一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器及其制备方法。该SERS传感器由锥柱形光纤探测端、银纳米粒子、经Cy5修饰的单链DNA分子、输入/输出多模光纤制成，器件的制备方法主要包括：多模光纤经拉锥后形成锥柱形结构；锥柱形区域经食人鱼溶液清洗后进行光纤硅烷化；通过磁控溅射在锥柱形区域固定银纳米粒子；单链DNA分子自组装在银纳米粒子表面，即得到该SERS传感器。拉曼信号激发光，经由输入/输出多模光纤入射至锥柱形光纤探测端，

【技术实现步骤摘要】
一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器


[0001]本专利技术属于重金属检测领域，特别涉及一种以锥柱形光纤为衬底的用于汞离子检测的表面增强拉曼传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]汞及其化合物是一类剧毒性的污染物质，其通过食物链在生物体内富集，最终富集在人类体内并很难排出，从而引发诸多疾病，严重威胁人类健康，因此痕量汞离子的检测十分必要。目前已经有多种传统的汞离子检测方法，包括原子荧光光谱法、冷原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法和酶联免疫吸附测定法等。这些方法往往面临着预处理复杂、检测周期长、检测设备昂贵等诸多缺点。
[0003]近年来逐渐兴起了利用生物传感器检测汞离子的方法。拉曼光谱是一种表征分子振动的指纹光谱。表面增强拉曼检测技术具有超高的灵敏度，广泛用于痕量样品的分析检测。该技术快速、无损、安全，且重复性好、样品处理简单、紧凑便携、适用广泛。同时选用光纤制备SERS传感器，使其具有使用寿命长、稳定性强、高灵敏度以及低成本的优势。
[0004]因此，亟需开发一种用于快速检测、灵敏度高、低成本的痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器。

技术实现思路

[0005]基于现有技术的不足之处，本专利技术设计了一种新型的痕量汞离子检测装置。该装置通过在锥柱形光纤上覆盖银纳米粒子，将经Cy5修饰的单链DNA分子固定在银纳米粒子上。由于Hg
2+
和T(胸腺嘧啶)能够特异性结合，本方案选用经Cy5修饰的单链DNA分子来检测汞离子具有十分优异的特异性和灵敏性。当待测溶液存在汞离子时，通过形成T
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Hg
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T结构进而使单链DNA分子形成发夹结构，使信号分子Cy5靠近衬底，激发出拉曼信号，该拉曼信号由银纳米粒子进行增强。信号的强度和汞离子的浓度在一定范围内存在良好的线性关系。该方案结构简单、灵敏度高，选择性良好，能够广泛用于各种环境中的快速现场检测。
[0006]本专利技术的第一目的是公开了一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器，包括：锥柱形光纤探测端、银纳米粒子、经Cy5修饰的单链DNA分子、输入/输出多模光纤。
[0007]本专利技术所述的光纤探测端，选用纤芯/包层直径为50/125μm的多模光纤，锥柱形传感区域长度约为5mm，锥度角为30
°
，柱体直径10μm。
[0008]本专利技术所述的输入/输出多模光纤为拉曼信号激发光进入锥柱形传感区域的通道也是SERS信号的传出通道，选用纤芯/包层直径为50/125μm的多模光纤，长度为20cm。
[0009]本专利技术所述的锥柱形光纤表面覆盖的银纳米粒子，粒子直径在40
‑
60nm之间。
[0010]本专利技术的第二目的是公开了一种用于痕量汞离子的检测的锥柱形光纤SERS传感器的制备方法，步骤如下：将锥柱形光纤探测端经食人鱼溶液(浓硫酸和30％过氧化氢的3：1混合物)清洗15分钟。随后用去离子水进行清洗，使用氮气干燥。随后对锥柱形光纤探测端进行硅烷化处理，将探测端置于体积比为3:4:3的APTMS(3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷)、甲醇和
去离子水的混合溶液中15分钟，然后用去离子水冲洗。将银纳米粒子经磁控溅射固定在锥柱形探测端的表面。将锥柱形光纤探测端置于50μL组装缓冲液(含有1μM经Cy5修饰的单链DNA分子、10mM磷酸盐，pH7.0)过夜，使得DNA分子自组装在银纳米粒子表面。然后用PBS磷酸缓冲盐溶液(100mM，pH7.0)洗涤，然后用氮气干燥，最后得到一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器。
[0011]拉曼信号激发光经输入/输出多模光纤到达锥柱形传感区域。当待测溶液存在汞离子时，经Cy5修饰的单链DNA分子通过形成T
‑
Hg
2+
‑
T进而形成发夹结构，使得信号分子Cy5靠近衬底，激发出拉曼信号，该信号由银纳米粒子增强103～104倍，信号的强度和汞离子的浓度在一定范围内存在良好的线性关系，使得检测具有极高的特异性和灵敏性。
[0012]本专利技术的有益效果是：提出一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器，由于Hg
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和T(胸腺嘧啶)能够特异性结合，本方案选用经Cy5修饰的单链DNA分子来检测汞离子具有十分优异的特异性和灵敏性；整体结构简单，方便携带，和传统的检测方法相比极大的降低了成本且具有极高的灵敏度和精度，并且适用于包括河流、饮用水网络、工业废水等各种环境下痕量汞离子的快速现场检测；本传感器所选用的锥柱形传感结构是已被证明的对信号光线有极高的耦合效率，使得自身灵敏度很高。
附图说明
[0013]图1是本专利技术的SERS传感器结构示意图。
[0014]图2是本专利技术的SERS传感器检测汞离子原理图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。
[0016]参见附图1和2，该用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器，包括：锥柱形光纤探测端(1)、银纳米粒子(2)、经Cy5修饰的单链DNA分子(3)、输入/输出多模光纤(4)；银纳米粒子(2)和经Cy5修饰的单链DNA分子(3)固定于锥柱形光纤探测端(1)的表面；当待测溶液中存在汞离子时，汞离子和DNA分子上的T(胸腺嘧啶)结合，形成T
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Hg
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‑
T结构，使原本在溶液中自由舒展的经Cy5修饰的单链DNA分子(3)弯曲折叠成发夹结构，该过程使Cy5信号分子靠近衬底，此时拉曼信号激发光经由输入/输出多模光纤(4)入射到锥柱形光纤探测端(1)，进而作用于靠近衬底的Cy5信号分子上，产生拉曼信号，并且该信号由银纳米粒子(2)增强，增强后的信号由锥柱形光纤探测端(1)接收，经过输入/输出多模光纤(4)输出到拉曼光谱仪中。
[0017]参见附图1和2，本专利技术提供的用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器的制备方法包括：将锥柱形光纤探测端(1)经食人鱼溶液(浓硫酸和30％过氧化氢的3：1混合物)清洗15分钟。随后用去离子水进行清洗，使用氮气干燥。随后对锥柱形探测端(1)进行硅烷化处理，将探测端置于体积比为3:4:3的APTMS(3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷)、甲醇和去离子水的混合溶液中15分钟，然后用去离子水冲洗。将银纳米粒子(2)经磁控溅射固定于锥柱形光纤探测端(1)的表面。将锥柱形光纤探测端(1)置于50μL组装缓冲液中(含有1μM经Cy5修饰的单链DNA分子(3)、10mM磷酸盐，pH7.0)过夜，使得单链DNA分子(3)自组装在银纳米粒子(2)表面。然后用PBS磷酸缓冲盐溶液(100mM，pH7.0)洗涤，洗去未结合的DNA分子，然后用氮
气干燥。
[0018]本领域技术人员清楚地知道，根据本专利技术方法，可以在多种环境下进行稳定且高效的检测，在技术特征不发生冲突的情况下，可以进行组合与优化设计。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器，其特征在于该锥柱形光纤SERS传感器包括：锥柱形光纤探测端(1)、银纳米粒子(2)、经Cy5修饰的单链DNA分子(3)、输入/输出多模光纤(4)；银纳米粒子(2)和经Cy5修饰的单链DNA分子(3)固定于锥柱形光纤探测端(1)的表面；拉曼信号的激发光，经由输入/输出多模光纤(4)入射到锥柱形光纤探测端(1)，将锥柱形光纤探测端(1)浸没于待测溶液中，当待测溶液中存在汞离子时，汞离子和DNA分子上的胸腺嘧啶结合，形成T
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Hg
2+
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T结构，使经Cy5修饰的单链DNA分子(3)形成发夹结构，激光作用于信号分子Cy5并产生具有辨识能力的拉曼信号，该拉曼信号被银纳米粒子(2)增强，增强后的拉曼信号由锥柱形光纤探测端(1)接收沿输入/输出多模光纤(4)输出到拉曼光谱仪中，实现汞离子的检测。2.根据权利要求1所述的一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传感器，其特征在于：锥柱形光纤探测端(1)由纤芯/包层直径为50/125μm的多模光纤制备而成，锥柱传感区域长度约为5mm，锥度角为30
°
，柱体直径10μm。3.根据权利要求1所述的一种用于痕量汞离子检测的锥柱形光纤SERS传...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈慧芳，刘岩，栗铭潞，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：