CN106802295B - 一种对痕量tnt检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法 - Google Patents

Abstract

一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，所述荧光探针的制备过程包括如下三个步骤：首先，用HClO₄氧化石墨制得氧化石墨烯，其次，用缓冲溶液调节pH值，用强还原剂将上述制得的氧化石墨烯还原为石墨烯，最后，还原的石墨烯置于聚四氟乙烯反应釜中的有机溶剂里，密闭，升温至120℃，反应2h，进一步处理，制备出对TNT具有选择性、灵敏性探测的石墨烯量子点荧光探针，荧光探针表面富电子与TNT目标分析物分子上3个缺电子硝基基团在空间上相互接近时，能够相互作用，发生荧光共振能量转移，石墨烯量子点荧光探针的荧光被目标分析物TNT分子吸收，致使荧光淬灭，实现对痕量爆炸物TNT目标分子的探测。

Description

一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备 方法

技术领域

本发明涉及材料科学领域，特别涉及具有对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的制备方法。

背景技术

近几十年来，爆炸物安全一直是全球所关注的重点，自美国“911”事件后，各国更是加大了对爆炸物，尤其是硝基芳香族爆炸物的检测力度。爆炸物的检测一直是项颇具挑战性的任务，虽然在实验室中，利用气质联用仪、高效液相色谱和表面增强拉曼光谱等方法测定硝基芳香族爆炸物已有准确步骤与规章，并且结果可靠，选择性强，可重复性高，但此类检测方法成本高、时间长、步骤繁琐，而且样品必须脱离检测现场送往实验室分析，不能满足如机场、火车站等需要现场监测的特殊场合。

因此，当代社会急需一种既能快速准确又能方便快捷实时实地检测痕量TNT的方法，荧光探针技术正是解决此类问题不可多得的尖端技术，各国研究者对荧光探针技术的探究渐入佳境，各种荧光探针技术层出不穷，而寻求一种高选择性、快速响应性、原位检测以及低成本的荧光探针技术是诸多研究人员奋斗不息的目标。

近年来，有关于硝基芳香族爆炸物检测的方法层出不穷，如美国Satish Ramdas科研小组(US20160084772)对爆炸物检测的新成就，其发明出一种一次性分散型爆炸物检测装备和方法，利用多种化学材料制备出多种试剂，一一对应于不同爆炸物进行检测，反应颜色多样，不含浓硫酸，便于运输与携带，且试剂盒具有单独隔间，可在物品疑似为爆炸物的情况下将其进行隔离后再检测，2013年，美国Satish Ramdas研究小组为此发明申请了专利，报道此试剂盒可对硝铵基塑料炸药、TNT、硝酸盐类以及氯酸盐类爆炸物进行准确检测。

此类方法优点甚多，但也存在不足之处。如其颜色的辨别只能依靠人眼判断，而在此判断过程中难免产生误差，且试剂对被检测物必须在初步了解被检测物类别的情况下才可以使用，无法自主选择性识别，步骤繁琐，并且所用化学试剂中含腐蚀性强碱性物质——乙二胺。

美国Siva研究小组(US20160178525)也进行了一系列关于非金属容器贮存的危险化学品，如硝酸铵，过氧化氢、TNT等的检测研究。该研究小组利用被检测物在特定波长的电磁辐射位置，选择性捕获一定量的散射的电磁辐射，形成多个剖面过滤对比，可以具体到至少一个在容器内的危险化学品，且放大的拉曼信号可以深入探测几十毫米的容器表面，检测不同类型的透明、半透明、不透明容器中的危险化学品。但此类技术的使用，需要操作人员有关于危险化学品的相关知识，否则无法操作，故而无法广范使用，且成本较高，不适宜大范围推广，并且若被检测物极为相似，则可能无法鉴定。

因此，对目标分析物具有高灵敏响应的理想材料——荧光分子开始进入众人眼帘。在应用方面，研究者们基于荧光共振能量转移原理，设计出一系列关于硝基芳香族爆炸物检测的实验。在这个过程中，激发态的供体（通常是一个荧光基团）通过远程偶极交互作用将能量转移到近端基态的受体上，其能量的传递率高度依赖于光谱重叠程度、过度偶极的相对方位以及供体分子与受体分子之间的距离等。因为硝基芳香族爆炸物分子属于缺电子分子，而荧光材料一般为富电子，所以在两者空间相互接近时，就会发生荧光共振能量转移，从而使荧光材料产生显著淬灭现象，即荧光材料的荧光强度会发生改变，进而被传感器捕捉，达到对痕量爆炸物分子检测的目的。近年，美国Sabherwal科研小组（Analytical Chemistry，2014，86(15):7200-7204）对硝基芳香族爆炸物检测取得了新的成就，其制备出基于夹心型免疫分析的特异性核酸适配体和抗体结构的荧光共振能量转移的生物受体，第一标记抗体特异性结合目标分析物TNT分子，第二标记抗体与其发生反应，从而形成“三明治”，达到对目标分析物TNT分子的检测。但上述特异性抗体为蛋白质，强酸强碱高温低温等环境下易失活，且制备步骤繁琐，价格昂贵，远不及石墨烯量子点荧光探针。石墨烯量子点荧光探针技术无毒无害，对环境友好，性价比高，同时还具备高选择，高灵敏检测作用，是对爆炸物检测不可多得的检测手段。

随着石墨烯量子点荧光探针技术的飞速发展，各国研究者对石墨烯量子点荧光探针的研究也日益深入。近来，我们报道了利用酸处理和传统沥青基碳纤维的化学剥落法，制备出尺寸大小在1-4nm范围内，显示二维形态的石墨烯量子点，这些量子点被证明具有高对比度成像性和优良生物传感特性（Nano Letters. 2012，12(2):844）。为提高对石墨烯量子点的量子产率，我们以柠檬酸为碳源，脲或硫脲为氮源，经过简单的水热合成，制得较高量子产率的石墨烯量子点荧光探针（Nanoscale. 2013，5(24):12272），之后，我们以柠檬酸为碳源，双氰胺为氮源，采用一步水热法制备出高量子点产出率的石墨烯量子点荧光探针，使石墨烯量子点荧光探针的光致发光被有效淬灭时，其荧光强度的改变，更易被传感器捕获（Nanoscale.2014，6(7):3868）。我们通过剧烈氧化过程制备的石墨烯量子点荧光探针，具有良好溶解性，低毒性，且荧光量子产率高，在与目标分子TNT结合时，产生强烈的淬灭现象，使荧光强度发生改变，从而实现对硝基芳香族爆炸物的检测（Journal of Nanoscience & Nanotechnology. 2012，12(3):2924-2928）。我们报道了一种制备石墨烯量子点的化学方法，制得了水溶性和表面改性石墨烯量子点荧光探针，其与目标分析物TNT分子特异性结合时，石墨烯量子点荧光探针的光致发光被淬灭，通过荧光强度的改变，实现对痕量TNT分子的检测（Talanta. 2012，101(22):192-197）。石墨烯量子点荧光探针对目标分子TNT有着选择性淬灭作用，可实现对TNT的高选择性和高灵敏性检测，我们制备的蓝色石墨烯量子点荧光探针，表现出很高水溶性、光致发光、低毒性和良好的光稳定性（Particle & Particle Systems Characterization. 2013, 30(12):1086–1092）。

在近年实用的发光材料中，石墨烯量子点荧光探针独占鳌首，其荧光探针的制备方法多如牛毛，在医药、化学、物理等领域的应用更是数之不尽，如医学诊断、硝基芳香族爆炸物检测、信息存贮和放大等，其在国民经济和人们日常生活中作用越来越不可替代。而石墨烯量子点荧光探针之所以备受推崇，与其高选择性、高灵敏性、低毒性、高成像性等诸多优点密不可分，并且其稳定物理化学性质，使其在医药诊断、化学分析等领域占有越来越重要的地位。

2012年林权等人公开了发明专利（CN201210407808.2）“荧光聚合物分子刷薄膜、制备方法及用于高灵敏检测爆炸物”的制备方法。它采用了下述步骤：将基片进行羟基化处理，含有羟基基团，再用去离子水冲洗基片并用氮气吹干；然后将基片置于含有氨基的硅烷偶联剂与甲苯混合溶液中反应8～12小时，使基片表面连接上氨基基团，将基片用二氯甲烷冲洗吹干后，放入盛有引发剂、酸吸收剂、二氯甲烷的密封瓶中，在0℃条件下反应1～3小时后，再在室温下反应15～18小时。2012年汪乐余等人公开了发明专利（CN201210526629.0）“一种表面包裹氨基官能团的上转换发光材料及其对TNT检测的应用”的制备方法。它采用了下述步骤：（1）制备NaYF₄：Yb³⁺-Er³⁺@PAA；（2）制备表面包裹氨基官能团的上转换发光材料。2014年刘清君等人公开了发明专利（CN201410637351.3）“用于TNT检测的氧化石墨烯光学生物传感器的制备方法”的制备方法。它采用了下述步骤：（1）配置氧化石墨烯分散液；（2）制备交联多肽的氧化石墨烯分散液。2016年Sayali Vinayak等人公开了发明专利（US20160369057）“Poly-benzimidazole with pyrene and anthracene flourophore”的制备方法。该发明主要阐述了聚合离子液体（PIL）组合物的制备过程，其制备出具有增强的荧光和稳定性的聚合离子液体（PIL）组合物。2017年Kyu Geol Lee等人公开了发明专利“Graphene-containing coating film，and method for preparing the same”（US20170059117）的制备方法，该发明主要阐述了由X_n-M-(OH)_4-n表示的含石墨烯的涂层膜水合物的制备方法，通过在X_n-M-(OH)_4-n水合物的表面上添加二氧化硅粒子，并以不连续孤立形态定位在石墨烯表面上，从而制备出石墨烯涂层膜。

虽然上述发明有诸多可取之处，但是这些方法制备出的检测材料合成步骤繁琐，不仅不够专一灵敏，且某些产物对环境不友好。而石墨烯量子点荧光探针制备步骤简单，选择性高，灵敏性强且成本低廉，对环境友好，因此，石墨烯量子点荧光探针是检测TNT的首选材料。

在本发明中，我们报道了基于荧光共振能量转移原理的石墨烯量子点荧光探针，实现对痕量TNT的检测。石墨烯量子点尤其适合作为荧光探针，首先，石墨烯量子点荧光探针表面富电子，其次，目标分析物TNT分子的3个缺电子硝基是吸电子基团，因此二者在空间相互接近时，会发生荧光共振能量转移，导致石墨烯量子点荧光探针的光致发光被有效的淬灭，从而实现对痕量TNT的检测，其三，石墨烯量子点表面拥有的π网格，对TNT目标分子的结合起到了重要作用，可以对环境中的TNT目标分子进行快速响应。这种对TNT分子具有专识性作用的石墨烯量子点荧光探针，以荧光作为探针、自身强富电子特性显现出对TNT目标分子的高选择性、高灵敏性和痕量检测。

发明内容

发明目的：针对目前现有技术存在的不足之处，本发明利用石墨为原料制备石墨烯量子点荧光探针，此探针自身具备强信号性，易被传感器捕捉，而石墨烯量子点荧光探针表面富电子，目标分子TNT的3个缺电子硝基是吸电子基团，因此二者在空间相互接近时，会发生荧光共振能量转移，导致石墨烯量子点荧光探针的光致发光被有效的淬灭，从而达到对痕量爆炸物TNT分子的检测。所述方法为化学合成法，首先是制备氧化石墨烯，然后利用强还原剂将上述自制的氧化石墨烯还原，最后对还原石墨烯进一步处理，制备出对TNT具有高选择性、高灵敏性识别和检测作用的蓝色和绿色石墨烯量子点荧光探针。

本发明的技术方案是：一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，包括以石墨为原料制备氧化石墨烯后，用强还原剂还原氧化石墨烯，最后对还原石墨烯进一步处理，制得石墨烯量子点荧光探针，其特征在于：所述石墨烯量子点荧光探针表面富电子，TNT的3个缺电子硝基是吸电子基团，空间上相互接近时，发生荧光共振能量转移，通过石墨烯量子点荧光探针的荧光强度的改变，实现对痕量TNT的检测，所述石墨烯量子点荧光探针的制备过程包括如下三个步骤：

1.1第一步是氧化石墨烯的制备：首先，量取20mL的HClO₄加入100mL三口圆底烧瓶中，将上述烧瓶置于水浴槽中，用冰块调节水温，保持在0~5℃，然后，用精度为万分之一的电子天平称取0.9845g的石墨，加入到上述烧瓶中，以500rpm转速搅拌反应30min后，再称取2.9756g的K₂Cr₂O₇，1h内连续缓慢地加入上述烧瓶中，再继续搅拌反应1h，将水浴温度升温至35℃，继续搅拌30min后，再向上述烧瓶中缓慢加入10mL去离子水，用硅油液封此水浴槽液面，将三口圆底烧瓶接回流装置，再升温至90℃，最后，再加入15mL的H₂O₂以除去多余的K₂Cr₂O₇，反应15min后，冷却至室温，均分在两只50mL离心管内，以8000rpm转速进行离心，去除上层清液后，先用甲酸溶液超声分散和离心清洗三次，再用去离子水超声分散和离心清洗三次，去除上层清液后，将离心分离后所得到的固体产物转移至表面皿内，放置于50℃真空干燥箱内干燥6h，得到氧化石墨烯；

1.2第二步是还原石墨烯的制备：称取上述制得的氧化石墨烯25mg置于250mL圆底烧瓶中，再向此烧瓶中加入100mL去离子水，超声30min，使其完全分散，取50mL上述超声后的氧化石墨烯悬浮液置于另一只250mL圆底烧瓶中，然后加入50mL强还原剂，再加入缓冲溶液将此混合溶液pH值调节至12，搅拌5min，使溶液混合均匀，再将上述混合溶液的烧瓶置于硅油液封的水浴槽中，接上回流装置，在90℃水浴中反应1h，反应过程中溶液颜色由棕褐色慢慢变为黑色，待反应后的混合溶液冷却至室温时，用纳米滤膜进行抽滤，将滤得的沉淀物放置于真空干燥箱内，在50℃下干燥7h，得到还原石墨烯；

1.3第三步是绿色石墨烯量子点的制备：取上述所得还原石墨烯10mg作为前驱体，将其置于盛有50mL有机溶剂的100mL烧瓶中，超声分散15min，使其形成均一的悬浮液，然后将上述悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，密闭后放置于烘箱内，升温至120℃，反应2h，冷却至室温，得到棕色透明悬浮液和黑色沉淀物，离心去除黑色沉淀物，再旋转蒸发去除溶剂，将上述所得的石墨烯量子点，进行两步的梯度柱层析分离，固定相为硅胶，第一相展开剂为二氯甲烷与乙醇混合液，其体积比为1:1，第二相展开剂为去离子水，洗脱后可得到对TNT检测具有绿色荧光的石墨烯量子点荧光探针。

作为对现有技术的进一步改进，本发明所说石墨烯量子点荧光探针与TNT结合，主要是目标分子TNT通过π-π堆积作用和静电力吸附在石墨烯量子点表面，形成TNT-GQDs复合物；所说石墨烯量子点荧光探针制备方法中所用强还原剂为对硝基苯肼；所说石墨烯量子点荧光探针制备方法中所用缓冲溶液为磷酸钠溶液；所说石墨烯量子点荧光探针制备方法中所用有机溶剂为六甲基磷酰三胺；所说石墨烯量子点荧光探针自身是一个很强的信号来源，荧光强度的改变易被传感器捕捉；所说石墨烯量子点荧光探针是基于荧光共振能量转移原理实现对TNT痕量探测。

相对于现有技术的有益效果：

针对安检需现场检测的特殊性，国内外研究人员对此进行了无数的发明与改进。2012年林权等人公开了发明专利（CN201210407808.2）“荧光聚合物分子刷薄膜、制备方法及用于高灵敏检测爆炸物”的制备方法。它采用了下述步骤：将基片进行羟基化处理，含有羟基基团，再用去离子水冲洗基片并用氮气吹干；然后将基片置于含有氨基的硅烷偶联剂与甲苯混合溶液中反应8～12小时，使基片表面连接上氨基基团，将基片用二氯甲烷冲洗吹干后，放入盛有引发剂、酸吸收剂、二氯甲烷的密封瓶中，在0℃条件下反应1～3小时后，再在室温下反应15～18小时。2012年汪乐余等人公开了发明专利（CN201210526629.0）“一种表面包裹氨基官能团的上转换发光材料及其对TNT检测的应用”的制备方法。它采用了下述步骤：（1）制备NaYF₄：Yb³⁺-Er³⁺@PAA；（2）制备表面包裹氨基官能团的上转换发光材料。2014年刘清君等人公开了发明专利（CN201410637351.3）“用于TNT检测的氧化石墨烯光学生物传感器的制备方法”的制备方法。它采用了下述步骤：（1）配置氧化石墨烯分散液；（2）制备交联多肽的氧化石墨烯分散液。2016年Sayali Vinayak等人公开了发明专利（US20160369057）“Poly-benzimidazole with pyrene and anthracene flourophore”的制备方法。该发明主要阐述了聚合离子液体（PIL）组合物的制备过程，其制备出具有增强的荧光和稳定性的聚合离子液体（PIL）组合物。2017年Kyu Geol Lee等人公开了发明专利“Graphene-containing coating film，and method for preparing the same”（US20170059117）的制备方法，该发明主要阐述了由X_n-M-(OH)_4-n表示的含石墨烯的涂层膜水合物的制备方法，通过在X_n-M-(OH)_4-n水合物的表面上添加二氧化硅粒子，并以不连续孤立形态定位在石墨烯表面上，从而制备出石墨烯涂层膜。

虽然上述发明有诸多可取之处，但是这些方法制备出的检测材料合成步骤繁琐，不仅不够专一灵敏，且某些产物对环境不友好。而石墨烯量子点荧光探针制备步骤简单，选择性高，灵敏性强且成本低廉，对环境友好，因此，石墨烯量子点荧光探针是检测TNT的首选材料。

本发明首先是氧化石墨烯的制备：首先，量取20mL的HClO₄加入100mL三口圆底烧瓶中，将上述烧瓶置于水浴槽中，用冰块调节水温保持在0~5℃，然后，用精度为万分之一的电子天平称取0.9845g的石墨，加入到上述烧瓶中，以500rpm转速搅拌反应30min后，再称取2.9756g的K₂Cr₂O₇，1h内连续缓慢地加入上述烧瓶中，再继续搅拌反应1h，将水浴温度升温至35℃，继续搅拌30min后，再向上述烧瓶中缓慢加入10mL去离子水，用硅油液封此水浴槽液面，将三口圆底烧瓶接回流装置，再升温至90℃，最后，再加入15mL的H₂O₂以除去多余的K₂Cr₂O₇，反应15min后，冷却至室温，均分在两只50mL离心管内，以8000rpm转速进行离心，去除上层清液后，先用甲酸溶液超声分散和离心清洗三次，再用去离子水超声分散和离心清洗三次，去除上层清液后，将离心分离后所得到的固体产物转移至表面皿内，放置于50℃真空干燥箱内干燥6h，得到氧化石墨烯；

然后是还原石墨烯的制备：称取上述制得的氧化石墨烯25mg置于250mL圆底烧瓶中，再向此烧瓶中加入100mL去离子水，超声30min，使其完全分散，取50mL上述超声后的氧化石墨烯悬浮液置于另一只250mL圆底烧瓶中，然后加入50mL强还原剂，再加入缓冲溶液将此混合溶液pH值调节至12，搅拌5min，使溶液混合均匀，再将上述混合溶液的烧瓶置于硅油液封的水浴槽中，接上回流装置，在90℃水浴中反应1h，反应过程中溶液颜色由棕褐色慢慢变为黑色，待反应后的混合溶液冷却至室温时，用纳米滤膜进行抽滤，将滤得的沉淀物放置于真空干燥箱内，在50℃下干燥7h，得到还原石墨烯；

最后绿色石墨烯量子点的制备：取上述所得还原石墨烯10mg作为前驱体，将其置于盛有50mL有机溶剂的100mL烧瓶中，超声分散15min，使其形成均一的悬浮液，然后将上述悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，密闭后放置于烘箱内，升温至120℃，反应2h，冷却至室温，得到棕色透明悬浮液和黑色沉淀物，离心去除黑色沉淀物，再旋转蒸发去除溶剂，将上述所得的石墨烯量子点，进行两步的梯度柱层析分离，固定相为硅胶，第一相展开剂为二氯甲烷与乙醇混合液，其体积比为1:1，第二相展开剂为去离子水，洗脱后可得到对TNT检测具有绿色荧光的石墨烯量子点荧光探针。

综上所述，本发明所得石墨烯量子点荧光探针，可获得绿色石墨烯量子点荧光探针。

其一：本发明所制备的石墨烯量子点荧光探针与TNT结合，主要是目标分子TNT通过π-π堆积作用和静电力作用吸附在石墨烯量子点表面，形成TNT-GQDs复合物。

其二：本发明所提供的方法中，所述石墨烯量子点荧光探针制备方法中所用强还原剂为对硝基苯肼。

其三：本发明所提供的方法中，所述石墨烯量子点荧光探针制备方法中所用缓冲溶液为磷酸钠溶液。

其四：本发明所提供的方法中，所述石墨烯量子点荧光探针制备方法中所用有机溶剂为六甲基磷酰三胺。

其五：本发明所制备的石墨烯量子点荧光探针自身就是一个很强的信号来源，因此荧光强度的改变易被传感器捕捉，从而达到对痕量TNT的检测。

其六：选择石墨烯量子点荧光探针的目的，是因为其具有以下优点：（1）石墨烯量子点荧光探针寿命长;（2）操作步骤简单，成本较低；（3）具有化学稳定性和热稳定性，在反应过程中不与有机溶剂反应；（4）对环境无害，对人体威胁小；（5）石墨烯量子点荧光探针表面富电子，TNT的3个缺电子硝基是吸电子基团，在空间相互接近时，发生荧光共振能量转移，可以通过石墨烯量子点荧光探针的荧光强度的改变，实现对痕量TNT的检测。

附图说明

图1是本发明所采用的氧化石墨烯的紫外-可见吸收光谱图，图中的插图表示为自然光下水溶液中的氧化石墨烯。

图2是本发明所采用的氧化石墨烯傅立叶变换红外谱图。

图3是本发明所采用的氧化石墨烯SEM图。

图4是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针紫外可见吸收光谱图，图中插图表示为在365nm紫外灯下石墨烯量子点。

图5是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的红外谱图。

图6是本发明所采用的还原氧化石墨烯红外谱图。

图7是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的拉曼光谱图。

图8是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的粒径分布图。

图9是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的Zeta电位分布图。

图10是本发明所采用的绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针与TNT混合溶液归一化的紫外可见光谱图（a）和绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针的发射光谱图（b）。插图（a）是绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针与TNT混合溶液在自然光下图片，插图（b）是石墨烯量子点（GQDs）荧光探针在波长为365nm的紫外灯下的图片。

图11是本发明所采用的2mL绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针溶液中分别加入浓度为1×10^-5M，2×10^-5M，3×10^-5M，4×10^-5M，5×10^-5M，6×10^-5M，7×10^-5M，8×10^-5M，9×10^{- 5}M，10×10^-5M的苦味酸溶液时荧光强度的演变过程。

图12是本发明所采用的2mL绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针溶液中分别加入浓度为1×10^-5M，2×10^-5M，3×10^-5M，4×10^-5M，5×10^-5M，6×10^-5M，7×10^-5M，8×10^-5M，9×10^{- 5}M，10×10^-5M的DNT溶液时荧光强度的演变过程。

图13是本发明所采用的2mL绿色石墨烯量子点（GQDs）溶液中分别加入浓度为1×10^-5M，2×10^-5M，3×10^-5M，4×10^-5M，5×10^-5M，6×10^-5M，7×10^-5M，8×10^-5M，9×10^-5M，10×10^-5M的TNT溶液时荧光强度的演变过程。

图14是本发明所采用的石墨烯量子点荧光淬灭常数图。

根据附图进一步解释具体实施方式

图1是本发明所采用的氧化石墨烯的紫外-可见吸收光谱图，图中的插图表示为自然光下水溶液中的氧化石墨烯。用TU-1901双光束紫外-可见吸收光谱仪测得所制备的氧化石墨烯的紫外可见吸收光谱图，由图可知，位于230nm左右的吸收峰是石墨烯平面多环芳烃的n-π跃迁的位置。由于跃迁，摩尔消光系数很大，而一般在浓度较低时才能够观察出来，稍高就不容易看到或n-π跃迁造成其他溶剂的吸收，导致其他干扰。羧基上的氧所带的孤对电子向反键轨道的跃迁的对应位置为300nm左右的吸收峰，称为π-π跃迁。这个跃迁反映了石墨烯表面被氧化的情况。

图2是本发明所采用的氧化石墨烯傅立叶变换红外谱图。氧化石墨烯在3400cm^-1，1630cm^-1处均有一个很强的吸收峰，分别对应羟基的伸缩振动、弯曲振动吸收峰。此外，在中频区，1700cm^-1处的吸收峰则属于羧基、羰基的C=O的伸缩振动，而在1390cm^-1处的峰对应羧基的C-O的伸缩振动吸收峰，在1040cm^-1处的吸收峰则对应环氧基的伸缩振动。

图3是本发明所采用的氧化石墨烯SEM图。由图可知氧化石墨烯的表面形貌，氧化石墨烯表面皱褶，且有一定的规律性、边缘卷起，具有非常大的比表面积。因为经过氧化处理后，含有大量官能团，所以使层片之间的作用力减弱。

图4是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针紫外可见吸收光谱图，图中插图表示为在365nm紫外灯下石墨烯量子点。插图是原来为棕色的石墨烯量子点水溶液在波长为365nm下发出绿色的荧光。氧化石墨烯紫外可见吸收光谱在230nm-300nm处，其被还原为石墨烯量子点时，其吸收峰在290nm-320nm处，发生了红移，如图4所示，在320nm处有一吸收峰，当使用320nm激发光激发石墨烯量子点，其荧光发射光谱在427nm处出现一个很强的发射峰，当使用370nm激发光时，在515nm处出现很强的光发射，可以推断这一发射峰是由于表面效应引起的，因此，可以从紫外吸收光谱图中320nm和370nm作为激发波长可以得出427nm和515nm荧光发射光谱，可以断定石墨烯量子点中存在两个发射峰。

图5是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的红外谱图。由图可知石墨烯量子点在1635cm^-1和3890cm^-1处有明显的吸收峰，可将其分别归因于羰基的伸缩振动和羧基的对称振动，3444cm^-1和1022cm^-1处的峰则对应于羟基和不饱和羧基中C-O的伸缩振动，说明石墨烯量子点的表面存在羧基和羰基。此外，2931cm^-1和2858cm^-1处的吸收峰对应烷烃中C-H或C=O伸缩振动，表明在合成过程中，富勒烯中sp²杂化的碳有部分变成了sp³杂化，也就说明在得到石墨烯量子点的过程中富勒烯结构已经被破坏了。

图6是本发明所采用的还原氧化石墨烯红外谱图。制备石墨烯量子点的过程中，氧化石墨烯被还原成粒径更小的还原石墨烯，便于修饰上发光基团。由图可以看出在3435cm^-1附近处有一个较强的吸收峰，是C-H的伸缩振动峰。在1633cm^-1附近处也有一个吸收峰，这个吸收峰对应的是C=C骨架的振动。在1390cm^-1附近处有个吸收峰对应着C-H的变形振动峰。在1110cm^-1和1234cm^-1附近处有个很弱的吸收峰对应着环氧基中C-O的伸缩振动峰。如果存在羧基等含氧官能团，则在1720cm^-1附近处会有个吸收峰对应着C=O振动峰，从图中可以看出羧基等含氧官能团的振动峰几乎没有，说明水合肼对氧化石墨还原后，大部分的含氧官能团被消除了，不过还是有少部分含氧官能团的残余。

图7是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的拉曼光谱图。图中会看到两个明显的特征峰，一个峰位在1580cm^-1处，称之为G峰，另一个在2700cm^-1处，称为之2D峰和D峰，峰相对比较宽，所以不是单峰，一般情况下拉曼光谱分析法可用来区分单层石墨烯、双层石墨烯、块体石墨以及石墨薄层。

图8是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的粒径分布图。图中绿色石墨烯量子点（GQDs）主要的粒径在4nm左右。一般石墨烯量子点的粒径分布一般在1-10nm之间，由于石墨烯量子点表面修饰的官能团不同，它显现出的电性也是不同的。

图9是本发明所采用的绿色石墨烯量子点荧光探针的Zeta电位分布图。由图可知该量子点主要显示电负性。

图10是本发明所采用的绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针与TNT混合溶液归一化的紫外可见光谱图（a）和绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针的发射光谱图（b）。插图（a）是绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针与TNT混合溶液在自然光下图片，插图（b）是石墨烯量子点（GQDs）荧光探针在波长为365nm的紫外灯下的图片。

图11是本发明所采用的2mL绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针溶液中分别加入浓度为1×10^-5M，2×10^-5M，3×10^-5M，4×10^-5M，5×10^-5M，6×10^-5M，7×10^-5M，8×10^-5M，9×10^{- 5}M，10×10^-5M的苦味酸溶液时荧光强度的演变过程。

图12是本发明所采用的2mL绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针溶液中分别加入浓度为1×10^-5M，2×10^-5M，3×10^-5M，4×10^-5M，5×10^-5M，6×10^-5M，7×10^-5M，8×10^-5M，9×10^{- 5}M，10×10^-5M的DNT溶液时荧光强度的演变过程。

图13是本发明所采用的2mL绿色石墨烯量子点（GQDs）荧光探针溶液中分别加入浓度为1×10^-5M，2×10^-5M，3×10^-5M，4×10^-5M，5×10^-5M，6×10^-5M，7×10^-5M，8×10^-5M，9×10^{- 5}M，10×10^-5M的TNT溶液时荧光强度的演变过程。

图11-13中分别是GQDs荧光探针荧光强度随着TNT、DNT、苦味酸目标分析物浓度逐渐增加，其荧光强度的下降。图13可知随着目标分析物TNT浓度增加，荧光强度下降非常明显，这是因为GQDs荧光探针与TNT分子之间在空间上相互接近时，形成TNT-GQDs复合物，发生了荧光共振能量转移，从而使GQDs荧光发生荧光强度下降。而DNT、苦味酸与GQDs荧光探针之间不发生荧光共振能量转移，所以GQDs荧光探针荧光强度下降不明显，这说明TNT对制备的石墨烯量子点荧光探针传感器具有选择性的荧光猝灭作用，且检测灵敏度达到了1.0×10^-9mol/L，成功实现了GQDs对TNT的痕量检测。

图14是本发明所采用的石墨烯量子点荧光淬灭常数图。图中是根据Stern-Volmer方程来拟合的荧光淬灭标准曲线，方程为：(I₀/I)-1=K_sv[C]，其中I₀、I分别为没有目标分析物和存在目标分析物的稳态荧光强度，C为加入的目标分析物TNT的浓度，图中，回归方程为：(I/I₀)-1=-0.00937+0.08099C，线性相关系数R=0.98902，可求得TNT对石墨烯量子点的淬灭常数。

具体实施方式：一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，用氧化剂氧化石墨制得氧化石墨烯，用强还原剂还原氧化石墨烯，最后用还原石墨烯进行一系列的反应，制得绿色石墨烯量子点荧光探针，其特征在于：所述石墨烯量子点荧光探针表面富电子，目标分析物TNT分子的3个缺电子硝基是吸电子基团，空间上相互接近时，发生荧光共振能量转移，通过石墨烯量子点荧光探针的荧光强度的改变，实现对痕量TNT的检测，所述石墨烯量子点荧光探针的制备过程包括如下三个步骤：

1.1第一步是氧化石墨烯的制备：首先，量取20mL的HClO₄加入100mL三口圆底烧瓶中，将上述烧瓶置于水浴槽中，用冰块调节水温，保持在0~5℃，然后，用精度为万分之一的电子天平称取0.9845g的石墨，加入到上述烧瓶中，以500rpm转速搅拌反应30min后，再称取2.9756g的K₂Cr₂O₇，1h内连续缓慢地加入上述烧瓶中，再继续搅拌反应1h，将水浴温度升温至35℃，继续搅拌30min后，再向上述烧瓶中缓慢加入10mL去离子水，用硅油液封此水浴槽液面，将三口圆底烧瓶接回流装置，再升温至90℃，最后，再加入15mL的H₂O₂以除去多余的K₂Cr₂O₇，反应15min后，冷却至室温，均分在两只50mL离心管内，以8000rpm转速进行离心，去除上层清液后，先用甲酸溶液超声分散和离心清洗三次，再用去离子水超声分散和离心清洗三次，去除上层清液后，将离心分离后所得到的固体产物转移至表面皿内，放置于50℃真空干燥箱内干燥6h，得到氧化石墨烯；

1.2第二步是还原石墨烯的制备：称取上述制得的氧化石墨烯25mg置于250mL圆底烧瓶中，再向此烧瓶中加入100mL去离子水，超声30min，使其完全分散，取50mL上述超声后的氧化石墨烯悬浮液置于另一只250mL圆底烧瓶中，然后加入50mL强还原剂，再加入缓冲溶液将此混合溶液pH值调节至12，搅拌5min，使溶液混合均匀，再将上述混合溶液的烧瓶置于硅油液封的水浴槽中，接上回流装置，在90℃水浴中反应1h，反应过程中溶液颜色由棕褐色慢慢变为黑色，待反应后的混合溶液冷却至室温时，用纳米滤膜进行抽滤，将滤得的沉淀物放置于真空干燥箱内，在50℃下干燥7h，得到还原石墨烯；

1.3第三步是绿色石墨烯量子点的制备：取上述所得还原石墨烯10mg作为前驱体，将其置于盛有50mL有机溶剂的100mL烧瓶中，超声分散15min，使其形成均一的悬浮液，然后将上述悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，密闭后放置于烘箱内，升温至120℃，反应2h，冷却至室温，得到棕色透明悬浮液和黑色沉淀物，离心去除黑色沉淀物，再旋转蒸发去除溶剂，将上述所得的石墨烯量子点，进行两步的梯度柱层析分离，固定相为硅胶，第一相展开剂为二氯甲烷与乙醇混合液，其体积比为1:1，第二相展开剂为去离子水，洗脱后可得到对TNT检测具有绿色荧光的石墨烯量子点荧光探针。

向表面拥有π网格的石墨烯量子点荧光探针中加入目标分子，能够改变其识别性能。如加入TNT分子，目标分子TNT通过π-π堆积作用和静电力吸附在石墨烯量子点表面，形成TNT-GQDs复合物，发生荧光共振能量转移，导致荧光淬灭现象，从而对TNT分子进行识别和检测。

实施例：利用石墨为原料，经三步反应可获得石墨烯量子点荧光探针。

第一步是氧化石墨烯的制备：首先，量取20mL的HClO₄加入100mL三口圆底烧瓶中，将上述烧瓶置于水浴槽中，用冰块调节水温保持在0~5℃，然后，用精度为万分之一的电子天平称取0.9845g的石墨，加入到上述烧瓶中，以500rpm转速搅拌反应30min后，再称取2.9756g的K₂Cr₂O₇，1h内连续缓慢地加入上述烧瓶中，再继续搅拌反应1h，将水浴温度升温至35℃继续搅拌30min后，再向上述烧瓶中缓慢加入10mL去离子水，用硅油液封此水浴槽液面，将三口圆底烧瓶接回流装置，再升温至90℃，最后，再加入15mL的H₂O₂以除去多余的K₂Cr₂O₇，反应15min后，冷却至室温，均分在两只50mL离心管内，以8000rpm转速进行离心，去除上层清液后，先用甲酸溶液超声分散和离心清洗三次，再用去离子水超声分散和离心清洗三次，去除上层清液后，将离心分离后所得到的固体产物转移至表面皿内，放置于50℃真空干燥箱内干燥6h，得到氧化石墨烯；

第二步是还原石墨烯的制备：称取上述制得的氧化石墨烯25mg置于250mL圆底烧瓶中，再向此烧瓶中加入100mL去离子水，超声30min，使其完全分散，取50mL上述超声后的氧化石墨烯悬浮液置于另一只250mL圆底烧瓶中，然后加入50mL强还原剂，再加入缓冲溶液将此混合溶液pH值调节至12，搅拌5min，使溶液混合均匀，再将上述混合溶液的烧瓶置于硅油液封的水浴槽中，接上回流装置，在90℃水浴中反应1h，反应过程中溶液颜色由棕褐色慢慢变为黑色，待反应后的混合溶液冷却至室温时，用纳米滤膜进行抽滤，将滤得的沉淀物放置于真空干燥箱内，在50℃下干燥7h，得到还原石墨烯；

第三步是绿色石墨烯量子点的制备：取上述所得还原石墨烯10mg作为前驱体，将其置于盛有50mL有机溶剂的100mL烧瓶中，超声分散15min，使其形成均一的悬浮液，然后将上述悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，密闭后放置于烘箱内，升温至120℃，反应2h，冷却至室温，得到棕色透明悬浮液和黑色沉淀物，离心去除黑色沉淀物，再旋转蒸发去除溶剂，将上述所得的石墨烯量子点，进行两步的梯度柱层析分离，固定相为硅胶，第一相展开剂为二氯甲烷与乙醇混合液，其体积比为1:1，第二相展开剂为去离子水，洗脱后可得到对TNT检测具有绿色荧光的石墨烯量子点荧光探针。

Claims (7)

1.一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，包括绿色石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots，GQDs）的制备，其特征在于：所述石墨烯量子点荧光探针表面富电子，目标分析物TNT分子的三个缺电子硝基是吸电子基团，空间上相互接近时，发生荧光共振能量转移，通过石墨烯量子点荧光探针的荧光强度的改变，实现对痕量TNT的检测，所述石墨烯量子点荧光探针的制备过程包括如下三个步骤：

1.1第一步是氧化石墨烯的制备：首先，量取20mL的HClO₄加入100mL三口圆底烧瓶中，将上述烧瓶置于水浴槽中，用冰块调节水温，保持在0~5℃，然后，用精度为万分之一的电子天平称取0.9845g的石墨，加入到上述烧瓶中，以500rpm转速搅拌反应30min后，再称取2.9756g的K₂Cr₂O₇，1h内连续缓慢地加入上述烧瓶中，再继续搅拌反应1h，将水浴温度升温至35℃，继续搅拌30min后，再向上述烧瓶中缓慢加入10mL去离子水，用硅油液封此水浴槽液面，将三口圆底烧瓶接回流装置，再升温至90℃，最后，再加入15mL的H₂O₂以除去多余的K₂Cr₂O₇，反应15min后，冷却至室温，均分在两只50mL离心管内，以8000rpm转速进行离心，去除上层清液后，先用甲酸溶液超声分散和离心清洗三次，再用去离子水超声分散和离心清洗三次，去除上层清液后，将离心分离后所得到的固体产物转移至表面皿内，放置于50℃真空干燥箱内干燥6h，得到氧化石墨烯；

1.2第二步是还原石墨烯的制备：称取上述制得的氧化石墨烯25mg置于250mL圆底烧瓶中，再向此烧瓶中加入100mL去离子水，超声30min，使其完全分散，取50mL上述超声后的氧化石墨烯悬浮液置于另一只250mL圆底烧瓶中，然后加入50mL强还原剂，再加入缓冲溶液将此混合溶液pH值调节至12，搅拌5min，使溶液混合均匀，再将上述混合溶液的烧瓶置于硅油液封的水浴槽中，接上回流装置，在90℃水浴中反应1h，反应过程中溶液颜色由棕褐色慢慢变为黑色，待反应后的混合溶液冷却至室温时，用纳米滤膜进行抽滤，将滤得的沉淀物放置于真空干燥箱内，在50℃下干燥7h，得到还原石墨烯；

1.3第三步是绿色石墨烯量子点的制备：取上述所得还原石墨烯10mg作为前驱体，将其置于盛有50mL有机溶剂的100mL烧瓶中，超声分散15min，使其形成均一的悬浮液，然后将上述悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，密闭后放置于烘箱内，升温至120℃，反应2h，冷却至室温，得到棕色透明悬浮液和黑色沉淀物，离心去除黑色沉淀物，再旋转蒸发去除溶剂，将上述所得的石墨烯量子点，进行两步的梯度柱层析分离，固定相为硅胶，第一相展开剂为二氯甲烷与乙醇混合液，其体积比为1:1，第二相展开剂为去离子水，洗脱后可得到对TNT检测具有绿色荧光的石墨烯量子点荧光探针。

2.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，其特征是：所述石墨烯量子点荧光探针与TNT结合，主要是目标分子TNT通过π-π堆积作用和静电力作用吸附在石墨烯量子点表面，形成TNT-GQDs复合物。

3.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，其特征是：所述石墨烯量子点荧光探针制备中所用强还原剂为对硝基苯肼。

4.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，其特征是：所述石墨烯量子点荧光探针制备中所用缓冲溶液为磷酸钠溶液。

5.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，其特征是：所述石墨烯量子点荧光探针制备中所用有机溶剂为六甲基磷酰三胺。

6.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，其特征是：所述石墨烯量子点荧光探针对TNT检测是通过荧光探针荧光强度的改变实现检测。

7.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的石墨烯量子点荧光探针的化学制备方法，其特征是：所述石墨烯量子点荧光探针对目标分子TNT的痕量检测是基于荧光共振能量转移原理。

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