[0001] 本发明涉及具有磁性的纳米金枝材料技术领域，尤其是涉及一种用于捕获目标分子的纳米口袋结构及其制备方法和应用。

[0002] 如何快速、灵敏地检测微量毒品对打击毒品犯罪，对于维护社会稳定至关重要。常规的毒品检测分析方法包括气相、液相色谱联用质谱法、核磁共振波谱法、DNA适配体传感器、毛细管电泳法或免疫测定等。但传统方法大多存在样品前处理繁琐、检测成本高、耗时长、技术门槛高等问题。因此，开发一种快速、准确、高灵敏度的毒品现场检测方法，对公安禁毒工作具有重要意义。表面增强拉曼散射(Surface‑Enhanced Raman Scattering，SERS)分析技术由于其灵敏度高、便携性好、操作简单等优点，更适合实际的现场毒品检测。

[0003] 需要说明的是，表面增强拉曼散射是一种利用金属纳米材料(如金或银)表面产生的局部表面等离子体共振效应来增强拉曼散射信号的技术。通过在金属纳米颗粒或其表面吸附待测分子，SERS显著提高了拉曼散射的强度，使得低浓度的分子也能被检测到。这种增强效应使得SERS成为高灵敏度的分析技术，在生物传感、环境监测和材料科学等领域有广泛应用。

[0004] 基于SERS的分子检测通常采用贵金属纳米结构作为等离子体光学天线来激发强的局部电磁场增强。主要研究方向集中在制备具有微小纳米间隙的等离子体纳米结构，如纳米粒子组装、二聚体天线和纳米尖端/间隙阵列，通过调节纳米粒子间距来提高SERS性能。然而，随着间隙接近量子效应尺度，分析物越来越难进入到等离子体热点区域，将分析物精确定位在尖端区域更加困难，这从根本上限制了SERS分析技术的应用。

[0049] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

[0050] 应理解，本申请的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本申请实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本申请的保护范围。

[0051] 当实施例给出数值范围时，应理解，除非本申请另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本申请中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本申请的记载，还可以使用与本申请实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本申请。

[0052] 予以特别说明的是：除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的实验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；以下实施例中所用的原材料、仪器和设备等，均可通过市场购买获得或者可通过现有方法获得；所述实验试剂用量，如无特殊说明，均为常规实验操作中试剂用量；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

[0053] 在本说明书的描述中，所述“室温”具有本领域公知的含义，一般是指24‑28℃。参考术语“M”为浓度单位，代表了摩尔每升(mol/L)。参考术语“mM”为浓度单位，代表了毫摩尔每升(mmol/L)。

[0054] 本申请中的各“反应温度”是指各个合成步骤中的各反应液体系的温度。

[0055] 在基于SERS(表面增强拉曼散射)的分子检测中，贵金属纳米结构(如金或银)常被用作等离子体光学天线来激发强烈的局部电磁场。这种强电磁场显著增强了拉曼散射信号，使得检测低浓度的分子变得可行。目前SERS基底的主要研究方向为：纳米粒子组装：将多个纳米粒子排列在一起形成的结构。二聚体天线：由两个纳米颗粒组成的结构，这种配置可以产生更强的局部电磁场。纳米尖端/间隙阵列：在尖端和间隙处形成的结构，通常产生最强的局部电磁场。上述方向皆是通过调节纳米粒子间距来提高SERS性能的。

[0056] 然而，当纳米间隙变得非常微小，接近量子效应的尺度时，分子很难进入这些极小的空间。这是因为量子效应尺度下，电磁场的变化变得更加复杂，而且分子的扩散和进入变得更加受限。此外，在纳米尖端区域，由于电磁场的强度和空间的极度压缩，分析物需要准确地位于电磁场最强的区域(即热点区域)才能被有效检测。极小的间隙限制了分子的进入，减少了分析物与等离子体热点区域的接触，从而降低了检测的灵敏度。因此，这些问题限制了SERS技术在极高灵敏度检测中的应用，特别是在需要极小间隙来实现强烈的增强效应时。

[0057] 为此，本申请实施例公开的一种用于捕获目标分子的纳米口袋结构及其制备方法和应用，该纳米口袋结构包括作为基底的磁性四氧化三铁颗粒和多硅烷醇基团的介孔二氧化硅层组成；所述的介孔二氧化硅孔道中负载纳米金枝。本发明提供的纳米口袋结构颗粒制备方便，均匀性和稳定性良好，利用多硅烷醇基团的介孔二氧化硅层捕获目标分子到介孔内部，负载在二氧化硅孔道中的纳米金枝提供等离子体热点区域，从而实现高灵敏度检测毒品的目的，为公安禁毒工作提供有力的支撑。

[0058] 实施例1

[0059] 图1为本申请实施例提供的用于捕获目标分子的纳米口袋结构的制备方法流程示意图。如图1所示，本实施例1涉及用于捕获目标分子的纳米口袋结构的制备方法，具体包括：

[0060] 步骤1)制备Fe3O4@PEI纳米材料：将0.5g Fe3O4磁性颗粒(粒径为400nm)加入到100mL 0.5％聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中超声30min，使PEI在Fe3O4磁性颗粒表面自组装形成Fe3O4@PEI颗粒，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@PEI颗粒。

[0061] 步骤2)制备Fe3O4@Au纳米材料：将制备的Fe3O4@PEI纳米材料加入到500mL纳米金(粒径为5nm)胶体中，超声反应30min，使胶体金颗粒吸附到Fe3O4@PEI颗粒表面，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@Au纳米材料。

[0062] 步骤3)制备Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料：将0.1g Fe3O4@Au纳米材料超声分散到500mL 0.2％十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液中，加入10mL 25％氨水溶液，缓慢滴加2mL硅酸四乙酯，30min内滴加结束，在45度下反应24小时，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍；将所得固体分散于100mL乙醇溶液中回流8小时，重复该操作5次，磁分离后依次用水和乙醇洗涤3次得到Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料。

[0063] 步骤4)制备Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料：将5mg Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料超声分散于10mL去离子水中，加入50mL 0.25mM氯金酸溶液和1mL 0.1M稀盐酸，随后依次加入1mL 5mM硝酸银溶液和1mL 0.3M抗坏血酸溶液，室温反应30min，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍，自然晾干得到Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料。

[0064] 图2为本申请实施例1纳米口袋结构制备过程表征图。如图2所示，图2(a‑c)依次为本实施例1步骤2)制备的Fe3O4@Au、步骤3)制备的Fe3O4@Au@mSiO2和步骤4)制备的Fe3O4@mSiO2@bAu的扫描电子显微镜图(SEM)，图2(d‑f)依次为步骤2)制备的Fe3O4@Au、步骤3)制备的Fe3O4@Au@mSiO2和步骤4)制备的Fe3O4@mSiO2@bAu的透射电子显微镜图(TEM)；由TEM结果可以看出Fe3O4颗粒粒径在400nm左右，外层包裹的介孔二氧化硅层厚度在30～40nm。

[0065] 图3为本实施例1步骤4)制备的Fe3O4@mSiO2@bAu纳米口袋结构总体和局部的元素面扫描图。从图3中可以看出制备得到的纳米口袋结构介孔二氧化硅孔道内生长金枝，且金枝之间存在间隙，说明本发明制备的口袋结构具有拉曼增强的热点。

[0066] 实施例2

[0067] 本实施例2涉及用于捕获目标分子的纳米口袋结构的制备方法，具体包括：

[0068] 步骤1)制备Fe3O4@PEI纳米材料：将0.5g Fe3O4磁性颗粒(～200nm)加入到100mL 0.5％ PEI水溶液中超声30min，使PEI在Fe3O4磁性颗粒表面自组装形成Fe3O4@PEI颗粒，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@PEI颗粒。

[0069] 步骤2)制备Fe3O4@Au纳米材料：将制备的Fe3O4@PEI纳米材料加入到200mL纳米金(～10nm)胶体中，超声反应30min，使胶体金颗粒吸附到Fe3O4@PEI颗粒表面，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@Au纳米材料。

[0070] 步骤3)制备Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料：将0.1g Fe3O4@Au纳米材料超声分散到500mL 0.2％ CTAB水溶液中，加入10mL 0.1M氢氧化钠溶液，缓慢滴加1mL硅酸四乙酯，30min内滴加结束，在45度下反应24小时，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍；将所得固体分散于100mL乙醇溶液中回流8小时，重复该操作5次，磁分离后依次用水和乙醇洗涤3次得到Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料。

[0071] 步骤4)制备Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料：将2mg Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料超声分散于10mL去离子水中，加入50mL 0.25mM氯金酸溶液和1mL 0.1M稀盐酸，随后依次加入1mL 5mM硝酸银溶液和1mL 0.3M抗坏血酸溶液，室温反应30min，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍，自然晾干得到Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料。

[0072] 实施例3

[0073] 本实施例涉及用于捕获目标分子的纳米口袋结构的制备方法，具体包括：

[0074] 步骤1)制备Fe3O4@PEI纳米材料：将0.5g Fe3O4磁性颗粒(～100nm)加入到200mL 0.1％ PEI水溶液中超声30min，使PEI在Fe3O4磁性颗粒表面自组装形成Fe3O4@PEI颗粒，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@PEI颗粒。

[0075] 步骤2)制备Fe3O4@Au纳米材料：将制备的Fe3O4@PEI纳米材料加入到500mL纳米金(～3nm)胶体中，超声反应30min，使胶体金颗粒吸附到Fe3O4@PEI颗粒表面，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@Au纳米材料。

[0076] 步骤3)制备Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料：将0.1g Fe3O4@Au纳米材料超声分散到1000mL 0.1％ CTAB水溶液中，加入10mL三乙胺，缓慢滴加4mL硅酸四乙酯，30min内滴加结束，在60度下反应24小时，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍；将所得固体分散于100mL乙醇溶液中回流8小时，重复该操作5次，磁分离后依次用水和乙醇洗涤3次得到Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料。

[0077] 步骤4)制备Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料：将5mg Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料超声分散于10mL去离子水中，加入100mL 0.25mM氯金酸溶液和1mL 1M稀盐酸，随后依次加入1mL 10mM硝酸银溶液和1mL 0.5M抗坏血酸溶液，室温反应30min，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍，自然晾干得到Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料。

[0078] 实施例4

[0079] 本实施例涉及用于捕获目标分子的纳米口袋结构的制备方法，具体包括：

[0080] 步骤1)制备Fe3O4@PEI纳米材料：将0.5g Fe3O4磁性颗粒(～50nm)加入到50mL 0.5％ PEI水溶液中超声30min，使PEI在Fe3O4磁性颗粒表面自组装形成Fe3O4@PEI颗粒，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@PEI颗粒。

[0081] 步骤2)制备Fe3O4@Au纳米材料：将制备的Fe3O4@PEI纳米材料加入到50mL纳米金(～5nm)胶体中，超声反应30min，使胶体金颗粒吸附到Fe3O4@PEI颗粒表面，磁分离后用去离子水洗涤5次得到Fe3O4@Au纳米材料。

[0082] 步骤3)制备Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料：将0.1g Fe3O4@Au纳米材料超声分散到100mL 0.1％ CTAB水溶液中，加入10mL三乙醇胺，缓慢滴加0.5mL硅酸四乙酯，30min内滴加结束，在45度下反应24小时，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍；将所得固体分散于100mL丙酮溶液中回流8小时，重复该操作7次，磁分离后依次用水和乙醇洗涤3次得到Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料。

[0083] 步骤4)制备Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料：将5mg Fe3O4@Au@mSiO2纳米材料超声分散于10mL去离子水中，加入80mL 0.25mM氯金酸溶液和0.5mL 1M稀盐酸，随后依次加入2mL 5mM硝酸银溶液和2mL 0.3M抗坏血酸溶液，室温反应30min，磁铁吸附分离后将固体依次用水和乙醇分别洗三遍，自然晾干得到Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料。

[0084] 实施例5

[0085] 将本实施例1制备的Fe3O4@Au、Fe3O4@Au@mSiO2、Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料进行甲基苯丙胺目标分子捕获能力检测。每种材料各取10mg，分别加入到10mL 20ng/mL甲基苯丙胺溶液中，并在涡旋仪上振摇，不同的时间取上清液进行检测，根据超高效液相色谱‑串联质谱UPLC‑MS‑MS结果计算得到不同时间点的吸附量曲线。

[0086] 图4为本申请实施例1制备过程中不同材料的吸附曲线。如图4所示，经过2小时的振摇，Fe3O4@mSiO2@bAu纳米口袋结构对于甲基苯丙胺目标分子的吸附量为190ng，吸附效率为95％。

[0087] 同样的，实施例2‑4中制备的Fe3O4@mSiO2@bAu纳米口袋结构对于甲基苯丙胺目标分子的吸附量分别为185ng、188ng、180ng，对应的吸附效率分别是92.5％、94％、90％。可以看出，本申请中的Fe3O4@mSiO2@bAu纳米口袋结构对于甲基苯丙胺目标分子的吸附效率达到90％以上，说明纳米口袋结构的孔道对甲基苯丙胺目标分子有捕获能力。

[0088] 实施例6

[0089] 基于纳米口袋结构对不同浓度毒品(甲基苯丙胺、α‑甲基色胺和依托尼嗪)的检测，检测流程示意图见图5。如图5所示，将实施例1制备的Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料均匀分‑3 ‑5 ‑7 ‑8 ‑9散到含有不同浓度的毒品溶液中(1x 10 M，1x 10 M，1x 10 M，1x 10 M，1x 10 M)，并振摇2小时。磁性收集所得纳米颗粒并置于载玻片上自然晾干后用拉曼光谱仪进行分析检测，将拉曼信号强度与毒品的浓度关系拟合相应的曲线。所述的Fe3O4@mSiO2@bAu纳米材料的分散浓度为0.2mg/mL。

[0090] 图6为本发明实施例1纳米口袋结构检测不同浓度甲基苯丙胺、α‑甲基色胺和依托尼嗪的SERS光谱结果。如图6中第一列(a,e,i)所示，(a,e,i)分别为甲基苯丙胺、α‑甲基色‑9胺和依托尼嗪在不同浓度下的拉曼检测强度，检测限均为1x 10 M，实现了对毒品的高灵敏‑1
度检测。如图6(b,f,j)所示，该检测方法对甲基苯丙胺在1003cm 处的拉曼信号有良好的线
2 ‑1
性响应(相关系数R＝0.989)，对α‑甲基色胺在758cm 处的拉曼信号有良好的线性响应(相
2 ‑1 2
关系数R＝0.999)，对依托尼嗪在1337cm 处的拉曼信号有良好的线性响应(相关系数R ＝
0.998)。

[0091] 实施例7

[0092] 基于实施例1纳米口袋结构的均匀性和稳定性。

[0093] 将实施例6中的溶液浓度为1x 10‑3M甲基苯丙胺检测样品随机选取30个点进行拉曼检测，对30个拉曼信号强度进行作图并数据分析，如图6(c,g,k)所示，甲基苯丙胺、α‑甲基色胺和依托尼嗪的相对标准偏差均低于6％，说明制备的材料均匀性良好和检测方法的‑3可靠性优良。如图6(d,h,i)所示，对实施例6中溶液浓度为1x 10 M甲基苯丙胺检测样品的拉曼信号稳定性进行了测试，结果表明，在储存两个月后，拉曼信号强度仅下降了10％，说明其稳定性良好。

[0094] 综上，本发明设计的用于捕获目标分子的纳米口袋结构，合成方便，具有捕获目标分子到拉曼增强热点区域的能力，从而达到高灵敏度检测毒品的目的；此外该材料还展示出良好的稳定性和均匀性，为公安禁毒工作提供有力的支撑。

[0095] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，其依然可以对前述各实施例中所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例中技术方案的精神和范围。