CN110082328A - 一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种检测氯霉素的碳量子点‑分子印迹荧光传感器材料及其制备方法和应用。将碳量子点作为荧光载体，以分子印迹膜为富集容器，合成核壳式结构的荧光分子印迹材料，可实现对氯霉素的特异性检测。采用反相微乳法，首先构建反相微乳体系，在水相中以氯霉素为模板分子，以碳量子点为载体在其表面合成分子印迹膜。所制备的材料为纳米级的微球，具有优秀的水‑分散性以及稳定性。其对目标物质氯霉素具有良好的灵敏度，检测速度快，特异选择性强，化学稳定性强，成本低，在氯霉素的检测中有良好应用前景。

Description

一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料及其 制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料及其制备方法和应用，属于荧光传感器材料制备以及食品安全检测方法技术领域。
背景技术
作为一种具有强大抑菌能力的广谱抗生素，氯霉素一直以来应用十分广泛的，但是由于其严重的毒副作用，如骨髓造血功能抑制毒性，遗传毒性，灰婴综合征等，成为了第一个被禁止在可食用动物中使用的抗生素。确定食品中氯霉素的难度在于具有复杂基质的各种样品中1～10μg/kg的极低浓度。因此，涉及氯霉素监测的分析需要新颖，快速和准确的清理和富集方法。
传统的氯霉素检测法有微生物学法、色谱分析法、分光光度法、酶联免疫分析法等。这些方法中，某些方法耗时较长或是耗费有机试剂较多，一些方法具有假阳性或是灵敏度不够高，另一些方法则是成本较高等，因此，开出灵敏准确、快速切实的氯霉素检测方法是十分必要的。
目前已有一些基于分子印迹聚合物的氯霉素检测方法报道。早期对分子印迹聚合物的应用大多与HPLC相结合，可作为萃取小柱简化前处理过程，但是结合HPLC通常需要较长的分析时间，且HPLC自身具有设备体积大、耗费有机试剂多、不环保等缺点。因此研究者们将目光转向其他简易轻巧便携的仪器，研究开发更有现实价值意义的氯霉素检测新方法，例如将分子印迹聚合物结合光学元件构造荧光传感器。量子点是近年来较为热点的新型零维纳米材料，具有荧光可调、宽激发窄发射、抗光漂白、检测灵敏度高等优点，因此在生化传感领域显示了巨大的应用价值和开发潜力。然而，常见的金属量子点如CdSe、CdTe等由于含有较高毒性的重金属，且在使用过程中可能出现重金属离子泄漏而导致环境污染的问题，因此其虽有优异的光学性能，却因为这些不可避免的缺陷而成为环境不友好、生物不友好的材料。在氯霉素的检测中，已有结合金属量子点与分子印迹聚合物的荧光传感器被报道，制备的材料有较好的检测灵敏度，但是响应速度较慢，需15min，且CdTe量子点具有毒性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明开发了一种以碳量子点为荧光探针以分子印迹膜为富集容器的可特异性检测氯霉素的新型荧光传感器。碳量子点具有绿色合成，无毒无害的优点，是金属量子点的绿色替代品。所制备的荧光传感器具有优秀的水-分散性以及稳定性，对目标物质氯霉素具有高选择性，适用于复杂食品基质中氯霉素残留的快速灵敏检测。
本发明的技术方案：
一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料，该碳量子点-分子印迹荧光传感器材料结合具有特异识别与富集功能的分子印迹聚合物及荧光灵敏环保无毒的碳量子点；碳量子点是氮元素掺杂的，传感器是通过反相微乳法以碳量子点为载体在其表面合成分子印迹膜，随后将模板分子氯霉素洗脱制备获得的。
一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，步骤如下：
1)通过一步水热法合成氮元素掺杂的碳量子点。以柠檬酸为碳源，尿素为氮源，超声溶解后密封到反应釜里并进行高温加热。冷却后加入丙酮破乳，离心获得沉淀并进行真空干燥，获得固体的碳量子点；其中，柠檬酸与尿素的摩尔比为1:3；
所述高温加热的温度为160℃，时间为4h。
2)构建反相微乳体系。将油相环己烷、助表面活性剂正己醇、表面活性剂曲拉通X-100按比例混合，磁力搅拌20min。加入1mg/mL的碳量子点溶液并搅拌20min，其中，环己烷、正己醇、曲拉通X-100、碳量子点溶液的体积比为7.5:1.8:1.77:1；
所述磁力搅拌的速度为800r/min。
3)将3-氨丙基三乙氧基硅烷与氯霉素混合，并于4℃下预聚合2h，其中，3-氨丙基三乙氧基硅烷与氯霉素的摩尔比为5:1，得到预聚合溶液。
4)在步骤(2)所述体系中，加入交联剂四乙氧基硅烷和催化剂氨水并搅拌2h。然后加入步骤(3)所述的预聚合溶液，搅拌24h，其中，每添加1mL碳量子点溶液，需要添加0.2mmol3-氨丙基三乙氧基硅烷、0.04mmol氯霉素、0.8mmol四乙氧基硅烷和60μL氨水。最后，加入丙酮，离心收集碳量子点-分子印迹聚合物前驱体沉淀。
5)用甲醇-乙酸混合溶剂超声萃取聚合物中的模板分子氯霉素，直到在UV-Vis下在274nm处检测不到模板分子氯霉素。
6)最后将制备的碳量子点-分子印迹材料于60℃真空干燥，得到碳量子点-分子印迹荧光传感器材料。
所述碳量子点的粒径为2～5nm，所述碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的粒径为5～15nm。
碳量子点-分子印迹荧光传感器在氯霉素检测中的应用：
(A)设置荧光检测条件为激发波长330nm，激发与发射的狭缝宽度为10nm。
(B)配制100μg/mL的传感器材料的水-分散液，将经过前处理的氯霉素待测样本与100μg/mL的传感器材料按1:1体积比混合，5min后进行荧光检测。
碳量子点-分子印迹荧光传感器可用于复杂食品基质中氯霉素的分离、富集与荧光定量检测。
本发明的有益效果：
1)本发明综合并且充分利用了分子印迹聚合物与碳量子点的各自的独特性能。相比单独的分子印迹聚合物而言，本发明具有荧光检测探针可实现目标物的检测；相比单独的碳量子点而言，本发明有优秀的复杂体系中对目标物的富集作用，能够实现低浓度目标物的定量检测；相比金属量子点-分子印迹聚合材料而言，利用碳量子点替代金属量子点则对环境更为友好。
2)本发明制备的碳点-分子印迹荧光传感器具有优秀的水-分散性以及稳定性，其对目标物质氯霉素具有良好的灵敏度以及高选择特异性，能够实现食品体系中痕量氯霉素的快速、灵敏的检测。
3)传感器材料机械强度高，化学稳定性强，可重复利用，成本低，在食品体系检测中有较好的应用潜力。
附图说明
图1为碳量子点与碳量子点-分子印迹荧光传感器的透射电镜图，其中，A、B为碳量子点透射电镜图，C、D为碳量子点-分子印迹荧光传感器的透射电镜图。
图2为碳量子点与碳量子点-分子印迹荧光传感器在不同激发波长下的荧光发射光谱，其中，(a)为碳量子点，(b)为碳量子点-分子印迹荧光传感器。
图3为本发明所述碳量子点-分子印迹荧光传感器与其对照物碳量子点-分子非印迹荧光聚合物对氯霉素及其他抗生素的选择性吸附结果
具体实施方案
下面是对本发明进行具体描述。
实施例1碳量子点-分子印迹荧光传感器的制备
1、氮掺杂碳量子点的制备
在20mL水中加入12mmol尿素与4mmol柠檬酸，超声溶解后密封到50mL的反应釜里，再于160℃的高温下加热4h。冷却后加入适量的丙酮破乳，于5000r/min下离心5min，将沉淀真空干燥后获得固体的碳量子点。
2、基于碳量子点的分子印迹荧光传感器的合成
在100mL具塞三角瓶中依次加入7.50mL环己烷，1.80mL正己醇与1.77mL曲拉通X-100，在800r/min的速度下磁力搅拌20min。加入1mL的1mg/mL的碳量子点溶液并搅拌20min。加入0.80mmol四乙氧基硅烷和60μL的氨水并搅拌2h。加入已于4℃下保持2h的0.20mmol 3-氨丙基三乙氧基硅烷和0.04mmol氯霉素组成的预聚合溶液。搅拌24h后，加入10mL丙酮，离心收集沉淀。用甲醇-乙酸混合溶剂超声洗涤聚合物直到在UV-Vis下在274nm处检测不到模板分子氯霉素。最后将制备的传感器材料于60℃真空干燥。
3、对照传感器的制备
作为对照，按照上述步骤2但不添加氯霉素合成碳量子点-非印迹荧光聚合物。
实施例2碳量子点-分子印迹荧光传感器的表征与性能评价
如图1所示，A、B为碳量子点透射电镜图，C、D为碳量子点-分子印迹荧光传感器的透射电镜图。从图1中的A可看出，碳量子点的尺寸约为2～5nm，且具有晶格结构。传感器材料(图1中的C)则尺寸较大约10nm，这是因为在碳量子点表面包裹了分子印迹层的缘故。并且在图1中的D可以看到传感器微球内有颜色较深的一团，此为包裹的碳量子点。在图1中的B可以看到碳量子点呈现出的聚集状态，而图1中的C的传感器材料则表现出了较好的分散性。这是因为碳量子点表面基团间有较强的范德华力易导致聚集，而传感器材料中分子印迹膜的存在能够阻隔碳量子点间的这一作用力，故有相对较好的分散性。
如图2所示，当激发波长由300nm升至350nm时，碳量子点与传感器材料的荧光发射强度均是先升高后降低，并同时在330nm激发时达到最强荧光发射。但过程中，碳量子点的发射波长位置始终为440nm，碳量子点不具有激发波长依赖性；反之传感器材料的发射则随激发波长增大而出现红移现象，即表现出了激发波长依赖性。这说明了传感器材料的光学性质确实来自于碳量子点，却又因为结合了分子印迹膜而表现出差异。
如图3所示，展示了碳量子点-分子印迹荧光传感器材料对氯霉素的特异选择性。可以看到氯霉素对传感器的猝灭率为其他抗生素的5倍以上，并且各抗生素对分子印迹荧光传感器的猝灭效果远强于非印迹荧光聚合物。
实施例3碳量子点-分子印迹荧光传感器在氯霉素检测中的应用
荧光测量实验的设置为：激发波长330nm，激发和发射的狭缝宽度为10nm。配制100μg/mL的传感器材料的水-分散液，将分散液与氯霉素标准品溶液或样品溶液1:1体积比混合，静置5min后进行荧光测量。
结果表明传感器材料的荧光猝灭遵循Stern-Volmer方程，即F0/F＝Ksv·[Q]+1，其中F0与F分别为猝灭剂即氯霉素不存在和存在时体系的荧光强度；F0/F为相对荧光强度；[Q]为猝灭剂浓度；Ksv是荧光猝灭常数。可看到，荧光强度随氯霉素浓度的增加而逐渐降低。当氯霉素浓度在0～1.25×102μmol/L范围内，其与相对荧光强度F0/F之间存在两种线性关系。浓度1.50×10-3～1.50×10-2μmol/L时线性回归方程为F0/F＝5.510C+1.021(R2＝0.9969)；浓度1.50×10-2～1.25×102μmol/L时线性回归方程为F0/F＝0.002C+1.118(R2＝0.9661)。这一现象的原因在于材料颗粒的大小以及印迹空腔尺寸的不均一。通常，食品样品中所含的氯霉素浓度较低，因此氯霉素较低浓度时得到的线性回归方程方程更适于实际应用。根据3σ/Ksv(n＝9)标准计算检测限，其中Ksv是线性校准的斜率，σ是空白信号的标准偏差。基于低浓度的线性方程计算，检测限为12.83nmol/L，并且9次重复检测空白样品精密度为2.55％。
利用传感器对鲫鱼中的氯霉素进行荧光检测，以期进一步研究其实际应用价值。在鱼样品中加入浓度范围为0.5～5.0μg/L的氯霉素进行回收实验，加标回收率在90.02％～102.53％之间，并且相对偏差小于6％，表明荧光传感器可有效评估低浓度的氯霉素，具有实际应用价值。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)通过一步水热法合成氮元素掺杂的碳量子点：以柠檬酸为碳源，尿素为氮源，超声溶解后密封到反应釜里并进行高温加热；冷却后加入丙酮破乳，离心获得沉淀并进行真空干燥，获得固体的碳量子点；其中，柠檬酸与尿素的摩尔比为1:3；
2)构建反相微乳体系：将油相环己烷、助表面活性剂正己醇、表面活性剂曲拉通X-100按比例混合，磁力搅拌20min；加入1mg/mL的碳量子点溶液并搅拌20min，其中，环己烷、正己醇、曲拉通X-100、碳量子点溶液的体积比为7.5:1.8:1.77:1；
3)将3-氨丙基三乙氧基硅烷与氯霉素混合，并于4℃下预聚合2h，其中，3-氨丙基三乙氧基硅烷与氯霉素的摩尔比为5:1；
4)在步骤(2)所述体系中，加入交联剂四乙氧基硅烷和催化剂氨水并搅拌2h；然后加入步骤(3)所述的预聚合溶液，搅拌24h，其中，每添加1mL碳量子点溶液，需要添加0.2mmol3-氨丙基三乙氧基硅烷、0.04mmol氯霉素、0.8mmol四乙氧基硅烷和60μL氨水；最后，加入丙酮，离心收集碳量子点-分子印迹聚合物前驱体沉淀；
5)用甲醇-乙酸混合溶剂超声萃取聚合物中的模板分子氯霉素，直到在UV-Vis下在274nm处检测不到模板分子氯霉素；
6)最后将制备的碳量子点-分子印迹材料于60℃真空干燥，得到碳量子点-分子印迹荧光传感器材料。
2.根据权利要求1所述的一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，其特征在于，所述碳量子点的粒径为2～5nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，其特征在于，所述碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的粒径为5～15nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，高温加热的温度为160℃，时间为4h。
5.根据权利要求3所述的一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，高温加热的温度为160℃，时间为4h。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，磁力搅拌的速度为800r/min。
7.根据权利要求4所述的一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，磁力搅拌的速度为800r/min。
8.一种检测氯霉素的碳量子点-分子印迹荧光传感器材料，其特征在于，该碳量子点-分子印迹荧光传感器材料结合具有特异识别与富集功能的分子印迹聚合物及荧光灵敏环保无毒的碳量子点；碳量子点是氮元素掺杂的，传感器是通过反相微乳法以碳量子点为载体在其表面合成分子印迹膜，随后将模板分子氯霉素洗脱制备获得的。
9.权利要求1-7任一所述的制备方法制得的碳量子点-分子印迹荧光传感器在氯霉素检测中的应用，其特征在于，
(A)设置荧光检测条件为激发波长330nm，激发与发射的狭缝宽度为10nm，
(B)配制100μg/mL的传感器材料的水-分散液，将经过前处理的氯霉素待测样本与100μg/mL的传感器材料按1:1体积比混合，5min后进行荧光检测。
10.根据权利要求9所述的碳量子点-分子印迹荧光传感器在氯霉素检测中的应用，其特征在于，碳量子点-分子印迹荧光传感器用于复杂食品基质中氯霉素的分离、富集与荧光定量检测。
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