材料取出，置于載玻片上晾干表面，制得檢測試樣a、檢測試樣b、檢測試樣c、檢測試樣d；

步驟二、將步驟一制得的檢測試樣a置于雷尼紹激光拉曼光譜儀中，其中：激光波長為633nm，激光衰減功率為5％，在連續模式下，采用2～5s曝光時間，多次采集，測試25～45℃溫度范圍內結晶紫的SERS譜圖，如圖4中的a曲線所示。同理，檢測試樣b、檢測試樣c、檢測試樣d的SERS譜圖分別對應圖4中的b、c、d曲線。結果顯示，拉曼信號的強度隨結晶紫濃度降低而降低。結晶紫濃度為10^-9M時，SERS圖譜中(c曲線)峰仍很明顯，結晶紫濃度為10^-10M時，SERS圖譜(d曲線)趨于平緩。故以實施例3制備得到的載銀凝膠為基底時，結晶紫的檢測為10^-9M。

實施例5：

利用實施例3制備得到的載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠(以下簡稱載銀凝膠)用于拉曼測試，以實施例3制備得到的載納米銀的PNIPAM/PVA復合溫敏凝膠作為SERS基底材料，結晶紫分子為Raman探針分子，檢測濃度為10^-7mol/L的結晶紫，步驟同實施例4，其中通過調節溫度控制拉曼信號強度，溫度分別為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃。如圖5所示，溫度為25℃至35℃時，結晶紫的SERS信號清楚，但差別不大。這是因為溫度小于LCST時，凝膠模板處于膨脹狀態，其表面修飾的Ag納米粒子的間距較大，不能形成有效的熱點。而將溫度調節至40℃時，結晶紫的SERS信號明顯增強；再升高溫度至45℃，信號進一步增強。這說明基底已經形成了大量的“熱點”，而且隨溫度升高“熱點”增多。進一步論證了通過升高溫度，凝膠模板收縮會引起其表面的Ag納米顆粒間距減小，被吸附在納米顆粒表面的探針分子就會受到強烈的電場耦合作用，從而使SERS信號增強。圖6示出了結晶紫拉曼位移在1620cm^-1處的SERS強度與溫度之間的關系，該結果也進一步表明，在一定溫度范圍內，SERS信號隨溫度遞增而遞強的趨勢。

盡管上面結合附圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。