CN104237184B - 一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器及其制备方法和应用，属环境功能材料制备技术领域；首先将乙酸锌分散在甲醇中，回流至溶解，然后将氢氧化钾的甲醇溶液倒入上述反应，剧烈搅拌并回流反应数天，反应结束后，离心洗涤数次，得到ZnO纳米棒，烘干备用，利用3‑(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对所得的ZnO纳米棒进行乙烯基改性，然后利用沉淀聚合法合成了以对硝基苯酚为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，ZnO‑KH570为载体，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，乙腈为溶剂制备的ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物，并用于光学检测对硝基苯酚；制备的荧光分子印迹聚合物具有很好的光学和pH稳定性，且具有选择性识别对硝基苯酚的能力。

Description

一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的制备方法

技术领域

一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器及其制备方法和应用，属环境功能材料制备技术领域。

背景技术

对硝基苯酚是一种常见的环境内分泌干扰物，能够刺激并抑制中枢神经，严重时将出现高铁血色素症和呼吸困难，因此对其监测和评价有重要的应用价值。对硝基苯酚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（Molecularlyimprinted 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。表面分子印迹技术(Surface Molecular Imprinting Technique)通过把分子识别位点建立在基质材料的表面，较好的解决了传统MIPs还存在的一些严重缺陷，如机械性能差、活性位点包埋过深、模板分子的去除不彻底、吸附容量偏低和吸附-脱附的动力学性能不佳等。

近年来，基于荧光探针的荧光分析法受到了科研工作者的广泛欢迎，建立的荧光分析方法已广泛用于测定无机物、有机物及生物大分子。荧光分析法具有灵敏度高、选择性好、仪器结构相对简单、价格便宜等特点。氧化锌（ZnO）是一种室温下宽带宽（Eg =3.35 eV）且有大的激发结合能（60 meV）的半导体材料。ZnO资源丰富环境友好且比较稳定性，在荧光检测领域有着潜在的应用，因此氧化锌/聚合物杂化材料被认为是一类在光学领域有前景的材料。将纳米氧化锌和印迹聚合物复合，可以制备具有选择性光学识别能力的复合材料。

经对现有技术的文献检索发现，潘建明等2011年在《The Journal of PhysicalChemistry C》（物理化学C）上发表的“Selective Recognition of 2,4,6-TriehloroPhenol by Molecularly Imprinted Polymers Based on MagneticHalloysite 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），该文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。魏宏等2011年在《化学学报》上发表的“基于CdTe量子点测定烟酸诺氟沙星的新方法研究”，该文成功利用了CdTe量子点的荧光性能简单、快速、灵敏的检测了烟酸诺氟沙星。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，将高灵敏的荧光检测与分子印迹技术相结合，利用荧光信号弥补分子印迹聚合物缺乏信号传导的缺陷，制备分子印迹荧光传感器，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。分子印迹荧光传感器的制备使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。利用分子印迹荧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

首先将乙酸锌（C₄H₆O₄Zn·2H₂O）分散在甲醇中，一定温度条件下回流至溶解。然后将氢氧化钾的甲醇溶液倒入上述反应，剧烈搅拌并回流反应数天。反应结束后，离心洗涤数次，得到ZnO纳米棒，烘干备用。利用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)对所得的ZnO纳米棒进行乙烯基改性，然后利用沉淀聚合法合成了以对硝基苯酚为模板分子，甲基丙烯酸（MAA）为功能单体，ZnO-KH570为载体，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，乙腈为溶剂制备的ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物，并用于光学检测对硝基苯酚。制备的荧光分子印迹聚合物具有很好的光学和pH稳定性，且具有选择性识别对硝基苯酚的能力。

本发明采用的技术方案是：

一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的制备方法，也称为印记荧光聚合物，按照以下步骤进行：

（1）KH570修饰的ZnO纳米棒的合成：

在三口烧瓶内，将乙酸锌（C₄H₆O₄Zn·2H₂O）分散于甲醇中，回流至固体溶解。然后将氢氧化钾（KOH）的甲醇溶液倒入上述反应，剧烈搅拌并回流反应。反应结束后，离心洗涤数次，得到ZnO纳米棒，烘干备用。然后将上述制得的ZnO纳米棒分散于甲苯溶液中，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。将产物洗涤后烘干备用。

（2）ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器（ZnO@MIPs）的合成：

在圆底烧瓶中，加入溶剂乙腈，随后加入对硝基苯酚、MAA、KH570修饰的ZnO纳米棒、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，产物离心后洗涤。

（3）最终用甲醇和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ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器（ZnO@MIPs）。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C₄H₆O₄Zn·2H₂O和KOH的摩尔比为：1:1.5-2.5，且C₄H₆O₄Zn·2H₂O的浓度不高于1M；所述将乙酸锌分散于甲醇中回流时温度为65-75^oC；所述加入氢氧化钾的甲醇溶液后回流反应3-5天；所述加入KH570后回流反应为升温至90^oC回流20-24小时；所述的ZnO纳米棒、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)与甲苯溶剂的质量体积比为1g：1-3 mL：45-55mL。

其中步骤（2）中所述的对硝基苯酚与乙腈溶剂的比例为：0.05 mmol：55-65 mL；其中所述混合溶液中对硝基苯酚、MAA和EDGMA的摩尔比为1:4-8:12-20，且三者质量小于0.3g；其中所述AIBN的质量为10-15 mg，所述的加入KH570修饰的ZnO纳米棒的质量为25 mg-55mg；所述两步聚合反应为第一步在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。

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（ZnO@NIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加对硝基苯酚。

本发明的技术优点：

以ZnO纳米棒作为荧光功能载体材料，利用沉淀聚合法合成了荧光分子印迹聚合物；利用本发明获得的荧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对硝基苯酚的能力。分子印迹荧光传感器的制备使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。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：反应时间不足的ZnO纳米棒的透射电镜图。

图2：反应时间充足的ZnO纳米棒的透射电镜图。

图3：ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）的透射电镜图。

图4：ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物荧光强度的时间稳定性图示。

图5：不同浓度的对硝基苯酚对ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器（左）和非印迹荧光传感器（右）荧光光谱的影响。

图6：不同浓度的对硝基苯酚与ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器（左）和非印迹荧光传感器（右）作用后的相对强度线性图。

图7：同一浓度下（100 μmol/L）不同酚类物质对ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器和非印迹荧光传感器的相对荧光强度。

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）KH570修饰的ZnO纳米棒的合成：

在250 mL三口烧瓶内，将10.95 g C₄H₆O₄Zn·2H₂O分散于60 mL甲醇中，在65 ^oC条件下回流至固体溶解。然后将30 mL含有4.2 g氢氧化钾（KOH）的甲醇溶液倒入上述反应，剧烈搅拌并回流反应3天。反应结束后，离心洗涤数次，得到ZnO纳米棒，烘干备用。然后将1 g上述制得的ZnO纳米棒分散于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ZnO纳米棒，无水乙醇洗涤、烘干备用。

（2）ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）的合成：

在100 mL圆底烧瓶中，加入55 mL溶剂乙腈，随后加入0.05 mmol 对硝基苯酚、0.2mmol MAA、25 mg KH570修饰的ZnO纳米棒、0.6 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ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）。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（ZnO@NIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加对硝基苯酚。

实施例2：

（1）KH570修饰的ZnO纳米棒的合成：

在250 mL三口烧瓶内，将10.95 g C₄H₆O₄Zn·2H₂O分散于60 mL甲醇中，在75 ^oC条件下回流至固体溶解。然后将40 mL含有7.0 g氢氧化钾（KOH）的甲醇溶液倒入上述反应，剧烈搅拌并回流反应5天。反应结束后，离心洗涤数次，得到ZnO纳米棒，烘干备用。然后将1 g上述制得的ZnO纳米棒分散于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ZnO纳米棒，乙醇洗涤、烘干备用。

（2）ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）的合成：

在100 mL圆底烧瓶中，加入65 mL溶剂乙腈，随后加入0.05 mmol 对硝基苯酚、0.4mmol MAA、55 mg KH570修饰的ZnO纳米棒、1.0 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ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）。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（ZnO@NIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加对硝基苯酚。

实施例3：

（1）KH570修饰的ZnO纳米棒的合成：

在250 mL三口烧瓶内，将10.95 g C₄H₆O₄Zn·2H₂O分散于60 mL甲醇中，在70 ^oC条件下回流至固体溶解。然后将35 mL含有5.6 g氢氧化钾（KOH）的甲醇溶液倒入上述反应，剧烈搅拌并回流反应4天。反应结束后，离心洗涤数次，得到ZnO纳米棒，烘干备用。然后将1 g上述制得的ZnO纳米棒分散于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ZnO纳米棒，无水乙醇洗涤、烘干备用。

（2）ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）的合成：

在100 mL圆底烧瓶中，加入60 mL溶剂乙腈，随后加入0.05 mmol 对硝基苯酚、0.3mmol MAA、45 mg KH570修饰的ZnO纳米棒、0.8 mmol EDGMA、12 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ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）。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（ZnO@NIPs）的制备方法类似合成方法如上，但不加对硝基苯酚。

图3为ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物（ZnO@MIPs）的透射电镜图。可以看出成功反应生成了ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物，聚合物厚度为1-2 nm。

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ZnO纳米棒荧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30分钟。用分子荧光光度计测量系统检测溶液的荧光强度。根据Stern-Volmerequation(F ₀ /F=1+K _sv [c])以浓度[c]为横坐标，相对荧光强度(F ₀ /F)为纵坐标绘制荧光响应曲线。选择几种酚类物质，作为对比物质，参与ZnO@MIPs识别性能的研究。

试验例1：首先考察了ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物的荧光强度时间稳定性（如图4所示，所制得的ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物有很好的稳定性）。将ZnO纳米棒荧光聚合物配置成500 mg/L的水溶液，酚类目标物配置成为1 mmol/L的水溶液。取1 mL的聚合物溶液和0-0.7 mL对硝基苯酚溶液加入到5 mL比色管中，并用二次蒸馏水水定容，把测试液室温振荡后静置30分钟，然后用荧光分光光度计检测溶液的荧光强度。根据Stern-Volmerequation(F ₀ /F=1+K _sv [c])以浓度[c]为横坐标，相对荧光强度（F ₀ /F）为纵坐标绘制荧光响应曲线。

比色管测试液中对硝基苯酚浓度分别为0、5、10、20、40、60、80、100、120、140µmol/L，检测不同浓度的对硝基苯酚对ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器（左）和非印迹荧光传感器（右）荧光光谱的影响，如图5所示，图中曲线由上至下分别是不同浓度对硝基苯酚（0、5、10、20、40、60、80、100、120、140µmol/L）存在下的荧光物质的荧光光谱，随着对硝基苯酚浓度的升高，荧光强度减弱，根据Stern-Volmer equation(F ₀ /F=1+K _sv [c])以浓度[c]为横坐标，相对荧光强度(F ₀ /F)为纵坐标绘制荧光响应曲线，分别得到相关系数为0.998和0.997的直线（如图6所示）。结果表明，ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物具有很好的光学检测对硝基苯酚的能力。

试验例2：将ZnO纳米棒荧光聚合物配置成500 mg/L的水溶液，选择对硝基苯酚、2,4-二氯苯酚、2,6-二氯苯酚和2,4,5-三氯苯酚四种目标物，将以上几种酚类物质配置成为1mmol/L的水溶液。取1 mL的聚合物水溶液和0.5 mL的酚类物质水溶液加入到5 mL比色管中，并用水定容，把测试液室温振荡后静置30分钟，然后用荧光分光光度计检测溶液的荧光强度。由图7可知，对硝基苯酚对ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物的猝灭量最大，说明ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物对模板分子对硝基苯酚具有特异性识别能力。结果表明，本发明制备的ZnO纳米棒荧光分子印迹聚合物对对硝基苯酚有明显的专一识别性，猝灭效果高于其它酚类物质。

Claims (5)

1.一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器具有选择性识别对硝基苯酚的能力，所述传感器厚度为1-2 nm；按照以下步骤进行制备：

（1）KH570修饰的ZnO纳米棒的合成：

在三口烧瓶内，将乙酸锌分散于甲醇中，回流至固体溶解；然后将氢氧化钾的甲醇溶液倒入上述三口烧瓶内反应，剧烈搅拌并回流反应；反应结束后，离心洗涤数次，得到ZnO纳米棒，烘干备用；将制得的ZnO纳米棒分散于甲苯溶液中，不断搅拌下逐滴加入KH570，回流反应，将产物洗涤后烘干备用，所得产物即为KH570修饰的ZnO纳米棒；

（2）ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的合成：

在圆底烧瓶中，加入溶剂乙腈，随后加入对硝基苯酚、MAA、KH570修饰的ZnO纳米棒、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，产物离心后洗涤；

（3）最终用甲醇和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ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器，记为ZnO@MIPs，最后，产物在真空烘箱中干燥，并在干燥器中存储；

步骤（2）中所述的对硝基苯酚与乙腈溶剂的比例为：0.05 mmol：55-65 mL；

所述混合溶液中对硝基苯酚、MAA和EDGMA的摩尔比为1:4-8:12-20，且三者质量小于0.3 g；

所述AIBN的质量为10-15 mg；

所述的加入KH570修饰的ZnO纳米棒的质量为25 mg-55 mg；

所述两步聚合反应为第一步在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。

2.根据权利要求1所述的一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的乙酸锌和氢氧化钾的摩尔比为：1:1.5-2.5，且乙酸锌的浓度不高于1M；

所述将乙酸锌分散于甲醇中回流时温度为65-75^oC；

所述加入氢氧化钾的甲醇溶液后回流反应3-5天；

所述加入KH570后回流反应为升温至90^oC回流20-24小时；

所述的ZnO纳米棒、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)与甲苯溶剂的质量体积比为1g：1-3 mL：45-55mL。

3. 根据权利要求1所述的一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，其中所述的洗涤均为用无水乙醇洗涤。

5.权利要求1所述方法制备的一种ZnO纳米棒分子印迹荧光传感器在光学检测对硝基苯酚中的应用。