CN103439304A - 一种双发射荧光化学传感器及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种双发射荧光化学传感器，是以玻璃小瓶内表面为基底，由基底和固定在基底上的量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子所组成的比率荧光传感器。本传感器的制备方法是首先绿色量子点包埋于氧化硅纳米粒，氧化硅表面氨基化后再共价偶联包覆红色荧光卟啉敏感层，得到一种双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子，最后加工成荧光化学传感器。该类传感器能够便于携带和操作以及实时在线的现场可视化检测到1ppm二氧化氮气体污染物，激发波长在370nm。

Description

一种双发射荧光化学传感器及其制备方法和用途

一、技术领域

本发明涉及一种荧光化学传感器及其制备方法，特别涉及一种微量气体污染物的可视化分析检测荧光化学传感器及其制备方法，具体地说是一种绿色量子点-卟啉双发射荧光信号可视化检测二氧化氮污染物的传感器及其制备方法。

二、背景技术

随着社会经济的发展，来源于燃料设备及汽油机动车的二氧化氮气体，逐渐成为大气主要化学污染物之一。众所周知，二氧化氮是一种有毒气体，它不仅有损人体健康，而且造成一些如酸雨及光化雾等环境问题。因此，检测不同区域空气中二氧化氮的含量，从而解决环境问题，已成为关键一步。虽然，迄今为止，已经发展了很多检测二氧化氮的方法，如光学法，色谱分析法，紫外吸收法。还有像化学荧光和比色法之类的这些分析设备非常灵敏、准确，但其体型较大，价格昂贵，以及收集、浓缩、分离气体这些复杂样品前处理过程，操作人员需经专业培训等不足，从而导致这些设备很难广泛使用。

近些年来，基于人们对二氧化氮气体的荧光分析方法得到重视。新加坡国立大学黄德建，王素华等人（J.Am.Chem.Soc.2013,135:5312-5315.）发展了一种简单的可视化检测二氧化氮气体的试纸方法。二氧化氮能够与有机物磺酰罗丹明-二硫代氨基甲酸与镍的配合物反应，使原无荧光的配合物产生一种有荧光的有机物，荧光由无色变为红色，能够选择性的检测痕量二氧化氮，但这有机荧光配体光稳定性较差，且检测前需有机溶剂润湿，不方便随时随地就地即使检测。

量子点主要是由II-VI族元素或III-V族元素组成的半导体纳米粒子。作为一种具有潜在应用价值的荧光探针，与传统有机荧光染料相比，量子点的光致发光性质十分优越：激发范围宽，发射峰窄而对称，斯托克斯位移大，量子产率高，亮度强，光稳定性高。特别是不同的量子点能够被单一波长的光源同时激发时发射双荧光，这一特性可以用于设计可视化的荧光化学传感器。目前，将量子点与有机染料结合在一起在二氧化氮气体污染物的可视化检测方面还未见报道。

三、发明内容

本发明针对现有二氧化氮检测方法的上述不足，旨在提供一种实时现场的快速可视化检测空气中二氧化氮气体的荧光化学传感器，所要解决的技术问题利用绿色量子点与卟啉的荧光性质设计双发射荧光化学传感器以实现可视化检测气体污染物二氧化氮。

本发明所称的双发射荧光化学传感器，是玻璃瓶比率荧光传感器，与现有技术的区别是玻璃小瓶内表面为基底，由基底和固定在基底上的至少两只双发射量子点比率荧光探针所组成，所述的探针是双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子，所述的双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子是由氧化硅纳米粒子其内包埋绿色量子点、其表面氨基化后共价偶联包覆红色荧光卟啉敏感层所形成的超结构氧化硅纳米粒子。

所述的绿色量子点是指量子点在单一波长光源激发时能发射绿色荧光。

所述的量子点选自CdTe、CdTe/CdS、CdSe、CdSe/ZnS、CdSe/CdS或CdS等任何发射绿色荧光的量子点。

所述的卟啉选自原卟啉等含羧基的任何发射红色荧光的卟啉类。

本传感器的制备方法简言之就是首先将绿色量子点包埋于氧化硅纳米粒子内，并对氧化硅表面进行修饰（即氨基化），再在其表面共价偶联包覆红色荧光卟啉敏感层，得到一类双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子，即双发射量子点比率荧光探针，最后加工成荧光化学传感器。该类传感器能够可视化检测空气中污染气体二氧化氮的含量。

本传感器的制备方法包括发光稳定的绿色量子点的制备和包埋以及双发射量子点比率荧光探针的制备和固定，所述的包埋就是将绿色量子点包埋于氧化硅纳米粒子内，与现有技术的区别是双发射量子点比率荧光探针的制备，也就是在包埋有绿色量子点的氧化硅纳米表面包覆可发射红色荧光的卟啉敏感层，具体方法是将包埋量子点的氧化硅纳米粒子和卟啉分散于乙醇中，加入缩合剂1-乙基-3-(3-二甲胺基丙基)碳二亚胺/N-羟基丁二酰亚胺（EDC/NHS），在避光和常温条件下搅拌3-6小时，离心分离，乙醇洗涤，得到双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子；将该粒子分散于乙醇中，于无荧光背景的小玻璃瓶洁净的内表面上至少两处点滴分散液，挥干乙醇后形成膜状探针。

绿色量子点包埋于氧化硅纳米粒子中，在量子点上形成透明钝化的氧化硅层，其荧光性质基本不受外来物质的干扰。

在包埋量子点的氧化硅粒子表面构建原具有红色荧光的卟啉层，卟啉偶联后导致卟啉荧光减弱，通过二氧化氮作用，使偶联的卟啉游离出来，恢复其原有红色荧光，而内部的不受干扰，从而产生颜色的有序变化；即在紫外灯下能看出探针荧光由明亮的绿色变为黄色，并随着二氧化氮浓度增加和反应时间的延长，最终变为红色，据此确立双发射荧光强度比率与二氧化氮反应之间的非线性关系。

本传感器的用途是在检测空气中污染气体二氧化氮时作为可视化检测的荧光化学传感器的应用。

具体操作如下：

1、比率探针的制备

参考文献M.Y.Gao et al,J.Phys.Chem.,1998,102,8360公开的方法。

将镉盐（高氯酸镉，氯化镉，醋酸镉等）与巯基表面修饰剂（巯基丙酸，巯基乙酸等）按1:2～1:3的摩尔比溶于pH值9～12的水中。

将硼氢化钠和碲粉按2:1～10:1的摩尔比加入水中，冰浴下反应生成碲氢化钠，用过量的稀硫酸溶液和碲氢化钠反应生成的H₂Te直接通入上述镉溶液中（镉与碲的摩尔比在1:0.2～1:0.8之间），搅拌15～30分钟后加热回流。控制回流时间，得到荧光发射峰位在490nm至530nm之间的任意调变的碲化镉量子点。制得的量子点原始溶液在15W的紫外灯下照射以提高荧光量子产率，然后纯化一次以去除原始溶液未反应物质，备用。

包埋绿色荧光量子点的氧化硅纳米粒子的制备与修饰按的方法加以改进。取以上制备的绿色荧光量子点与乙醇以1:2的体积比混溶，再加入一定量的γ-巯丙基三乙氧基硅烷室温避光反应6小时。然后加入同量的正硅酸四乙酯和氨水，继续反应12小时。最后再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷，反应12小时后，用乙醇，超纯水分别洗两次，再分散于超纯水中，待用。

将包埋绿色量子点氧化硅纳米粒子与含羧基的卟啉分散于乙醇中，在缩合剂1-乙基-3-(3-二甲胺基丙基)碳二亚胺/N-羟基丁二酰亚胺（EDC/NHS）的作用下,室温下避光反应3-6小时，从而使氧化硅表面的氨基与卟啉的羧基反应形成酰胺键。最后用乙醇洗数次，所得比率探针再分散于乙醇中，备用。

3、在比色皿中进行荧光检测

将待检测的二氧化氮乙醇溶液加入到上述比率荧光体系中进行荧光检测。在0.4μM含量就有响应，检测非常灵敏。随着二氧化氮溶液加入时间逐渐增长，量子点绿色荧光强度保持不变，而卟啉红色荧光渐渐恢复，直至不再增强。此时在紫外灯下能看出探针荧光由明亮的绿色变为黄色，据此确立双发射荧光强度比率与二氧化氮反应之间的非线性关系。荧光颜色变化过程明显，实现可视化检测。

4、空气中二氧化氮气体的荧光检测

取该比率荧光探针分散液滴加在无背景荧光的小瓶内表面并挥干乙醇，向小瓶内注射含有不同浓度的二氧化氮气体样品，在紫外灯下可看出小瓶内的荧光点由亮绿色变为为红色，从而制作了一个简单便携，快速，可视化检测二氧化氮气体的小瓶荧光传感装置。

本发明的优点和积极效果：

本发明首次利用量子点与卟啉能够被单一波长的光源同时激发的荧光特性来设计可视化的荧光化学传感器。具体地说是发明了一类量子点-卟啉双发射荧光信号可视化检测二氧化氮气体污染物的传感器及其制备方法。制备的传感器可以设计成便于携带和操作的指示瓶，便于实时在线的现场可视化检测气体污染物。得到的玻璃瓶传感器被成功用于可视化检测空气中二氧化氮气体含量，能够可视化检测到1ppm。激发波长在370nm。

本发明方法在一定程度上可以避免使用大型仪器，仅需一个手持式紫外灯就可进行可视化检测，操作简单，方便快速，灵敏度高，效果显著；本方法能有效避免样品中其他杂质的干扰，所以选择性好，也省略了预处理过程。本发明的小瓶荧光探针装置适于随身携带，便于户外空气中随时取样检测，视觉效果明显。

四、附图说明

图1是绿色量子点超结构氧化硅纳米粒子形貌图（A）及荧光图（B）。

图2是双发色量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子荧光图。

图3是乙醇溶液中二氧化氮检测荧光图及可视化照片。

图4是乙醇溶液中二氧化氮选择性检测荧光图及可视化照片。

图5是指示玻璃瓶便携检测空气中痕量二氧化氮污染物的可视化照片。

图6是双发射比率荧光化学传感器（指示瓶）保存稳定性照片。

五、具体实施方式

现在进一步以实施例阐述本发明，现以碲化镉量子点与原卟啉为例非限定实施例叙述如下。

实施例1：双发射量子点-卟啉比率荧光探针的制备

1、碲化镉量子点的制备

将0.2284g氯化镉（CdCl₂·2.5H₂O）加入到250mL超纯水中，随后加入0.21mL巯基丙酸，再用1M NaOH溶液将其pH值调至11，形成含有巯基化合物和镉离子的溶液。另一方面，取0.0319g碲粉和0.05g硼氢化钠于2mL除氧的超纯水中，在氮气保护下，冰浴反应8小时以上。将5mL0.5M稀硫酸溶液注入到生成的碲氢化钠溶液中。将生成的H₂Te全部通入上述镉离子溶液中，搅拌20分钟后，加热回流。控制回流时间，可得到巯基丙酸稳定的、荧光发射峰位在490～680nm的碲化镉量子点水溶液。制得的量子点原始溶液在15W的紫外灯下照射以提高荧光量子产率，备用。

2、包埋绿色荧光量子点的氧化硅纳米粒子的制备与修饰

将40mL乙醇和5mL绿色荧光量子点原液,15mL超纯水混合加入到100mL的单口烧瓶中，搅拌均匀。再加入20μL的γ-巯丙基三乙氧基硅烷室温下避光搅拌反应6小时。然后，取500μL正硅酸四乙酯和500μL氨水加入上述体系中，接着反应12小时。为了在氧化硅表面修饰上氨基，取50μL的γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到体系中，再反应12小时。反应结束后，包埋绿色荧光量子点的氧化硅纳米粒子经乙醇和水分别洗涤若干次，以去除未反应完的物质。最终得到的氧化硅纳米粒子分散于超纯水中，待用，其表征及荧光图见1。

3、双发射量子点比率荧光探针的制备

将500μL0.015g/L原卟啉乙醇溶液和2mg包埋绿色荧光量子点的氧化硅纳米粒子分散于5mL的乙醇溶液中，再加入50μL2g/L EDC/NHS混合液（EDC、NHS质量比1:1），在室温避光条件下反应3-6小时。反应后得到的表面包被原卟啉的氧化硅纳米颗粒经离心分离，并用乙醇洗涤数次以去除未偶联上的原卟啉和其他化学试剂。最终得到的表面包被微弱红色荧光原卟啉双发射量子点-原卟啉比率荧光探针再分散于2mL乙醇中，待用。

本实施例制备的荧光探针的荧光图见图2。

实施例2：二氧化氮溶液的定量检测

将待检测的含有二氧化氮的样品溶液加入实施例1中配制的荧光探针乙醇溶液中进行荧光检测。二氧化氮在0.4μM含量就有响应，检测非常灵敏。随着二氧化氮溶液加入时间逐渐增长，量子点绿色荧光强度保持不变，而卟啉红色荧光逐渐恢复，直至不再增强。此时在紫外灯下能看出探针荧光由明亮的绿色变为黄色，据此确立双发射荧光强度比率与二氧化氮反应时间之间的非线性关系。此外，在一定微量浓度范围内，荧光探针均有显著变化，从而根据荧光颜色变化过程明显，高选择性，实现可视化检测，荧光激发波长370nm，双发射波长分别在520nm，630nm处，见图3，4。

实施例3：双发色量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子传感器可视化检测空气中二氧化氮污染物

取少量该比率探针滴加两点于无荧光背景的小瓶内表面上，用吹风机将探针的溶剂快速蒸发，在小瓶内表面形成一层薄膜，紫外灯下可看见瓶内两个亮绿色的点，从而设计了一个便于携带，可快速可视化检测空气中二氧化氮污染物的小瓶荧光传感装置。具体操作步骤如下：分别注射1ppm，10ppm，100ppm，1000ppm的二氧化氮气体样品于小瓶中，于2min，5min，10min，20min内在紫外灯下观察小瓶内荧光亮点颜色变化，可发现亮绿色荧光点最终变为红色荧光点图5。作为对比，充满氮气的小瓶装置在相同时间内，紫外灯下，观察不到任何荧光颜色变化。同时，此装置荧光的稳定性极好，在避光条件下，小瓶中荧光亮点可保持一个月无任何变化，图6。

Claims (4)

1.一种双发射荧光化学传感器，其特征在于：本传感器是由玻璃小瓶内表面为基底和固定在基底上至少两只双发射量子点比率荧光探针所组成，所述的双发射量子点比率荧光探针是双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子，所述的双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子是由氧化硅纳米粒子其内包埋绿色量子点、其表面氨基化后共价偶联包覆红色荧光卟啉敏感层所形成的超结构氧化硅纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的量子点选自CdTe、CdTe/CdS、CdSe、CdSe/ZnS、CdSe/CdS或CdS等任何发射绿色荧光的量子点。

3.一种如权利要求1所述的双发射荧光化学传感器的制备方法，包括绿色量子点的制备和包埋以及双发射量子点比率荧光探针的制备和固定，其特征在于：

所述的双发射量子点比率荧光探针的制备是将包埋绿色量子点的氧化硅纳米粒子和卟啉分散于乙醇中，加入缩合剂1-乙基-3-(3-二甲胺基丙基)碳二亚胺/N-羟基丁二酰亚胺，在避光和常温条件下搅拌3-6小时，离心分离，乙醇洗涤，得到双发射量子点-卟啉超结构氧化硅纳米粒子。

4.一种如权利要求1所述的双发射荧光化学传感器的用途，其特征在于：本传感器在检测空气中污染气体二氧化氮时作为可视化检测的荧光化学传感器。

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