CN107271414A - 一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于荧光传感器材料的制备和分析化学检测领域，涉及一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备及其应用于4‑硝基苯酚检测的方法。选取柠檬酸铵和乙二胺为碳源和氮源，制备出具有优良荧光性质的氮掺杂碳点(NCDs)。再选取氧化石墨烯(GO)为基质材料，4‑硝基苯酚(4‑NP)为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体合成了一种新型表面分子印迹荧光传感器(4‑NP‑MIP)。最后将其应用于溶液中4‑硝基苯酚的检测，发生荧光猝灭，考察该荧光传感器对4‑NP的特异性识别和检测能力。该荧光传感器具有良好的稳定性，对于4‑NP的荧光检测快速灵敏，能够应用于复杂样品中4‑NP的特异性检测，在环境和食品中4‑NP的监控和检测方面具有良好的应用价值和前景。

Description

一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的 制备方法及应用
技术领域
本发明属于荧光传感器材料的制备和分析化学检测领域，涉及一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备及其应用于4-硝基苯酚检测的方法。
背景技术
荧光检测方法具有取样量少、灵敏度高、操作简单性和响应快速等优点，在无机、有机、医药、生物化学和临床检验等不同领域中有广泛应用。荧光传感器可以利用传感器与目标物之间的特异性作用，根据引起的荧光变化实现对目标物的特异性检测，目前荧光传感器已成为常见的荧光检测方法之一。荧光传感器的荧光源除了有机荧光染料之外，还包括纳米金、纳米银、半导体量子点及碳点等。传统的有机荧光染料斯托克位移小，容易造成光致漂白；纳米金和纳米银的成本高；半导体量子点具有一定的毒性而且水溶性差。相比之下，碳点具有明显的优势，碳点具有低毒性、环境友好性、良好的生物相容性和制备方法简易性。碳点作为一类绿色的环境友好型荧光材料，近年来得到人们越来越广泛的研究。但是，通常碳点的较低的量子产率在一定程度上限制了碳点作为荧光传感器材料的应用。碳点的荧光发光性质与其表面缺陷有关，通过钝化可使有机或聚合物材料附着在碳点表面，使得碳点的表面缺陷变得稳定，从而增加荧光量子产率。此外，碳点的荧光与其本征态的结构和边缘处的官能团结构有关，通过选取合适的原料，可将杂原子引入碳点的骨架结构或者边缘区域，得到杂原子掺杂的碳点，改善碳点本征态的发光，可有效提高碳点的荧光量子产率(Lim S Y,Shen W,Gao Z.Carbon quantum dots and their applications[J].Chemical Society Reviews,2015,44(1):362-381.)。高的荧光量子产率对于荧光传感器检测的灵敏度和准确度提供了根本的保障。目前已有文献报道N原子掺杂能够有效提高碳点的荧光量子产率(Ding H,Zhang P,Wang T Y,et al.Nitrogen-doped carbon dotsderived from polyvinyl pyrrolidone and their multicolor cell imaging[J].Nanotechnology,2014,25(20):205604.)。值得注意的是，使用不同的材料或者相同材料不同的制备方法制得的碳点的结构和发光性质具有较大差异，主要是因为掺杂原子的种类、含量和官能团结构显著影响碳点的荧光性质。相比钝化包裹的碳点，掺杂的碳点具有更多的功能基团可直接和目标物作用，实现碳点作为荧光传感器的特异性检测。
由于碳点本身官能团的种类有限，其在一定程度上限制了碳点的应用范围。将碳点材料和分子印迹技术结合可以有效增强基于碳点的荧光传感器的特异性识别能力，扩大其作为荧光传感器的应用范围。同时由于量子点表面印迹层的形成可极大提高量子点荧光的稳定性。Liu等人利用原位水热合成的方法制备了碳点印迹聚合物材料，并成功应用于双酚A的荧光特异性检测(Liu G,Chen Z,Jiang X,et al.In-situ hydrothermal synthesisof molecularly imprinted polymers coated carbon dots for fluorescentdetection of bisphenol A[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2016,228:302-307.)。但是，制备碳点印迹传感器时，传统的印迹方法会造成量子点被印迹层包埋过深导致荧光强度减弱甚至消失，同时由于量子点和目标分子特异性吸附位点的包埋导致传质速率低。表面印迹技术能很好的解决这个问题，选择合适的基材制备的碳点印迹聚合物的聚合层厚度可控且活性位点靠近基材表面，能够保证碳点荧光的稳定性和检测过程较快的传质速率。氧化石墨烯(GO)是一种二维纳米材料，具有大的比表面积、良好的机械性能和稳定性，其表面丰富的含氧官能团可在印迹过程中参与反应，能够使印迹层均匀在覆盖在其表面，是一种优良的表面印迹基质材料。
4-硝基苯酚(4-NP)是一种硝基芳香族化合物，具有急性毒性、高致癌性、低生物降解性和环境积聚性，容易在动植物体内富集，通过食物链危害人体健康。因此监测环境和食品中的4-NP的含量，对于保证人类健康安全具有重要意义。目前常用的4-NP检测方法有色谱法和光谱法，但是其对于复杂样品预处理过程较为复杂且要求一定的仪器操作技能。因此，开发一种快速、简单、灵敏检测4-NP的方法很有必要。荧光传感器可有效应用于4-NP的荧光特异性检测。Zhou等人制备了硅球包覆的石墨烯量子点和印迹聚合物的复合材料用于4-硝基苯酚的检测(Zhou Y,Qu Z,Zeng Y,et al.A novel composite of graphenequantum dots and molecularly imprinted polymer for fluorescent detection ofparanitrophenol[J].Biosensors and Bioelectronics,2014,52:317-323.)。到目前为止，氮掺杂碳点的表面印迹传感器应用于4-NP的检测还未有报道。
基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器为简单、快速、高灵敏检测食品和环境中4-NP的含量提供了一类新方法。
发明内容
本发明提供一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法及应用。
本发明采用的技术方案是：首先选取柠檬酸铵和乙二胺为碳源和氮源，制备出具有优良荧光性质的氮掺杂碳点(NCDs)。再选取氧化石墨烯(GO)为基质材料，4-硝基苯酚(4-NP)为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体合成了一种新型掺氮碳点表面分子印迹荧光传感器(4-NP-MIP)。最后将其应用于溶液中4-硝基苯酚的检测，考察该荧光传感器对4-NP的特异性识别和检测能力。随着4-NP浓度的增加，4-NP-MIP的荧光逐渐减弱，根据荧光强度的变化可以定量得出4-NP的含量。该荧光传感器具有良好的稳定性，对于4-NP的荧光检测快速灵敏，能够应用于复杂样品中4-NP的特异性检测，在环境和食品中4-NP的监控和检测方面具有良好的应用价值和前景。
一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)氮掺杂碳点NCDs的制备：
在聚四氟乙烯高压反应釜中，加入柠檬酸铵，乙二胺，和去离子水，水热反应结束后，冷却至室温，将所得溶液利用0.22um的聚四氟乙烯滤膜抽滤，得滤液，使用3500Da的渗析袋渗析滤液，真空冷冻干燥后，制得氮掺杂碳点NCDs；
(2)基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器4-NP-MIP的制备：
将GO用乙醇进行超声分散后，加入4-硝基苯酚(4-NP)，甲基丙烯酸MAA；再加入NCDs的乙醇溶液，进行自组装，搅拌过夜，将反应溶液转入到恒温水浴中，加入EGDMA和AIBN，氮气氛围中引发聚合反应，反应结束后用乙醇洗涤产物，真空干燥；
(3)将步骤(2)得到的产物用甲醇/乙酸混合溶液进行索氏萃取洗涤，洗脱模板剂4-NP，真空干燥后，即为4-硝基苯酚表面分子印迹荧光传感器4-NP-MIP。
步骤(1)中，使用柠檬酸铵和乙二胺为碳源和氮源，所述的柠檬酸铵、乙二胺、去离子水的用量比例为：8mmol:1～4mL:10mL。
步骤(1)中，所述的水热反应温度为120～200℃，水热反应的时间为4～6h；渗析袋渗析滤液的时间为24h。
步骤(2)中，所述的NCDs的印迹聚合反应以GO为印迹基材，MAA为功能单体，4-NP为模板剂，EGDMA为交联剂，AIBN为引发剂；
所述GO和乙醇的用量比例为50mg：25mL；超声时间为30min；
所述GO、4-NP、MAA和NCDs的用量比为：50mg:3.0mmol:5～15mmol:10～20mL；
所述EGDMA和AIBN的用量比例为：1mmol：4～6mg。
步骤(2)中，所述聚合反应的温度为55～65℃，聚合时间为4-8h。
步骤(3)中，所述的混合溶液中甲醇和乙酸的体积比为4:1。
本发明得到的4-硝基苯酚表面分子印迹荧光传感器4-NP-MIP，最佳激发波长为Ex＝400nm,最佳发射波长为Em＝470nm。
本发明所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器用于检测4-硝基苯酚的用途，检测的线性范围为5～40umol/L。使用方法为：
量取制备好的4-NP-MIP荧光传感器溶液10mL，再加入4-NP溶液以0.1mol/L HCl或0.1mol/L NH3·H2O溶液调pH为7.0并混合定容，使得4-NP浓度范围为0～40umol/L，40min后，检测该荧光传感器在激发波长为Ex＝400nm时的发射波长和荧光强度，荧光发射波长位置基本不变，荧光强度减弱，4-NP猝灭了该荧光传感器的荧光。
本发明的有益效果在于：
本发明以制备的是一种新型的基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹传感器，其对4-NP具有特异性识别和检测能力。随着4-NP浓度的增加，4-NP-MIP的荧光逐渐减弱，根据荧光强度的变化可以定量得出4-NP的含量。该荧光传感器具有良好的稳定性，对于4-NP的荧光检测快速灵敏，能够应用于复杂样品中4-NP的特异性检测，在环境和食品中4-NP的监控和检测方面具有良好的应用价值和前景。这为快速高效检测4-NP的含量提供了一种新方法。
附图说明
图1:图1(a)和图1(b)分别是氮掺杂碳点和的基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹传感器透射电镜图；由图1(a)和图1(b)可知，氮掺杂碳点尺寸均匀，4-NP-MIP印迹传感器中包裹NCDs的印迹层结构很好的连接在GO表面。
图2为4-NP-MIP检测4-NP时荧光强度的变化和线性范围。由图2可知，随着4-NP浓度的增加，4-NP-MIP的荧光逐渐减弱，线性范围为5～40umol/L。
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)氮掺杂碳点(NCDs)的制备
在50mL聚四氟乙烯高压反应釜中，加入8.0mmol柠檬酸铵，2mL乙二胺，和10mL去离子水，在160℃下反应4h，冷却至室温。将所得溶液利用0.22um的聚四氟乙烯滤膜抽滤，得滤液。使用3500Da的渗析袋渗析滤液24h，真空冷冻干燥后制得氮掺杂碳点(NCDs)。
(2)基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器(4-NP-MIP)的制备
100mL三口烧瓶，加入先前合成的50mg GO，25mL乙醇进行超声分散。30min后加入3.0mmol 4-硝基苯酚(4-NP)，10mmol甲基丙烯酸(MAA)，10mL NCQDs的乙醇溶液(50mg/L)，进行自组装，搅拌过夜。将上述反应溶液转入到恒温水浴中，加入1mmol EGDMA和4mg AIBN，60℃氮气氛中引发聚合，聚合6h后用乙醇洗涤产物，真空干燥。用甲醇/乙酸(v:v，4:1)混合溶液进行索氏萃取洗涤，真空干燥后即为4-硝基苯酚表面分子印迹荧光传感器(4-NP-MIP)。
(3)荧光测试
将制备的500mg/L的4-NP-MIP溶液进行荧光光谱测试，得到的最佳激发波长为Ex＝400nm,最佳发射波长为Em＝470nm。
(4)4-NP的检测
量取制备好的4-NP-MIP荧光传感器溶液10mL，再加入市售生菜预处理以后的溶液，以0.1mol/L HCl和0.1mol/LNH3·H2O溶液调pH为7.0，混合均匀40min后，检测该荧光传感器在激发波长为Ex＝400nm时的发射波长和荧光强度，荧光发射波长位置基本不变，荧光强度减弱，说明市售生菜中含有4-NP能够猝灭该荧光传感器的荧光，浓度为7.2umol/L。
实施例2：
(1)氮掺杂碳点(NCDs)的制备
在50mL聚四氟乙烯高压反应釜中，加入8.0mmol柠檬酸铵，4mL乙二胺，和10mL去离子水，在200℃下反应6h，冷却至室温。将所得溶液利用0.22um的聚四氟乙烯滤膜抽滤，得滤液。使用3500Da的渗析袋渗析滤液24h，真空冷冻干燥后制得氮掺杂碳点(NCDs)。
(2)基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器(4-NP-MIP)的制备
100mL三口烧瓶，加入先前合成的50mg GO，25mL乙醇进行超声分散。30min后加入3.0mmol 4-硝基苯酚(4-NP)，15mmol甲基丙烯酸(MAA)，20mL NCQDs的乙醇溶液(50mg/L)，进行自组装，搅拌过夜。将上述反应溶液转入到恒温水浴中，加入1mmol EGDMA和6mg AIBN，65℃氮气氛中引发聚合，聚合8h后用乙醇洗涤产物，真空干燥。用甲醇/乙酸(v:v，4:1)混合溶液进行索氏萃取洗涤，真空干燥后即为4-NP表面分子印迹荧光传感器(4-NP-MIP)。
(3)荧光测试
将制备的500mg/L的4-NP-MIP溶液进行荧光光谱测试，得到的最佳激发波长为Ex＝400nm,最佳发射波长为Em＝472nm。
(4)4-NP的检测
量取制备好的4-NP-MIP荧光传感器溶液10mL，再加入市售青菜预处理以后的溶液，以0.1mol/L HCl和0.1mol/LNH3·H2O溶液调pH为7.0，混合均匀40min后，检测该荧光传感器在激发波长为Ex＝400nm时的发射波长和荧光强度，荧光发射波长位置基本不变，荧光强度减弱，说明市售青菜中含有4-NP能够该荧光传感器的荧光，浓度为10.1umol/L。

Claims (9)

1.一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)氮掺杂碳点NCDs的制备：
在聚四氟乙烯高压反应釜中，加入柠檬酸铵，乙二胺，和去离子水，水热反应结束后，冷却至室温，将所得溶液利用0.22um的聚四氟乙烯滤膜抽滤，得滤液，使用3500Da的渗析袋渗析滤液，真空冷冻干燥后，制得氮掺杂碳点NCDs；
(2)基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器4-NP-MIP的制备：
将GO用乙醇进行超声分散后，加入4-硝基苯酚(4-NP)，甲基丙烯酸MAA；再加入NCDs的乙醇溶液，进行自组装，搅拌过夜，将反应溶液转入到恒温水浴中，加入EGDMA和AIBN，氮气氛围中引发聚合反应，反应结束后用乙醇洗涤产物，真空干燥；
(3)将步骤(2)得到的产物用甲醇/乙酸混合溶液进行索氏萃取洗涤，洗脱模板剂4-NP，真空干燥后，即为4-硝基苯酚表面分子印迹荧光传感器4-NP-MIP。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，使用柠檬酸铵和乙二胺为碳源和氮源，所述的柠檬酸铵、乙二胺、去离子水的用量比例为：8mmol:1～4mL:10mL。
3.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的水热反应温度为120～200℃，水热反应的时间为4～6h；渗析袋渗析滤液的时间为24h。
4.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的NCDs的印迹聚合反应以GO为印迹基材，MAA为功能单体，4-NP为模板剂，EGDMA为交联剂，AIBN为引发剂；
所述GO和乙醇的用量比例为50mg：25mL；超声时间为30min；
所述GO、4-NP、MAA和NCDs的用量比为：50mg:3.0mmol:5～15mmol:10～20mL；
所述EGDMA和AIBN的用量比例为：1mmol：4～6mg。
5.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述聚合反应的温度为55～65℃，聚合时间为4-8h。
6.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的混合溶液中甲醇和乙酸的体积比为4:1。
7.一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器，其特征在于，是通过权利要求1～6所述制备方法制得的，得到的4-硝基苯酚表面分子印迹荧光传感器4-NP-MIP，最佳激发波长为Ex＝400nm,最佳发射波长为Em＝470nm。
8.将权利要求7所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器用于检测4-硝基苯酚的用途，检测的线性范围为5～40umol/L。
9.将权利要求8所述的一种基于氧化石墨烯的氮掺杂碳点的表面印迹荧光传感器用于检测4-硝基苯酚的用途，其特征在于，所述使用方法为：
量取制备好的4-NP-MIP荧光传感器溶液10mL，再加入4-NP溶液以0.1mol/L HCl或0.1mol/L NH3·H2O溶液调pH为7.0并混合定容，使得4-NP浓度范围为0～40umol/L，40min后，检测该荧光传感器在激发波长为Ex＝400nm时的发射波长和荧光强度，荧光发射波长位置基本不变，荧光强度减弱，4-NP猝灭了该荧光传感器的荧光。
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