一种基于 pH 响应聚丙烯酰肼封端的银纳米颗粒的新型智能表面增强拉曼散射传感器

背景

表面增强拉曼散射 (SERS) 是一种强大的光谱工具，可通过目标分子的振动信息识别分子结构 [1]。由于其方便和超灵敏的分析，SERS 已被公认为检测生物分子（包括 DNA、RNA 和癌细胞）的理想方法 [2]。人们普遍认为，SERS 技术可以用增强型电磁 (EM) [3] 来说明。在 EM 的影响中，局域表面等离子体共振 (LSPR) 起着关键和主导作用 [4]。当目标分子位于相邻金属纳米粒子之间的间隙（所谓的“热点”）时，在入射光的照射下，金属纳米粒子产生LSPR，其表面电磁场增强，导致SERS信号增强[5]。 ,6,7]。巨大的增强确保了SERS的高灵敏度，这意味着即使在低浓度下也可以获得目标分子的特征指纹[8,9,10]。

迄今为止，已投入大量努力来提高 SERS 的灵敏度以开发 SERS 分析技术。超灵敏 SERS 的成功策略已通过具有不同形状和尺寸的金属纳米颗粒基材实现 [11]。然而，据我们所知，没有关于可控 SERS 检测的相应报道 [12,13,14,15]。因此，开发可调 SERS 将成为与高灵敏度 SERS 和生物传感器相关的最大挑战之一。聚丙烯酰肼（PAH）是一种pH响应性聚合物，已应用于各种生物医学领域[16]。由于多环芳烃上有丰富的酰肼官能团，多环芳烃不仅可以作为封端剂，还可以作为金属离子前驱体的还原剂，轻松制备银纳米颗粒（NPs）[17]。响应性多环芳烃的溶胀收缩行为可以控制外部 pH 刺激下 Ag NPs 与目标分子之间的距离，从而实现可调谐的 LSPR 和进一步控制 SERS。

在这项工作中，通过结合 pH 响应性 PAH 聚合物和 Ag NPs，我们成功地制备了 Ag@PAH NPs，而无需其他试剂。以罗丹明6G（R6G）为目标分子，首次将Ag@PAH NPs用于SERS检测。由于 PAH 聚合物在 Ag NPs 表面的响应，可以通过调节 pH 值来实现 R6G/Ag@PAH NPs 的可控 SERS 效应。此外，Ag@PAH NPs 具有较高的灵敏度和重现性，这使得它们可以在现场应用中探索生物危害或化学试剂分析。

方法

Ag@PAH NPs 的制备过程示意图如图 1 所示。简而言之，将 250 μL AgNO3 水溶液（0.2 mol/L）加入 25 mL PAH（ESI† 详情）水溶液（2% w /v ）。将混合物在温和条件下在 30°C 搅拌 30 分钟。得到的红棕色溶液通过对去离子水透析 24 小时进行纯化，并通过离心收集并分散在去离子水中。然后用0.1 mol/L HCl溶液或0.1 mol/L NaOH溶液调节Ag@PAH NP溶液的不同pH值。

Ag@PAH NPs制备过程示意图

结果与讨论

PAH 聚合物在每个重复单元中都具有酰肼基团，可作为制备金属纳米颗粒的有效还原剂 [18]。银 ⁺ 在Ag@PAH NPs的制备过程中，亲电取代基团末端的氮形成-CO-NH-NH-和Ag NPs。通过高分辨率透射电子显微镜，我们发现 Ag NPs 被 PAH 聚合物完全包裹，具有完整的核壳结构。我们进一步估计图 2a 中 Ag NP 的平均尺寸约为 90 nm。 Ag@PAH NPs 的流体动力学直径在 pH =9 时为 192.6 nm，当 pH 值为 4 时减小到 103.3 nm，如图 2b 所示。此外，我们通过从 Ag@PAH NP 的总直径减去 Ag@PAH NP 的直径进一步计算了 PAH 壳的厚度，pH =9 时为 102.6 nm，pH =4 时为 13.3 nm。原因应归因于膨胀和PAH 的收缩。 PAH 的膨胀和收缩归因于以下因素的协同作用，即质子化-去质子化变化、电荷排斥和 PAH 聚合物的氢键形成能力。此外，Ag@PAH NPs 在 UV-vis 光谱中显示出类似的吸收峰（约 423 nm），并且只有吸收强度在图 2c 中的 4 到 9 的 pH 范围内降低。这表明聚合物壳层厚度的增加会阻碍局域表面等离子体共振的传播，而不会改变Ag NPs的光学性质。

一 Ag@PAH NPs 的 HRTEM 图像和粒度分布。 b Ag@PAH NPs 流体动力学直径的 pH 依赖性。 c Ag@PAH NPs紫外-可见吸收光谱的pH依赖性

使用 R6G 作为模型目标分析物评估 Ag@PAH NPs 的 SERS 性能。为了了解 Ag@PAH NPs 增强 R6G 拉曼信号的起源，进行了比较实验以区分 PAH 聚合物层的影响。我们比较了纯 R6G 溶液、纯 PAH 溶液、单个 Ag NP 和 Ag@PAH NP 的拉曼信号，所有这些在图 3a 中都具有相同的浓度。众所周知，纯 R6G 溶液 (10 ⁻⁶ M) 很弱。添加Ag NPs或Ag@PAH NPs作为底物后，主要特征峰位于1311、1363、1509和1651 cm ^-1 ，与 R6G 的拉曼光谱完美匹配，明显增强。这表明存在于 Ag NPs 和 Ag@PAH NPs 表面上的 R6G 分子发出了显着的 SERS 信号。相比之下，在没有Ag NPs的情况下，单个PAH聚合物的SERS信号可以忽略不计，这表明PAH聚合物的存在对R6G分子的SERS效应没有影响。

一 在 Ag@PAH NPs 衬底上制备 R6G 的 SERS 工艺示意图。 b 不同pH值下Ag@PAH NPs对R6G的可调SERS机制示意图

金属电池/聚合物壳的 SERS 增强对聚合物壳厚度非常敏感，这已被理论和实验研究证明。我们研究了不同 pH 值和 SERS 增强信号之间的影响，如图 4a 所示。与 R6G 的原始信号相比，在不同 pH 条件下，在 Ag@PAH NPs 存在的情况下，SERS 信号被放大。此外，光谱的相对 SERS 强度随着 pH 值的增加而下降。这解释了 Ag@PAH NPs 的 SERS 效应对 PAH 的壳厚度敏感。 PAH 壳层在低 pH 值下收缩，导致在相同浓度的 Ag@PAH NPs 下比高 pH 值时产生更大的电磁场强度，如图 3b 所示。因此，低 pH 值下的 Ag@PAH NPs 会诱导极度增强的拉曼信号，这确保了 Ag@PAH NPs 作为 SERS 底物的可调性。这种现象通过计算 1509 cm ^-1 的拉曼增强因子 (EF) 来量化 Ag@PAH NPs 的峰值（方程 S1，ESI†）。 Ag@PAH NPs 在不同 pH 值下的 EF 估计为 0.8 × 10 ⁶ , 1.1 × 10 ⁶ , 1.5 × 10 ⁶ , 2.2 × 10 ⁶ , 3.3 × 10 ⁶ 和 4.3 × 10 ⁶ ，分别在图 4b 中（详细信息为 ESI†）。 Ag@PAH NPs 在不同 pH 值下的 EFs 均较高，高达 10 ⁶ 表明Ag@PAH NP可作为一种有效且智能的SERS底物用于痕量检测。

一 不同pH值下吸附的R6G的SERS光谱。 b R6G 在 Ag@PAH NPs 上的 EF 作为 pH 值的函数在 1509 cm ⁻¹ . c 不同浓度的 R6G 吸附在 Ag@PAH NPs 上的 SERS 光谱。 d 1509 cm ⁻¹ 处峰值强度的关系 R6G 的浓度和浓度（插图 是 R6G 的对数强度和浓度之间的线性关系。）

此外，低 pH 值下的 Ag@PAH NPs 会诱导极强的拉曼信号，这确保了 Ag@PAH NPs 作为 SERS 底物的超灵敏性。因此，R6G 在不同浓度 (10 ⁻⁷ –10 ^-12 M) 在 pH =4 下通过添加相同浓度的 Ag@PAH NP 进一步测量。比较这些曲线的信号，通过稀释图 4c 中目标分子的浓度来降低 SERS 强度。即使在低至 10 ^-12 的浓度下也能清晰地识别出 R6G 的特征带 M，证明 Ag@PAH NPs 对 R6G 具有高检测灵敏度。此外，发现 R6G 的对数浓度与指纹峰强度 (1509 cm ^-1 ) 在图 4d。当 R6G 的浓度范围为 10 ⁻⁷ 到 10 ⁻¹² M，线性回归方程为y =5.9838 + 0.3228 log(x)，相关系数为 0.9971 (n =6)。显然，在低浓度区域，SERS强度随着测试浓度的降低而降低。这些结果证实了Ag@PAH NPs将成为生物危害或化学试剂智能超痕量检测的有希望的候选者。

结论

总之，我们首次利用 pH 响应型 Ag@PAH NPs 作为 SERS 应用所需的底物。引入 pH 响应多环芳烃聚合物作为壳层可以通过调节 pH 刺激下的壳厚度，使 Ag NPs 具有可控的局部表面等离子体共振，从而产生可调的 SERS 效应。结果表明，Ag@PAH NPs具有优异的可控pH响应和超灵敏SERS性能，R6G的检测限降至10 ^-12 M. Ag@PAH NPs有望用于智能SERS在生物危害或化学试剂的超痕量检测中的应用。

相关内容

支持信息。材料、仪器、制备 PAH 和 EF 计算方法。图 S1。 ¹ CDCl3中PMA和D2O中PAH的H NMR谱（附加文件1）。

缩写

EF：

增强因子

EM：

增强型电磁

LSPR：

局域表面等离子体共振

NP：

纳米粒子

多环芳烃：

聚丙烯酰肼

SERS：

表面增强拉曼散射