接枝聚合的亲水性SERS印迹膜的构建方法和用途

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，具体地说是一种接枝聚合的亲水性 SERS印迹膜的构建方法和用途。

背景技术

在当今时代，在制药，生物医学领域对超痕量生物分子检测的需求越来越高。传统检测的方法有萃取法、质谱法、气相色谱法以及多种技术联用的方法。这些方法在检测过程中存在着检测费时费力，费用高且检测场所受限等问题。因此，有必要开发一种便捷、高效的检测手段来检测。

目前，贵金属纳米粒子(M NPs)材料，具有独特的光学和电学性能，在传感、催化和生物医学等领域有广泛的应用。表面增强拉曼散射技术(SERS)，作为一种分析检测技术，具有高灵敏度、快速响应和指纹谱图等特性，已成为无损化学和生化分析最有价值的工具之一，近年来已经广泛应用于化学/生物传感器、单分子检测、生物医学检测等领域。在众多基底材料中，银纳米粒子比金纳米粒子具有更强和更灵敏的拉曼信号，因此成为更具有竞争力的等离子体传感器并且拓宽了增强表面增强拉曼散射(SERS)的应用范围。然而也存在一定的局限性。其具有较大的背景荧光干扰，且与传统方法一样对特定物质的检测会受到其它物质的干扰，而且最大的一个问题是传统的粉状SERS基底回收不方便，造成了严重的浪费，且由于是粉状基底，其本身存在着基底分布不均匀，团聚，颗粒大小不一，这些都极大的限制了其与其他技术的结合。

为了改善粉体基底的循环利用能力，减少损耗及基底自身存在的问题，我们考虑将膜分离技术与SERS检测相结合。近年来，膜分离由于工艺处理简单、化学稳定性高、延展性大等特点，在分析、催化、废水处理等领域得到了广泛的应用。在制备SERS膜的过程中，为了提高灵敏度，我们以聚偏氟乙烯(PVDF)作为支撑膜。原因之一是PVDF膜尖端表面粗糙，可以提供更多的“热点”，提高检测灵敏度；另一个原因是PVDF膜表面官能团较多，易于作为二次反应平台。虽然SERS膜可以解决循环不便的缺陷，但传统的SERS检测技术缺乏特异选择性，难以对复杂的实际样品做到精准监测。

分子印迹聚合物(MIPs)作为一种人工印迹聚合物，可以与模板分子在三维空间相匹配，以合成费用低、环境污染小、工艺操作简单等优良性能引起了人们的广泛关注。MIPs具备和模板分子相匹配的空间结构和结合位点，能够专一结合和识别模板分子。能够凭借模板分子的尺寸、形状和键合的作用点将其从含有不同其他种类分子体系中准确的识别出来。

发明内容

本发明的目的是要提供一种接枝聚合的亲水性SERS印迹膜的构建方法和用途，该印迹膜用于亲水性物质检测，且具有灵敏的检测性和高度的选择性。

本发明的技术方案：

一种接枝聚合的亲水性SERS印迹膜的构建方法，由亲水改性PVDF膜、 Ag、印迹层复合而成基底，Ag在亲水改性的PVDF膜表面被还原出来，形成 PVDF/Ag/pDA；印迹层是由丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯和偶氮二异丁腈聚合而成的，所述印迹层负载在PVDF/Ag/pDA膜表面，形成Ag修饰的亲水改性的分子印迹PVDF膜基底。

本发明的有益效果：

1、本发明将拉曼检测技术与分子印迹技术相结合，使其产物具有灵敏的检测性与高度的选择性；萃取法、质谱法等传统方法受限于实验室检测，且由于不具备对目标分子的选择性，因此无法在大多数实际应用场景下使用，而与这些传统检测方法相比，复合材料SERS印迹膜的检测速度与效率更为高效，应用场景更为广泛，并且保证了同等的痕量生物分子检测能力，而同时由于结合了印迹技术，使其具有了在多种物质混合的复杂环境下，对特定目标物质的选择性检测，为超痕量生物分子的选择性检测提供了一种新的方法。

2、本发明选取银纳米粒子作为基底，并对其进行亲水改性，使其在结合了拉曼检测技术与分子印迹技术的基础上性能更为优异；在本发明中，将用生物低毒性的银纳米粒子修饰的亲水改性的PVDF膜基底与分子印迹技术相结合，使其聚合产物具有良好的生物兼容性，能够应用于对L-酪氨酸的检测。由于银纳米粒子会产生出更强的表面等离子体共振效应，出现更强的电磁增强效果，因此银纳米粒子比金纳米粒子具有更强和更灵敏的表面增强拉曼信号，使它们成为更具有竞争力的等离子体传感器拓宽了表面增强拉曼散射(SERS)的应用。

附图说明

图1：(a)亲水性的M1膜，(b)pDA改性的PVDF膜，(c)PVDF/pDA/Ag复合膜和(d)PDA-MIM(d)(比例尺尺寸为1μm)的扫描电镜图；

图2：MI,M2,PVDF/pDA以及PDA-MIMs红外光谱图；

图3：(a)PVDF，(b)PVDF/pDA和(c)PVDF/pDA/Ag的X射线衍射图；

图4：不同浓度的L-酪氨酸的SERS光谱(a)，拉曼强度与浓度之间的线性关系(b)；

图5：在相同浓度下选择性检测不同分子；

图6：PDA-MIM上的L-酪氨酸循环检测10次。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

本发明的目的是通过三步反应合成Ag修饰的亲水改性印迹膜，并探索其应用。首先对PVDF(聚偏氟乙烯)膜进行亲水改性，将含有NVP(N-乙烯基吡咯烷酮)和VTES(三乙氧基硅烷)(n/n，7/3)和20mg AIBN(2,2’-偶氮(2- 甲基丙腈))的1.6g混合单体溶液分别分散到50mL DMAc(二甲基乙酰胺)中引发聚合。同时，将4.0g PVDF粉末和500mg PVP(聚乙烯吡咯烷酮)溶解在 20mL DMAc中，进行进一步的交联反应，最终成膜；其次是复合膜的合成，将一块之前制备好的膜浸入50mL Tris-HCl(三羟甲基氨基甲烷盐酸盐)溶液中，并用NH

实施例1：

(1)PVDF膜的亲水改性

在150mL单口烧瓶中，将含有NVP和VTES(n/n，7/3)和20mg AIBN 的1.6g混合单体溶液分别分散到50mL DMAc中。密封该混合物体系，并在80℃下引发聚合。24小时后，将混合物溶液以相同体积用水稀释，备用。同时，将 4.0g PVDF粉末和500mg PVP溶解在20mL DMAc中，并在50℃下剧烈搅拌 4.0h。24小时后，滴加透明溶液并将膜浇铸在干净的玻璃板上。然后将玻璃板浸入约2.0分钟以上制备的混合物溶液中。随后，将玻璃板转移到60℃的水中进行进一步的交联反应，以完成相转化的过程。最终的膜名为M1。作为比较，通过相同的方法在不添加NVP和VTES的情况下制备了另一种PVDF膜，将该膜命名为M2。

(2)PVDF/pDA/Ag复合膜的合成

首先，将一片PM1浸入50mL Tris-HCl溶液中，并用NH

其次，将几片PVDF/pDA膜浸入50mL乙醇/水混合溶液(v/v，4/1)中。随后，将1.0g的AgNO

(3)PDA-MIMs的合成

在合成PDA-MIMs之前，通过MPS用乙烯基修饰PVDF/pDA/Ag复合膜。将几片PVDF/pDA/Ag复合膜浸入100mL乙醇/水溶液(v/v，4/1)中并用 N

随后，通过两步沉淀聚合合成PDA-MIM。将一块乙烯基-PVDF/pDA/Ag 膜浸入60mL乙醇中，分别加入0.3mmol L-酪氨酸，50mg AM，400μLEGDMA 和20mg AIBN。混合物系统通过大量的N

所述的冲洗，均为乙醇和水分别洗涤3次。

本发明对应的非印迹聚合物的制备方法类似合成方法如上，但不加L-酪氨酸。

实施例2：

(1)PVDF膜的亲水改性

在150mL单口烧瓶中，将含有NVP和VTES(n/n，7/3)和20mg AIBN 的1.6g混合单体溶液分别分散到50mL DMAc中。密封该混合物体系，并在80℃下引发聚合。24小时后，将混合物溶液以相同体积用水稀释，备用。同时，将 4.0g PVDF粉末和500mg PVP溶解在30mL DMAc中，并在50℃下剧烈搅拌 5.0h。24小时后，滴加透明溶液并将膜浇铸在干净的玻璃板上。然后将玻璃板浸入约3.0分钟以上制备的混合物溶液中。随后，将玻璃板转移到60℃的水中进行进一步的交联反应，以完成相转化的过程。最终的膜名为M1。作为比较，通过相同的方法在不添加NVP和VTES的情况下制备了另一种PVDF膜，将该膜命名为M2。

(2)PVDF/pDA/Ag复合膜的合成

首先，将一片PM1浸入50mL Tris-HCl溶液中，并用NH

其次，将几片PVDF/pDA膜浸入50mL乙醇/水混合溶液(v/v，4/1)中。随后，将2.0g的AgNO

(3)PDA-MIMs的合成

在合成PDA-MIMs之前，通过MPS用乙烯基修饰PVDF/pDA/Ag复合膜。将几片PVDF/pDA/Ag复合膜浸入100mL乙醇/水溶液(v/v，4/1)中并用 N

随后，通过两步沉淀聚合合成PDA-MIM。将一块乙烯基-PVDF/pDA/Ag 膜浸入60mL乙醇中，分别加入0.4mmolL-酪氨酸，50mg AM，400μLEGDMA 和20mg AIBN。混合物系统通过大量的N

所述的冲洗，均为乙醇和水分别洗涤3次。

本发明对应的非印迹聚合物的制备方法类似合成方法如上，但不加L-酪氨酸。

实施例3：

(1)PVDF膜的亲水改性

在150mL单口烧瓶中，将含有NVP和VTES(n/n，7/3)和20mg AIBN 的1.6g混合单体溶液分别分散到50mL DMAc中。密封该混合物体系，并在80℃下引发聚合。24小时后，将混合物溶液以相同体积用水稀释，备用。同时，将 4.0g PVDF粉末和500mg PVP溶解在40mL DMAc中，并在50℃下剧烈搅拌 6.0h。24小时后，滴加透明溶液并将膜浇铸在干净的玻璃板上。然后将玻璃板浸入约4.0分钟以上制备的混合物溶液中。随后，将玻璃板转移到60℃的水中进行进一步的交联反应，以完成相转化的过程。最终的膜名为M1。作为比较，通过相同的方法在不添加NVP和VTES的情况下制备了另一种PVDF膜，将该膜命名为M2。

(2)PVDF/pDA/Ag复合膜的合成

首先，将一片PM1浸入50mL Tris-HCl溶液中，并用NH

其次，将几片PVDF/pDA膜浸入50mL乙醇/水混合溶液(v/v，4/1)中。随后，将3.0g的AgNO

(3)PDA-MIMs的合成

在合成PDA-MIMs之前，通过MPS用乙烯基修饰PVDF/pDA/Ag复合膜。将几片PVDF/pDA/Ag复合膜浸入100mL乙醇/水溶液(v/v，4/1)中并用 N

随后，通过两步沉淀聚合合成PDA-MIM。简而言之，将一块乙烯基-PVDF/ pDA/Ag膜浸入60mL乙醇中，分别加入0.5mmolL-酪氨酸，50mg AM， 400μLEGDMA和20mg AIBN。混合物系统通过大量的N

所述的冲洗，均为乙醇和水分别洗涤3次。

本发明对应的非印迹聚合物的制备方法类似合成方法如上，但不加L-酪氨酸。

图1：(a)亲水性的M1膜；(b)pDA改性的PVDF膜；(c)PVDF/pDA/Ag 复合膜；(d)PDA-MIM的扫描电镜图。所述基底是由亲水改性PVDF膜、Ag、印迹层复合而成的，Ag在亲水改性的PVDF膜表面被还原出来，形成 PVDF/Ag/pDA；印迹层是由丙烯酰胺(AM)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA) 和偶氮二异丁腈(AIBN)聚合而成的，所述印迹层负载在PVDF/Ag/pDA膜表面，形成Ag修饰的亲水改性的分子印迹PVDF膜基底，该印迹聚合物已经成功合成；

图2：M2；M1；PVDF/pDA；PDA-MIMs的红外光图谱。由图中可以看出，这几种种材料都呈现出明显的峰值，从红外谱图中，可以看出，该聚合物已经成功合成；

图3：(a)PVDF；(b)PVDF/pDA；(c)PVDF/pDA/Ag的XRD光谱图。由图中可以看出，随着合成阶段的进行PVDF的结构不变，衍射峰强度逐渐减弱， Ag NPs修饰后出现了四个新峰，证实银纳米颗粒已经成功的分散在膜表面。

图4：(a)PDA-MIMs对于不同浓度下L-酪氨酸检测的拉曼光谱和(b)拉曼强度与L-酪氨酸浓度变化的检测线性关系图。

图5：PDA-MIMs的选择性检测性能力图。PDA-MIMs对比PDA-NIMs有明显的拉曼增强信号，得益于其印迹层的选择性。

图6：PDA-MIMs的重复检测性能，从图中可以看出，PDA-MIMs具备良好的可重复性能。

本发明具体的拉曼检测按照下述方法进行：在拉曼光谱中反应出SERS对 PDA-MIMs的检测能力。在本实验中，所有的拉曼检测条件均一致：激发光波长为633nm。每个样品的光谱收集与曝光时间均为10秒，入射激光的功率为0.25 mW。SERS谱图用50×尼康镜头收集。所有的SERS基底放在载玻片上，自然干燥后用于表面增强拉曼光谱的检测。

试验例1：如图4(a)所示，检测了PDA-MIMs的SERS活性，L-酪氨酸为探针分子，确定检测限。该图表明，在1591cm

试验例2：为了研究PDA-MIMs的印迹层对L-酪氨酸的特异选择性，用 PDA-MIMs和PDA-NIMs分别检测相同浓度的L-酪氨酸，异亮氨酸和苯丙氨酸做平行实验来进一步研究。如图5所示，由于具有印迹层，PDA-MIMs表现出了比PDA-NIMs对L-酪氨酸检测时更高的拉曼光谱强度，而PDA-MIMs和 PDA-NIMs对异亮氨酸和苯丙氨酸检测时的拉曼光谱强度相近，说明了 PDA-MIMs的印迹层的高效性。

试验例3：传统的SERS传感器无法实现循环利用，所以SERS传感器的检测效果受到限制。因此需要一个方法来制造一个用于检测L-酪氨酸的可循环使用的SERS传感器。在该试验中制备的材料不仅拥有检测功能，而且拥有良好的回收再利用能力。在图6中所示，通过反复适当的漂洗和清洁过程，再次进行的检测，PDA-MIMs传感器依然具有令人满意的效果。