CN101963581A - 对痕量TNT检测的ZnS:Cu2+纳米晶荧光探针的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，包括处在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶的表面修饰上L-半胱氨酸(L-Cysteine)，表面带有氨基官能团。本发明的制备过程包括如下两个步骤：首先是制备出处在绿色发光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶，然后，以L-半胱氨酸为表面功能单体进行功能化修饰，利用分子间的极性作用在ZnS:Cu²⁺纳米晶表面上修饰上带有氨基的L-半胱氨酸，纳米晶表面富电子的氨基作为电子的给体与缺电子的芳香硝基爆炸物TNT之间通过酸碱离子对的作用生成暗红色复合物，基于荧光共振能量转移原理，形成高选择性、高灵敏性、带有分子识别性能的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针。

Description

对痕量TNT检测的ZnS:Cu2+纳米晶荧光探针的制备方法

所属领域  本发明涉及材料科学领域，特别涉及具有对超痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法。

背景技术  从社会安全的角度来看，硝基芳香化合物具有极高的爆炸性和环境的危害性，因此，近年来，在对超痕量硝基芳香化合物的检测和相关的传感器阵列的探索已经引起了社会研究机构广泛的关注和富有成效的探索。特定硝基芳香族爆炸物及其信号的实验室检测已经通过气质联用仪、离子迁移谱和中子活性分析等的方法被广泛的开展。这些传统分析技术能够满足分析中的基本要求，如选择性，可靠性，准确性和可重复性，但是这些检测方法是昂贵的、耗时的和繁琐笨重的，因为检测中样品必须是脱离检测现场送往实验室去分析，不能够做到实时实地的检测。综上所述，有必要寻求一种能够快速和便捷的检测TNT的方法。在应用方面，荧光材料是构筑纳米尺度结构的理想敏感材料，而半导体掺杂的纳米晶是高效率、理想的荧光材料。为了解决爆炸物检测问题，迫切地需要新的策略对环境中的目标分析物提供一种高选择性、高灵敏性、高响应、快速、低成本和原位检测。

在各种信号检测中，基于荧光“关”或荧光“开”机理的光学可寻址化学传感器已经被证明是研究者在许多挑战的环境中所期盼对各种小分子目标分析物检测的新策略，由于该检测方法的高信号输出和可靠的检测结果。荧光“关”机理的化学传感器对硝基芳香化合物用荧光方法检测是极其有利的。拥有缺电子的芳香环的硝基芳香爆炸物是一个电子的接受体，这样就显示出对富电子的荧光材料表面拥有很高的亲和力。这种光致发光是在电子受体和给体之间通过电子转移π复合物机理直接淬灭的，这种淬灭主要依赖于硝基芳香化物的接受电子能力。近来，美国Swager科研小组用拥有很高的荧光量子产率的半导体有机聚合物对超痕量的硝基芳香族化合物蒸气检测已经显现了一系列的成功实例。在光纤的表面涂抹上导电聚合物，对TNT检测信号放大了30倍。与此同时，其他的光致发光聚合物材料如聚四苯基硅烷，聚四苯基锗烷和物理吸附染料的多孔二氧化硅微球都已经被证明是对低浓度的硝基芳香爆炸物蒸气检测的有效传感器。2008年，美国swager研究小组报道荧光“开”化学传感器通过以活性酶为媒介的还原反应对非芳香硝基化合物黑索金(RDX)和季戊四醇四硝酸酯(PETN)进行直接检测方法。

目前这些方法中作为可替代的方法之一就是半导体量子点代替荧光素，由于其拥有很高荧光量子产率，荧光半导体量子点掺杂二氧化硅纳米粒子近来显示了对于光学为基础的化学/生物传感器检测有巨大的潜力。发展在“纳米粒子上的实验室”技术将提供一种更具有灵活性的化学/生物传感器的新颖策略，这种灵活性的策略允许光学可调和特定配合物和接受体的组装，能够提供高比表面积为更好的接触目标分析物，同时拥有对各种传感器的组装能力。从原理上来说，基于纳米粒子的传感器可以通过共价耦联两个组分：一种是识别接受体结合目标分子和另一种传感器(发色基团)，即信号的接受体。最典型的就是美国Goldman科研小组近来报道了在量子点上修饰抗体和有机染料之间基于荧光共振能量转移化学/生物传感器。成功制备了对麦芽糖、TNT和酶活性具有特定的检测功能的化学/生物传感器。

近来，我们报道了带有氨基封端的ZnS掺杂Mn²⁺离子纳米晶表现出了对于痕量芳香硝基爆炸物蒸气超痕量和高灵敏检测。痕量硝基芳香爆炸物蒸气与修饰在ZnS纳米晶表面的巯基乙氨通过酸碱离子对形成深红色复合物，这种复合物淬灭桔黄色Mn²⁺的光致发光，通过荧光强度的改变，实现对芳香硝基爆炸物的检测(Anal.Chem.2008，80，3458-3465)。同时，我们在二氧化硅纳米粒子表面修饰上氨基和荧光染料分子，目标分析衍生物与二氧化硅表面的荧光素之间发生的能量共振转移，实现对TNT的一种荧光放大淬灭检测(Anal.Chem.2008，80，8545-8553)。此外，纳米结构表面的高浓度TNT分子印记实现了对TNT的高选择性和高灵敏的检测，如二氧化硅纳米粒子表面印记(J.Am.Chem.Soc.2007，129，7859-7866.)，二氧化硅纳米管表面印记(Anal.Chem.2008，80，437-443.)，聚合物纳米线和纳米管表面印记(Anal.Chem.2006，78，8339-8346.)，以及中空聚合物壳层(Adv.Mater.2007，19，2370-2374.)。

近年来，以半导体材料ZnS为模板，制备掺杂稀土金属或过度金属离子的ZnS半导体材料吸引了大批研究者的兴趣。2009年，孙远光等人报道了以分析纯的硫代乙酰胺[CH₃CSNH₂]、醋酸锌[Zn(CH₃COO)₂]、醋酸铜[Cu(CH₃COO)₂]为反应原料，去离子水作为反应溶剂，用水热法在聚四氟乙烯反应器中制备ZnS:Cu²⁺荧光纳米晶(功能材料，2009，4(40)：689-692.)。2008年严秀平等人的发明专利(CN101281131A)公开了“Mn掺杂ZnS量子点室温磷光检测生物体液中依诺沙星的方法”制备方法。它采用了下述步骤：(1)将L-半胱氨酸、ZnSO₄和MnCl₂按一定浓度混合；(2)调pH至11，通入氮气保护；(3)迅速加入Na₂S溶液。2003年朱仲力科研小组的发明专利(CN1468936A)公开了“复合包裹型ZnS:Cu或ZnS:Cu.Mn发光材料”制备方法。它采用了下述步骤：(1)用有机硅偶联剂三甲氧基硅烷对ZnS:Cu.Mn发光粉进行表面预处理；(2)对ZnS:Cu.Mn发光粉进行液相化学沉积包覆；(3)对ZnS:Cu.Mn发光粉进行气相化学沉积包覆。2009年黄剑锋等人的发明专利(CN101514470A)公开了“一种ZnS:Cu光学薄膜制备方法.”制备方法。它采用了下述步骤：(1)先配制一定浓度的ZnCl₂溶液；(2)向ZnCl₂溶液中加入Na₂S₂O₃和柠檬酸三钠；(3)向上述溶液中加入CuCl₂试剂；(4)将上述溶液放入电沉积装置中。2005年Hieronymus Andriessen 等人公开了发明专利(US20050001539A1)“Preparation of ZnS particles doped with cooper”制备方法。它采用了下述步骤：(1)先配制一定浓度的硫酸锌、氯化铜、柠檬二乙烯三氨、氨水溶液；(2)向溶液中加入硫代甘油。2009年Shellie 等人发明专利(WO2009114668A2)“Electroluminescent ZnS:Mn phosphor and method of making”制备方法。它采用了下述步骤：(1)先合成出ZnS:Mn粒子(2)在ZnS:Mn粒子表面修饰上EDTA。

但是这些文献报道只是提出了掺杂不同金属离子，如铜离子或锰离子来合成ZnS纳米晶荧光材料的方法，没有携带专识性的基团，选择性差，未见基于荧光共振能量转移原理去检测目标分析物的报道，更未涉及到利用表面修饰L-半胱氨酸的ZnS:Cu²⁺发射绿光带的纳米晶荧光探针对TNT检测报道。因此，合成高选择性和高灵敏性的发射绿光带ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，实现对痕量TNT分子识别和检测有其必要性。

在本发明中，我们报道了基于荧光共振能量转移原理在ZnS:Cu²⁺纳米晶表面实现对痕量TNT的检测。ZnS:Cu²⁺纳米晶尤其适合作为荧光探针，荧光量子效率高，同时掺杂Cu²⁺的ZnS纳米晶荧光探针是半导体结构，其表面能够很容易与L-半胱氨酸反应而修饰上新组装功能的亚单元。ZnS:Cu²⁺纳米晶表面的氨基能够与TNT目标分子通过形成电荷转移复合物，由于存在电子离域，这种电荷转移复合物在500-600nm波长范围类显示了一个很强的可见吸收峰。这一结果的发现，激发我们ZnS:Cu²⁺纳米晶表面通过共价交联氨基来探索基于荧光共振能量转移荧光探针对TNT目标分子高选择性、高灵敏性的检测。当选择一个合适荧光探针其拥有的荧光发射光谱与L-半胱氨酸-TNT复合物的紫外-可见的吸收光谱相重合，当它们空间相互接近时，荧光探针的荧光通过共振能量转移将会被L-半胱氨酸-TNT复合物所吸收，导致荧光探针荧光强度的下降，因此，ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的光致发光将会被有效的淬灭。由于在ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面有许多的对TNT结合敏感性很强的氨基亚单元，这样将会导致选择性的对环境中TNT目标分子形成快速的响应。关于ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面修饰上L-半胱氨酸，使其表面分别带有L-半胱氨酸残基的氨基基团，目前未见文献报道。这种表面修饰了L-半胱氨酸的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针通过荧光共振能量转移在液相中能够检测到数个ppb级。这种对TNT分子具有专识性作用的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针，以荧光作为探针、氨基为识别位点显现出对TNT高选择性、高灵敏性和痕量的检测。

发明内容  发明目的：针对目前现有技术存在的不足之处，本发明首次利用合成的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针作为支撑体，在其表面修饰上L-半胱氨酸，使其表面富含氨基，对TNT痕量检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，并首次将ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面进行功能化修饰用于对痕量爆炸物TNT分子识别与检测。所述方法为化学合成法，首先是合成出处在绿色发光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶，然后，在ZnS:Cu²⁺纳米晶表面修饰上L-半胱氨酸，制备出对TNT识别和检测作用的表面修饰有氨基的ZnS:Cu²⁺纳米晶，形成高选择性、高灵敏性、带有分子识别和检测性能纳米结构荧光探针。

本发明的技术方案是：一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，包括在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶的表面修饰上L-半胱氨酸(L-Cysteine)，表面带有氨基官能团，其特征在于：所述的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面带有氨基，其表面的氨基可进一步与TNT目标分子作用，使其表面富电子的氨基作为电子供体同缺电子的TNT受体之间通过电荷转移作用形成深红色的复合物，此深红色复合物通过荧光共振能量转移可以吸收ZnS:Cu²⁺纳米晶表面的荧光，利用荧光强度的改变，实现对超痕量TNT检测，本发明的制备过程包括如下两个步骤：

1.1第一步是发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶的合成：首先分别配制乙酸锌和乙酸铜的水溶液。称取0.25g乙酸锌溶于100mL容量瓶中，定容后倒入500mL三口烧瓶中。然后称取0.02g乙酸铜溶于100mL容量瓶中，定容后用移液管移取12mL的溶液加入到上述500mL的三口烧瓶中与乙酸锌混合，混合均匀后开始加热搅拌。再配制一定浓度的乙酸钠溶液加入到上述混合溶液中，调其pH值在8～9之间。称取0.3g多聚磷酸钠溶于50mL容量瓶中，待上述混合液温度达到100℃时缓慢加入多聚磷酸钠溶液。刚开始加入时溶液由澄清变为浑浊，随着多聚磷酸钠量的增多，溶液又逐渐变为澄清。再称取0.2g Na₂S溶于10mL容量瓶中，当上述混合液升温至120℃时向溶液中缓慢滴加Na₂S溶液。溶液由澄清开始变为绿色浑浊，加入Na₂S溶液过程中不停搅拌混合液反应1h；

1.2第二步是在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶表面修饰上氨基：取上述所得的ZnS:Cu²⁺纳米晶体，平均分装在四支50mL的离心管中，进行离心分离和溶剂的置换。分别用95％的乙醇依次离心、分散和置换3次。取其中一支50mL的离心管中离心分散好的ZnS:Cu²⁺纳米粒子，将其用25mL无水乙醇重新分散在50mL离心管中，然后取1mL该样品于试管中，最后加入1×10^-4mol·L^-1的L-半胱氨酸1mL静置24h。最后即得到具有对TNT高选择性、高灵敏性和痕量检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针。

作为对现有技术的进一步改进，所说荧光探针是ZnS:Cu²⁺纳米晶；所说ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针粒径可控，可以通过调节反应物的量之间的比例来加以控制；所说ZnS:Cu²⁺纳米晶体荧光探针的表面富含氨基；所说表面修饰功能试剂是L-半胱氨酸；所说ZnS:Cu²⁺纳米晶探针表面的L-半胱氨酸的氨基能够专识性的结合TNT分子；所说ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光发射光谱是绿色发光带；所说ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针对TNT痕量检测是基于荧光共振能量转移原理。

相对于现有技术的有益效果：

其一：相对于现有技术，2009年，孙远光等人报道了以分析纯的硫代乙酰胺[CH₃CSNH₂]、醋酸锌[Zn(CH₃COO)₂]、醋酸铜[Cu(CH₃COO)₂]为反应原料，去离子水作为反应溶剂，用水热法在聚四氟乙烯反应器中制备ZnS:Cu荧光纳米晶(功能材料，2009，4(40)：689-692.)。2008年严秀平等人的发明专利(CN101281131A)公开了“Mn掺杂ZnS量子点室温磷光检测生物体液中依诺沙星的方法”制备方法。它采用了下述步骤：(1)将L-半胱氨酸、ZnSO₄和MnCl₂按一定浓度混合；(2)调pH至11，通入氮气保护；(3)迅速加入Na₂S溶液。2003年朱仲力科研小组的发明专利(CN1468936A)公开了“复合包裹型ZnS:Cu或ZnS:Cu.Mn发光材料”制备方法。它采用了下述步骤：(1)用有机硅偶联剂三甲氧基硅烷对ZnS:Cu.Mn发光粉进行表面预处理；(2)对ZnS:Cu.Mn发光粉进行液相化学沉积包覆；(3)对ZnS:Cu.Mn发光粉进行气相化学沉积包覆。2009年黄剑锋等人的发明专利(CN101514470A)公开了“一种ZnS:Cu光学薄膜制备方法.”制备方法。它采用了下述步骤：(1)先配制一定浓度的ZnCl₂溶液；(2)向ZnCl₂溶液中加入Na₂S₂O₃和柠檬酸三钠；(3)向上述溶液中加入CuCl₂试剂；(4)将上述溶液放入电沉积装置中。2005年Hieronymus Andriessen等人公开了发明专利(US20050001539A1)“Preparation of ZnS particles doped with cooper”制备方法。它采用了下述步骤：(1)先配制一定浓度的硫酸锌、氯化铜、柠檬二乙烯三氨、氨水溶液；(2)向溶液中加入硫代甘油。2009年Shellie等人发明专利(WO2009114668A2)“Electroluminescent ZnS:Mn phosphor and method of making”制备方法。它采用了下述步骤：(1)先合成出ZnS:Mn粒子(2)在ZnS:Mn粒子表面修饰上EDTA。

本发明首先是合成ZnS:Cu²⁺纳米晶：首先配制乙酸锌和乙酸铜的水溶液。称取0.25g乙酸锌溶于100ml容量瓶中，定容后倒入三口烧瓶中。然后称取0.02g乙酸铜溶于100mL容量瓶中，定容后用移液管移取12mL的溶液加入到三口烧瓶中与乙酸锌混合。混合均匀后开始加热搅拌。配制一定浓度的乙酸钠溶液加入到混合溶液中，调其pH值在8～9之间。称取0.3g多聚磷酸钠溶于50mL容量瓶中，待混合液温度达到100℃时缓慢加入多聚磷酸钠溶液。刚开始加入时溶液由澄清变为浑浊，随着多聚磷酸钠量的增多，溶液又逐渐变为澄清。称取0.2gNa₂S溶于10mL容量瓶中，当混合液温度达到120℃时向溶液中缓慢滴加Na₂S溶液。溶液由澄清开始变为绿色浑浊。加入Na₂S溶液后再不停搅拌1h。

其次，是在ZnS:Cu²⁺纳米晶表面修饰上氨基：取上述所得的ZnS:Cu²⁺纳米晶体，平均分装在四支50mL的离心管中，进行离心分离和溶剂的置换。分别用95％的乙醇依次离心、分散和置换3次。取其中一支50mL的离心管中离分散好的ZnS:Cu²⁺纳米粒子，将其用25mL无水乙醇重新分散在50mL离心管中，然后取1mL该样品与试管中，最后加入1×10^-4mol·L^-1的L-半胱氨酸1mL静置24h。最后即得到具有对TNT高选择性、高灵敏性和痕量检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针。

综上所述，表面修饰氨基的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针，尤其是在ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面带有分子识别基团的荧光探针，既增大荧光探针的比表面积，又增加了分子识别位点，提高选择性、识别性和敏感性。

其二：表面修饰了氨基分子的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针，能够对TNT分子识别。例如，加入一定量的TNT目标分子可以同ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面的氨基形成暗红色的复合物，此复合物吸收ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的发射光，通过荧光强度下降，实现对TNT分子识别。合成表面富含氨基和荧光素的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针，同时也可以选择性用来检测其他硝基爆炸物分子，如2，4-二硝基甲苯(2，4-dinitrotoluene，DNT)和硝基苯(Nitrobenzene，NB)。可见，本发明所提供的方法是通用的，实用范围比较广泛。

其三：与传统的固体薄膜化学传感器相比较，表面修饰的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针化学传感器具有较大的比表面积，较多的识别位点，高选择性，高敏感性，提高分子识别性能。

其四：本发明所提供的方法中，粒径可控的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针可以通过调节多聚磷酸钠的量来加以控制。即带功能识别基团的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的粒径是可以控制的，因此，通过多聚磷酸钠的量来调节。

其五：选择ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针目的，因为其具有以下优点：(1)容易合成ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针，高的荧光量子效率，相对较低成本；(2)在反应过程中具有化学和热的稳定性不与有机溶剂反应；(3)表面容易嫁接有机官能团；(4)发射光带容易调节。

附图说明

图1是本发明所采用的表面修饰了L-半胱氨酸的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针合成示意图。

图2是本发明所采用的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针激发后的电子跃迁示意图。

图3是本发明所采用的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针归一化紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱图。插图表示的是ZnS:Cu²⁺纳米晶在紫外灯下的照片。

图4是本发明所采用的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针与TNT目标分子之间的荧光共振能量转移原理示意图(A)和基于荧光共振能量转移原理对TNT检测示意图(B)。

图5是本发明所采用的L-半胱氨酸紫外-可见吸收光谱图(a)、L-半胱氨酸-TNT结合后的紫外-可见吸收光谱图(b)和ZnS:Cu²⁺纳米晶的发射光谱图(c)。

图6是本发明所采用的表面修饰了氨基的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针分别对2，4，6-三硝基甲苯(TNT)(A)、2，4-二硝基甲苯(DNT)(B)和硝基苯(NB)(C)的检测限检测图。

图7是本发明所采用的表面修饰了氨基的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针分别对2，4，6-三硝基甲苯(TNT)(A)、2，4-二硝基甲苯(DNT)(B)和硝基苯(NB)(C)的猝灭常数检测图。

根据附图进一步解释具体实施方式

图1是本发明所采用的表面修饰了L-半胱氨酸的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针合成示意图。在图1中第一步是合成在绿色放光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶。第二步是在ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面修饰L-半胱氨酸，其表面富含氨基。

图2是本发明所采用的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针激发后的电子跃迁示意图。当ZnS中掺入稀土离子或过渡金属离子(如掺杂Mn、Cu、Ag)作为激活剂时，可改变基质内部能带结构，形成各种不同的发光能级。例如，铜离子作为ZnS的激活剂时，在4个硫离子形成的四面体晶体场中，铜的3d⁹基态分裂为较高的t_2g能级和较低的e能级。

图3是本发明所采用的处在绿色放光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶归一化紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱图。插图表示的是ZnS:Cu²⁺纳米晶在紫外灯下的照片。ZnS:Cu²⁺纳米晶的荧光发射光谱最大发射波长在528nm左右，发射绿色荧光。ZnS:Cu²⁺纳米晶在紫外灯下的照片也显示合成出的ZnS:Cu²⁺纳米晶发射绿色荧光。

图4是本发明所采用的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针与TNT目标分子之间的荧光共振能量转移原理示意图(A)和基于荧光共振能量转移原理对TNT检测示意图(B)。荧光共振能量转移是指两个荧光发色基团在足够靠近时，当供体分子吸收一定频率的光子后被激发到更高的电子能态，在该电子回到基态前，通过偶极子相互作用，实现了能量向邻近的受体分子转移(即发生能量共振转移)。荧光共振能量转移是一种非辐射能量跃迁，通过分子间的电偶极相互作用，将供体激发态能量转移到受体激发态的过程，使供体荧光强度降低，而受体可以发射更强于本身的特征荧光(敏化荧光)，也可以不发荧光(荧光猝灭)，同时也伴随着荧光寿命的相应缩短或延长。当缺电子的目标分析物TNT与富电子修饰在ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面的L-半胱氨酸通过电荷转移作用，形成暗红色复合物的，这种暗红色复合物正好吸收ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针所发射的绿光，使其荧光强度减弱，从而达到检测的目的。

图5是本发明所采用的L-半胱氨酸紫外-可见吸收光谱图(a)、L-半胱氨酸-TNT结合后的紫外-可见吸收光谱图(b)和ZnS:Cu²⁺纳米晶的发射光谱图(c)。荧光共振能量转移原理要求供体与受体的激发波长相近，能带部分重合。从图中可以看出L-半胱氨酸-TNT结合后的紫外-可见吸收光谱最大波长在508nm，与ZnS:Cu²⁺纳米晶的发射波长在528nm处，图中绝大部分完全重合。因此，利用ZnS:Cu²⁺纳米晶作荧光探针对TNT进行痕量检测在理论上是可行的。

图6是本发明所采用的表面修饰了氨基的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针分别对2，4，6-三硝基甲苯(TNT)(A)、2，4-二硝基甲苯(DNT)(B)和硝基苯(NB)(C)的检测限检测图。ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针对TNT、DNT和NB的检测限最小都能达到1×10^-9M。检测物的浓度越大，荧光减弱的程度越明显。TNT检测限下降的幅度要明显的优于DNT和NB的检测限下降幅度。

图7是本发明所采用的表面修饰了氨基的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针分别对2，4，6-三硝基甲苯(TNT)(A)、2，4-二硝基甲苯(DNT)(B)和硝基苯(NB)(C)的猝灭常数检测图。ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针对TNT、DNT和NB的淬灭常数分别为6239、3336和2282。这种淬灭常数主要依赖于氨基对目标分子的电荷转移作用和荧光共振能量转移机理。TNT淬灭常数分别是2，4-二硝基甲苯(DNT)和硝基苯(NB)的淬灭常数的2和3倍。可见，ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面的氨基对TNT分子的捕获能力要比NB和DNT强的多，由于TNT的分子结构中有三个吸电子的硝基能够与富电子的氨基形成强烈的酸碱离子对，同是形成深红色复合物，与ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针在空间接近时，产生了共振能量转移，从而有效的淬灭荧光。然而，NB和DNT分子结构分别为一个硝基和二个硝基，相对来说吸电子能力较弱，很难形成酸碱离子对复合物，且NB和DNT与L-半胱氨酸的氨基之间的作用在紫外可见光谱中没有发现有新的吸收峰，可见，NB和DNT与L-半胱氨酸的氨基之间的作用是非常弱的。对荧光的淬灭效率比TNT要差很多。

具体实施方式：一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，包括在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶的表面修饰上L-半胱氨酸(L-Cysteine)，表面带有氨基官能团，其特征在于：所述的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面带有氨基，其表面的氨基可进一步与TNT目标分子作用，使其表面富电子的氨基作为电子供体同缺电子的TNT受体之间通过电荷转移作用形成深红色的复合物，此深红色复合物通过荧光共振能量转移可以吸收ZnS:Cu²⁺纳米晶表面的荧光，利用荧光强度的改变，实现对超痕量TNT检测，本发明的制备过程包括如下两个步骤：

1、第一步是发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶的合成：首先分别配制乙酸锌和乙酸铜的水溶液。称取0.2～0.3g乙酸锌溶于100mL容量瓶中，定容后倒入500mL三口烧瓶中。然后称取0.02～0.03g乙酸铜溶于100mL容量瓶中，定容后用移液管移取10～15mL的溶液加入到上述500mL的三口烧瓶中与乙酸锌混合，混合均匀后开始加热搅拌。再配制一定浓度的乙酸钠溶液加入到上述混合溶液中，调其pH值在8～9之间。称取0.3～0.4g多聚磷酸钠溶于50mL容量瓶中，待上述混合液温度达到100℃时缓慢加入多聚磷酸钠溶液。刚开始加入时溶液由澄清变为浑浊，随着多聚磷酸钠量的增多，溶液又逐渐变为澄清。再称取0.2～0.3g Na₂S溶于10mL容量瓶中，当上述混合液升温至120℃时向溶液中缓慢滴加Na₂S溶液。溶液由澄清开始变为绿色浑浊，加入Na₂S溶液过程中不停搅拌混合液反应1～2h；

2、第二步是在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶表面修饰上氨基：取上述所得的ZnS:Cu²⁺纳米晶体，平均分装在四支50mL的离心管中，进行离心分离和溶剂的置换。分别用95％的乙醇依次离心、分散和置换3次。取其中一支50mL的离心管中离心分散好的ZnS:Cu²⁺纳米粒子，将其用25mL无水乙醇重新分散在50mL离心管中，然后取1mL该样品于试管中，最后加入1×10^-4mol·L^-1的L-半胱氨酸1mL静置24h。最后即得到具有对TNT高选择性、高灵敏性和痕量检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针。

表面修饰氨基的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针中加入目标分子，能够改变其识别性能。如加入TNT分子，ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面的氨基与TNT形成复合物，吸收ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针所发射的荧光，从而得到对TNT分子识别和检测。

实施例：首先，利用合成的发射绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶作为荧光探针，第二步，采用在ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面进行L-半胱氨酸的修饰，使其表面富含氨基，带上特定的官能团，能够实现对目标分析物高选择性和高灵敏的检测。

第一步是处在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的合成：首先分别配制乙酸锌和乙酸铜的水溶液。称取0.25g乙酸锌溶于100mL容量瓶中，定容后倒入500mL三口烧瓶中。然后称取0.02g乙酸铜溶于100mL容量瓶中，定容后用移液管移取12mL的溶液加入到上述500mL的三口烧瓶中与乙酸锌混合，混合均匀后开始加热搅拌。再配制一定浓度的乙酸钠溶液加入到上述混合溶液中，调其pH值在8～9之间。称取0.3g多聚磷酸钠溶于50mL容量瓶中，待上述混合液温度达到100℃时缓慢加入多聚磷酸钠溶液。刚开始加入时溶液由澄清变为浑浊，随着多聚磷酸钠量的增多，溶液又逐渐变为澄清。再称取0.2g Na₂S溶于10mL容量瓶中，当上述混合液升温至120℃时向溶液中缓慢滴加Na₂S溶液。溶液由澄清开始变为绿色浑浊，加入Na₂S溶液过程中不停搅拌混合液反应1h；

第二步是在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶表面修饰上氨基：取上述所得的ZnS:Cu²⁺纳米晶体，平均分装在四支50mL的离心管中，进行离心分离和溶剂的置换。分别用95％的乙醇依次离心、分散和置换3次。取其中一支50mL的离心管中离心分散好的ZnS:Cu²⁺纳米粒子，将其用25mL无水乙醇重新分散在50mL离心管中，然后取1mL该样品于试管中，最后加入1×10^-4mol·L^-1的L-半胱氨酸1mL静置24h。最后即得到具有对TNT高选择性、高灵敏性和痕量检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针。

Claims (8)

1.一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，包括在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶的表面修饰上L-半胱氨酸(L-Cysteine)，表面带有氨基官能团，其特征在于：所述的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针表面带有氨基，其表面的氨基可进一步与TNT目标分子作用，使其表面富电子的氨基作为电子供体同缺电子的TNT受体之间通过电荷转移作用形成深红色的复合物，此深红色复合物通过荧光共振能量转移可以吸收ZnS:Cu²⁺纳米晶表面的荧光，利用荧光强度的改变，实现对超痕量TNT检测，本发明的制备过程包括如下两个步骤：

1.1第一步是发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶的合成：首先分别配制乙酸锌和乙酸铜的水溶液。称取0.2～0.3g乙酸锌溶于100mL容量瓶中，定容后倒入500mL三口烧瓶中。然后称取0.02～0.03g乙酸铜溶于100mL容量瓶中，定容后用移液管移取10～15mL的溶液加入到上述500mL的三口烧瓶中与乙酸锌混合，混合均匀后开始加热搅拌。再配制一定浓度的乙酸钠溶液加入到上述混合溶液中，调其pH值在8～9之间。称取0.3～0.4g多聚磷酸钠溶于50mL容量瓶中，待上述混合液温度达到100℃时缓慢加入多聚磷酸钠溶液。刚开始加入时溶液由澄清变为浑浊，随着多聚磷酸钠量的增多，溶液又逐渐变为澄清。再称取0.2～0.3g Na₂S溶于10mL容量瓶中，当上述混合液升温至120℃时向溶液中缓慢滴加Na₂S溶液。溶液由澄清开始变为绿色浑浊，加入Na₂S溶液过程中不停搅拌混合液反应1～2h；

1.2第二步是在发绿色光带的ZnS:Cu²⁺纳米晶表面修饰上氨基：取上述所得的ZnS:Cu²⁺纳米晶体，平均分装在四支50mL的离心管中，进行离心分离和溶剂的置换。分别用95％的乙醇依次离心、分散和置换3次。取其中一支50mL的离心管中离心分散好的ZnS:Cu²⁺纳米粒子，将其用25mL无水乙醇重新分散在50mL离心管中，然后取1mL该样品于试管中，最后加入1×10^-4mol·L^-1的L-半胱氨酸1mL静置24h。最后即得到具有对TNT高选择性、高灵敏性和痕量检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针。

2.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，其特征是：所说荧光探针是ZnS:Cu²⁺纳米晶。

3.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，其特征是：所说ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针粒径可控，可以通过调节反应物的量之间的比例来加以控制。

4.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，其特征是：所说ZnS:Cu²⁺纳米晶体荧光探针的表面富含氨基。

5.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，其特征是：所说表面修饰功能试剂是L-半胱氨酸。

6.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，其特征是：所说ZnS:Cu²⁺纳米晶探针表面的L-半胱氨酸的氨基能够专识性的结合TNT分子。

7.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，其特征是：所说ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光发射光谱是绿色发光带。

8.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针的制备方法，其特征是：所说ZnS:Cu²⁺纳米晶荧光探针对TNT痕量检测是基于荧光共振能量转移原理。

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