一种金属/碳纳米管复合滤膜、制作方法及应用

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种金属/碳纳米管复合滤膜、制作方法及应用。

背景技术

近年来，随着纳米材料制备、基于表面增强散射等技术应用的高速发展，基于纳米材料的表面增强拉曼散射基底以其独特的结构和信号高强度、高灵敏度以及目标检测功能在体外医学诊断和水环境监测域具有重大的应用前景。

在光学检测技术中，表面增强拉曼散射（SERS）技术由于其超高的灵敏度以及独特的“指纹”光谱特性，其谱线窄、检测条件温和、对生物样品损伤小、不易光漂白等特点被广泛地应用在环境检测、细胞成像和病原体/蛋白质检测等领域，因此在生物传感、药物分析、癌症早期诊断治疗等领域中得到广泛研究和应用。

在生物医学方面，SERS基底是目前研究肿瘤早期诊断和细胞分析的热点之一。SERS基底是一种尺寸较小的金属纳米级颗粒，其表面可以修饰特定的靶向分子和标记物实现对目标物的捕获并检测，也可以直接对目标物进行无标检测。体外检测如基于典型的三明治结构免疫检测平台、微流控技术平台配合SERS基底在对生物大分子、蛋白及一些肿瘤标记的高通量、高灵敏的检测应用领域中也得到了广泛的关注。

然而，随着研究的不断深入，人们对纳米光学检测系统及平台的要求不断提高，现有的检测系统和平台很难实现待测目标物的筛选捕获和检测同时进行。若能实现液体待测样本在定向流动的过程中同时实现待测目标物的过滤、筛选和检测，在液体流动的过程中截获待测目标物同时还能获得目标待测物的相关信息，这将为水环境检测以及肿瘤的早期诊断和病情评估提供更可靠的判据。通常用于液体中目标待测物的SERS检测方式主要是基于溶液中游离的贵金属纳米颗粒和组装贵金属纳米颗粒的二氧化硅玻片，以基于金纳米球的SERS探针为例，先取一定量的流动性待测液体放入试管中，然后将含有游离的金纳米球SERS探针溶液和上述待测液体混合一段时间，使液体中的待测物与贵金属纳米粒子充分结合后实现对液体中待测目标物的SERS检测，但是直接混合会使得探针和液体中待测物接触几率小，相互作用时间长，通常这种方式需要对液体待测物进行多次离心清洗和浓缩，操作复杂，实验过程中还可能出现贵金属纳米粒子和待测溶液混合产生沉淀，不利于进行高通量、快速、高灵敏的检测。因而，获得一个适用于流动性液体检测的SERS基底，集成过滤、筛选和SERS增强作用、结构简单、检测方便快速等诸多优点于一体的SERS基底，对于液体中目标待测物的高灵敏、快速检测具有重要价值，对于丰富生化分析中的检测手段也具有很大的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种金属/碳纳米管复合滤膜、制作方法及应用。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种金属/碳纳米管复合滤膜，所述滤膜结构包括过滤吸附层和拉曼散射增强层，所述过滤吸附层为由功能化的碳纳米管形成的碳纳米管网，用于过滤溶液和截留溶液中的目标待测物；所述拉曼散射增强层为在碳纳米管网上修饰沉积的金属纳米颗粒层，用于对溶液中的目标待测分子的拉曼光谱进行增强，通过表面增强拉曼散射光谱实现目标物的检测。

进一步的，所述碳纳米管为长的多壁碳纳米管。

进一步的，所述金属纳米颗粒层为金核银壳纳米粒子层。

本发明还提供一种金属/碳纳米管复合滤膜的制备方法，利用纤维滤膜作为支撑，反复过滤沉积不同电性的较长碳纳米管和金属/碳纳米管复合物作为过滤层，其形成的多孔结构可以有效的过滤液体样品并截留目标物；金属/碳纳米管复合滤膜利用吸附在碳纳米管上的密集的金核银壳纳米粒子作为SERS增强层，其形成的二聚体和多聚体在激发光的照射下，能够产生较强的表面增强拉曼散射信号。

具体的，本发明包括以下步骤：

S1、水溶性碳纳米管的制备：

将长度为2 um的碳纳米管加入到硫酸和硝酸混合液中进行处理，得到水溶性碳纳米管，随后采用截留分子量为3500~14000的透析袋对水溶性碳纳米管进行pH中性处理，然后使用超声波细胞破碎仪冰浴，1小时重新分散，离心分离，得到尺寸在1~1.5um 的碳纳米管；

S2、金核银壳纳米粒子的制备：

采用柠檬酸三钠还原法制备金核银壳纳米粒子，先制备金纳米粒子作为前驱种子和内核层，再利用柠檬酸三钠作为还原剂和稳定剂在金纳米粒子外层包裹一层银纳米粒子作为壳层，得到金核银壳纳米粒子溶液；

S3、正电性的碳纳米管的制备：

将S1中制备的水溶性的碳纳米管加入到聚乙烯亚胺溶液或聚丙烯胺盐酸盐溶液中，超声1~2小时后离心清洗，去除上清中残留的聚乙烯亚胺溶液或聚丙烯胺盐酸盐，得到的沉淀为正电性的碳纳米管；

S4、负电性的碳纳米管的制备：

将S3中制备的正电性的碳纳米管，加入到聚丙烯酸或聚苯乙烯磺酸钠溶液中，超声1~2小时后离心清洗，去除上清中残留的聚丙烯酸或聚苯乙烯磺酸钠，得到的沉淀为负电性的碳纳米管；

S5、金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物的制备：

将S3中制备的正电性的碳纳米管与S2中制备的金核银壳纳米粒子溶液混合，超声15~25分钟后离心清洗，去除上清中没有修饰到碳纳米管表面的金核银壳纳米粒子，得到的沉淀即金核银壳纳米粒子修饰的碳纳米管；

S6、金属/碳纳米管复合滤膜的制备：

将S4中制备的负电性碳纳米管与水混合形成负电性碳纳米管溶液，将S3中制备的正电性碳纳米管与水混合形成正电性碳纳米管溶液，将S5中制备的金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物与水混合形成金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物溶液，将上述三种溶液依次滴加到装有纤维滤膜的抽滤瓶中抽滤，上述3种功能化的碳纳米管通过静电吸附作用沉积交织在一起形成网状结构，最后剥离纤维滤膜，得到金属/碳纳米管复合滤膜。

进一步的，S1中，所述水溶性碳纳米管的制备，具体为：将碳纳米管加入到硫酸和硝酸混合液中，恒温水浴，超声波清洗处理12小时，然后加入去离子水进行搅拌稀释，静止12~24 h后，去除溶液上清残留较小尺寸的碳纳米管和石墨碎片，并重新加入去离子水，然后加入到装有纤维滤膜的抽滤瓶中过滤；将过滤在纤维滤膜上的水溶性碳纳米管重新分散到去离子水中，加入到截留分子量为3500-14000的透析袋中，并将透析袋放入去离子水中搅拌透析，直至透析袋外的去离子水pH值为7；然后将透析袋中的水溶性碳纳米管溶液放置到超声波细胞破碎仪中冰浴，1小时后重新分散，最后进行离心分离，去除上清中尺寸较小的碳纳米管，得到尺寸在1~1.5um 的碳纳米管。

进一步的，S3中，水溶性碳纳米管与聚乙烯亚胺溶液或聚丙烯胺盐酸盐溶液以质量体积比1mg:5mL~1mg:10mL混合；所述聚乙烯亚胺溶液或聚丙烯胺盐酸盐溶液的质量体积浓度为0.5 ~1mg/mL。

进一步的，S4中，正电性的碳纳米管与聚丙烯酸或聚苯乙烯磺酸钠溶液以质量体积比1mg:5mL~1mg:10mL混合；所述聚丙烯酸或聚苯乙烯磺酸钠溶液的质量体积浓度为0.5~1mg/mL。

进一步的，S2中，以金纳米粒子为种子，柠檬酸三钠原位还原法制备金核银壳纳米粒子，具体方法为：取100 mL柠檬酸三钠制备的、尺寸为15~18纳米的金纳米粒子溶液，按照体积比1：15加入1%的柠檬酸三钠加热搅拌至沸腾，然后按照体积比1：10~1：40逐滴加入10毫摩尔/升~20 毫摩尔/升的硝酸银溶液搅拌加热至沸腾，保持沸腾1小时后冷却至常温，得到金核银核纳米粒子溶液，银壳厚度可以10-80 nm进行调控。

进一步的，S5中，正电性的碳纳米管与金核银壳纳米粒子溶液以质量体积比0.2mg:10 mL~0.2mg:20mL混合；通过调节金核银壳纳米粒子溶液和正电性碳纳米管的比例来实现金核银壳纳米粒子在碳纳米管表面的聚集程度，使其产生更多的表面增强拉曼散射增强热点。

进一步的，S6中，所滴加的负电性碳纳米管溶液、正电性碳纳米管溶液和金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物溶液的体积比为1:1:1；所述负电性碳纳米管溶液质量体积浓度为0.5mg/mL~1mg/mL，正电性碳纳米管溶液质量体积浓度为0.5~1mg/mL，金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物溶液质量体积浓度为0.1 ~0.2mg/mL。

进一步的，S1中，所加入的碳纳米管与硫酸和硝酸混合液的质量体积比为1:1.2(mg /mL)；所述硫酸和硝酸混合液中，硫酸质量百分比浓度为96-98%，硝酸质量百分比浓度为65-68%。

本发明还提供了以上所述的金属/碳纳米管复合滤膜在生化标志物和农药的痕量检测中的应用。

本发明的有益效果：

1、本发明方法操作简单、SERS灵敏度高、过滤效果好、可重复性好、成本低廉并且环境友好，所应用的材料（碳纳米管、金核银壳纳米粒子、纤维滤网）容易获取，简单合成与沉积就可以完成滤膜的制备；具有较好的表面增强拉曼散射增强效应；

2、本发明通过简单抽滤沉积和静电吸附方式，在纤维滤膜上形成多层碳纳米管的交织网膜结构，相对于现有的滤膜，使用碳纳米管作为滤膜支撑材料，可以更好吸附溶液中的待测目标物如芳香族化合物；

3、本发明的滤膜表面具有金核银壳纳米粒子，可以在特定的条件下，在其表面修饰捕获抗体、DNA以及环境响应性拉曼分子以实现对液体中特定目标物和液体的环境进行捕获、检测的特殊功能；

4、采用本发明方法所制备的金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合滤膜，可做为具有表面增强拉曼散射活性的滤膜，可以直接在滤膜上检测液体中或截留在滤膜表面的待测物质，检测便捷；与传统的金属/纤维滤膜相比，制备条件温和，得到的金核银壳纳米粒子均一可控，聚集密度可控，滤膜孔径大小可控，过程简单，稳定性好；

5、本发明的滤膜具有较强的表面增强拉曼散射光学信号增强能力，并且可过滤、吸附、截留作用，易于实现滤网的过滤功能，适用于流动性液体检测，在液体过滤、生化检测等应用领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明用于金属/碳纳米管复合滤膜的制备方法流程图;

图2为本发明金核银壳纳米粒子在激发波长为650 nm下的局域电场分布仿真图，其中a为单一结构，b为金核银壳纳米粒子二聚体结构；

图3为本发明网状金核银壳/碳纳米管复合物透射电子显微镜图；

图4为本发明以含有对巯基苯胺（pATP）分子水溶液为待测目标物通过金属/碳纳米管复合滤膜，激发其SERS光谱，激发波长为633 nm得到的SERS光谱图；

图5为本发明以含有4-巯基苯甲酸（4MBA）分子水溶液为待测目标物通过金属/碳纳米管复合滤膜，激发其SERS光谱，激发波长为633 nm得到的SERS光谱图；

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例1

本发明实施例提供一种金属/碳纳米管复合滤膜，所述滤膜结构包括过滤吸附层和拉曼散射增强层，所述过滤吸附层为由功能化的碳纳米管形成的碳纳米管网，所述拉曼散射增强层为在碳纳米管网上修饰沉积的金属纳米颗粒层；所述碳纳米管为长的多壁碳纳米管；所述金属纳米颗粒层为金核银壳纳米粒子层。

具体的，以金属/碳纳米管复合滤膜过滤含有pATP（对巯基苯胺）作为拉曼分子的溶液为例，对本发明方法作更进一步的说明。

本发明方法包括以下步骤：

S1、水溶性碳纳米管的制备：

将长度为2 um的原始碳纳米管按照质量体积比100mg:120mL的比例加入到硫酸（质量百分比浓度为96-98%）和硝酸（质量百分比浓度为65-68%）混合液中，在恒温50°C的水浴下，使用超声波清洗仪处理12小时，然后加入4~8 L的去离子水进行搅拌稀释，静止12~24h后，去除溶液上清残留较小尺寸碳纳米管和石墨碎片，并重新加入4~8L去离子水，然后加入到装有纤维滤膜的抽滤瓶中过滤，将过滤在纤维滤膜上的水溶性碳纳米管重新溶解到50mL的去离子水中，加入到截留分子量为3500-14000的透析袋中并将透析袋放入2 L去离子水中搅拌透析，每隔4 h更换一次去离子水直至透析袋外的去离子水pH值为7，然后将透析袋中的水溶性碳纳米管溶液放置到超声波细胞破碎仪中冰浴，功率800mW，1小时重新分散，最后进行离心分离，调节离心转速（4000-6000转/分钟）和时间（10-20 分钟），去除上清中尺寸较小的碳纳米管，得到为尺寸在1~1.5um的碳纳米管。

S2、金核银壳纳米粒子的制备：

取100 mL尺寸为15~18纳米的金纳米粒子溶液，按照体积比1：15加入1%的柠檬酸三钠溶液中加热搅拌至沸腾，然后照体积比1：10~40逐滴加入10 ~20 毫摩尔/升的硝酸银溶液搅拌加热至沸腾，保持沸腾1小时后冷却至常温，得到金核银核纳米粒子溶液，银壳厚度可以10~80 nm进行调控。

S3、正电性的碳纳米管的制备：

将S1中制备的尺寸为1~1.5um 的水溶性碳纳米管，按照质量体积比1mg:5mL~1mg:10 mL的比例加入到0.5mg/mL-1mg/mL的聚乙烯亚胺溶液或聚丙烯胺盐酸盐溶液中，超声1~2小时后离心清洗，去除上清中残留的聚乙烯亚胺溶液或聚丙烯胺盐酸盐，得到的沉淀为正电性的长碳纳米管。

S4、负电性的碳纳米管的制备：

将S3中制备尺寸为1~1.5μm的正电性的长碳纳米管，按照质量体积比1mg:5mL~1mg:10 mL的比例加入到0.5mg/mL-1mg/mL的聚丙烯酸或聚苯乙烯磺酸钠溶液中，超声1~2小时后离心清洗，去除上清中残留的聚丙烯酸或聚苯乙烯磺酸钠，得到的沉淀为负电性的长碳纳米管；

S5、金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物的制备：

将S3中制备的正电性长碳纳米管按照质量体积比0.2mg:10 mL~0.2mg:20mL的比例加入到S2中制备的金核银壳纳米粒子溶液中混合，超声15~25分钟后离心清洗，去除上清中没有修饰到碳纳米管表面的金核银壳纳米粒子，得到的沉淀即金核银壳纳米粒子修饰的碳纳米管。可通过调节金核银壳纳米粒子溶液和正电性碳纳米管的比例来实现金核银壳纳米粒子在碳纳米管表面的聚集程度，使其产生更多的表面增强拉曼散射增强热点。

S6、金属/碳纳米管复合滤膜的制备：

将S4中制备的负电性碳纳米管与去离子水混合形成负电性碳纳米管溶液，负电性碳纳米管溶液质量体积浓度为0.5mg/mL~1mg/mL；将S3中制备的正电性碳纳米管与去离子水混合形成正电性碳纳米管溶液，正电性碳纳米管溶液质量体积浓度为0.5mg/mL~1mg/mL；将S5中制备的金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物与去离子水混合形成金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物溶液，金核银壳纳米粒子/碳纳米管复合物溶液质量体积浓度为0.1mg/mL~0.2mg/mL；将上述三种溶液依次以体积比1:1:1滴加到装有纤维滤膜的抽滤瓶中抽滤，上述3种功能化的碳纳米管通过静电吸附作用沉积交织在一起形成网状结构，最后剥离纤维滤膜，得到金属/碳纳米管复合滤膜。

如图1所示，本实施例1所制备的滤膜，包括过滤吸附层，过滤吸附层为正电性长碳纳米管和负电性长碳纳米管错层叠加，拉曼散射增强层为金核银壳纳米粒子。将待测液体滴加在本实施例所制备的滤膜表面，过滤后，将滤膜固定在共聚焦拉曼光谱仪上检测，光源为633 nm的激光，形成表面增强拉曼散射信号，图4为本实施例SERS光谱图。

实施例2：

本实施例金属/碳纳米管复合滤膜的制备方法与实施例1相同，不同之处在于用4-巯基苯甲酸替换对巯基苯胺，即以金属/碳纳米管复合滤膜过滤含有4MBA（4-巯基苯甲酸）作为拉曼分子的溶液，图5为本实施例SERS光谱图。

本发明采用聚合物包裹的方式进行长碳纳米管电性更改，采用纤维滤膜作为支撑，利用静电吸附作用将不同电性的长碳纳米管沉积交织在纤维滤膜上，然后将修饰金核银壳纳米粒子的碳纳米管复合物抽滤沉积在最上层作为表面增强拉曼散射增强基底，形成具有表面增强拉曼散射活性的金属/碳纳米管复合物的滤膜。其形成的多孔结构可以有效的过滤液体样品并截留目标物；金属/碳纳米管复合滤膜利用吸附在碳纳米管上的密集的金核银壳纳米粒子作为SERS增强层，其形成的二聚体和多聚体在激发光的照射下，能够产生较强的表面增强拉曼散射信号，因此能对液体样品具有较强的过滤截留以及表面增强拉曼散射增强效应，在生化标志物和农药的痕量检测具有良好的应用前景。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。