CN110426377A - 分子印迹聚合物材料及制备和在检测肾上腺素方面的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分子印迹聚合物材料及制备和在检测肾上腺素方面的应用，该材料是以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点，结构式为ppy/GQDs@MIPs。制备方法包括以下步骤：(1)制备分散均匀粒径均一的石墨烯量子点；(2)在吡咯聚合成聚吡咯的过程中加入步骤(1)所得的石墨烯量子点与肾上腺素，不断搅拌，用酸洗涤3～5次除去模板分子肾上腺素，再用水洗涤3～5次；制得以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物纳米材料。与现有技术相比，本发明材料具有选择性高、灵敏度强的优点，并且材料本身毒性小，在细胞水平也具有良好的检测效果。

Description

分子印迹聚合物材料及制备和在检测肾上腺素方面的应用

技术领域

本发明属于纳米检测技术领域，具体涉及一种分子印迹聚合物材料的制备及其在检测肾上腺素方面的应用。

背景技术

碳元素是自然界最神奇的元素，在纳米世界里，碳元素的表现也同样令人吃惊。

量子点是一种有趣的纳米材料，其内部电子在各个方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应显著。石墨烯量子点(GQDs)作为新型碳基纳米材料，由于其独特的性能和优势而备受关注。低毒性，良好的荧光性质，化学惰性，优异的光稳定性以及生物相容性，可调的光致发光性质等一些性质使其具有多种生物和化学应用。石墨烯量子点的研究主要集中于石墨烯量子点的化学制备和光学检测方面。石墨烯量子点可用于检测无机离子、有机小分子和大的生物分子。受这点启发，我们可以通过使用合适的前驱体得到具有均匀结构的石墨烯量子点。由于具有独特的平面结构、大的表面积、可调控的表面成分、高的光稳定性、好的生物相容性和低的生物毒性，这些性质使石墨烯量子点可以作为荧光传感平台基于荧光猝灭-恢复荧光机理去检测各种各样的靶标物质。石墨烯量子点是尺寸小于100nm的石墨烯纳米片。由于量子尺寸效应和边缘效应，石墨烯量子点具有许多新颖的物理、化学性质。石墨烯量子点毒性小，生物相容性好，光致发光性能稳定，在化学分析、生物传感及成像上有很好的应用前景。石墨烯量子点具有特殊的结构和独特的光学性质，既有量子点的光学性质又有氧化石墨烯特殊的结构特征。石墨烯量子点的粒径大多在10nm左右，厚度只有0.5到1.0nm，表面含有羟基、羰基、羧基基团，使得其具有良好的水溶性。石墨烯量子点的合成方法不同，尺寸和含氧量不同，紫外可见吸收峰的位置也不同。不同的合成方法使石墨烯量子点的光致发光性质不同，光致发光依赖于尺寸、激发波长、pH以及溶剂等。有些石墨烯量子点还表现了明显的上转换发光特性，石墨烯量子点拥有优越的光致化学发光性能，是检测微量肾上腺素的良好工具。

肾上腺素是一种儿茶酚胺类激素和神经传送体，由肾上腺释放；肾上腺素在中枢神经系统和心血管系统的功能中起着至关重要的作用，并且不同水平的肾上腺素与许多疾病密切相关。在帕金森病患者中发现低水平的肾上腺素，肾上腺素也被用作治疗心肌梗塞和临床应用中的一些过敏反应的药物。在检测肾上腺素的方法中，荧光法因操作简单，污染小，灵敏度高而倍受关注。目前大多用肾上腺素作为印迹分子用于电化学传感器，很少有方法利用GQDs对肾上腺素进行荧光测定。因此，研制一种简单、快速可用在于多方面高灵敏度检测肾上腺素的方法十分重要。在过去的这些年，已有许多种分析方法被用于检测肾上腺素。其中，荧光技术由于灵敏度高，花费低，简单易操作受到众多化学工作者的青睐。

分子印迹技术是一种设计和构造定制传感器的系统，具有特定识别目标分子的三维空腔的特殊性质。与其他功能化材料相比，分子印迹聚合物具有显著的稳定性好，亲和力强，制作容易，成本低的特点。因此被证明是该领域最具竞争力的生物分子识别的工具之一。最近，分子印迹和荧光传感器技术已被纳入构建基于分子印迹聚合物的荧光传感器，已有报道并证明了分子印迹技术能成功识别和检测其他物质。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有选择性高、灵敏度强的优点，并且材料本身毒性小，在细胞水平也具有良好的检测效果的分子印迹聚合物材料及其制备和其在检测肾上腺素方面的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种分子印迹聚合物材料，其特征在于，该材料是以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点，结构式为ppy/GQDs@MIPs。

一种分子印迹聚合物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备分散均匀粒径均一的石墨烯量子点；

(2)在吡咯聚合成聚吡咯的过程中加入步骤(1)所得的石墨烯量子点与肾上腺素，不断搅拌，用酸洗涤3～5次除去模板分子肾上腺素，再用水洗涤3～5次；制得以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物纳米材料。

进一步地，步骤(1)所述的石墨烯量子点的制备方法如下：

(1.1)将柠檬酸在180～270℃下热解至颜色变为淡黄色液体；

(1.2)将步骤(1.1)得到的淡黄色液体分散到氢氧化钠溶液中，不断搅拌，透析后制得石墨烯量子点。

进一步地，步骤(1.2)所述的氢氧化钠溶液的浓度为5～15mg/mL，所述柠檬酸与氢氧化钠的摩尔比为1:2～3；

进一步地，步骤(1.2)所述的透析采用的透析袋的分子量为3000～3500Da。

进一步地，步骤(2)所述的吡咯聚合成聚吡咯的过程如下：

(2.1)将吡咯、氯化亚铁与去离子水混合物中加入过氧化氢溶液混合搅拌4～8h；

(2.2)将步骤(2.1)所制备得到的溶液离心分离，过滤分离所得固体用水洗涤3～5次，室温下真空干燥得到聚吡咯。

进一步地，步骤(2.1)所述的吡咯、氯化亚铁与去离子水的质量比为1:0.1～0.5:90～100，所述的过氧化氢与吡咯的质量比为5～10:1；

进一步地，步骤(2.2)所述的离心分离的转速为18000～21000rpm。

进一步地，步骤(2)所述的聚吡咯、石墨烯量子点与肾上腺素的质量比为1:80～100:0.1～0.5。

一种分子印迹聚合物材料的应用，其特征在于，将ppy/GQDs@MIPs作为检测肾上腺素的探针。

将ppy/GQDs@MIPs加入含有肾上腺素的母液中，在设定激发波长下测定体系荧光强度，根据荧光强度得出母液中肾上腺素浓度。

所述的激发波长范围为330nm～420nm；

ppy/GQDs@MIPs的相对荧光强度与肾上腺素浓度在30-50nM～300-500μM浓度范围呈线性关系。

与现有技术相比，本发明首先采用柠檬酸小分子热解法制备石墨烯量子点，然后将该石墨烯量子点表面修饰聚吡咯以肾上腺素为模板分子制得的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物作为检测肾上腺素方面的应用。

该材料具有荧光效果明显的性质，能利用其荧光强度的变化在检测肾上腺素方面具有较高的灵敏度和明显的选择性检测效果。

附图说明

图1为本发明实施例中制备的石墨烯量子点的透射电镜图；

图2为本发明实施例中ppy/GQDs@MIPs的不同激发波长下的荧光光谱；

图3为本发明实施例中石墨烯量子点、聚吡咯和ppy/GQDs@MIPs的红外光谱；

图4为本发明实施例中肾上腺素、ppy/GQDs@NIPs和ppy/GQDs@MIPs紫外可见近红外光谱图；

图5为本发明实施例中ppy/GQDs@MIPs的pH优化图；

图6为本发明实施例中ppy/GQDs@MIPs荧光强度随肾上腺素浓度变化的荧光光谱图和标准曲线；

图7为本发明实施例中ppy/GQDs@MIPs对其他金属离子、生物小分子等的选择性检测；

图8为本发明实施例中ppy/GQDs@MIPs荧光强度的稳定性；

图9为本发明实施例中ppy/GQDs@MIPs加入肾上腺素后反应时间的优化；

图10为本发明实施例中ppy/GQDs@MIPs对4T1乳腺癌细胞的毒性数据分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(一)制备分散均匀粒径均一的石墨烯量子点，具体步骤如下：

(1)、将柠檬酸在200℃下热解至颜色变为淡黄色液体；

(2)、将(1)溶解到10mg/mL氢氧化钠中，不断搅拌，透析后制得石墨烯量子点。

图1为实施例1中制备得到的石墨烯量子点的TEM。从图中可以看出，所制备的石墨烯量子点粒径约5～8nm。

(二)聚吡咯的制备方法括如下步骤：

(1.1)、将1mL吡咯、0.1g氯化亚铁与94mL去离子水混合物中加入过氧化氢溶液混合搅拌6h。

(1.2)、将(2.1)所制备得到的溶液用水洗涤3次，室温下真空干燥得到聚吡咯；

(三)分子印迹聚合物的制备：

(2.1)、在吡咯聚合成聚吡咯的过程中加入步骤(一)中制备得到的石墨烯量子点与肾上腺素；

(2.2)、将步骤(2.1)制得的混合物不断搅拌，用酸洗涤3次除去模板分子肾上腺素，再用水洗涤3次，制得以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物。

图2为步骤(三)制得的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物的不同激发波长下的荧光光谱。从图中可以看出，在最佳波长390nm激发时，最大发射峰位于460nm处。

图3为步骤(一)制得的石墨烯量子点、步骤(二)制得的聚吡咯和步骤(三)制得的ppy/GQDs@MIPs的红外光谱的汇总图。从图中可以看出，ppy/GQDs@MIPs在1396.80cm^-1处，1581.31cm^-1处均出现石墨烯量子点和聚吡咯的特征峰，可以证明材料是制备成功的。

对比例1：

(1)、在吡咯聚合成聚吡咯的过程中加入实施例1中制备得到的石墨烯量子点与肾上腺素；

(2)、将(1)制得的混合物不断搅拌，用水洗涤3次，制得含有肾上腺素的聚吡咯修饰石墨烯量子点的非分子印迹聚合物ppy/GQDs@NIPs。

图4为肾上腺素、对比例1制得的ppy/GQDs@NIPs和实施例1制得的ppy/GQDs@MIPs紫外可见近红外光谱图的汇总图。从图中可以看出，ppy/GQDs@NIPs含有肾上腺素的特征峰，而ppy/GQDs@MIPs未含有肾上腺素的特征峰，证明实施例1中材料成功的除去了模板分子。

图5为实施例1中制得的ppy/GQDs@MIPs的pH优化图。从图中可以看出在pH为中性偏碱性时材料荧光强度最好且稳定。

图6为实施例1中制得的ppy/GQDs@MIPs荧光强度随肾上腺素浓度变化的荧光光谱图和标准曲线。从图6(a)中可以看出，随着肾上腺素浓度的增长0-300μmol/L，材料的荧光强度降低，说明加入肾上腺素后，由于非共价相互作用，通过光诱导电荷转移使材料荧光猝灭。从图6(b)中可知在肾上腺素浓度为42nM～300μM的浓度范围内，ppy/GQDs@MIPs的相对荧光强度的下降程度与加入溶液中的肾上腺素浓度呈良好的线性关系，线性方程为y＝0.987-0.001x，这里的y为相对荧光强度，x为肾上腺素浓度。

图7为实施例1中制得的ppy/GQDs@MIPs对其他金属离子、生物小分子等的选择性检测。从图中可以看出除肾上腺素外，加入其余金属离子后的材料的荧光强度与之前相比，均无明显下降，而加入肾上腺素后的材料，材料的荧光强度明显下降，因此可以认为ppy/GQDs@MIPs对于肾上腺素具有良好的选择性，其他金属离子生物小分子等对ppy/GQDs@MIPs干扰不大。

图8为实施例1中制得的ppy/GQDs@MIPs随光照时间的延长荧光强度的稳定性。从图中可以看出，材料在90min内荧光强度都没有较大变化，证明材料的具有较好的稳定性。

图9为实施例1中制得的ppy/GQDs@MIPs随反应时间的优化。从图中可以看出，在时间为30s时，荧光强度就有大幅下降，可以得出ppy/GQDs@MIPs对于肾上腺素的检测具有响应快、耗时少的优点。

图10为实施例1中制得的ppy/GQDs@MIPs对4T1乳腺癌细胞的毒性数据分析。从图中可以看出，细胞与材料共同孵育12h和24h之后，材料浓度在达到100μg/mL时，4T1细胞的细胞存活率仍高于80％。由此可以说明ppy/GQDs@MIPs具有较低的细胞毒性，生物相容性良好，可以在生物应用中有进一步的研究。

本发明制备方法简单，制备得到的材料具有荧光效果明显的性质，能利用其荧光强度的变化在检测肾上腺素方面具有较高的灵敏度和明显的选择性检测效果。

实施例2

一种分子印迹聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备分散均匀粒径均一的石墨烯量子点：

(1.1)将柠檬酸在180～200℃下热解至颜色变为淡黄色液体；

(1.2)将步骤(1.1)得到的淡黄色液体分散到氢氧化钠溶液中，不断搅拌，透析后制得石墨烯量子点。所述的氢氧化钠溶液的浓度为5mg/mL，所述柠檬酸与氢氧化钠的摩尔比为1:2；步骤(1.2)所述的透析采用的透析袋的分子量为3000～3500Da。

(2)在吡咯聚合成聚吡咯的过程中加入步骤(1)所得的石墨烯量子点与肾上腺素，不断搅拌，用酸洗涤3～5次除去模板分子肾上腺素，再用水洗涤3～5次；制得以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物纳米材料。所述的聚吡咯、石墨烯量子点与肾上腺素的质量比为1:80:0.1。

其中，所述的吡咯聚合成聚吡咯的过程如下：

(2.1)将吡咯、氯化亚铁与去离子水混合物中加入过氧化氢溶液混合搅拌4h；所述的吡咯、氯化亚铁与去离子水的质量比为1:0.1:90，所述的过氧化氢与吡咯的质量比为5:1；

(2.2)将步骤(2.1)所制备得到的溶液离心分离，离心分离的转速为18000rpm。过滤分离所得固体用水洗涤3～5次，室温下真空干燥得到聚吡咯。

将上述步骤制得的ppy/GQDs@MIPs作为检测肾上腺素的探针，使用时，将ppy/GQDs@MIPs加入含有肾上腺素的母液中，在330nm～420nm的激发波长下测定体系荧光强度，根据荧光强度得出母液中肾上腺素浓度。

ppy/GQDs@MIPs的相对荧光强度与肾上腺素浓度在30-50nM～300-500μM浓度范围呈线性关系。

本发明制备方法简单，制备得到的材料具有荧光效果明显的性质，能利用其荧光强度的变化在检测肾上腺素方面具有较高的灵敏度和明显的选择性检测效果。

实施例3

一种分子印迹聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备分散均匀粒径均一的石墨烯量子点：

(1.1)将柠檬酸在260～270℃下热解至颜色变为淡黄色液体；

(1.2)将步骤(1.1)得到的淡黄色液体分散到氢氧化钠溶液中，不断搅拌，透析后制得石墨烯量子点。所述的氢氧化钠溶液的浓度为15mg/mL，所述柠檬酸与氢氧化钠的摩尔比为1:3；步骤(1.2)所述的透析采用的透析袋的分子量为3000～3500Da。

(2)在吡咯聚合成聚吡咯的过程中加入步骤(1)所得的石墨烯量子点与肾上腺素，不断搅拌，用酸洗涤3～5次除去模板分子肾上腺素，再用水洗涤3～5次；制得以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物纳米材料。所述的聚吡咯、石墨烯量子点与肾上腺素的质量比为1:100:0.5。

其中，所述的吡咯聚合成聚吡咯的过程如下：

(2.1)将吡咯、氯化亚铁与去离子水混合物中加入过氧化氢溶液混合搅拌4～8h；所述的吡咯、氯化亚铁与去离子水的质量比为1:0.5:100，所述的过氧化氢与吡咯的质量比为10:1；

(2.2)将步骤(2.1)所制备得到的溶液离心分离，离心分离的转速为21000rpm。过滤分离所得固体用水洗涤3～5次，室温下真空干燥得到聚吡咯。

将上述步骤制得的ppy/GQDs@MIPs作为检测肾上腺素的探针，使用时，将ppy/GQDs@MIPs加入含有肾上腺素的母液中，在330nm～420nm的激发波长下测定体系荧光强度，根据荧光强度得出母液中肾上腺素浓度。

ppy/GQDs@MIPs的相对荧光强度与肾上腺素浓度在30-50nM～300-500μM浓度范围呈线性关系。

本发明制备方法简单，制备得到的材料具有荧光效果明显的性质，能利用其荧光强度的变化在检测肾上腺素方面具有较高的灵敏度和明显的选择性检测效果。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员可以对这些实施例作各种修改。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分子印迹聚合物材料，其特征在于，该材料是以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点，结构式为ppy/GQDs@MIPs。

2.一种如权利要求1所述的分子印迹聚合物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备分散均匀粒径均一的石墨烯量子点；

(2)在吡咯聚合成聚吡咯的过程中加入步骤(1)所得的石墨烯量子点与肾上腺素，不断搅拌，用酸洗涤3～5次除去模板分子肾上腺素，再用水洗涤3～5次；制得以肾上腺素为模板分子的聚吡咯修饰石墨烯量子点的分子印迹聚合物纳米材料。

3.根据权利要求2所述的分子印迹聚合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的石墨烯量子点的制备方法如下：

(1.1)将柠檬酸在180～270℃下热解至颜色变为淡黄色液体；

(1.2)将步骤(1.1)得到的淡黄色液体分散到氢氧化钠溶液中，不断搅拌，透析后制得石墨烯量子点。

4.根据权利要求3所述的分子印迹聚合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(1.2)所述的氢氧化钠溶液的浓度为5～15mg/mL，所述柠檬酸与氢氧化钠的摩尔比为1:2～3；

步骤(1.2)所述的透析采用的透析袋的分子量为3000～3500Da。

5.根据权利要求2所述的分子印迹聚合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的吡咯聚合成聚吡咯的过程如下：

(2.1)将吡咯、氯化亚铁与去离子水混合物中加入过氧化氢溶液混合搅拌4～8h；

(2.2)将步骤(2.1)所制备得到的溶液离心分离，过滤分离所得固体用水洗涤3～5次，室温下真空干燥得到聚吡咯。

6.根据权利要求5所述的分子印迹聚合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(2.1)所述的吡咯、氯化亚铁与去离子水的质量比为1:0.1～0.5:90～100，所述的过氧化氢与吡咯的质量比为5～10:1；

步骤(2.2)所述的离心分离的转速为18000～21000rpm。

7.根据权利要求2所述的分子印迹聚合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的聚吡咯、石墨烯量子点与肾上腺素的质量比为1:80～100:0.1～0.5。

8.一种如权利要求1所述的分子印迹聚合物材料的应用，其特征在于，将ppy/GQDs@MIPs作为检测肾上腺素的探针。

9.根据权利要求8所述的分子印迹聚合物材料的应用，其特征在于，将ppy/GQDs@MIPs加入含有肾上腺素的母液中，在设定激发波长下测定体系荧光强度，根据荧光强度得出母液中肾上腺素浓度。

10.根据权利要求9所述的分子印迹聚合物材料的应用，其特征在于，所述的激发波长范围为330nm～420nm；

ppy/GQDs@MIPs的相对荧光强度与肾上腺素浓度在30-50nM～300-500μM浓度范围呈线性关系。