CN104237182A - 一种Mn掺杂的ZnS量子点印迹传感器的制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Mn掺杂的ZnS量子点印迹传感器的制备方法和应用，属环境功能材料制备技术领域。首先七水硫酸锌和四水氯化锰的水溶液在通氮气条件下室温搅拌并加入九水硫化钠的水溶液得到Mn-ZnS量子点；利用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对所得的Mn-ZnS量子点进行乙烯基改性，然后利用沉淀聚合法合成了以2,6-二氯苯酚为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，Mn-ZnS-KH570为辅助单体，乙二醇二(甲基丙烯酸)酯为交联剂，2,2-偶氮二已丁睛为引发剂，乙腈为溶剂，通过两步聚合得到Mn掺杂的ZnS量子点印迹传感器，并用于光学检测2,6-二氯苯酚。制备的磷光分子印迹聚合物具有很好的光学和pH稳定性，且具有选择性识别2,6-二氯苯酚的能力。

Description

一种Mn掺杂的ZnS量子点印迹传感器的制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种Mn掺杂的ZnS量子点印迹传感器的制备方法和应用，具体涉及的是一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光2,6-二氯苯酚分子印迹传感器的制备方法和应用，属环境功能材料制备技术领域。

背景技术

在水体环境中，3-氯酚、2,6-二氯苯酚、2,4,5-三氯苯酚和2,4,6-三氯苯酚等酚类物质已经被列为优先污染物。酚类污染物分析检测主要使用色谱法，如液相色谱法、气相色谱法和液质联用法。色谱法具有高的回收率、好的重现性和较低的检出限，但需要繁琐的样品前处理过程。常用的样品前处理的方法有溶剂萃取技术、超临界萃取技术、微波萃取技术、膜分离技术和固相萃取技术等。这些方法虽然各有独特优点，但也各有其局限性。如溶剂萃取技术大量使用有机溶剂，易产生二次污染；超临界萃取虽然具有容易实现溶剂与目标物分离、无污染的优点，但是操作复杂、成本费用高；膜分离技术存在膜的堵塞问题；固相萃取技术常用的吸附剂选择性较差。因此，针对环境中成分复杂、性质相似和含量偏低的酚类污染物残留，建立和完善快速、灵敏和选择性的分析检测方法是做好酚类污染物残留监控的当务之急。

随着分析要求的不断提高，特别是药物分析、环境分析、食品分析和产品检测需求的日益增长，传感器作为重要的检测器件，越来越受到人们的关注。有机与生物敏感材料具有良好的分子识别功能，其中的分子印迹聚合物材料可以针对目标物“量体裁衣”定制，实现对目标分子的专一识别，可与天然的生物识别系统（酶与底物）相媲美，具有制备简单、稳定性好、寿命长、易保存、造价低廉等特点，在固相萃取、手性分离、模拟生物抗体、催化及以及合成方面得到了广泛的应用，是解决环境、生物等复杂体系内特定目标分子高选择性识别的简捷、可靠手段。

分子印迹技术（Molecular imprinting technology，MIT）是制备对某一特定分子具有专一识别能力聚合物的过程，制备的聚合物称为分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers, MIPs）。MIPs的制备过程一般先将模板分子与选定的功能单体相互作用形成超分子复合物，再在交联剂作用下形成聚合物，最后用一定手段去除模板分子后，获得的MIPs中就留下了对模板分子具有特异性识别的结合位点。近年来，MIPs的构效预定性、特异识别性和广泛实用性吸引了愈来愈多的科学工作者的兴趣和青睐。

量子点作为光学材料，因其具有优异的光电性能、较大的比表面积和量子尺寸效应这些年来在生物化学、分子生物学、基因组学、蛋白质组学、生物分子相互作用等研究领域已得到广泛应用。在这些研究中，量子点荧光探针及其在生物体内的成像是目前研究的重点之一。量子点和传统的有机荧光素相比，具有较好的耐光性，较大的斯托克斯位移和荧光光谱窄而对称等一系列特点，并且还具有磷光和荧光特性，可望发展成为一类新型的具有发展前景的发光生物标记材料。室温磷光（RTP）作为一种非常有用的检测方式应用于光学传感，它拥有了许多超过荧光的优点。磷光的激发三重态拥有了几个优点，如发射寿命较长，使得激发光谱和发射光谱之间的差距扩大，拥有短暂的自体荧光和干扰最小的散射光。磷光寿命较长，拥有合适的延迟时间，使得磷光发射和散射光可以很容易地区分。磷光的选择性好，因为它和荧光相比是一种不常见的现象。然而，当分析物及共存物质的响应具有相似的发光，传统的RTP及磷光传感系统的选择性有限。

经对现有技术的文献检索发现，潘建明等2011年在《The Journal of Physical Chemistry C》（物理化学C）上发表的“Selective Recognition of 2,4,6-TriehloroPhenol by Molecularly Imprinted Polymers Based on Magnetic Halloysite Composites” （埃洛石纳米管磁性复合材料表面印迹选择性识别2,4,6-三氯苯酚），成功制备了磁性分子印迹复合材料用于选择性分离2,4,6-三氯苯酚，具有良好的选择性。何瑜等2008年在《Analytical Chemistry》(分析化学)上发表的“Exploring Mn-doped ZnS quantum dots for the room-temperature phosphorescence detection of enoxacin in biological fluids” （基于Mn掺杂ZnS量子点的室温磷光法检测生物体液中的依诺沙星），该文成功利用了Mn掺杂ZnS量子点的磷光性能简单、快速、灵敏的检测了生物体液中的依诺沙星。然而，前者检测过程工作量较大，速度慢，灵敏度较低；后者则缺乏一定的普适性和选择性。因此，将高灵敏的磷光检测与分子印迹技术相结合，利用磷光信号弥补分子印迹聚合物缺乏信号传导的缺陷，制备分子印迹磷光传感器，满足了传感器材的抗干扰、高选择、高灵敏的需求，成为当前传感、分离等领域的研究热点。分子印迹磷光传感器的制备使MIPs在分析检测中的应用范围和使用方法得到进一步扩展，同时MIPs的选择性也使复合型荧光探针的灵敏度和选择性得到显著提高。利用分子印迹磷光传感器进行光学分析从而达到快速、方便检测残留量的研究成为必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光2,6-二氯苯酚分子印迹传感器及其制备方法和应用。

本发明中首先以七水硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O）和四水氯化锰(MnCl₂·4H₂O)的水溶液在通氮气条件下室温搅拌并加入九水硫化钠(Na₂S·9H₂O)的水溶液得到Mn-ZnS量子点。利用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)对所得的Mn-ZnS量子点进行乙烯基改性，然后利用沉淀聚合法合成了以2,6-二氯苯酚为模板分子，甲基丙烯酸（MAA）为功能单体，Mn-ZnS-KH570为辅助单体，乙二醇二(甲基丙烯酸)酯(EGDMA)为交联剂，2,2-偶氮二已丁睛(AIBN)为引发剂，乙腈为溶剂的量子点磷光分子印迹聚合物，并用于光学检测2,6-二氯苯酚。制备的磷光分子印迹聚合物具有很好的光学和pH稳定性，且具有选择性识别2,6-二氯苯酚的能力。

本发明采用的技术方案是：

一种Mn掺杂的ZnS量子点印迹传感器，的制备方法，也称为印迹聚合物，按照以下步骤进行：

（1）KH570修饰的Mn-ZnS量子点的合成：

在三口烧瓶内，加入硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O）、氯化锰（MnCl₂·4H₂O），再加入蒸馏水使其充分溶解，室温搅拌，随后加入硫化钠（Na2S·9H2O）水溶液，将混合溶液持续搅拌，离心后得到沉淀为Mn-ZnS量子点，然后将产物洗涤，在真空烘箱中干燥。然后将上述制得的Mn-ZnS量子点分散于甲苯溶液中，不断搅拌下逐滴加入3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，回流反应；将产物洗涤、烘干备用。

（2）Mn-ZnS量子点磷光分子印迹聚合物（Mn-ZnSMIPs）的合成：

在圆底烧瓶中，加入溶剂乙腈，随后加入2,6-二氯苯酚、甲基丙烯酸（MAA）、KH570修饰的Mn-ZnS量子点、EDGMA、AIBN超声溶解，通氮除氧后封口，将圆底烧瓶置于恒温水浴振荡器中，通过两步聚合得到聚合产物，将产物离心后洗涤。

（3）将步骤（2）得到的产物用甲醇：乙酸的混合液索氏提取，脱除模板分子，室温下真空干燥，得到Mn-ZnS量子点磷光分子印迹聚合物（Mn-ZnSMIPs）。最后，产物在真空烘箱中干燥，并在干燥器中存储。

其中步骤（1）中所述的混合溶液中硫酸锌、氯化锰和硫化钠的摩尔比为：6.25:0.3-0.6:6.25；所述室温搅拌为在通氮气条件下室温搅拌15-30 min；所述将混合溶液持续搅拌时间为18-24h；所述的Mn-ZnS量子点和甲苯的用量比为1g：45-55mL；所述的Mn-ZnS量子点和3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)的质量体积比为1 g:1-3 mL；所述回流条件为升温至90^oC回流20-24 小时。

其中步骤（2）中所述的2,6-二氯苯酚与乙腈溶剂的比例为0.1 mmol：55-65 mL；所述混合溶液中2,6-二氯苯酚、MAA和EDGMA的摩尔比为1:4-8:12-20，且三者质量小于0.5 g；所述AIBN的质量为10-20 mg，所述的加入KH570修饰的Mn-ZnS量子点的质量为50 mg-200 mg；所述聚合反应第一步在50-55 ^oC条件下预聚合5-7小时，第二步在60-65 ^oC条件下聚合20-28小时。

其中步骤（3）中所述的甲醇与乙酸的体积比为9:1，索氏提取时间为20-24 h，重复2-3次。

其中上述技术方案中所述的洗涤均为用无水乙醇洗涤。

本发明对应的非印迹聚合物（Mn-ZnSNIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加2,6-二氯苯酚。

本发明的技术优点：

以Mn-ZnS QDs作为磷光功能材料，利用沉淀聚合法合成了磷光分子印迹聚合物；利用本发明获得的磷光分子印迹聚合物具有较好的光学稳定性，能实现快速识别和光学检测2,6-二氯苯酚的能力。分子印迹磷光传感器的制备使MIPs在分析检测中的应用范围和使用方法得到进一步扩展，同时MIPs的选择性也使复合型磷光探针的灵敏度和选择性得到显著提高。为拓展环境分析化学及环境污染化学和环境污染控制化学新的领域的研究提供科学可靠的依据。为进一步从事相关理论研究和实际应用如：现场、快速、选择性识别与可视化检测分析测定水体，食品和生物体中的痕量/超痕量有害物质奠定坚实的理论和实践基础。

附图说明

图1：实施例1、实施例2和实施例3合成的ZnS量子点印迹传感器的透射电镜图。

图2：Mn掺杂的ZnS量子点印迹传感器磷光强度的时间稳定性。

图3：反应时间对量子点磷光分子印迹传感器检测2,6-二氯苯酚的影响。可以看出量子点磷光分子印迹聚合物与2,6-二氯苯酚作用50分钟后基本稳定。 

图4：不同浓度的2,6-二氯苯酚对磷光分子印迹传感器（左）和非印迹传感器（右）磷光光谱的影响。

图5：不同浓度的2,6-二氯苯酚与磷光分子印迹传感器（左）和非印迹传感器（右）作用后的相对强度线性图。

图6：同一浓度下（56 μmol/L）不同酚类物质对磷光分子印迹传感器和非印迹传感器的相对磷光强度，图中，A、B、C、D依次为2,6-二氯苯酚、2,4-二氯苯酚、2,4,5-三氯苯酚和2,4,6-三氯苯酚。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

实施例1：

（1）在100 mL的三口烧瓶内，加入1.797 g ZnSO₄·7H₂O，0.059 g MnCl₂·4H₂O，20 mL蒸馏水，所得混合溶液在通氮气条件下室温搅拌15 min，随后加入5 mL含1.501 g Na₂S·9H₂O的水溶液，搅拌18小时。离心得到Mn掺杂的ZnS量子点，乙醇洗涤、烘干备用。然后将1 g上述制得的Mn-ZnS量子点分散于45 mL甲苯溶液中，不断搅拌下逐滴加入1 mL 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，升温至90^oC回流20小时。离心得到KH570修饰的Mn掺杂的ZnS量子点，无水乙醇洗涤、烘干备用。

（2）在100 mL圆底烧瓶中，加入55 mL溶剂乙腈，随后加入0.1 mmol 2,6-二氯苯酚、0.4 mmol MAA、50 mg KH570修饰的Mn-ZnS量子点、1.2 mmol EDGMA、10 mg AIBN超声溶解，通氮除氧后封口，将圆底烧瓶置于恒温水浴振荡器中，通过两步聚合得到聚合产物，第一步在50 ^oC条件下预聚合5小时，第二步在60 ^oC条件下聚合20小时，反应结束后，用无水乙醇洗涤若干次，以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干。最终用甲醇：乙酸的混合液 (9:1; V:V) 索氏提取20 h，重复2次，脱除模板分子，室温下真空干燥，得到Mn-ZnS量子点磷光分子印迹聚合物（Mn-ZnSMIPs）。最后，产物在真空烘箱中干燥，并在干燥器中存储。

对应的非印迹聚合物（Mn-ZnSNIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加2,6-二氯苯酚。

实施例2：

（1）在100 mL的三口烧瓶内，加入1.797 g ZnSO₄·7H₂O，0.118 g MnCl₂·4H₂O，20 mL蒸馏水，所得混合溶液在通氮气条件下室温搅拌30 min，随后加入5 mL含1.501 g Na₂S·9H₂O的水溶液，搅拌24小时。离心得到Mn掺杂的ZnS量子点，乙醇洗涤、烘干备用。然后将1 g上述制得的Mn-ZnS量子点分散于55 mL甲苯溶液中，不断搅拌下逐滴加入3 mL 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，升温至90^oC回流24小时。离心得到KH570修饰的Mn掺杂的ZnS量子点，无水乙醇洗涤、烘干备用。

（2）在100 mL圆底烧瓶中，加入65 mL溶剂乙腈，随后加入0.1 mmol 2,6-二氯苯酚、0.8 mmol MAA、200 mg KH570修饰的Mn-ZnS量子点、2.0 mmol EDGMA、20 mg AIBN超声溶解，通氮除氧后封口，将圆底烧瓶置于恒温水浴振荡器中，通过两步聚合得到聚合产物，第一步在55 ^oC条件下预聚合7小时，第二步在65 ^oC条件下聚合28小时，反应结束后，用无水乙醇洗涤若干次，以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干。最终用甲醇：乙酸的混合液 (9:1; V:V) 索氏提取24 h，重复3次，脱除模板分子，室温下真空干燥，得到Mn-ZnS量子点磷光分子印迹聚合物（Mn-ZnSMIPs）。最后，产物在真空烘箱中干燥，并在干燥器中存储。

对应的非印迹聚合物（Mn-ZnSNIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加2,6-二氯苯酚。

实施例3：

（1）在100 mL的三口烧瓶内，加入1.797 g ZnSO₄·7H₂O，0.1 g MnCl₂·4H₂O，20 mL蒸馏水，所得混合溶液在通氮气条件下室温搅拌20 min，随后加入5 mL含1.501 g Na₂S·9H₂O的水溶液，搅拌20小时。离心得到Mn掺杂的ZnS量子点，无水乙醇洗涤、烘干备用。然后将1 g上述制得的Mn-ZnS量子点分散于50 mL甲苯溶液中，不断搅拌下逐滴加入2 mL 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，升温至90^oC回流22小时。离心得到KH570修饰的Mn掺杂的ZnS量子点，无水乙醇洗涤、烘干备用。

（2）在100 mL圆底烧瓶中，加入60 mL溶剂乙腈，随后加入0.1 mmol 2,6-二氯苯酚、0.6 mmol MAA、100 mg KH570修饰的Mn-ZnS量子点、1.6 mmol EDGMA、15 mg AIBN超声溶解，通氮除氧后封口，将圆底烧瓶置于恒温水浴振荡器中，通过两步聚合得到聚合产物，第一步在52 ^oC条件下预聚合6小时，第二步在62 ^oC条件下聚合24小时，反应结束后，用无水乙醇洗涤若干次，以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干。最终用甲醇：乙酸的混合液 (9:1; V:V) 索氏提取22 h，重复3次，脱除模板分子，室温下真空干燥，得到Mn-ZnS量子点磷光分子印迹聚合物（Mn-ZnSMIPs）。最后，产物在真空烘箱中干燥，并在干燥器中存储。

对应的非印迹聚合物（Mn-ZnSNIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加2,6-二氯苯酚。

本发明具体实施方式中识别和光学检测性能评价按照下述方法进行：将适量量子点磷光聚合物的水溶液和一系列已知浓度的目标物溶液加入到5 mL比色管中，室温下振荡后静置50分钟（由图3得到）。用分子荧光光度计测量系统检测溶液的磷光强度。根据Stern-Volmer equation(F ₀ /F=1+K _sv [c])以浓度[c]为横坐标，相对磷光强度(F ₀ /F)为纵坐标绘制磷光响应曲线。选择几种酚类物质，作为对比物质，参与Mn-ZnSMIPs识别性能的研究。

试验例1：首先考察了聚合物的磷光时间稳定性（如图2所示，所制得的磷光分子印迹聚合物有很好的稳定性）。将磷光分子印迹材料配置成200 mg/L的水溶液，酚类目标物配置成为1 mmol/L的水溶液。取0.3 mL聚合物溶液和 0-0.28 mL目标物2,6-二氯苯酚溶液加入到比色管中，并用蒸馏水定容，室温下振荡后静置50分钟，然后用荧光分光光度计磷光模式检测溶液的磷光强度。根据Stern-Volmer equation(F ₀ /F=1+K _sv [c])以浓度[c]为横坐标，相对磷光强度（F ₀ /F）为纵坐标绘制磷光响应曲线。比色管测试液中2,6-二氯苯酚浓度分别为0、1、4、8、16、28、36、44、56μmol/L，检测不同浓度的2,6-二氯苯酚对磷光分子印迹传感器（左）和非印迹传感器（右）磷光光谱的影响如图4所示，图4中曲线由上至下分别是不同浓度2,6-二氯苯酚（0、1、4、8、16、28、36、44、56μmol/L）存在下的磷光物质的磷光光谱，随着2,6-二氯苯酚浓度的升高，磷光强度减弱，根据Stern-Volmer equation(F ₀ /F=1+K _sv [c]))以浓度[c]为横坐标，相对磷光强度(F ₀ /F)为纵坐标绘制磷光响应曲线，分别得到相关系数为0.9994和0.9983的直线（如图5所示）。结果表明，量子点磷光分子印迹聚合物具有很好的光学检测2,6-二氯苯酚的能力。

图3为反应时间对量子点磷光分子印迹传感器检测2,6-二氯苯酚的影响。可以看出量子点磷光分子印迹聚合物与2,6-二氯苯酚作用50分钟后基本稳定。 

试验例2：选择2,6-二氯苯酚、2,4-二氯苯酚、2,4,5-三氯苯酚和2,4,6-三氯苯酚四种目标物，分别配置以上几种酚类物质200mg/L水溶液。取0.3 mL配置好的聚合物的水溶液和0.28 mL酚类物质的水溶液加入到比色管中，并用蒸馏水定容，室温下振荡后静置50 分钟，然后用荧光分光光度计磷光模式检测溶液的磷光强度。由图6可知，2,6-二氯苯酚对磷光分子印迹聚合物的猝灭量最大，说明磷光分子印迹聚合物对模板分子2,6-二氯苯酚具有特异性识别能力。结果表明，本发明制备的磷光分子印迹聚合物对2,6-二氯苯酚有明显的专一识别性，猝灭效果高于其它酚类物质。

Claims (7)

1. 一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器，其特征在于，所述传感器具有很好的光学和pH稳定性，且具有选择性识别2,6-二氯苯酚的能力。

2. 根据权利要求1所述的一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器，其特征在于，按照以下步骤进行制备： 

（1）KH570修饰的Mn-ZnS量子点的合成：

在三口烧瓶内，加入硫酸锌、氯化锰，再加入蒸馏水使其充分溶解，室温搅拌，随后加入硫化钠水溶液，将混合溶液持续搅拌，离心后得到沉淀为Mn-ZnS量子点，然后将产物洗涤，在真空烘箱中干燥；将上述制得的Mn-ZnS量子点分散于甲苯溶液中，不断搅拌下逐滴加入3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，即KH570，回流反应；将产物洗涤、烘干备用；

（2）Mn-ZnS量子点磷光分子印迹聚合物的合成：

在圆底烧瓶中，加入溶剂乙腈，随后加入2,6-二氯苯酚、甲基丙烯酸、KH570修饰的Mn-ZnS量子点、乙二醇二(甲基丙烯酸)酯、2,2-偶氮二已丁睛超声溶解，通氮除氧后封口，将圆底烧瓶置于恒温水浴振荡器中，通过两步聚合得到聚合产物，将产物离心后洗涤；

（3）将步骤（2）得到的产物用甲醇：乙酸的混合液索氏提取，脱除模板分子，室温下真空干燥，得到Mn-ZnS量子点磷光分子印迹聚合物，记为Mn-ZnSMIPs；最后，产物在真空烘箱中干燥，并在干燥器中存储。

3. 根据权利要求2所述的一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器，其特征在于，

步骤（1）中所述的混合溶液中硫酸锌、氯化锰和硫化钠的摩尔比为：6.25:0.3-0.6:6.25；

所述室温搅拌为在通氮气条件下室温搅拌15-30 min；

所述将混合溶液持续搅拌时间为18-24h；

所述的Mn-ZnS量子点和甲苯的用量比为1g：45-55mL；

所述的Mn-ZnS量子点和3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)的质量体积比为1 g:1-3 mL；

所述回流条件为升温至90^oC回流20-24 小时。

4. 根据权利要求,2所述的一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器，其特征在于，

步骤（2）中所述的2,6-二氯苯酚与乙腈溶剂的比例为0.1 mmol：55-65 mL；

所述混合溶液中2,6-二氯苯酚、MAA和EDGMA的摩尔比为1:4-8:12-20，且三者质量小于0.5 g；

所述AIBN的质量为10-20 mg；

所述的加入KH570修饰的Mn-ZnS量子点的质量为50 mg-200 mg；

所述聚合反应第一步在50-55 ^oC条件下预聚合5-7小时，第二步在60-65 ^oC条件下聚合20-28小时。

5. 根据权利要求2所述的一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器，其特征在于，

步骤（3）中所述的甲醇与乙酸的体积比为9:1，索氏提取时间为20-24 h，重复2-3次。

6. 根据权利要求2所述的一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器，其特征在于，所述洗涤均为用无水乙醇洗涤。

7. 根据权利要求1或2所述的一种Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器，其特征在于，所制备的Mn掺杂的ZnS量子点磷光分子印迹传感器用于光学检测2,6-二氯苯酚。