CN109239045B - 一种分子印迹比率荧光传感器及制备和应用 - Google Patents

一种分子印迹比率荧光传感器及制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于化学、材料以及食品安全领域，涉及一种分子印迹比率荧光传感器及其制备方法和应用。传感器为通过溶胶‑凝胶聚合进行分子印迹，单组分双荧光发射碲化镉/8‑羟基喹啉锌纳米粒子为提供荧光信号，洗脱亮蓝后的空穴为识别位点，洗脱掉十六烷基三甲基溴化铵后形成介孔结构，得到的介孔结构的亮蓝印迹微球，即基于单组分双荧光发射纳米粒子的分子印迹比率荧光传感器。本发明方法制备得到的传感器能够高选择、高灵敏地检测亮蓝，且提供颜色演变与自校正功能。此外，通过有效调节传感器的发射波长，可更广泛地应用于各种有色物质的检测。

Description

一种分子印迹比率荧光传感器及制备和应用
技术领域
本发明涉及化学、材料以及食品检测技术领域，具体涉及一种分子印迹比率荧光传感器及制备和应用。
背景技术
着色剂长期用于食品工业，以赋予食品色泽和改善食品色泽为主要目的，增加食品的感官吸引力。相比于食品天然着色剂，食品合成着色剂具有更高的物理、化学稳定性，物美价廉。但是，长期过量摄入合成着色剂会对消费者的身体健康造成影响，可能引起中毒、过敏、哮喘甚至是致癌现象；对年幼儿童的行为也会造成影响，如多动症。随着人们食品安全意识的提高，发展能够快速、便捷、可靠地检测食物中合成着色剂含量的方法迫在眉睫。
分子印迹技术可用于制备具有特异性识别位点的聚合物即分子印迹聚合物（MIPs），MIPs的物理、化学稳定性以及价格廉价性远远优于抗体类同样具有特异性识别功能的物质。荧光检测方法具有高灵敏度的优势，有利于痕量物质浓度的检测。随着分子印迹技术以及荧光检测方法近年来的快速发展，我们期望制备分子印迹荧光传感器，结合二者的高特异性和高灵敏性，将其应用于复杂食品基质中合成着色剂含量的快速检测。目前，分子印迹荧光传感器中主要存在两点不足：（1）荧光检测具有不稳定性，会受到各种目标物不相关的因素干扰而导致数据失真，例如背景荧光、仪器波动等；（2）传统的分子印迹荧光传感器只具有一个发射峰，检测目标物时往往只能够改变荧光强度，视觉上局限于明暗变化，而不能够提供更直接的颜色变化。
比率荧光法是通过测量两个不同发射波长处的荧光强度，以其比值为信号参量来测定目标物的分析方法。分子印迹比率荧光传感器往往在同一激发波长下发射响应荧光信号和参比荧光信号，其中，响应荧光信号根据目标物浓度变化而变化，用以定量测定目标物浓度；参比荧光信号提供自校正功能，可降低或消除目标物不相关的因素的干扰。此外，通过两处发射峰强度不同程度的变化，往往能够产生荧光颜色的变化，因此将在分子印迹应用中使得目视检测成为一种可能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种分子印迹比率荧光传感器及制备和用于检测合成食用色素亮蓝的应用。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种分子印迹比率荧光传感器，传感器为通过溶胶-凝胶聚合进行分子印迹，单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌（CdTe/ZnQ2）纳米粒子为提供荧光信号，洗脱亮蓝后的空穴为识别位点，洗脱掉十六烷基三甲基溴化铵后形成介孔结构，得到的介孔结构的亮蓝印迹微球，即基于单组分双荧光发射纳米粒子的分子印迹比率荧光传感器。
所述单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子为于CdTe量子点表面生成ZnS壳层，通过8-羟基喹啉和Zn离子的螯合作用在ZnS壳层生成具有荧光性质的8-羟基喹啉锌（ZnQ2）复合物CdTe/ZnQ2。
所得传感器具有双荧光发射，发射范围分别为500-520nm和620-640nm。
所述单组分双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子为向氯化锌和谷胱甘肽的混合水溶液中加入CdTe量子点，搅拌均匀后，在pH 8-10条件下，90-110℃反应5-50分钟，反应后加入8-羟基喹啉乙醇溶液，搅拌10-20分钟，得到单组分双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子。
一种分子印迹比率荧光传感器的制备方法，向双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子溶液中加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和亮蓝，搅拌1-2小时，混匀后加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、氢氧化钠、正硅酸乙酯(TEOS)和氨水在黑暗环境下进行溶胶-凝胶聚合反应10-12小时，反应后将产物用离心法沉淀，弃上清液，沉淀洗涤，得到基于单组分双荧光发射纳米粒子的介孔结构的亮蓝印迹比率荧光传感器。
进一步的说，在CdTe量子点表面生成ZnS壳层，通过8-羟基喹啉和Zn离子的螯合作用在ZnS壳层生成具有荧光性质的8-羟基喹啉锌（ZnQ2）复合物，即得到双荧光发射纳米粒子。再以亮蓝和CTAB分别为识别位点和介孔结构的模板，通过溶胶-凝胶聚合以及后续的模板洗脱过程制备得到具有介孔结构的亮蓝印迹比率荧光传感器。在目标物亮蓝的检测过程中，位于该传感器中的识别位点能够特异性地识别和结合目标物。
优选的，所述溶胶-凝胶聚合反应体系总体积控制在18-22mL；其中，双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子溶液、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、亮蓝、十六烷基三甲基溴化铵、氢氧化钠、正硅酸乙酯和氨水用量分别为14-15 mL、50-100μL，3-5mg，0.1-0.2 mmol，0.01-0.03mmol，150-200μL和150-200μL。
优选的，所述单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子为于CdTe量子点表面生成ZnS壳层，通过8-羟基喹啉和Zn离子的螯合作用在ZnS壳层生成具有荧光性质的8-羟基喹啉锌复合物CdTe/ZnQ2。
优选的，所述单组分双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子为向氯化锌和谷胱甘肽的混合水溶液中加入CdTe量子点，搅拌均匀后，在pH 8-10条件下，90-110℃反应5-50分钟，反应后加入8-羟基喹啉乙醇溶液，搅拌10-20分钟，得到单组分双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子。
优选的，所述氯化锌和谷胱甘肽的混合水溶液的总体积为20-30 mL；其中，氯化锌终浓度为0.5-1.5 mmol/L，谷胱甘肽终浓度为3-5 mmol/L；
所述CdTe量子点在365nm波长激发下发红色荧光，用量为7-10mL；
所述CdTe/ZnS量子点溶液用量为12-15mL；
所述8-羟基喹啉乙醇溶液浓度为5-35 mmol/L，用量为40-60μL。
一种分子印迹比率荧光传感器的应用，所述传感器在检测合成着色剂亮蓝中的应用。
所述传感器于待检测液中，传感器内的CdTe量子点部分作为响应荧光信号，而ZnQ2复合物作为参比荧光信号，通过两处发射峰强度不同程度的变化，产生荧光颜色的变化实现对待测液中亮蓝的可视化检测。
所述传感器内的CdTe量子点部分作为响应荧光信号，其荧光强度随着亮蓝重结合程度（取决于亮蓝的浓度）的增高而降低；而ZnQ2复合物作为参比荧光信号，其荧光强度基本保持不变，从而实现对亮蓝的比率测定，且提供荧光颜色变化。
本发明传感器检测亮蓝的机理在于通过荧光共振能量转移猝灭红色荧光；而与绿色荧光物质不发生作用，荧光强度不变；所采用的基于荧光共振能量转移的传感器，能够通过调节碲化镉量子点的发射波长，而适用于广泛的有色物质的检测。
本发明的有益效果为：
1）本发明首次将双荧光发射纳米粒子CdTe/ZnQ2用于分子印迹比率荧光传感器中，其中，提供双荧光信号的为CdTe/ZnQ2，其是一种单组分双发射荧光纳米粒子，直接在CdTe/ZnS表面螯合8-羟基喹啉，进而将获得的传感器用于食品着色剂亮蓝的检测；
2）本发明制备过程通过溶胶-凝胶法制备比率荧光印迹传感器，在室温，弱碱性的温和条件下反应过夜即可得到产物，进而具有结构预定性、识别选择性以及广谱实用性的分子印迹传感器；
3）本发明传感器通过印迹位点对亮蓝的识别特异性可以选择性地识别、重结合亮蓝，进而通过荧光共振能量转移猝灭红色荧光，而与绿色荧光物质没有发生反应，使得其荧光强度保持不变；进一步的说在检测中碲化镉（CdTe）和8-羟基喹啉锌（ZnQ2）部分可分别发射红色和绿色荧光，前者作为响应荧光信号，后者作为参比荧光信号，CdTe的发射峰位置最大程度地与亮蓝的吸收光谱重叠，随着亮蓝浓度的增大，红色荧光逐渐猝灭，而绿色荧光强度基本保持不变，从而使荧光颜色从橙色逐渐变为绿色实现可视化检测亮蓝；
4）本发明通过一步法构建具有介孔结构的传感器，互通的介孔可以提高比表面积，使得目标分子可以更好地接触印迹位点，从而提高传感器的灵敏度；
5）本发明传感器充分发挥了分子印迹聚合物高选择性和比率荧光技术高灵敏、抗干扰等优势，建立了一种快捷、方便且可靠的定量方法用于复杂食品中的合成色素亮蓝的检测，且提供颜色演变与自校正功能，同时通过荧光颜色变化提供定性检测，本发明传感器能检测0–5 μmolL-1的亮蓝，检测限低达8.8 nmolL-1；本发明克服了传统的单荧光发射传感器易受干扰等缺点，在食品及其他领域有色物质的检测与控制中具有重要应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提到CdTe/ZnQ2纳米粒子的制备过程示意图；
图2为本发明实施例提到的所述可视化检测亮蓝的分子印迹比率荧光传感器的制备过程示意图；
图3为本发明实施例提到的传感器形貌图；其中，A为CdTe量子点,B为CdTe/ZnS量子点, C为CdTe/ZnQ2双荧光发射纳米粒子,D为本发明亮蓝印迹比率荧光传感器（MIPs），E为非印迹比率荧光传感器(NIPs)；
图4为本发明实施例提到的亮蓝印迹比率荧光传感器（MIPs）在不同MIPs用量和不同pH条件下检测亮蓝荧光强度比值变化图；其中，A为不同MIPs用量，B为不同pH条件；
图5为本发明实施例提到的亮蓝印迹比率荧光传感器（A）、亮蓝印迹单荧光发射传感器（B）和非印迹比率荧光传感器（C）随着亮蓝浓度增大其荧光光谱图的变化图以及两处发射峰强度比值的变化图；
图6为本发明实施例提到的亮蓝印迹比率荧光传感器（MIPs）和非印迹比率荧光传感器（NIPs）对相同浓度不同合成着色剂选择性实验图，其中(A-F)分别为亮蓝、栀子蓝、靛蓝、藻蓝色素、叶绿素铜钠和日落黄。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。
本发明传感器中的碲化镉（CdTe）和8-羟基喹啉锌（ZnQ2）部分可分别发射红色和绿色荧光，前者作为响应荧光信号，后者作为参比荧光信号，用于合成着色剂亮蓝的检测；通过荧光仪（即荧光分光光度计）测定溶液的荧光光谱和给出荧光强度，荧光强度的变化与亮蓝浓度存在对应关系，从而进行亮蓝的定量。当该传感器检测亮蓝时，红色荧光逐渐猝灭，而绿色荧光强度基本保持不变，从而使荧光颜色从橙色逐渐变为绿色用于可视化检测亮蓝。在最优条件下，本发明方法制备得到的传感器能够高选择、高灵敏地检测亮蓝，且提供颜色演变与自校正功能。此外，通过有效调节传感器的发射波长，可更广泛地应用于各种有色物质的检测。
实施例1
如图1和图2所示，一种分子印迹比率荧光传感器的制备方法，步骤如下：
（1）制备双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子：向25 mL氯化锌（1 mmol/L）和谷胱甘肽（4 mmol/L）的混合溶液中加入8 mL CdTe量子点，搅拌均匀后，在pH 8条件下，100℃反应40分钟，得到CdTe/ZnS量子点溶液。取14mL CdTe/ZnS量子点溶液，加入50 μL 8-羟基喹啉乙醇溶液(15 mmol/L)，搅拌15分钟即可得到双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子溶液。
（2）溶胶-凝胶法制备分子印迹比率荧光传感器（MIPs）：向上述CdTe/ZnQ2纳米粒子溶液中加入37 μL APTES和3.2 mg亮蓝，搅拌1小时，然后陆续添加800 μL CTAB (0.2mol/L)、100 μL氢氧化钠(0.2 mol/L)、178 μL TEOS和178 μL氨水，在黑暗环境下反应10-12小时。反应完成后，将产物用离心法沉淀（8000 rpm，5 分钟），弃上清液，用乙醇/乙腈混合液（4/1，v/v）洗脱沉淀物中的亮蓝和CTAB，得到亮蓝印迹比率荧光传感器，烘干备用。
同时，以亮蓝印迹单荧光发射传感器与非印迹比率荧光传感器（NIPs）分别作为对照，亮蓝印迹单荧光发射传感器对照的制备采用上述相同的方法制备，制备过程中仅在印迹过程中用单荧光发射CdTe/ZnS量子点替代双荧光发射CdTe/ZnQ2纳米粒子；非印迹比率荧光传感器（NIPs）对照的制备采用上述相同的方法制备，制备过程中仅在印迹过程中不加模板分子亮蓝。
应用例1
1）分别取100μL 经超纯水对上述实施例获得CdTe量子点、CdTe/ZnS量子点、CdTe/ZnQ2双荧光发射纳米粒子、亮蓝印迹比率荧光传感器（MIPs）和非印迹比率荧光传感器(NIPs)溶液分别进行稀释1000倍，而后分别分散在经过乙醇清洗的铜网上，干燥之后，将载有上述各稀释后物质的铜网用透射电镜进行观察；（参见图3中A-E）
2）分别取100μL 经超纯水对上述实施例获得的亮蓝印迹比率荧光传感器（MIPs）和非印迹比率荧光传感器(NIPs)溶液分别进行稀释100倍的，而后分别分散在经过乙醇清洗的硅片上，干燥之后，将载有上述各稀释后物质的硅片用扫描电镜进行观察。
图3中A-E分别为CdTe量子点、CdTe/ZnS量子点、CdTe/ZnQ2双荧光发射纳米粒子、MIPs和 NIPs的透射电镜图，其中，图3D和图3E中左上的插图为MIPs和NIPs的扫描电镜图；由图可知，CdTe量子点、CdTe/ZnS量子点和CdTe/ZnQ2双荧光发射纳米粒子粒径分别约为2、5和6nm，亮蓝印迹比率荧光传感器（MIPs）和非印迹比率荧光传感器(NIPs)的形貌和粒径相似，平均粒径约为120nm，可见模板分子对传感器的形貌没有很大影响。
应用例2
分别取292、437、583和730μg MIPs超声分散于1mL水和亮蓝水溶液（1μM）中，反应6分钟，然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度。实验结果如图4A所示，在MIPs用量为583μg时荧光猝灭效率值最大，即检测亮蓝的最佳MIPs浓度为583μg/mL，参见图4中A。
配制pH值为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0和9.5等一系列浓度为10mM的PBS缓冲溶液，并用上述配置的不同pH的PBS缓冲溶液配置1μM不同PBS缓冲溶液的亮蓝水溶液，取583μg 上述实施例获得的MIPs超声分散于1mL水和上述配置不同pH的亮蓝水溶液反应6分钟，然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度，计算荧光猝灭效率值（参见图4中B）。如图4中B所示，荧光猝灭效率值随pH值增大而增大，直到为pH值9时达到平衡。该结果表明，检测亮蓝的最佳pH值为9.0。
应用例3
使用pH9、10mM的PBS缓冲溶液配置浓度为0、10、50、100、300、500、750、1000、3000、5000、7500和10000 nM的亮蓝水溶液，将上述实施例获得的MIPs，单荧光发射印迹物和NIPs分别取583μg，并分别超声分散于上述不同浓度的亮蓝水溶液反应6分钟，然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度，参见图5。
如图5中A所示，由于随着亮蓝浓度的增大，MIPs中的CdTe量子点的发射峰强度变弱，而ZnQ2螯合物发射峰强度基本不变，直接导致荧光颜色由先前的橘红色逐渐过渡到橘黄色和黄绿色，最终变成绿色，能够用肉眼看到可区分的、明显的颜色变化，从而可视化检测亮蓝。如图5中B所示，对于单荧光发射MIPs，随着亮蓝浓度的增加CdTe量子点的发射峰强度变弱。由于没有绿色荧光发射峰，该传感器只表现出不明显的红色荧光的强弱变化，不如图5中A颜色变化明显。如图5中C所示，NIPs中的ZnQ2螯合物发射峰强度随着亮蓝浓度的增加依旧基本不变，CdTe量子点的发射峰强度虽然逐渐变弱，但是猝灭程度远远低于MIPs。该结果证明，MIPs中存在特异性结合亮蓝的识别位点而NIPs中没有。
应用例4
分别取583μg上述实施例获得的 MIPs和NIPs，在分别超声分散于1毫升水、亮蓝、栀子蓝、靛蓝、藻蓝色素、叶绿素铜钠和日落黄水溶液（浓度都为11μM），反应6分钟后用荧光仪测定每个样品的荧光强度，观察其荧光覆灭效率值，并计算印迹因子（参见图6）。如图6所示，模板分子亮蓝对MIPs的猝灭效率最大，其他色素造成的猝灭都不明显，这是因为MIPs含有大量对亮蓝特定的识别位点，其它色素因构型、尺寸等与识别位点不匹配，因而很难进入印迹空穴，使得猝灭程度较低。同时，各种色素对NIPs的猝灭程度相当，这是因为NIPs表面没有特异性的识别位点，其对色素的识别仅为非特异性识别。

Claims (10)

1.一种分子印迹比率荧光传感器，其特征在于，传感器为通过溶胶-凝胶聚合进行分子印迹，单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子为提供荧光信号，洗脱亮蓝后的空穴为识别位点，洗脱掉十六烷基三甲基溴化铵后形成介孔结构，得到的介孔结构的亮蓝印迹微球，即基于单组分双荧光发射纳米粒子的分子印迹比率荧光传感器。
2.按权利要求1所述的分子印迹比率荧光传感器，其特征在于，所述单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子为于CdTe量子点表面生成ZnS壳层，通过8-羟基喹啉和Zn离子的螯合作用在ZnS壳层生成具有荧光性质的8-羟基喹啉锌复合物CdTe/ZnQ2。
3.按权利要求1或2所述的分子印迹比率荧光传感器，其特征在于，所述单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子为向氯化锌和谷胱甘肽的混合水溶液中加入CdTe量子点，搅拌均匀后，在pH 8-10条件下，90-110℃反应5-50分钟，反应后加入8-羟基喹啉乙醇溶液，搅拌10-20分钟，得到单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子。
4.一种权利要求1所述的分子印迹比率荧光传感器的制备方法，其特征在于，向双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子溶液中加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷和亮蓝，搅拌1-2小时，混匀后加入十六烷基三甲基溴化铵、氢氧化钠、正硅酸乙酯和氨水在黑暗环境下进行溶胶-凝胶聚合反应10-12小时，反应后将产物用离心法沉淀，弃上清液，沉淀洗涤，得到基于单组分双荧光发射纳米粒子的介孔结构的亮蓝印迹比率荧光传感器。
5.按权利要求4所述的分子印迹比率荧光传感器的制备方法，其特性在于，所述溶胶-凝胶聚合反应体系总体积控制在18-22mL；其中，双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子溶液、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、亮蓝、十六烷基三甲基溴化铵、氢氧化钠、正硅酸乙酯和氨水用量分别为14-15 mL、50-100μL，3-5mg，0.1-0.2 mmol，0.01-0.03 mmol，150-200μL和150-200μL。
6.按权利要求4所述的分子印迹比率荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子为于CdTe量子点表面生成ZnS壳层，通过8-羟基喹啉和Zn离子的螯合作用在ZnS壳层生成具有荧光性质的8-羟基喹啉锌复合物CdTe/ZnQ2。
7.按权利要求6所述的分子印迹比率荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子为向氯化锌和谷胱甘肽的混合水溶液中加入CdTe量子点，搅拌均匀后，在pH 8-10条件下，90-110℃反应5-50分钟，反应后加入8-羟基喹啉乙醇溶液，搅拌10-20分钟，得到单组分双荧光发射碲化镉/8-羟基喹啉锌纳米粒子。
8.按权利要求7所述的分子印迹比率荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述氯化锌和谷胱甘肽的混合水溶液的总体积为20-30 mL；其中，氯化锌终浓度为0.5-1.5 mmol/L，谷胱甘肽终浓度为3-5 mmol/L；
所述CdTe量子点在365nm波长激发下发红色荧光，用量为7-10mL；
所述CdTe/ZnS量子点溶液用量为12-15mL；
所述8-羟基喹啉乙醇溶液浓度为5-35 mmol/L，用量为40-60μL。
9.一种如权利要求1所述的分子印迹比率荧光传感器的应用，其特征在于，所述传感器在检测合成着色剂亮蓝中的应用。
10.按权利要求9所述的分子印迹比率荧光传感器的应用，其特征在于，所述传感器于待检测液中，传感器内的CdTe量子点部分作为响应荧光信号，而ZnQ2复合物作为参比荧光信号，通过两处发射峰强度不同程度的变化，产生荧光颜色的变化实现对待测检测液中亮蓝的可视化检测。
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