CN105385438A

CN105385438A - 一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法

Info

Publication number: CN105385438A
Application number: CN201510859167.8A
Authority: CN
Inventors: 郝桐帆; 周志平; 聂仪晶
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2016-03-09

Abstract

本发明涉及一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，属环境功能材料制备技术领域；本发明首先将柠檬酸和聚乙烯亚胺溶解得透明溶液，然后转移到水热反应釜中反应后，冷却至室温得到氨基碳量子点的分散液；将分散液离心得到氨基碳量子点溶液；然后以氨基碳量子点为荧光载体，对硝基苯酚为模板分子，（3-氨丙基）三乙氧基硅烷为功能单体，正硅酸乙酯为交联剂的荧光分子印迹聚合物，并用于光学检测对硝基苯酚；本发明制备的氨基碳量子点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

一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，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，但是色谱法具有一定的局限性，如溶剂消耗量大，费时，繁琐的样品预处理和选择性差等。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。

近年来，基于量子点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。量子点，也称为半导体纳米晶，是一种由II-VI族（如CdSe和CdTe）或III-V族（如InP和InAs）或IV-VI族（如PbS和PbSe）元素组成的、三维直径大概在10nm左右、因接受激发光照射能够产生荧光的半导体纳米颗粒。量子点具有制备方法简单、光学可调、表面易于修饰和表征简单等优点，已经在分析领域得到了广泛的应用。相对于有机染料分子，量子点具有发光效率高、激发光谱宽、发射光谱狭窄而对称、单一激发波长可同时激发不同大小的量子点、光稳定性好等许多优良的光学特性。但是，传统的半导体量子点的毒性使其作为理想的荧光探针仍面临着巨大的挑战。因此科学家们一直寻求在一些良性的化合物中提取量子点，使用无毒量子点，真正实现量子点在生物医学领域的深入应用，保证足够的安全性。

近年来，碳量子点作为新型荧光碳纳米材料，依靠自身理想的荧光特性和生物相容性激发了人们广泛的兴趣。碳量子点既拥有理想的抗光漂白与无闪烁光学特性，还有着无细胞毒性、生物化学惰性、热稳定性以及生物体易代谢性，因此，碳量子点能成为取代传统量子点和有机分子染料的极好选择，并可以广泛运用在多个领域，为此，开展荧光碳量子点的基础研究具有重要的理论意义和应用价值，成为近几年的研究热点。目前，碳量子点的制备途径和应用方面研究都有了明显提升，将碳量子点作为荧光探针用于传感分析的研究正在逐年增加，同时随着高性能碳量子点的制备以及表面修饰技术的逐步完善与成熟，使碳量子点在荧光分析方面的检测能力有了很大的提高。然而量子点的特异选择性还有待提高，尤其对于结构和性能类似物的测定其选择性还不明显。

分子印迹技术（Molecularimprintingtechnology，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（Molecularlyimprintedpolymers,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，有不少研究工作将荧光材料量子点引入到分子印迹技术中，制备出复合型荧光分子印迹材料。复合型荧光分子印迹材料的制备使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。

经对现有技术的文献检索发现，Zhang等分别在2011年和2012年发表在《BiosensorsandBioelectronics》上发表的“MolecularlyimprintedpolymeranchoredonthesurfaceofdenaturedbovineserumalbuminmodifiedCdTequantumdotsasfluorescentartificialreceptorforrecognitionoftargetprotein”和“MolecularlyimprintedpolymeranchoredonthesurfaceofdenaturedbovineserumalbuminmodifiedCdTequantumdotsasfluorescentartificialreceptorforrecognitionoftargetprotein”；Xu等2013年发表在《Appl.Mater.Interfaces.》上发表的“DummyMolecularlyImprintedPolymers-CappedCdTeQuantumDotsfortheFluorescentSensingof2,4,6-Trinitrotoluene”；三篇文章都利用正硅酸乙酯的水解得到CdTe量子点荧光印迹传感器，具有良好的选择性。然而，利用氨基碳量子点作为光学材料，结合溶胶凝胶法合成碳量子点荧光印迹传感器还鲜有报道。因此，合成高性能碳量子点荧光印迹传感器的研究成为必要。

发明内容

本发明提供一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，通过一步水热法直接得到氨基碳量子点，结合溶胶凝胶技术合成碳量子点荧光硅基印迹传感器，为制备环保型氨基碳量子点荧光传感器建立一种操作简单、绿色低廉的合成方法。

首先将一定质量的柠檬酸和聚乙烯亚胺溶解到水中，充分溶解后得到透明溶液。然后将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜置于烘箱中，升温反应几小时后，冷却至室温，即可得到具有高性能荧光性质的氨基碳量子点的分散液。将分散液离心处理，上清液保存。然后利用溶胶-凝胶法合成了以氨基碳量子点为荧光载体，对硝基苯酚为模板分子，（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）为功能单体，正硅酸乙酯（TEOS）为交联剂的荧光分子印迹聚合物，并用于光学检测对硝基苯酚。制备的氨基碳量子点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：

一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）将柠檬酸和聚乙烯亚胺加入到水中，充分溶解后得到透明溶液。然后将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜置于烘箱中，升温反应几小时后，冷却至室温，即可得到具有高性能荧光性质的氨基碳量子点的分散液。将分散液离心处理，上清液保存，得到氨基碳量子点溶液。

（2）将步骤（1）得到的氨基碳量子点溶液、二次蒸馏水和乙醇混合加入到烧瓶中，同时加入（3-氨丙基）三乙氧基硅烷和对硝基苯酚，搅拌；然后将正硅酸乙酯和氨水加入到上述体系反应；反应结束后，用水和乙醇洗涤若干次，以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干；用洗脱剂将原始模板分子对硝基苯酚从所得产物中洗脱下来，洗脱三次；除去模板分子后，即得到量子点荧光印迹聚合物MIPs-CQDs。

其中，步骤（1）中所述的柠檬酸和聚乙烯亚胺的质量比为2：1-2；所述的水为二次去离子水，与柠檬酸的体积质量比为30-40mL:2g；所述的反应釜的体积为50mL；所述的反应温度为160-200℃，反应时间为4-8小时；

其中，步骤（2）中所述的氨基碳量子点溶液、二次蒸馏水和乙醇的体积比为0.05-0.1：1：7-11。；所述加入的对硝基苯酚与氨基碳量子点溶液的比例为0.025mmol：50-100μL；所述对硝基苯酚、（3-氨丙基）三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯的摩尔比为1:2-12:8-24；氨水与正硅酸乙酯的体积比为1:1-2；所用洗脱剂为水和乙醇（V/V1:1），洗脱三次；所述搅拌时间为20-30min；所述将正硅酸乙酯和氨水加入到上述体系反应时间为10-14小时。

非分子印迹聚合物（NIPs-CQDs）的合成除了不含模板分子外，其他过程与印迹过程相同。

本发明的技术优点：

本发明采用聚乙烯亚胺和柠檬酸作为原材料，通过一步水热法合成氨基碳量子点，以氨基碳量子点作为荧光功能材料，利用溶胶-凝胶法合成了荧光分子印迹传感器；本发明合成的量子点与其他碳量子点不同，本发明中氨基能与对硝基苯酚形成作用，猝灭效果更好；并且本发明采用的物质绿色环保无污染。

本方法合成了具有选择性识别的碳量子点印迹传感器，将碳量子点参与到正硅酸乙酯缩合反应中，最终形成荧光印迹传感器。本方法合成的传感器，比单一碳量子点传感器相比，多了一层硅基印迹聚合物，对目标分子具有专一识别性，具有明显的选择性。与其他量子点印迹传感器相比，由于碳量子点是无毒的，所以是一种绿色环保的新型传感器。最大的优势就是对目标物分子具有选择性，并且环保无毒。

本发明的制备工艺设备简单，操作简便可行，产量大，转化率高。本发明方法制备的氨基碳量子点不仅具有较高的光学性能，而且不用修饰直接参与到溶胶凝胶反应中。

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、选择性识别与荧光检测分析测定水体，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：碳量子点荧光印迹传感器的透射电镜图；

图2：不同浓度的对硝基苯酚与碳量子点荧光印迹传感器作用后的相对强度线性图；

图3：不同浓度的对硝基苯酚与碳量子点荧光非印迹传感器作用后的相对强度线性图；

图4：同一浓度下（50μmol/L）不同酚类物质对碳量子点荧光分子印迹传感器和碳量子点荧光分子非印迹传感器的猝灭率。

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）将2g柠檬酸和1g聚乙烯亚胺加入到30mL去离子水中，充分溶解后得到透明溶液。然后将混合溶液转移到体积为50mL水热反应釜中，将反应釜置于烘箱中，升温至160℃，反应4小时后，冷却至室温，即可得到具有高性能荧光性质的氨基碳量子点的分散液。将分散液离心处理，上清液保存，得到氨基碳量子点溶液。

（2）将50μL氨基碳量子点溶液、1mL二次蒸馏水与7mL乙醇混合加入到烧瓶中，同时加入11.7μL（3-氨丙基）三乙氧基硅烷和3.5mg对硝基苯酚，搅拌20min。然后将44.8μL正硅酸乙酯和44.8μL氨水加入到上述体系，反应10小时。反应结束后，用水和乙醇洗涤若干次，以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干。用洗脱剂将原始模板分子对硝基苯酚从所得产物中洗脱下来，洗脱三次；除去模板分子后，即得到碳量子点荧光印迹聚合物MIPs-CQDs。

实施例2：

（1）将2g柠檬酸和2g聚乙烯亚胺加入到40mL去离子水中，充分溶解后得到透明溶液。然后将混合溶液转移到体积为50mL水热反应釜中，将反应釜置于烘箱中，升温至200℃，反应8小时后，冷却至室温，即可得到具有高性能荧光性质的氨基碳量子点的分散液。将分散液离心处理，上清液保存，氨基碳量子点溶液。

（2）将100μL氨基碳量子点溶液液、1mL二次蒸馏水与11mL乙醇混合加入到烧瓶中，同时加入70.2μL（3-氨丙基）三乙氧基硅烷和3.5mg对硝基苯酚，搅拌30min。然后将134.4μL正硅酸乙酯和268.8μL氨水加入到上述体系，反应14小时。反应结束后，用水和乙醇洗涤若干次，以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干。用洗脱剂将原始模板分子对硝基苯酚从所得产物中洗脱下来，洗脱三次；除去模板分子后，即得到碳量子点荧光印迹聚合物MIPs-CQDs。

实施例3：

（1）将2g柠檬酸和1.5g聚乙烯亚胺加入到35mL去离子水中，充分溶解后得到透明溶液。然后将混合溶液转移到体积为50mL水热反应釜中，将反应釜置于烘箱中，升温至180℃，反应6小时后，冷却至室温，即可得到具有高性能荧光性质的氨基碳量子点的分散液。将分散液离心处理，上清液保存，氨基碳量子点溶液。

（2）将80μL氨基碳量子点溶液液、1mL二次蒸馏水与9mL乙醇混合加入到烧瓶中，同时加入23.4μL（3-氨丙基）三乙氧基硅烷和3.5mg对硝基苯酚，搅拌25min。然后将112μL正硅酸乙酯和168μL氨水加入到上述体系，反应12小时。反应结束后，用水和乙醇洗涤若干次，以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干。用洗脱剂将原始模板分子对硝基苯酚从所得产物中洗脱下来，洗脱三次；除去模板分子后，即得到碳量子点荧光印迹聚合物MIPs-CQDs。

图1为本发明制备的碳量子点荧光印迹传感器的透射电镜图；图中可反映出碳量子点荧光印迹传感器成功合成，碳量子点被二氧化硅包覆，形成了复合材料。如果是纯硅，会形成尺寸比较大的硅球，正因为有碳量子点作为载体，最终形成了带状的荧光印迹传感器。

制备的碳量子点荧光印迹传感器在对硝基苯酚检测中的应用：

将制备的碳量子点荧光印迹传感器（100mg/L）和待测目标物对硝基苯酚（5mmol/L）分别配制成一定浓度的储备液。取100μL的探针溶液加入到测试管中，并向管内加入对硝基苯酚储备液，配制成对硝基苯酚浓度为0-50μM的标准样品6-10个，测定荧光光谱，随着对硝基苯酚浓度的增加，荧光光谱上荧光发射峰强度逐渐降低，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（2,4-二氯苯酚、2,6-二氯苯酚和2,4,5-三氯苯酚），作为对比物质，参与碳量子点荧光印迹传感器识别性能的研究。

具体的操作过程如下：

试验例1：将本发明得到的碳量子点荧光印迹传感器和碳量子点荧光非印迹传感器分别配置成100mg/L的传感器水溶液，酚类目标物配置成为5mmol/L的乙醇溶液。取100μL的传感器水溶液和0-0.05mL对硝基苯酚的乙醇溶液加入到5mL比色管中，并用水定容，比色管测试液中对硝基苯酚浓度分别为0、2、5、10、20、30、40、50μmol/L，把测试液室温振荡后静置20分钟，检测不同浓度的对硝基苯酚对碳量子点荧光印迹传感器和碳量子点荧光非印迹传感器荧光强度的影响，结果表明，随着对硝基苯酚浓度的增加，荧光光谱上荧光发射峰强度逐渐降低。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，分别得到相关系数为0.9979和0.9968的直线（如图2和图3所示）。结果表明，碳量子点荧光印迹传感器具有很好的光学检测对硝基苯酚的能力。

试验例2：将本发明得到的碳量子点荧光印迹传感器配置成100mg/L的传感器水溶液，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5mmol/L的乙醇溶液。取100μL的传感器水溶液和0.05mL的酚类物质的乙醇溶液加入到5mL比色管中，用水定容，把测试液室温振荡后静置20分钟，然后用荧光分光光度计检测溶液的荧光强度。如图4所示，对硝基苯酚对碳量子点荧光印迹传感器的猝灭量最大，说明碳量子点荧光印迹传感器对模板分子对硝基苯酚具有特异性识别能力。结果表明，本发明制备的碳量子点荧光印迹传感器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

1.一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器，其特征在于，所述传感器是以氨基碳量子点为荧光载体与溶胶凝胶技术相结合制备而成，具有选择性识别对硝基苯酚的能力。

2.一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

（1）将柠檬酸和聚乙烯亚胺加入到水中，充分溶解后得到透明溶液；然后将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜置于烘箱中，升温反应后，冷却至室温，即得到具有高性能荧光性质的氨基碳量子点的分散液；将分散液离心处理，上清液保存，得到氨基碳量子点溶液；

（2）将步骤（1）得到的氨基碳量子点溶液、二次蒸馏水和乙醇混合加入到烧瓶中，同时加入（3-氨丙基）三乙氧基硅烷和对硝基苯酚，搅拌；然后将正硅酸乙酯和氨水加入反应；反应结束后，用水和乙醇洗涤以除去未反应完的物质，产物在真空烘箱内烘干；用洗脱剂将原始模板分子对硝基苯酚从所得产物中洗脱下来；除去模板分子后，即得到量子点荧光印迹聚合物MIPs-CQDs。

3.根据权利要求2所述的一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的柠檬酸和聚乙烯亚胺的质量比为2：1-2；所述的水为二次去离子水，与柠檬酸的体积质量比为30-40mL:2g。

4.根据权利要求2所述的一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的升温反应温度为160-200℃，反应时间为4-8小时。

5.根据权利要求2所述的一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的氨基碳量子点溶液、二次蒸馏水和乙醇的体积比为0.05-0.1：1：7-11。

6.根据权利要求2所述的一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的对硝基苯酚与氨基碳量子点溶液的比例为0.025mmol：50-100μL；所述对硝基苯酚、（3-氨丙基）三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯的摩尔比为1:2-12:8-24；氨水与正硅酸乙酯的体积比为1:1-2。

7.根据权利要求2所述的一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述搅拌时间为20-30min；所述将正硅酸乙酯和氨水加入反应时间为10-14小时。

8.根据权利要求2所述的一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的洗脱剂为水和乙醇的混合液，其中水和乙醇的体积比为1:1。

9.一种氨基碳量子点荧光硅基印迹传感器在快速识别和光学检测对硝基苯酚中的应用。