CN105842209A - 一种快速现场检测水中氟离子的纸质传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速现场检测水中氟离子的纸质传感器及其制备方法，其特征在于：纸质传感器是以滤膜为基底、在所述滤膜上打印有均匀分布的荧光纳米探针的膜基传感器；荧光纳米探针是根据共振能量转移作用，使发光氧化石墨烯和银纳米粒子通过表面功能化修饰以硼酸酯键的形式发生特异性结合，从而形成荧光纳米探针；F^‑离子可以破坏硼酸酯键这种特异性结合，使得银纳米粒子远离发光氧化石墨烯，探针体系荧光恢复，实现F^‑离子的检测。本发明的纸质传感器针对现有技术不足，能够实现对环境水体中氟离子的现场快速可视化检测，制备方法操作简单、成本低，在一般化学实验室均能完成，易于推广，在环境检测与保护等诸多领域有广阔的应用前景。

Description

一种快速现场检测水中氟离子的纸质传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种荧光纸质传感器，具体地说是一种快速现场检测水中氟离子的纸质传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，全世界仍有很多人饮用高氟水，地方性氟中毒事件逐渐引起世界各国的注意。氟的污染主要体现为高氟水，高氟水的成因主要有天然和人为两种因素。天然因素是由于氟化物易溶于水，其在水中形成氟离子，所以经地下水侵蚀后溶出，造成地表水及地下水的氟污染，同时氟离子也是大气降水中的主要阴离子之一。人为因素是在现代工业发展中，化工原料的生产加工、电子、电镀、玻璃工业、冶炼工业等行业排放的废水中富含有高浓度的氟离子也造成严重的环境污染。我国氟地下水分布较为广泛，是氟中毒较为严重的国家之一。氟中毒严重危害着人们的健康，研究氟的检测方法对氟污染和科学实验都有着切实的实用价值，氟离子的检测也受到人们的广泛关注。氟离子的检测方法繁多，常用的检测方法主要有氟离子选择电极法、离子色谱法、氟试剂比色法、荧光毛细管电泳法等。这些方法需要大型科学仪器辅助、样本处理过程繁琐复杂，检测成本高，并且有的会引起环境二次污染，大大限制了在实时现场检测和日常生活中的应用。

Binglin Sui(Sui,B.；Kim,B.；Zhang,Y.；Frazer,A.；Belfield,K.D.ACS Appl.Mater.Interfaces 2013,5,2920-2923.)等人发展了一种可视化检测氟离子的方法。他们利用氟离子诱导C-H键去质子化的原理设计合成了一个分子探针，氟离子诱导分子探针上C-H键去质子化后，分子探针荧光被打开。但是这种方法需要复杂的合成工序，且检测灵敏度不高。Mei Xue(Xue,M.；Wang,X.；Wang,H.；Chen,D.；Tang,B.Chem Commun(Camb)2011,47,4986-4988.)等人利用氟离子能破坏分子间氢键的原理设计了荧光探针，修饰了巯基乙酸的CdTe量子点与Au纳米粒子在特定的条件下形成氢键，由于共振能量转移，CdTe量子点的荧光淬灭，加入氟离子，氢键破坏，荧光恢复。这种方法较为简单，但是，氢键的形成需要特定的条件，且不稳定性大大限制了可视化途径的实现。因此，实时在线的可视化检测的实现仍然面临很大的挑战。

氧化石墨烯(GO)，作为新兴材料石墨烯的水溶性衍生物，近来被广泛地研究。氧化石墨烯可以在温和的反应条件下通过氧化剥离石墨片而很容易得到，同时，氧化石墨烯具有发光的必备结构条件，即离域的多芳环结构。发光的氧化石墨烯可以通过修饰酰胺基获得，作为碳基发光纳米材料，发光的氧化石墨烯相比于量子点具有更加稳定的发射性质，无光漂白现象，低的环境污染等优点。这些特性可以用于设计可视化的荧光化学传感器。目前，发光的氧化石墨烯在氟离子的可视化检测方面还未见报道。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，旨在提供一种实时可视化的快速现场检测水中氟离子的荧光纸质传感器，所要解决的技术问题是利用发光的氧化石墨烯的荧光性质构建纸质传感器，实现可视化检测水中氟离子。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明快速现场检测水中氟离子的纸质传感器，其结构特点在于：所述纸质传感器是以滤膜为基底、在所述滤膜上打印有均匀分布的荧光纳米探针的膜基传感器；所述的荧光纳米探针是根据共振能量转移作用(FRET)，使发光氧化石墨烯和银纳米粒子(AgNPs)通过表面功能化修饰以硼酸酯键的形式发生特异性结合，从而形成荧光纳米探针；F-离子可以破坏硼酸酯键这种特异性结合，使得AgNPs远离发光氧化石墨烯，探针体系荧光恢复，实现F^-离子的检测。这是一种适用于水溶液的荧光增强型的纳米探针。

本发明所述的发光氧化石墨烯是先通过酰氯化氧化石墨烯边缘的羧酸基团，然后在加热条件下与甘氨酸反应生成酰胺，从而合成出的发蓝光的发光氧化石墨烯。发光氧化石墨烯纳米片具有大的表面积并且只有几个纳米的厚度，这些性质使得发光氧化石墨烯容易组装到纸质衬底上。另外发光氧化石墨烯具有非常好的光稳定性，在紫外灯的照射下不发生光漂白，使其具备了构建可视化试纸传感器另一个必不可少的条件。在此基础上，本发明设计了可视化检测F^-的纸质传感器。

本发明纸质传感器中所用的滤膜是聚偏氟乙烯滤膜，此滤膜本身没有内源性荧光并且发光的氧化石墨烯能固定在滤膜上，不会发生脱落。

本发明的纸质传感器是根据上述的荧光探针的原理进行设计和制备的，其制备的主要步骤如下：

步骤一、发光氧化石墨烯的制备：

首先通过预氧化-Hummers法制备氧化石墨烯，然后加二氯亚砜，氮气保护下加热回流反应36～48小时；然后离心去掉未反应的二氯亚砜，用无水四氢呋喃洗涤，获得酰氯化后的氧化石墨烯；

将酰氯化后的氧化石墨烯加入反应容器中，通氮气保护，加入甘氨酸和DMF，加热反应72小时后，移去热源，冷却至室温；将所得产物加入溶剂中，提取出反应后的氧化石墨烯，过滤，旋转蒸发掉未反应的甘氨酸，即得到甘氨酸修饰的发光氧化石墨烯GO-glycine；

其中，通过预氧化-Hummers法制备氧化石墨烯的步骤是：

(1)用浓硫酸、K₂S₂O₈和P₂O₅预处理石墨片，反应后产物用水稀释，过滤，洗涤，然后放入真空烘箱干燥，获得预处理石墨；将预处理石墨用浓硫酸和KMnO₄进一步氧化，然后加入水反应，最后加H₂O₂终止反应，得到的产物离心，并用去离子水和10％的HCl溶液洗涤，最后放入真空烘箱干燥，获得氧化石墨；

(2)取氧化石墨，加无水DMF，经过超声剥离得到氧化石墨烯。

步骤二、银纳米粒子的制备：

将硝酸银溶解在超纯水中，加热至沸腾，快速注入质量浓度为1％的柠檬酸钠溶液，然后加热回流1个小时，溶液呈浅墨绿色；回流1小时后停止加热并继续搅拌半小时，放置过夜，所得银纳米粒子在避光情况下保存。

步骤三、发光氧化石墨烯的表面功能化修饰：

将步骤一所得甘氨酸修饰的发光氧化石墨烯溶解在浓度为10mM的PBS缓冲液(PH＝7.4)中，再加入NHS和EDC，在室温下温和搅拌30min；最后加入3-氨基-1,2-丙二醇，避光条件下搅拌12h，将得到的产物进行透析，除去未反应的3-氨基-1,2-丙二醇，即完成发光氧化石墨烯的表面功能化修饰，获得3-氨基-1,2-丙二醇修饰的发光氧化石墨烯溶液；

步骤四、银纳米粒子的表面功能化修饰：

配制0.01mg/mL巯基苯硼酸(MPBA)水溶液，将MPBA水溶液加入到步骤二制备的银纳米粒子中，在黑暗中搅拌24h；将得到的产物进行离心(5,000rpm,20min)，除去未反应的MPBA，离心后将产物重新分散在超纯水中，即完成银纳米粒子的表面功能化修饰，获得巯基苯硼酸修饰的银纳米粒子溶液；

步骤五、纸质传感器的制备

将步骤三制备的3-氨基-1,2-丙二醇修饰的发光氧化石墨烯溶液打印到滤膜上，然后再在步骤四制备的巯基苯硼酸修饰的银纳米粒子溶液中浸泡10分钟，即获得快速现场检测水中氟离子的纸质传感器。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明所合成的发光氧化石墨烯与传统荧光半导体量子点相比较，发光性质更加稳定，无光漂白性，且无毒性，充分满足构建可视化纸质传感器的条件；

2、本发明制备的纸质传感器是基于便于携带和操作的试纸形式设计的，便于实时在线的现场可视化检测水中的F^-；

3、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；

4、本发明制备的试纸传感器被成功用于可视化超灵敏检测水中的F^-，能够可视化检测到水中10^-7M的F^-。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是发光氧化石墨烯与氧化石墨烯的荧光光谱图和紫外吸收光谱图；

图3是3-氨基-1,2-丙二醇修饰的GO-glycine溶液中加入MPBA-AgNPs后的荧光淬灭光谱图；

图4是纳米荧光探针中加入不同浓度的F^-溶液后的荧光恢复图；

图5是纳米荧光探针检测F^-的可视化照片；

图6是纳米荧光探针检测其他离子的选择性柱状图；

图7是纳米荧光探针检测其他离子的选择性荧光光谱图；

图8是荧光纸质传感器检测F^-的可视化照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例来对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1、纸质传感器的制备

本实施例的纸质传感器是以滤膜为基底、在滤膜上打印有均匀分布的荧光纳米探针的膜基传感器；如图1所示，荧光纳米探针是根据共振能量转移作用，使发光氧化石墨烯和银纳米粒子通过表面功能化修饰以硼酸酯键的形式发生特异性结合，从而形成荧光纳米探针；F^-离子可以破坏硼酸酯键这种特异性结合，使得银纳米粒子远离发光氧化石墨烯，探针体系荧光恢复，实现F^-离子的检测。

本实施例纸质传感器的制备方法如下：

步骤一、发光氧化石墨烯的制备：

(1)将30mL浓硫酸加热到90℃，加入1g K₂S₂O₈、1g P₂O₅和0.6g石墨片反应4.5h，反应后产物加200mL去离子水稀释，过滤、洗涤，然后放入真空烘箱干燥，获得预处理石墨。取0.1g干燥后的预处理石墨加入25mL浓硫酸和1g KMnO_4,，35℃反应2h，然后加入40mL水95℃反应0.5h，最后加入3mL H₂O₂终止反应，得到的产物离心，并用去离子水和10％的HCl溶液各洗涤五次，最后得到的固体氧化石墨放入真空烘箱干燥；

(2)取20mg干燥后的氧化石墨，加5mL无水DMF，经过超声30min剥离得到氧化石墨烯，然后加20mL二氯亚砜，80℃、氮气保护下回流48个小时。离心去掉未反应的二氯亚砜，用无水四氢呋喃洗涤两次，获得酰氯化后的氧化石墨烯(GO)，放入真空烘箱干燥；

(3)将酰氯化后的氧化石墨烯加入反应容器中，通氮气保护，加入20mg甘氨酸和2mLDMF，在60℃的加热条件下反应72小时后，移去热源，冷却至室温；

(4)将(3)得到的产物加入乙醇中，提取出反应后的氧化石墨烯，过滤，旋转蒸发掉未反应的甘氨酸，即得到甘氨酸修饰的发光氧化石墨烯(GO-glycine)。发光氧化石墨烯(GO-glycine)与氧化石墨烯(GO)的荧光光谱图和紫外吸收光谱图见图2。

步骤二、银纳米粒子的制备：

(1)将100mg硝酸银溶解在250mL超纯水中，加热至沸腾；

(2)快速注入10mL质量浓度为1％的柠檬酸钠溶液，100℃加热回流1个小时后，溶液呈浅墨绿色；

(3)停止加热，继续搅拌半小时，放置过夜，所得银纳米粒子在避光情况下保存。

步骤三、发光氧化石墨烯的表面功能化修饰：

(1)将10mg GO-glycine溶解在10mL浓度为10mM的PBS缓冲液(PH＝7.4)中；

(2)将10mg的NHS和20mg的EDC加入到上述溶液中，在室温下温和搅拌30min；

(3)将1.5mg 3-氨基-1,2-丙二醇加入到上述溶液中，避光条件下搅拌12h；

(4)将(3)得到的产物进行透析，除去未反应的3-氨基-1,2-丙二醇，即完成发光氧化石墨烯的表面功能化修饰，获得3-氨基-1,2-丙二醇修饰的发光氧化石墨烯溶液；

步骤四、银纳米粒子的表面功能化修饰

(1)配制0.01mg/mL巯基苯硼酸(MPBA)水溶液；

(2)将500μL MPBA水溶液加入到10mL步骤二制备的银纳米粒子中，在黑暗中搅拌24h；

(3)将(2)得到的产物进行离心(5,000rpm,20min)，除去未反应的MPBA，离心后将产物重新分散在超纯水中，即完成银纳米粒子的表面功能化修饰，获得巯基苯硼酸修饰的银纳米粒子(MPBA-AgNPs)溶液；

步骤五、纸质传感器的制备

将步骤三制备的3-氨基-1,2-丙二醇修饰的发光氧化石墨烯溶液打印到滤膜上，然后再在步骤四制备的巯基苯硼酸修饰的银纳米粒子溶液中浸泡10分钟，即获得快速现场检测水中氟离子的纸质传感器。

实施例2、用纳米荧光传感器检测F^-

(1)将300μL实施例1步骤四制备的MPBA-AgNPs溶液逐滴滴加到1mL实施例1步骤三制备的3-氨基-1,2-丙二醇修饰的GO-glycine溶液(1.0mg/mL)中，滴加1h，获得纳米荧光探针溶液。由于共振能量转移作用，3-氨基-1,2丙二醇修饰的GO-glycine被MPBA-AgNPs猝灭了极大部分。本实施例测下了当逐渐增加MPBA-AgNPs的浓度时的3-氨基-1,2丙二醇修饰的GO-glycine溶液的荧光强度。在3-氨基-1,2-丙二醇修饰的GO-glycine溶液中加入MPBA-AgNPs后的荧光淬灭光谱图见图3。从图中可以看出当加入0.129nM的MPBA-AgNPs后，3-氨基-1,2丙二醇修饰的GO-glycine的荧光大约猝灭了95％，并达到平衡，3-氨基-1,2丙二醇修饰的GO-glycine在紫外灯下亮蓝色的荧光也逐渐消失。

(2)将100μL 0.10M PBS缓冲液(pH＝7.4)加入到探针溶液中(对应MPBA-AgNPs的浓度为0.129nM)；

(3)在室温和振荡的条件下分别加入不同浓度的F^-(fluoride ion)溶液，反应30min；

(4)用荧光检测仪测量探针的荧光，在纳米荧光探针中加入不同浓度(0.05nM、0.10nM、0.15nM、0.20nM、0.25nM、0.30nM、0.35nM、0.40nM、0.45nM、0.50nM、0.55nM)的F^-溶液后的荧光恢复图见图4，从图中可以看出，当加入0.05nM的氟离子以后，纳米荧光探针的荧光开始慢慢的恢复，当浓度增大到0.55nM时，荧光恢复到最大，增强倍数能达到猝灭后荧光的约6.5倍。

可视化照片见图5。从照片可以很清楚的看到在氟离子的作用下荧光探针的荧光变化。这表明了只需要一个紫外灯作为激发光源，不需要复杂的仪器检测，就可以可视化的检测氟离子。

实施例3、选择性实验

(1)将300μL实施例1步骤四制备的MPBA-AgNPs溶液(浓度为0.129nM)逐滴滴加到1mL实施例1步骤三制备的3-氨基-1,2-丙二醇修饰的GO-glycine溶液(1.0mg/mL)中，滴加1h，获得纳米荧光探针溶液。将100μL、0.10M PBS缓冲液(pH＝7.4)加入到探针溶液中。

(2)在室温和振荡的条件下分别加入0.55nM的Cl^-,Br^-,I^-,HCO₃ ^-,CH₃COO^-,CO₃ ^2-,HPO₄ ^2-,NO₃ ^-和SO₄ ^2-溶液，反应30min；

(3)用荧光检测仪测量探针的荧光，选择性结果见图6、图7。从图中可以看出在所有实验的阴离子中，只有氟离子能大幅度的恢复纳米荧光探针的荧光，而其他阴离子对纳米荧光探针几乎没有影响。因此，纳米荧光探针对氟离子有极高的选择性。

实施例4、用荧光纸质传感器检测F^-

(1)将商用的墨盒用超纯水完全洗净；

(2)用注射器将实施例1步骤三制备的3-氨基-1,2-丙二醇修饰的GO-glycine溶液(2mL,1.0mg/mL)注入到墨盒中；

(4)将墨盒安装在打印机中，连上电脑，在聚偏氟乙烯滤膜上打印出“Fluoride ion”的字样，将滤膜在室温下晾干。将滤膜在350nm波长的紫外灯的照射下字体发蓝光；

(4)将滤膜浸入10mL实施例1步骤四制备的MPBA-AgNPs溶液中十分钟，取出，用超纯水冲洗，晾干，将滤膜在350nm波长的紫外灯的照射下字体蓝光消失；

(5)将滤膜浸入不同浓度的F^-溶液中十分钟，取出，用超纯水冲洗，晾干，将滤膜在350nm波长的紫外灯的照射，观察字体荧光恢复情况，用荧光纸质传感器检测F^-的可视化照片见图8。从图中可以看出当0.1μM的氟离子被添加后，字符“Fluoride ion”的荧光可以被清晰地看清，随着浓度逐渐加大，字符荧光强度也逐渐变大，当浓度增大到1mM时，字符的荧光基本上完全恢复了。

Claims (4)

1.一种快速现场检测水中氟离子的纸质传感器，其特征在于：所述纸质传感器是以滤膜为基底、在所述滤膜上打印有均匀分布的荧光纳米探针的膜基传感器；所述的荧光纳米探针是根据共振能量转移作用，使发光氧化石墨烯和银纳米粒子通过表面功能化修饰以硼酸酯键的形式发生特异性结合，从而形成荧光纳米探针；F^-离子通过破坏硼酸酯键这种特异性结合，使得银纳米粒子远离发光氧化石墨烯，探针体系荧光恢复，实现F^-离子的检测。

2.根据权利要求1所述的纸质传感器，其特征在于：所述的发光氧化石墨烯是先通过酰氯化氧化石墨烯边缘的羧酸基团，然后在加热条件下与甘氨酸反应生成酰胺，从而合成出的发蓝光的发光氧化石墨烯。

3.根据权利要求1所述的纸质传感器，其特征在于：所述的滤膜是聚偏氟乙烯滤膜。

4.如权利要求1所述的纸质传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、发光氧化石墨烯的制备：

首先通过预氧化-Hummers法制备氧化石墨烯，再加二氯亚砜，氮气保护下加热回流反应36～48小时；然后离心去掉未反应的二氯亚砜，用无水四氢呋喃洗涤，获得酰氯化后的氧化石墨烯；

将酰氯化后的氧化石墨烯加入反应容器中，通氮气保护，加入甘氨酸和DMF，加热反应72小时后，移去热源，冷却至室温；将所得产物加入溶剂中，提取出反应后的氧化石墨烯，过滤，旋转蒸发掉未反应的甘氨酸，即得到甘氨酸修饰的发光氧化石墨烯；

步骤二、银纳米粒子的制备：

将硝酸银溶解在超纯水中，加热至沸腾，快速注入质量浓度为1％的柠檬酸钠溶液，然后加热回流1个小时，停止加热并继续搅拌半小时，放置过夜，所得银纳米粒子在避光情况下保存；

步骤三、发光氧化石墨烯的表面功能化修饰：

将步骤一所得甘氨酸修饰的发光氧化石墨烯溶解在浓度为10mM、PH＝7.4的PBS缓冲液中，再加入NHS和EDC，在室温下温和搅拌30min；最后加入3-氨基-1,2-丙二醇，避光条件下搅拌12h，将得到的产物进行透析，除去未反应的3-氨基-1,2-丙二醇，即完成发光氧化石墨烯的表面功能化修饰，获得3-氨基-1,2-丙二醇修饰的发光氧化石墨烯溶液；

步骤四、银纳米粒子的表面功能化修饰：

配制0.01mg/mL巯基苯硼酸水溶液，将所述巯基苯硼酸水溶液加入到步骤二制备的银纳米粒子中，在黑暗中搅拌24h；将得到的产物进行离心，除去未反应的巯基苯硼酸，离心后将产物重新分散在超纯水中，即完成银纳米粒子的表面功能化修饰，获得巯基苯硼酸修饰的银纳米粒子溶液；

步骤五、纸质传感器的制备

将步骤三制备的3-氨基-1,2-丙二醇修饰的发光氧化石墨烯溶液打印到滤膜上，然后再在步骤四制备的巯基苯硼酸修饰的银纳米粒子溶液中浸泡10分钟，即获得快速现场检测水中氟离子的纸质传感器。