一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法及检测血糖或葡萄糖的SERS传感器

一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法及检测血糖或葡萄糖的sers传感器
技术领域
1.本发明涉及血糖检测技术领域，特别涉及一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法及检测血糖或葡萄糖的sers传感器。


背景技术：

2.糖尿病(diabetes mellitus，dm)是一种以糖代谢紊乱为主要表现的内分泌代谢疾病，主要是因为遗传因素、免疫功能紊乱、微生物感染及其毒素、自由基毒素、精神因素等各种致病因子作用于机体导致胰岛功能减退、胰岛素抵抗(insulin resistance，ir)等而引发的糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱综合征。糖尿病是世界主要的健康问题之一，其治疗目前尚无特效方法，因此对糖尿病患者血糖浓度进行频繁的测定是对糖尿病进行监测、控制的一个重要手段。
3.血糖检测的方法有多种，如今国际上广泛采用的血糖检测方法有两种：生化分析仪静脉血浆血液检测和血糖仪指尖血或手臂血检测。生化分析仪检测血糖可以获得精确的血糖值，缺点是测量过程缓慢、操作复杂、耗时长；血糖仪检测血糖速度快捷，但测量准确性偏低，误差较大，有时为保证检测结果的准确，需要多次取血检测，给患者带来了较大的心理和生理压力。
4.近年来，随着激光及其检测技术的不断发展，人们研究了多种基于光学及技术的血糖检测，如表面增强拉曼散射技术(sers)。表面增强拉曼散射是一种与小物体周围的电磁场增强有关的现象，能够极大增强拉曼光谱，具有高探测灵敏度、高分辨率、水干扰小、可猝灭荧光、稳定性好等优点，能实现对分析物分子极低浓度的检测。tran thi bich quyen团队制备了一种aunps@sio
2 sers活性基底，可以检测10-2
mol/l的葡萄糖。sio2层提高了该基底的稳定性，但sio2无sers活性，导致拉曼信号弱，并且会影响基底的增强效果，影响测试结果的准确性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明目的在于提供一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法、一种检测血糖或葡萄糖的sers传感器，采用本发明方法得到的金纳米棒阵列材料可以增强拉曼信号，能够用于血糖或葡萄糖的sers检测。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.本发明提供了一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法，包括以下步骤：
8.(1)将haucl4、硼氢化物类还原剂、阳离子表面活性剂与水混合，进行第一还原反应，得到金纳米种子溶液；
9.(2)将阳离子表面活性剂、水、可溶性银盐、haucl4、抗坏血酸、盐酸、所述金纳米种子溶液混合，进行第二还原反应，得到金纳米棒生长液；
10.(3)对所述金纳米棒生长液进行固液分离，所得固体分散于水中，得到金纳米棒分
散液；
11.(4)将所述金纳米棒分散液加载到基底表面，进行蒸发诱导自组装，在基底表面形成金纳米棒阵列。
12.优选的，所述步骤(1)中，haucl4与阳离子表面活性剂的摩尔比为1:300～400；
13.所述步骤(2)中，haucl4与阳离子表面活性剂的摩尔比为1:150～200；
14.所述haucl4与可溶性银盐的摩尔比为4～5:1。
15.优选的，所述步骤(1)中的haucl4与步骤(2)中的haucl4的摩尔比为1:70～100。
16.优选的，所述金纳米棒分散液的浓度为10～15nmol/l。
17.本发明提供了采用上述方法制备得到的金纳米棒阵列材料，包括基底，所述基底表面垂直生长有若干根金纳米棒组成的金纳米棒阵列；所述金纳米棒表面包覆有阳离子表面活性剂；所述金纳米棒的两个端点采用银原子封端。
18.优选的，所述金纳米棒的长度为43.1～56.9nm，长径比为3.88～5.04；相邻金纳米棒的间距为2.3～3.1nm。
19.本发明提供了上述金纳米棒阵列材料在血糖或葡萄糖检测中的应用。
20.本发明提供了一种检测血糖或葡萄糖的sers传感器，包括上述金纳米棒阵列材料和与所述金纳米棒阵列材料中的金纳米棒通过au-sh键化学结合的4-巯基苯硼酸。
21.本发明提供了上述检测血糖或葡萄糖的sers传感器的制备方法，包括以下步骤：
22.在上述金纳米棒阵列材料的金纳米棒一侧加载4-巯基苯硼酸溶液，进行化学结合，得到检测血糖或葡萄糖的sers传感器。
23.优选的，所述4-巯基苯硼酸与金纳米棒的摩尔比为1:(7
×
105～1
×
106)。
24.本发明提供了一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法，包括以下步骤：(1)将haucl4、硼氢化物类还原剂、阳离子表面活性剂与水混合，进行第一还原反应，得到金纳米种子溶液；(2)将所述金纳米种子溶液、haucl4、抗坏血酸、可溶性银盐、阳离子表面活性剂与盐酸混合，进行第二还原反应，得到金纳米棒生长液；(3)对所述金纳米棒生长液进行固液分离，所得固体分散于水中，得到金纳米棒分散液；(4)将所述金纳米棒分散液加载到基底表面，进行蒸发诱导自组装，在基底表面形成金纳米棒阵列。本发明采用先制备金纳米种子溶液、再利用金纳米种子溶液制备金纳米棒的方式，金纳米棒的生长可控，稳定，所得金纳米棒表面包覆有阳离子表面活性剂；本发明通过可溶性银盐的加入，在第二还原的过程中，溶液中的ag

被还原成ag原子，能够与金纳米棒通过ag-au金属键结合，受阳离子表面活性剂的开角作用，ag原子聚集于金纳米棒的两端，起到封端作用。由于ag的封端作用，本发明所得金纳米棒的尺寸均一，可控。本发明采用蒸发诱导自组装的方式构建金纳米棒阵列，随着溶液的蒸发，金纳米棒之间的相对较弱的吸引力变得尤为突出，迫使它们进行自组装，在自组装过程中，金纳米棒纵向方向的毛细管力大于横向方向上的力；由于金纳米棒表面包覆了阳离子表面活性剂，使得金纳米棒带有正电，所以范德华力可以促使各向异性的金纳米棒之间发生高度定向作用，高度定向作用分为横向方向上的定向作用和纵向方向上的定向作用。本发明金纳米棒之间纵向定向作用大于横向定向作用，即“肩并肩”所需的范德华力大于“头碰头”所需，金纳米棒呈现“肩并肩”自组装，形成稳定的、定向良好的有序的阵列结构。采用本发明方法制备得到的金纳米棒阵列排列整齐、规则，可以增加sers的拉曼散射截面，提供大量的sers热点，大大增强了拉曼信号，能够用于血糖或葡萄糖的sers检
测，具有化学稳定性好，再现性、均一性、可重复性好的优点。
25.本发明提供了一种检测血糖或葡萄糖的sers传感器，包括金纳米棒阵列材料和与所述金纳米棒阵列材料中的金纳米棒通过au-sh键化学结合的4-巯基苯硼酸(mpba)。由于血糖的检测以血液中的葡萄糖含量为指标，本发明以4-巯基苯硼酸作为葡萄糖的检测探针，葡萄糖浓度的不同会导致金纳米棒上mpba的sers峰强度的变化，这归结为葡萄糖与硼酸基团结合产生的定向效应和电荷转移效应，会使硼碳键和苯环收缩振动，使得sers峰强度发生变化。实施例结果表明，葡萄糖标准液在1078cm-1
处的拉曼峰值大小随着葡萄糖浓度的升高而增大，且具有一定的线性关系，其线性检测范围为2.5～15mm，检出限是2.5mm。
26.进一步的，本发明提供的sers传感器在检测血糖时，血样为微量，一次取血可以多点重复检测，能够确保实验结果的准确性，并减轻对患者皮肤的损伤。
附图说明
27.图1为金纳米棒阵列的生长及检测葡萄糖过程；
28.图2为金纳米棒生长液中的uv-vis-nir图谱；
29.图3为金纳米棒生长液中金纳米棒的透射电子显微镜图；
30.图4为金纳米棒阵列材料的扫描电子显微镜图；
31.图5为2.5～25mm标准葡萄糖溶液的拉曼光谱图；
32.图6为2.5～25mm标准葡萄糖溶液在1078cm-1
处的误差曲线图；
33.图7为2.5～25mm标准葡萄糖溶液在1078cm-1
处的最大峰值；
34.图8为葡萄糖浓度与拉曼峰值的线性关系图；
35.图9为血糖浓度为4.9、6.6、8.9、10.5、13.2mm的拉曼光谱图；
36.图10为血糖浓度与拉曼光谱峰值的线性关系曲线。
具体实施方式
37.本发明提供了一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法，包括以下步骤：
38.(1)将haucl4、硼氢化物类还原剂、阳离子表面活性剂与水混合，进行第一还原反应，得到金纳米种子溶液；
39.(2)将阳离子表面活性剂、水、可溶性银盐、haucl4、抗坏血酸、盐酸、所述金纳米种子溶液混合，进行第二还原反应；
40.(3)对所述金纳米棒生长液进行固液分离，所得固体分散于水中，得到金纳米棒分散液；
41.(4)将所述金纳米棒分散液加载到基底表面，进行蒸发诱导自组装，在基底表面形成金纳米棒阵列。
42.本发明将haucl4、硼氢化物类还原剂、阳离子表面活性剂与水混合，进行第一还原反应，得到金纳米种子溶液。在本发明中，所述硼氢化物类还原剂优选为硼氢化钠和/或硼氢化钾。在本发明中，所述阳离子表面活性剂优选为十二烷基三甲基溴化铵(ctab)和/或十六烷基三甲基氯化铵(ctac)。
43.在本发明中，所述haucl4与硼氢化物类还原剂的摩尔比优选为5:12；所述haucl4与阳离子表面活性剂的摩尔比优选为1:400。在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌混合；
在本发明中，所述搅拌的速率优选为1000～1200rpm，更优选为1100rpm。
44.在本发明中，所述第一还原反应的温度优选为26～28℃，更优选为27℃；时间优选为2～2.5h。在本发明中，所述第一还原反应优选在静置的条件下进行。
45.得到所述金纳米种子溶液后，本发明将阳离子表面活性剂、水、可溶性银盐、haucl4、抗坏血酸、盐酸、所述金纳米种子溶液混合，进行第二还原反应，得到金纳米棒生长液。在本发明中，所述可溶性银盐优选为硝酸银；所述阳离子表面活性剂优选为十二烷基三甲基溴化铵(ctab)和/或十六烷基三甲基氯化铵(ctac)。
46.在本发明中，所述haucl4与第一阳离子表面活性剂的摩尔比优选为1:150～200，更优选为1:160～180；在本发明中，所述haucl4与可溶性银盐的摩尔比优选为4～5:1。在本发明中，所述haucl4与抗坏血酸的摩尔比优选为5:6。
47.在本发明中，所述步骤(1)中的haucl4与步骤(2)中的haucl4的摩尔比优选为1:70～100，更优选为1:80～90。
48.在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌混合。
49.在本发明中，所述第二还原反应的温度优选为26～28℃，更优选为27℃，时间≥4h。在本发明中，所述第二还原反应优选在静置的条件下进行。
50.本发明采用阳离子表面活性剂、水、可溶性银盐、haucl4、抗坏血酸、盐酸、金纳米种子溶液的加料顺序，在此过程中，可溶性银盐与haucl4发生化学反应生成au
3
，加入抗坏血酸溶液，将au
3
还原为au，加盐酸降低au
3
的还原速率，使其充分还原为au，生成粒径分布均匀的金纳米棒。加金种子溶液后，金纳米棒沿各个方向生长，到一定程度后，ctab抑制其生长。ctab优先结合金纳米棒侧面，使金纳米棒更倾向于两端方向生长。
51.同时，在第二还原反应的过程中，部分ag

被还原成ag原子，能够与金纳米棒通过ag-au金属键结合，受阳离子表面活性剂的开角作用，ag原子聚集于金纳米棒的两端，起到封端作用。
52.本发明对所述金纳米棒生长液进行固液分离，所得固体分散于水中，得到金纳米棒分散液。在本发明中，所述固液分离的方式优选为离心；在本发明中，所述离心的速率优选为8000rpm，时间优选为30min。
53.在本发明中，所述固体分散与水中的方式优选为超声分散。在本发明中，所述金纳米棒分散液的浓度优选为10～15nmol/l，更优选为12～14nmol/l。
54.本发明将所述金纳米棒分散液加载到基底表面，进行蒸发诱导自组装，在基底表面形成金纳米棒阵列。在本发明中，所述基底优选为硅片、导电玻璃或载玻片。
55.在本发明中，所述加载的方式优选为滴加。在本发明中，所述金纳米棒分散液的基底表面的加载量优选为40～49μl/cm2，更优选为42～45μl/cm2。
56.在本发明中，所述蒸发诱导自组装的温度优选为室温。
57.本发明提供了采用上述方法制备得到的金纳米棒阵列材料，包括基底，所述基底表面垂直生长有若干根金纳米棒组成的金纳米棒阵列；所述金纳米棒表面包覆有阳离子表面活性剂；所述金纳米棒的两个端点采用银原子封端。
58.在本发明中，所述基底优选为硅片、导电玻璃或载玻片
59.在本发明中，所述金纳米棒的长度优选为43.1～56.9nm，更优选为50nm；长径比优选为3.88～5.04，更优选为4.25；相邻金纳米棒的间距优选为2.3～3.1nm，更优选为2.7nm。
60.本发明提供了上述金纳米棒阵列材料在血糖或葡萄糖检测中的应用。在本发明中，血糖或葡萄糖的检测优选为sers检测，即表面增强拉曼散射。本发明提供的金纳米棒阵列材料金纳米棒阵列排列整齐、规则，可以增加sers的拉曼散射截面，提供大量的sers热点，大大增强了拉曼信号，能够用于血糖或葡萄糖的sers检测，具有化学稳定性好，再现性、均一性、可重复性好的优点。
61.本发明提供了一种检测血糖或葡萄糖的sers传感器，包括上述金纳米棒阵列材料和与所述金纳米棒阵列材料中的金纳米棒通过au-sh键化学结合的4-巯基苯硼酸。
62.本发明提供了上述检测血糖或葡萄糖的sers传感器的制备方法，包括以下步骤：
63.在金纳米棒阵列材料的金纳米棒一侧加载4-巯基苯硼酸溶液，进行化学结合，得到检测血糖检测sers传感器。
64.在本发明中，所述加载的方式优选为滴加。在本发明中，所述4-巯基苯硼酸溶液的浓度优选为10～50mm，更优选为20～40mm。在本发明中，所述4-巯基苯硼酸与金纳米棒的摩尔比为1:(7
×
105～1
×
106)。
65.在本发明中，所述检测血糖或葡萄糖的sers传感器的方法，优选包括以下步骤：
66.提供梯度已知浓度的葡萄糖溶液；
67.将所述梯度已知浓度的葡萄糖溶液加载到上述sers传感器表面，干燥后进行拉曼光谱检测，获得梯度已知浓度的葡萄糖溶液对应的拉曼峰值，以葡萄糖溶液为横坐标，以拉曼峰值为纵坐标，绘制标准曲线；所述标准曲线为葡萄糖溶液浓度与拉曼峰值的线性关系曲线。
68.在本发明中，所述梯度已知浓度的葡萄糖溶液优选为2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm、17.5mm、20mm、22.5mm、25mm。
69.本发明对所述干燥的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的干燥方式即可。
70.在本发明中，所述拉曼峰值优选在1078cm-1
处测得。
71.作为本发明的一个具体实施例，所述标准曲线为y＝7.31893x 345.866，r2＝0.96113，线性检测范围是2.5～15mm，检出限是2.5mm。
72.在本发明中，金纳米棒阵列的生长及检测葡萄糖过程如图1所示。
73.下面结合实施例对本发明提供的一种蒸发诱导自组装生长金纳米棒阵列的方法及检测血糖或葡萄糖的sers传感器进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
74.实施例1
75.(1)种子的制备
76.称取7.29g ctab于烧杯中，加入三蒸水溶解，于35℃水浴锅中搅拌至其完全溶解后，定容至100ml，得到0.2m的ctab溶液。称取0.0189g的nabh4，用提前放在4℃冰箱中的三蒸水将其定容至50ml，将5ml 0.2m ctab、5ml 5
×
10-4
m的haucl4溶液、0.6ml的nabh4溶液置于带有搅拌子的试剂瓶中，在磁力搅拌器上持续搅拌2min后置于27℃水浴锅中，静置2h后备用。
77.(2)金纳米棒生长液的制备
78.配制4
×
10-3
m的agno3溶液、1
×
10-3
m的haucl4溶液、0.0788m的抗坏血酸溶液备用。
79.将0.2m的ctab溶液250ml，4
×
10-3
m的agno3溶液12.5ml，1
×
10-3
m的haucl4溶液250ml，0.0788m抗坏血酸溶液4ml(加入抗坏血酸后溶液颜色立刻由棕黄色变为无色)，1m的hcl溶液4ml，生长好的种子溶液1.4ml混合均匀，每加入一样溶液后需充分搅拌均匀(在此过程中，agno3与haucl4发生化学反应生成au
3
,加入抗坏血酸溶液，将au
3
还原为au(在酸性条件下，酸性越强，抗坏血酸的还原性越弱；碱性条件下则相反)，加盐酸降低au
3
的还原速率，使其充分还原为au，生成粒径分布均匀的金纳米棒。加金种子溶液后，金纳米棒研各个方向生长，到一定程度后，ctab抑制其生长。ctab优先结合金纳米棒侧面，使金纳米棒更倾向于两端方向生长。)。将配制的生长液置于27℃水浴条件下，恒温反应，静置四个小时，得到金纳米棒生长液。
80.对金纳米棒生长液中进行uv-vis-nir图谱测试，所得结果如图2所示。由图2可以看出，金纳米棒颗粒的uv-vis-nir图谱在波长范围300～900nm间，横向等离子吸收峰(transverse surface plasmon resonance，tspr)在450～550nm范围内，生长液的纵向等离子吸收峰(longitudinal surface plasmon resonance，lspr)在650～1000nm范围内。在510.00nm波长处吸光度为0.203；在480.0nm波长处吸光度为0.168；在650.0nm波长处吸光度为0.0609；在839.31nm波长处吸光度为0.942。
81.金纳米棒生长液中金纳米棒的透射电子显微镜图如图3所示。由图3可以看出，金纳米棒形态完整，且分散均匀，呈现棒状形态，它的长度约为50
±
6.9nm；宽度约为11.21
±
3.3nm，粒径比约为4.46
±
0.58。
82.(3)金纳米棒阵列材料的制备
83.用50ml规格的离心管，每管倒入30ml的生长液，在27℃的环境下，以8000rpm的转速，离心30min。离心完成后去上清，留沉淀，将所有沉淀集中在一个离心管中，用三蒸水定容至30ml，进行2min超声后，重复离心一次后，去除上清液，调整金纳米棒分散液浓度为15nm。用10μl的移液枪在导电玻璃表面进行滴样，滴样完成后将导电玻璃于25℃下自然干燥，得到金纳米棒阵列材料。
84.所得金纳米棒阵列材料的扫描电子显微镜图如图4所示。由图4可以观察到金纳米棒的三维立体结构，呈现出肩并肩的排列状态，阵列整齐均匀。
85.(4)向金纳米棒阵列表面滴加10μl、10～50mm的mpba，分别加入浓度为2.5、5、7.5、10、12.5、15、17.5、20、22.5、25mm的葡萄糖溶液10μl，然后进行拉曼光谱检测，探索检测到的拉曼峰值与葡萄糖浓度的关系。
86.2.5～25mm标准葡萄糖溶液的拉曼光谱图如图5所示。2.5～25mm标准葡萄糖溶液在1078cm-1
处的误差曲线图(每个样品取五个点进行拉曼检测，取五个点的平均值)如图6所示。2.5～25mm标准葡萄糖溶液在1078cm-1
处的最大峰值如图7所示。
87.由图5～7可以看出，在2.5～15mm范围内，拉曼光谱在1078cm-1
处的峰值随着葡萄糖浓度的升高逐渐增大，分析其原因可能为在不同葡萄糖浓度的金纳米棒上，mpba的sers峰强度的变化可以归结为葡萄糖与硼酸基团结合产生的定向效应和电荷转移效应，两者都影响着mpba中硼碳和苯环的sers信号。在本发明中，金属表面可以很容易地涂覆自组装的单分子烷基硫醇膜，如硼酸。当葡萄糖与硼酸结合时，mpba单层膜的电荷密度发生变化。
88.进一步对葡萄糖在1078cm-1
处的峰值进行分析可得到葡萄糖浓度与拉曼峰值的线性关系图，求得回归方程，如图8所示。其线性检测范围为2.5～15mm，检出限是2.5mm。
89.测试例1
90.基于葡萄糖传感器进行血糖检测，包括以下步骤：
91.(1)建造高血糖小动物模型，采用stz法。
92.实验用c57bl/6小鼠，雌性，4周以上周龄。对出生四周后的c57bl/6小鼠进行造模，配制1％的stz，注射stz前对小鼠体重进行测量，按照150mg/kg的给药量进行腹腔注射。小鼠适应性喂养1周，12h光照周期，自由进食。腹腔注射前需对小鼠进行12小时的断粮，不断水。观察小鼠状态、摄食量、饮水量及排尿量，监测血糖，称量小鼠注射stz后的体重并与注射前对比。正常情况下5天即可成功获得高血糖模型小鼠。
93.在造模过程中需及时更换笼内垫料，因小鼠血糖升高导致尿糖，因此十分容易引起细菌的滋生，故需两天就进行一次垫料更换。造模过程中使用打耳标法来区别小鼠。
94.在小鼠造模过程中，通过对小鼠进行血糖测量，取得不同血糖浓度(4.9、6.6、8.9、10.5、13.2mm)的血液，以金纳米棒阵列材料 10μl(10～50mm)mpba 10μl血液，然后在35℃下水浴15min后进行拉曼检测。
95.血糖浓度为4.9、6.6、8.9、10.5、13.2mm的拉曼光谱图如图9所示。血糖浓度与拉曼光谱峰值的线性关系曲线如图10所示。由图9和图10可以看出，由血液拉曼检测结果可得，不同血糖浓度的血液通过我们所制作的葡萄糖传感器进行拉曼检测，在1078cm-1
处的峰值大小随着血糖浓度的升高而增大，且具有一定的线性关系。
96.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。