CN110618117A - 一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法及应用 - Google Patents

一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于环境检测功能材料制备技术领域，公开了一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法及其用途。首先制备出镧系配合物Eu(MAA)3phen，通过使用功能化SiO2纳米微球为基底，以表面印迹法制备了以2,4,6‑三氯苯酚为目标物的核壳型荧光印迹材料并以索氏提取法将2,4,6‑三氯苯酚洗脱，最后通过牺牲基质法以氢氟酸溶解SiO2纳米微球制得中空半球型荧光印迹材料，并将其用于特异性检测自然水体中的2,4,6‑三氯苯酚。本发明通过简单的制备方法和简便的操作流程制备出具有特殊结构的荧光印迹传感器，通过中空半球结构提高印迹层的特异性识别位点的利用率及印迹材料和目标物之间的传质速率并最终提高该传感器的灵敏度。

Description

一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法及应用
技术领域
本发明属于环境检测功能材料制备技术领域，涉及一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法及其在自然水体中选择性检测潜在2,4,6-三氯苯酚的应用。
背景技术
氯酚类化合物是一类人工合成的有机化合物，主要用于杀虫剂、木材防腐剂、以及除草剂等物质的合成。大量研究证明氯酚及其衍生物对人体具有不良影响，该类物质具有致癌性和遗传毒性，甚至会通过母婴传播引起胎儿的产前氯酚暴露，美国已于2007年将氯酚类物质列为优先控制污染物。氯酚类物质包括单、二、三、四和五氯苯酚，该类化合物广泛分布在自然环境中。其中2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)是具有代表性的氯酚类物质之一，并且2,4,6-TCP毒性较强，自然条件下难降解，是一种持久性有毒化学污染物。因此对其进行环境监控与检测，尤其针对人类生活用水源的监测尤其重要。
在多种用于日常检测氯酚类物质的分析方法中，荧光分析法具有灵敏度高、仪器简单便携、分析结果直观甚至可视化等特点，适宜于多种条件下水体样品中污染物的现场检测。镧系配合物在众多荧光材料中具有突出的光学性质，基于镧系配合物的荧光分析法适用范围广、灵敏度高、色域范围广并且光漂白抗性强。但镧系配合物在选择性方面较差，热学和化学稳定性不足，在复杂体系中区分目标分析物较为困难，也难以应用在极端环境中。将具有特异选择性且极端环境耐受的分子印迹聚合物同基于镧系化合物的荧光传感器结合可兼具高灵敏度和特异选择性。荧光印迹传感器可对氯酚类物质实现简易灵敏的选择性识别，对现场检测自然水体样品中2,4,6-TCP具有重要意义。
发明内容
本发明采用表面印迹后牺牲基质的方法制备中空半球荧光印迹传感器，相较于传统核壳型荧光印迹传感器，本方法所得到的中空印迹传感器具有更高的传质速率并可以使印迹层中的特异性识别位点得到更充分利用，有效提高传感器的灵敏度。并且半球结构与传统的中空球形结构相比，印迹层内表面将得到更有效的利用，其对2,4,6-TCP的灵敏度会因整体印迹层特异性识别位点的利用率提高而进一步增强。
一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法及应用，具体包括如下步骤：
(1)镧系配合物Eu(MAA)3phen的制备：
将氧化铕溶解在浓盐酸中，将产物经无水乙醇洗涤后烘干得到EuCl3·6H2O；按照一定比例将EuCl3·6H2O、甲基丙烯酸MAA溶于无水乙醇中，调节pH后加入邻菲罗啉phen，收集产物即得镧系配合物Eu(MAA)3phen；
(2)功能化SiO2纳米微球的制备：
将一定量的正硅酸四乙酯TEOS滴加到无水乙醇中，磁力搅拌一定时间后滴加氨水NH3·H2O，继续搅拌适当时间后滴加KH570，密封加温磁力搅拌，将所得固体沉淀洗涤，真空干燥，即得表面功能化的SiO2纳米微球；
(3)中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备：
以步骤(2)制备的表面功能化的SiO2纳米微球为基底材料，超声分散至乙腈中，再加入模板分子2,4,6-三氯苯酚2,4,6-TCP、MAA和步骤(1)制备的Eu(MAA)3phen，预组装一定时间后再加入乙二醇二甲基丙烯酸酯EGDMA和偶氮二异丁腈AIBN，避光条件下加热搅拌制得核壳型镧系荧光印迹材料，离心，洗涤，真空干燥后使用索氏提取法洗脱模板分子，将产物加入装有氢氟酸HF的聚四氟乙烯烧杯中，密封磁力搅拌溶解SiO2纳米微球，离心，洗涤，真空干燥后即得中空半球型镧系荧光印迹传感器。
步骤(1)中，所述的EuCl3·6H2O：MAA：phen的用量比为1.866g:1.31mL:0.991g，pH为8.0。
步骤(2)中，所述的TEOS：NH3·H2O的体积比为1.67:2.0，同时NH3·H2O的加入时间应控制在体系搅拌3min后，并在KH570加入前磁力搅拌24h。
步骤(2)中，密封加温磁力搅拌时，温度为40℃，时间为24h。
步骤(3)中，表面功能化的SiO2纳米微球、2,4,6-TCP、MAA、Eu(MAA)3phen、EGDMA、AIBN、氢氟酸的用量比为0.1g：0.39g：0.173g：0.186g：1.88mL：0.05g：20mL；其中，HF浓度应为0.5mL/L，反应时间为2h。
步骤(3)中，预组装的时间为30min，避光条件下加热搅拌时，温度为60℃，时间为24h。
步骤(3)中，使用索氏提取法洗脱模板分子时，使用的是乙酸/甲醇混合溶液，其体积比为10：90。
本发明对应的非印迹聚合物的制备方法类似合成方法如上，但不加入模板分子2,4,6-TCP。
将本发明制备的一种中空半球型镧系荧光印迹传感器用于快速灵敏检测自然水体中测潜在2,4,6-TCP，并对其他结构相似氯酚类物质具有优秀抗干扰能力。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明将镧系配合物与分子印迹技术结合，可兼具镧系材料的高灵敏度和分子印迹技术的特异选择性和良好稳定性和环境耐受。
(2)本发明制得的中空半球型材料，粒径均一，结构稳定，新型中空半球结构有效的提高了分子印迹层中特异性识别位点的利用率，提高了目标物与印迹层间的传质速率，并因此进一步提高了传感器的灵敏度。
(3)本发明的制备方法简单易行、流程较短、操作易控，适于推广使用。
附图说明
图1为Eu(MAA)3phen的等高线荧光光谱图；
图2为根据图1中Eu(MAA)3phen荧光等高线图所确定的配合物最大发射波长及其对应的激发波长；
图3为功能化SiO2纳米微球(a,d,g)、核壳型印迹材料(b,e,h)以及中空半球型印迹材料(c,f,i)的扫描电镜、透射电镜以及通过激光粒度仪获得的平均粒径数据图；
图4为Eu(MAA)3phen在不同溶液pH下对应的荧光强度；
图5为中空半球型荧光印迹传感器在不同溶液pH下对应的荧光强度；
图6为中空半球型荧光印迹传感器对10-100nmol/L的2,4,6-三氯苯酚的响应曲线；
图7为非印迹材料对10-100nmol/L的2,4,6-三氯苯酚的响应曲线；
图8为同一浓度下(100nmol/L)不同氯酚对印迹材料和非印迹材料的淬灭量。
具体实施方式
本发明具体实施方案中识别及荧光检测性能评估按照下述方法进行：将5ml未知浓度的2,4,6-TCP加入到比色管中，调节pH值为7.0，加入5mg印迹材料，并在室温下低速磁力搅拌10min，并使用荧光分光光度计检测溶液荧光强度，并依据相应浓度范围内标准曲线确定目标物浓度。其中2,4-，2,5-，2,6-二氯苯酚作为结构类似物，参与研究荧光印迹材料的识别性能。
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、Eu(MAA)3phen的合成：
Eu2O3溶解在浓盐酸(6mol/L)中形成EuCl3溶液(0.25mol/L)，产物经无水乙醇洗涤3次后烘干制得EuCl3·6H2O固体。称取EuCl3·6H2O(1.866g,0.005mol)溶于装有50mL的无水乙醇的100mL三口烧瓶中，滴加MAA(1.31mL,0.015mol)后滴加NaOH溶液(2mol/L)调节溶液pH到8.0，搅拌20min。量取phen(0.991g,0.005mol)加入溶液搅拌30min，此时溶液呈淡红色，离心收集产物。用蒸馏水和无水乙醇各洗涤三次，40℃真空干燥。
2、功能化SiO2纳米微球的制备：
量取TEOS(1.67mL,0.006mol)滴加到装有50mL的无水乙醇的100mL三口烧瓶中，磁力搅拌3min后滴加NH3·H2O(2mL,0.05mol)，继续磁力搅拌24h。向三口烧瓶中滴加KH570(1mL,0.002mol)，密封室温磁力搅拌24h。离心收集产物。用蒸馏水和无水乙醇各洗涤三次，40℃真空干燥。
3、核壳型荧光印迹材料的制备：
称取KH570修饰的SiO2纳米微球(0.1g)作为基底材料，分散到装有50mL乙腈的100mL三口烧瓶中，随后称取2,4,6-TCP(0.390g,0.001mol)，MAA(0.173g,0.002mol)，Eu(MAA)3phen(0.779g,0.1mol)分别作为模板分子、功能单体和荧光辅助功能单体加入溶液中，预聚合30min。再加入EGDMA(1.88mL,0.01mol)和AIBN(0.05g,0.0003mol)作为交联剂和引发剂，在60℃下磁力搅拌24h。离心收集产物，40℃真空干燥。
4、模板分子2,4,6-TCP的洗脱：在索氏提取器中将实施例1制得的核壳型镧系荧光印迹传感器与体积比为1:9的100ml乙酸/甲醇混合溶液反应，反应完成后，材料真空烘干，得到2,4,6-TCP的荧光印迹传感器。
5、中空半球型荧光印迹材料的制备：将洗脱后的核壳型荧光印迹传感器加入装有30mL浓度为0.5mL/L的氢氟酸的聚四氟乙烯烧杯中，密封室温磁力搅拌反应2.0h使二氧化硅微球完全溶解。用蒸馏水和无水乙醇各洗涤三次，40℃真空干燥。
图1为Eu(MAA)3phen的等高线荧光光谱图，是在由激发和发射波长所构成的平面上由一系列等强度线组成的等高线光谱，可用于判断Eu(MAA)3phen在该激发波长范围内的荧光性质，图2为根据图1中Eu(MAA)3phen荧光等高线图所确定的配合物最大发射波长及其对应的激发波长。
图3为功能化SiO2纳米微球(a,d,g)、核壳型印迹材料(b,e,h)以及中空半球型印迹材料(c,f,i)的扫描电镜、透射电镜以及通过激光粒度仪获得的平均粒径数据图。图(g)中平均粒度Dh为77.9，这表明SiO2纳米微球的平均粒径为77.9nm，通过图(g)与(h)间平均粒度Dh差值可得出印迹层厚度约为26nm，对比透射图(e)和(f)可发现，核壳结构纳米材料中核部分颜色由深变浅，这表明硅基质被成功刻蚀，扫描图(c)与(b)中球形结构具有明显区别的半球型结构表明中空半球结构印迹材料已成功制备。
图4为Eu(MAA)3phen在不同溶液pH下对应的荧光强度，从图4中可以看出Eu(MAA)3phen在酸性条件下稳定性较差，并且在pH小于3的条件下荧光基本消失。
图5为中空半球型荧光印迹传感器在不同溶液pH下对应的荧光强度，与图4相比可证明，分子印迹技术大大提高了Eu(MAA)3phen的化学稳定性，使其在酸性条件下仍能保持较好的荧光强度，扩展了镧系配合物的检测条件。
图6为中空半球型荧光印迹传感器对10-100nmol/L的2,4,6-三氯苯酚的响应曲线，随着目标物浓度的升高，印迹材料的荧光强度相应减弱，二者线性关系良好，对应方程为I0/I-1＝0.00903C0+0.01356，相关系数为0.99625。
图7为非印迹材料对10-100nmol/L的2,4,6-三氯苯酚的响应曲线，与印迹材料相比，非印迹材料的灵敏度显著下降，并未表现出对目标物的特异性识别。对应方程为I0/I-1＝0.0028C0-0.00436，相关系数为0.99242。
图8为同一浓度下(100nmol/L)不同氯酚对印迹材料和非印迹材料的淬灭量，由图8可知，本方法所制得荧光印迹传感器对模板分子2,4,6-TCP具有特异性识别能力。
表1为实施例1制备的中空半球型镧系荧光印迹传感器对加标实际水体样品中2,4,6-TCP的实际检测数据。
表1
*所有结果均为三次测量后平均值
从表1结果可以看出本方法制备的中空半球型镧系荧光印迹传感器具备在实际水体样品中检测2,4,6-TCP的能力，其检测效果准确有效。

Claims (8)

1.一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)镧系配合物Eu(MAA)3phen的制备：
将氧化铕溶解在浓盐酸中，将产物经无水乙醇洗涤后烘干得到EuCl3·6H2O；按照一定比例将EuCl3·6H2O、甲基丙烯酸MAA溶于无水乙醇中，调节pH后加入邻菲罗啉phen，收集产物即得镧系配合物Eu(MAA)3phen；
(2)功能化SiO2纳米微球的制备：
将一定量的正硅酸四乙酯TEOS滴加到无水乙醇中，磁力搅拌一定时间后滴加氨水NH3·H2O，继续搅拌适当时间后滴加KH570，密封加温磁力搅拌，将所得固体沉淀洗涤，真空干燥，即得表面功能化的SiO2纳米微球；
(3)中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备：
以步骤(2)制备的表面功能化的SiO2纳米微球为基底材料，超声分散至乙腈中，再加入模板分子2,4,6-三氯苯酚2,4,6-TCP、MAA和步骤(1)制备的Eu(MAA)3phen，预组装一定时间后再加入乙二醇二甲基丙烯酸酯EGDMA和偶氮二异丁腈AIBN，避光条件下加热搅拌制得核壳型镧系荧光印迹材料，离心，洗涤，真空干燥后使用索氏提取法洗脱模板分子，将产物加入装有氢氟酸HF的聚四氟乙烯烧杯中，密封磁力搅拌溶解SiO2纳米微球，离心，洗涤，真空干燥后即得中空半球型镧系荧光印迹传感器。
2.根据权利要求1所述的一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的EuCl3·6H2O：MAA：phen的用量比为1.866g:1.31mL:0.991g，pH为8.0。
3.根据权利要求1所述的一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的TEOS：NH3·H2O的体积比为1.67:2.0，同时NH3·H2O的加入时间应控制在体系搅拌3min后，并在KH570加入前磁力搅拌24h。
4.根据权利要求1所述的一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，密封加温磁力搅拌时，温度为40℃，时间为24h。
5.根据权利要求1所述的一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，表面功能化的SiO2纳米微球、2,4,6-TCP、MAA、Eu(MAA)3phen、EGDMA、AIBN、氢氟酸的用量比为0.1g：0.39g：0.173g：0.186g：1.88mL：0.05g：20mL；其中，HF浓度应为0.5mL/L，反应时间为2h。
6.根据权利要求1所述的一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，预组装的时间为30min，避光条件下加热搅拌时，温度为60℃，时间为24h。
7.一种中空半球型镧系荧光印迹传感器，其特征在于，是通过权利要求1-6任一项所述的制备方法制备的。
8.根据权利要求7所述的一种中空半球型镧系荧光印迹传感器的应用，其特征在于，将其应用于在自然水体中检测痕量2,4,6-三氯苯酚。
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