CN106432117B - 一种功能性纳米铈配合物的制备方法和应用 - Google Patents

一种功能性纳米铈配合物的制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米铈配合物的制备及其在电化学手性传感检测对映体的技术方法，属于纳米材料与手性电化学技术领域。以硝酸铈、配体、溶剂和碱性水溶液为原料，采用溶胶凝胶法，制得粒径为30‑50nm纳米铈配合物，以此制备纳米铈配合物手性传感器工作电极和电化学手性传感器，检测D‑（+）‑色氨酸和L‑（‑）色氨酸对映体的含量。本发明的有益效果为：纳米铈配合物的制备方法简便，能耗低；基于该材料制备手性传感器，方法简单、易操作；对D‑（+）‑色氨酸和L‑（‑）色氨酸手性对映体含量的检测，快速响应、选择性好。

Description

一种功能性纳米铈配合物的制备方法和应用
技术领域
本发明一种纳米铈配合物的制备方法和应用，属于纳米功能材料、金属有机复合材料与手性传感检测技术领域。
背景技术
纳米金属-有机配合物是目前材料科学、化工、传感识别领域中的一个研究热点，该材料在催化、吸附、分离、薄膜、传感、识别、质子传导、药物缓释等多领域，显现出其他传统材料不能比拟的多功能性。
溶剂热法是制备金属-有机配合物晶体最普遍采用的方法。具体做法是将金属盐、有机配体和水或其它溶剂密封在内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜内，当加热到一定温度(80-300℃)，釜内压力达到几百个大气压，反应物在该超临界状态下溶解反应，维持一段时间后，当缓慢降温时，生成规则的金属-有机配合物晶体。但由于制备时间较长，并需要高温高压步骤，对生产设备以及高能耗的挑战性等，阻碍了该法在工业生产中的应用。
手性是自然界的一种普遍现象，如糖类、氨基酸、蛋白质和DNA均为手性分子。手性对映体除旋光性不同以外，其他的物理-化学性质均无区别，然而，手性对映体进入体内，其生理作用将由体内的大分子，如手性受体、酶、载体等之间严格的手性匹配和识别而实现，在许多情况下，手性对映体在生命体内的活性、代谢过程、代谢速率及毒性等均存在显著的差异。手性对映体在生物体内显著差异的行为主要表现在:①两个对映体中可能只有一种对映体有生理活性，而另一种则无显著的生理活性；②手性对映体的两种构型的生理活性不同；③对映体的一种构型主要具有生理活性，而另一种却产生严重的副作用；④两个对映体具有相同或相近的生理活性。
氨基酸是构成生物功能大分子蛋白质的基本单元，因此，关于手性氨基酸对映体的分离分析，对生命科学、药物化学、人类健康具有十分重要的作用。L-色氨酸作为人类和动物体内必需的氨基酸之一，不能通过自身合成，但在生物体内起到促进胃液和胰液的产生。D-色氨酸在人体内几乎不发生代谢作用，且无毒性,但在医药行业中是抗癌剂和免疫抑制剂的重要合成前体。所以，建立色氨酸对映体的识别分析方法，显得十分迫切且尤为重要。
目前，手性识别的方法主要包括手性色谱和光谱法。其中手性色谱方法已经被广泛用于分离分析手性化合物，但该法仪器成本高、分析时间长、操作繁琐，技术要求高，并难以实现原位和在线检测等。采用电化学技术手性检测对映体及其含量，发挥电化学检测制备简单、成本低、识别效率高等优点，具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的技术任务之一是为了弥补现有技术的不足，提供一种非手性纳米铈配合物的制备方法，该方法所用原料成本低，制备工艺简单，反应能耗低，具有工业应用前景。
本发明的技术任务之二是提供该非手性纳米铈配合物的用途，即将该配合物用于高效检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体的含量，该手性检测仪器成本低、分析效率高、操作方便，操作技术要求低。
本发明的技术方案如下：
1.一种功能性纳米铈配合物的制备方法，制备步骤如下：
将40-50mg Ce(NO3)3·6H2O、7-13mg的配体H3L与250-800uL的N-甲基吡咯烷酮NMP共混，室温超声制得澄清的溶液，在10-30s滴加0.10-0.15mL、2mol/L的KOH水溶液，并振摇共混，制得CeL凝胶，该凝胶倒置仍无流动性；将CeL凝胶洗涤后，得到的固体粉末于40-50℃干燥过夜，制得功能性纳米铈配合物CeL，产率为65-73％；
(1)所述H3L，构造式如下：
(2)所述H3L，制备步骤如下：
向13-15mmol的4-氨基苯甲酸中，在搅拌条件下，依次加入20mL、含15-17mmol氢氧化钠的水溶液和5mL、含3mmol三聚氰氯的二氧六环溶液，加热回流10-12h，用盐酸调pH为2-3，减压抽滤，将滤出的固体用水洗涤三次，制得H3L，产率为85-88％；
(3)所述L，构造式如下：
(4)所述将CeL凝胶洗涤，步骤如下：
将CeL凝胶和4-10mL乙醇共混成均匀的混合液后离心分离，得到的固体粉末再分别用4-10mL乙醇洗涤2次；
(5)所述纳米多氮铈配合物，属3D多孔金属有机框架物，其化学式为{[Ce3L(H2O)6](NO3)6(NMP)17(H2O)5}；
所述功能性纳米铈配合物，由粒径为30-50nm的纳米晶组成。
2.如上所述的制备方法制备的功能性纳米铈配合物，用于手性检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体的含量；步骤如下：
(1)在基底电极为玻碳电极的表面修饰纳米铈配合物，制备纳米铈配合物手性传感器工作电极；
所述表面修饰纳米铈配合物，是在氧化铝粉末已抛光的玻碳电极表面滴涂6uL的纳米铈配合物溶液，室温晾干即可；
所述纳米铈配合物溶液，是将4mg的纳米铈配合物与250uL异丙醇、750uL水、30μLNafion共混超声15min制得；
(2)制备纳米铈配合物电化学手性传感器，检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸的含量；所述制备电化学手性传感器，是将参比电极、对电极和上述步骤(1)制备的工作电极连接在电化学工作站上，形成基于纳米铈配合物的电化学手性传感器，所述参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂丝电极；
所述检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体的含量，是以pH 5含0.1mol·L-1的KCl作为支持电解质的PBS缓冲溶液作为底液，采用差分脉冲伏安法，分别测定不同浓度的D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸标准溶液的电流值，绘制基于纳米铈配合物传感器的D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体工作曲线；将待测样品溶液代替D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸标准溶液进行手性检测。
本发明的有益的技术效果：
(1)纳米铈配合物的制备方法简便，能耗低
金属有机配合物的制备通常采用溶剂热法，该方法是将金属盐、有机配体和水或其它溶剂密封在内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，加热到一定温度(80-300℃)，因釜内压力可达到几百个大气压，导致许多化合物在超临界状态下溶解反应，维持一段时间后，缓慢降温，导致生成的化合物结晶得到大小合适的规则性的晶体。其局限性在于制备时间较长，并需要高温高压步骤，对生产设备以及高能耗的挑战性等阻碍了该法在工业生产中的应用。本发明采用凝胶方法，仅通过原料共混，利用普通溶剂溶解度的差别，一步法、几分钟制得了纳米多氮铈配合物，过程简单，易于工业化。
(2)本发明提供了一种基于纳米铈配合物的电化学手性传感器，该传感器是将纳米铈配合物修饰在玻碳电极表面制得，制备方法简单、易操作。特别要指出的是该纳米铈配合物，并非手性材料，但因该材料纳米尺寸和分子中多氮原子的活性位点以及金属有机框架中多孔等的协同作用，使得该材料修饰的传感器成功检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸手性对映体的含量，并且具有快速响应、选择性好、灵敏度高等特点；该检测操作简单、省时。实验表明，该手性传感器对D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸的检测范围为0.01-1.0×10- 11g/mL。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围不仅局限于实施例，该领域专业人员对本发明技术方案所作的改变，均应属于本发明的保护范围内。
实施例1制备H3L配体
向13mmol的4-氨基苯甲酸中，在搅拌条件下，依次加入20mL、含15mmol氢氧化钠的水溶液和5mL、含3mmol三聚氰氯的二氧六环溶液，加热回流10h，用盐酸调pH为2-3，减压抽滤，将滤出的固体用水洗涤三次，制得H3L，产率为85％。
实施例2制备H3L配体
向15mmol的4-氨基苯甲酸中，在搅拌条件下，依次加入20mL、含17mmol氢氧化钠的水溶液和5mL、含3mmol三聚氰氯的二氧六环溶液，加热回流12h，用盐酸调pH为2-3，减压抽滤，将滤出的固体用水洗涤三次，制得H3L，产率为88％。
实施例3制备H3L配体
向14mmol的4-氨基苯甲酸中，在搅拌条件下，依次加入20mL、含16mmol氢氧化钠的水溶液和5mL、含3mmol三聚氰氯的二氧六环溶液，加热回流11h，用盐酸调pH为2-3，减压抽滤，将滤出的固体用水洗涤三次，制得H3L，产率为86％。
实施例4
将实施例1-3制得的H3L配体，经1HNMR和12CNMR检测，其构造式如下：
实施例5制备纳米铈配合物
将40mg Ce(NO3)3·6H2O、7mg的配体H3L与250uL的N-甲基吡咯烷酮NMP共混，室温超声制得澄清的溶液，在10s滴加0.10mL、2mol/L的KOH水溶液，并振摇共混，制得CeL凝胶，该凝胶倒置仍无流动性；将CeL凝胶和4mL乙醇共混成均匀的混合液后离心分离，得到的固体粉末再分别用4mL乙醇洗涤2次，得到的固体粉末于40-50℃干燥过夜，制得粒径为30-50nm纳米晶组成的功能性纳米铈配合物CeL，产率为65％；
所述纳米多氮铈配合物，属3D多孔金属有机框架物，其化学式为{[Ce3L(H2O)6](NO3)6(NMP)17(H2O)5}；
实施例6制备纳米铈配合物
将50mg Ce(NO3)3·6H2O、13mg的配体H3L与800uL的N-甲基吡咯烷酮NMP共混，室温超声制得澄清的溶液，在30s滴加0.15mL、2mol/L的KOH水溶液，并振摇共混，制得CeL凝胶，该凝胶倒置仍无流动性；将CeL凝胶和10mL乙醇共混成均匀的混合液后离心分离，得到的固体粉末再分别用10mL乙醇洗涤2次，得到的固体粉末于40-50℃干燥过夜，制得粒径为30-50nm纳米晶组成的功能性纳米铈配合物CeL，产率为65-73％；
所述纳米多氮铈配合物，属3D多孔金属有机框架物，其化学式为{[Ce3L(H2O)6](NO3)6(NMP)17(H2O)5}；
实施例7制备纳米铈配合物
将45mg Ce(NO3)3·6H2O、10mg的配体H3L与550uL的N-甲基吡咯烷酮NMP共混，室温超声制得澄清的溶液，在20s滴加0.125uL、2mol/L的KOH水溶液，并振摇共混，制得CeL凝胶，该凝胶倒置仍无流动性；将CeL凝胶和12mL乙醇共混成均匀的混合液后离心分离，得到的固体粉末再分别用7mL乙醇洗涤2次，得到的固体粉末于40-50℃干燥过夜，制得粒径为30-50nm纳米晶组成的功能性纳米铈配合物CeL，产率为69％；
所述纳米多氮铈配合物，属3D多孔金属有机框架物，其化学式为{[Ce3L(H2O)6](NO3)6(NMP)17(H2O)5}。
实施例8手性检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体的含量
(1)在基底电极为玻碳电极的表面修饰实施例5或实施例6或实施例7制备纳米铈配合物，制备纳米铈配合物手性传感器工作电极；其步骤是：在氧化铝粉末已抛光的玻碳电极表面滴涂6uL、的纳米铈配合物溶液，室温晾干即可；
纳米铈配合物溶液是将4mg的纳米铈配合物与250uL异丙醇、750uL水、30μLNafion共混超声15min制得；
(2)将参比电极、对电极和上述步骤(1)制备的工作电极连接在电化学工作站上，形成基于纳米铈配合物的电化学手性传感器，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂丝电极；
(3)检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸的含量
以pH 5含0.1mol·L-1的KCl作为支持电解质的PBS缓冲溶液作为底液，采用差分脉冲伏安法，分别测定不同浓度的D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸标准溶液的电流值，绘制基于纳米铈配合物传感器的D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体工作曲线；将待测样品溶液代替D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸标准溶液，进行手性检测；测定结果表明，D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸的检测范围为0.01-1.0×10-11g/mL。

Claims (4)

1.一种功能性纳米铈配合物的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
将40-50mg Ce(NO3)3·6H2O、7-13mg的配体H3L与250-800uL的NMP共混，室温超声制得澄清的溶液，在10-30s滴加100-150uL、2mol/L的KOH水溶液，振摇共混，制得CeL凝胶，该凝胶倒置无流动性；将CeL凝胶洗涤后，将得到的固体粉末于40-50℃干燥过夜，制得功能性纳米铈配合物CeL，产率为65-73％；
所述H3L，构造式如下：
所述H3L，制备步骤如下：
向13-15mmol的4-氨基苯甲酸中，在搅拌条件下，依次加入20mL、含15-17mmol氢氧化钠的水溶液和5mL、含3mmol三聚氰氯的二氧六环溶液，加热回流10-12h，用盐酸调pH为2-3，减压抽滤，将滤出的固体用水洗涤三次，制得H3L，产率为85-88％；
所述L，构造式如下：
所述将CeL凝胶洗涤，步骤如下：
将CeL凝胶和4-10mL乙醇共混成均匀的混合液后离心分离，得到的固体粉末再分别用4-10mL乙醇洗涤2次；
所述纳米铈配合物，属3D多孔金属有机框架物，其化学式为{[Ce3L(H2O)6](NO3)6(NMP)17(H2O)5}。
2.如权利要求1所述的一种功能性纳米铈配合物的制备方法，其特征在于，所述功能性纳米铈配合物，由粒径为30-50nm的纳米晶组成。
3.如权利要求1所述的制备方法制备的功能性纳米铈配合物用于手性检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体的含量的用途。
4.如权利要求3所述的手性检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体的含量的用途，其特征在于，步骤如下：
(1)在基底电极为玻碳电极的表面修饰纳米铈配合物，制备纳米铈配合物手性传感器工作电极；
所述表面修饰纳米铈配合物，是在氧化铝粉末已抛光的玻碳电极表面滴涂6uL的纳米铈配合物溶液，室温晾干即可；
所述纳米铈配合物溶液，是将4mg的纳米铈配合物与250uL异丙醇、750uL水、30μLNafion共混超声15min制得；
(2)制备纳米铈配合物电化学手性传感器，检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸的含量；
所述制备电化学手性传感器，是将参比电极、对电极和上述步骤(1)制备的工作电极连接在电化学工作站上，形成基于纳米铈配合物的电化学手性传感器，所述参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂丝电极；
所述检测D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体的含量，是以pH 5含0.1mol·L-1的KCl作为支持电解质的PBS缓冲溶液作为底液，采用差分脉冲伏安法，分别测定不同浓度的D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸标准溶液的电流值，绘制基于纳米铈配合物传感器的D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸对映体工作曲线；将待测样品溶液代替D-(+)-色氨酸和L-(-)色氨酸标准溶液，进行样品的手性检测。
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肺与一色氨酸荧光反应的应用`;拍念琴，等;《理化检验一化学分册》;19941231;第30卷(第4期);第239-240页

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