CN112048082B - 多波段聚芳醚腈荧光微球的制备及其金属离子检测应用 - Google Patents

Abstract

一种多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的制备及其金属离子检测应用，属于高分子荧光微球分析技术领域。所述复合微球包括聚芳醚腈微球，以及包埋于聚芳醚腈微球内部的红光量子点和绿光量子点，聚芳醚腈微球的粒径为200～800nm，聚芳醚腈、红光量子点和绿光量子点的质量比为1：(0.01～0.1)：(0.01～0.1)。本发明通过乳液共组装的方式将绿光和红光发射的油溶性量子点封装于具有本征蓝光发射的两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物中，得到具有多波段发射特性的聚合物复合微球，其方法简单易行，且可通过乳液条件调控微球尺寸。

Description

多波段聚芳醚腈荧光微球的制备及其金属离子检测应用

技术领域

本发明属于高分子荧光微球分析技术领域，具体涉及一种多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的制备方法及其在多元金属离子检测领域的应用。

背景技术

量子点(QD)是一种具有独特光电特性的纳米材料。相较于传统有机发光染料，其具有宽的激发带、窄的发射带宽且可发光颜色丰富；此外，半导体量子点还具有量子产率高、荧光寿命长及抗光漂白能力强等优点。因此，QD在光电器件、分析检测、生物医学及催化领域具有较大的应用前景。然而，高质量的量子点通常为油溶性，极大地限制了其在水环境中的应用，因此对量子点表面进行修饰实现其水分散性是使得其在水体系中得以应用的必由之路。其中，聚合物封装油溶性纳米粒子形成微球成为了近年来可靠的方法之一，而目前用于封装油溶性量子点的聚合物主链多为全柔性链，且不具有功能性基团，使得聚合物对量子点的包埋稳定性较差且其后功能化受到限制或变得繁琐。

聚芳醚腈(PEN)是一种具有本征蓝光发射的特种功能高分子材料，由于其主链上含有大量的刚性苯环和柔性醚键，且侧链含有极性氰基，因此具有热稳定性好、耐化学腐蚀等优点。此外，PEN刚柔结构的组合使得其具有良好的分子可设计性、新颖的功能特性及丰富的组装能力，然而对PEN在组装领域的研究仍处于起步阶段。采用水包油的乳液组装方式，利用两亲性PEN中刚柔交替的疏水结构可有效地对疏水性纳米粒子进行封装，而同时在侧链引入的亲水基团则可进一步加强复合粒子在水相中的分散稳定性。

随着社会需求的提高及工业技术的发展，各种环境污染物随之产生，重金属污染即是一种典型的环境污染物。由于重金属离子难以降解、容易富集、生物毒性大，对生态系统和人类健康构成重大威胁；此外，通常的环境污染物中含有不止一种金属离子，因此开发可用于同时检测多种重金属离子的高灵敏性分析技术具有重要的研究意义与应用价值。尽管通过电感耦合等离子体-质谱(ICP-MS)、电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、阳极溶出伏安法、X射线荧光等方法可实现重金属离子的特异性高灵敏度检测，但上述方法存在样品前处理繁琐、设备复杂、检测耗时及需要专业技术人员操作等缺点，致使其检测工作只能局限于资源密集型的中心实验室进行。相比之下，基于荧光探针的荧光检测技术则具有操作简便、快速响应、灵敏度高、可多元检测的特点，是一类可用于资源受限环境的重金属离子检测的理想方法之一。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的不足，提出了一种多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的制备方法及在多元金属离子检测中的应用。本发明利用两亲性嵌段共聚聚芳醚腈的结构优势(本征蓝光及刚柔交替结构)，通过乳液溶剂挥发共组装的方式对绿光和红光发射的量子点进行了有效封装，得到了具有蓝、绿、红三波段荧光发射的聚芳醚腈复合微球，最后利用复合微球三个波段对金属离子响应程度的不同实现了对三种金属离子的高通量检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球，其特征在于，所述聚芳醚腈复合微球包括聚芳醚腈微球，以及包埋于聚芳醚腈微球内部的红光量子点和绿光量子点，聚芳醚腈微球的粒径为200～800nm，聚芳醚腈、红光量子点和绿光量子点的质量比为1：(0.01～0.1)：(0.01～0.1)。

进一步地，所述聚芳醚腈为本征蓝光发射的两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物。

优选地，所述聚芳醚腈的结构式如下：

其中，m＝n，且取值范围为50～150。

一种多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、称取0.005份(质量)聚芳醚腈、0.00005～0.0005份(质量)绿光量子点和0.00005～0.0005份(质量)红光量子点，溶解于0.1～0.5份助溶剂与0.5～2份二氯甲烷形成的混合溶剂中，得到均匀有机相；

步骤2、在棕色试剂瓶中加入0.01～0.05份(质量)十二烷基磺酸钠和10～20份(质量)去离子水，随后加入0.5～5份(质量)乙醇搅拌均匀，得到混合液A；

步骤3、在连续磁力搅拌的条件下，将步骤1所得的有机相加入步骤2混合液A中，乳化3～9h后，打开试剂瓶盖使二氯甲烷充分挥发；

步骤4、离心并用去离子水洗涤步骤3所得乳液三次，最后超声分散在10～20份(质量)去离子水中得到微球乳液，干燥，即可得到所述聚芳醚腈复合微球。

进一步地，所述聚芳醚腈为本征蓝光发射的两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物。

优选地，所述聚芳醚腈的结构式如下：

其中，m＝n，且m、n取值为50～150。

进一步地，步骤1所述助溶剂为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺等。

其中，步骤2所述乙醇的用量可有效调控复合微球尺寸。

一种基于上述多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球用于多元金属离子检测的方法，包括以下步骤：

步骤1、取0.1～0.4份(质量)上述微球乳液加入至含0.9～3.6份去离子水的石英比色皿中形成复合微球乳液，进行荧光发射光谱扫描；取n份复合微球乳液，向其中分别加入相同浓度的不同金属离子溶液(n种金属离子溶液)，得到混合液，每种混合液中金属离子的浓度为10^-4～10^-5mol/L，三分钟后测试n份混合液的荧光发射光谱，筛选出对微球荧光具有明显淬灭作用的金属离子；

步骤2、初筛：针对筛选出的每一种金属离子，配制不同浓度的金属离子水溶液，然后加入步骤1所述复合微球乳液中，得到混合液；其中，每种混合液中金属离子的浓度为10^-8～5×10^-4mol/L，三分钟后测试其荧光发射光谱；

步骤3、根据步骤2得到的发射光谱曲线，对每种金属离子的响应浓度区间进行分析，针对具有明显淬灭作用的浓度范围，以更小的浓度差配制不同浓度的金属离子水溶液，进一步筛选出每种金属离子的线性作用范围(是指满足：荧光淬灭程度＝a*C+b，C为金属离子浓度，单位μmol/L)，然后加入步骤1所述复合微球乳液中，三分钟后测试混合液的荧光发射光谱；

步骤4、根据步骤3所得荧光光谱，计算不同浓度金属离子对复合微球各发射波段的荧光淬灭程度，根据荧光淬灭程度和浓度，拟合得到a、b，进而得到不同金属离子的响应范围和响应方程式(即荧光淬灭程度＝a*C+b)。

步骤5、根据步骤4得到的各金属离子的响应范围和响应方程式，取三种或以下不同浓度的且在响应区间内的已知金属离子依次加入步骤1所述复合微球乳液、或者取三种或以下不同浓度的且在响应区间内的已知金属离子先混合后再加入步骤1所述复合微球乳液中，三分钟后进行荧光发射光谱测试，比较两种加入方式(依次加入和混合后加入)对淬灭结果是否具有影响。

步骤6、根据步骤5所得荧光发射光谱结果，计算复合微球各波段的荧光淬灭程度，依据步骤4得到的三个响应方程式的叠加式，反推计算出各金属离子的浓度，根据计算得到的浓度结果与加入浓度对比得到测试的误差区间，进而实现对未知浓度金属离子的高通量检测。

其中，步骤1所述的对复合微球乳液具有明显淬灭作用的金属离子为Ag⁺、Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺。

其中，步骤4所述各金属离子对复合微球的各波段淬灭程度的响应与金属离子浓度呈线性关系。

其中，步骤5所述各金属离子依次加入与混合后加入的淬灭程度相差较小，可认为复合微球探针对各金属离子的检测在线性检测范围内互不干扰。

其中，步骤6中计算各金属离子的浓度采用了三元一次方程组的方式，方程组的构筑方式为三种金属离子分别在蓝光、绿光、红光三个波段的淬灭程度随金属离子浓度的线性方程的叠加。

本发明所提供的具有蓝、绿、红三波段发射的复合聚芳醚腈微球，是通过将两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物置于水包油乳液体系中与量子点共组装制备得到的，其中蓝光发射为聚芳醚腈的本征荧光，绿光和红光发射为量子点发射荧光。通过调整乳液环境中乙醇的用量，可有效调整复合微球的尺寸。进一步地，利用某些金属离子与聚芳醚腈和量子点的相互作用，基于荧光光谱数据建立分析模型，实现了复合微球对几种重金属离子的高通量检测。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过乳液共组装的方式将绿光和红光发射的油溶性量子点封装于具有本征蓝光发射的两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物中，得到具有多波段发射特性的聚合物复合微球，其方法简单易行，且可通过乳液条件调控微球尺寸。

2、本发明所涉及的几种重金属离子Ag⁺、Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺对制备的聚芳醚腈复合微球的荧光性能具有不同的淬灭效果，因此可对几种重金属离子分别进行有效的检测。

3、本发明制备得到的具有多波段发射特性的聚芳醚腈复合微球对先后加入和混合后加入几种检测范围内的金属离子的荧光淬灭响应基本一致，因此可认为荧光复合微球对多种金属离子的检测互不干扰，可同时检测多种金属离子。

4、本发明根据复合微球荧光强度对各金属离子浓度的响应线性关系，建立了三元一次方程组算法，可同时实现三种或以下金属离子的多元检测。

附图说明

图1为本发明使用的两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物的结构式(a)、以及聚芳醚腈的红外光谱图(b)和核磁共振氢谱(c)；

图2为本发明实施例1制备得到的多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的荧光光谱(a)、SEM图(b)和粒径分布图(b插图)；

图3为本发明通过改变乳液环境中乙醇用量即实施例2(a)和实施例3(b)得到的微球SEM图；

图4为本发明中实施例4步骤1所得不同金属离子对多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的淬灭程度；

图5为本发明实施例4所得Ag⁺(a)、Cu²⁺(b)、Hg²⁺(c)和Fe³⁺(d)与多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球作用后的荧光发射光谱；

图6为本发明实施例4所得Ag⁺(a)、Cu²⁺(b)、Hg²⁺(c)和Fe³⁺(d)与多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球作用后的线性拟合图；

图7为实施例5依次加入和混合后加入Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺的荧光淬灭点线图(a)和多元检测计算示意图(b)。

具体实施方式

以下通过具体实施方式的描述对本发明做进一步说明，但本发明不局限于此，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种变型，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。

实施例1

一种基于多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、称取两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物0.005份(质量)和0.00018份绿光量子点(发射峰位于523nm)和0.0003份红光量子点(发射峰位于600nm)，溶解于0.1份N,N-二甲基甲酰胺与0.9份二氯甲烷形成的混合溶剂中，得到均匀有机相；

步骤2、取一个棕色试剂瓶，加入0.03份(质量)十二烷基磺酸钠和10份去离子水，随后加入1份乙醇搅拌均匀，得到混合液A；

步骤3、在连续磁力搅拌的条件下，将步骤1所得的有机相加入步骤2混合液A中，乳化6h后，打开试剂瓶盖使二氯甲烷充分挥发；

步骤4、离心并用去离子水洗涤步骤3所得乳液三次，最后超声分散在10份去离子水中得到微球乳液。

步骤1所述两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物的结构如图1(a)所示，对该结构进行红外光谱和核磁共振氢谱表征，结果如图1(b)和1(c)所示。对实施例1所得复合微球的荧光光谱进行测试，其结果如图2(a)所示，进一步通过SEM对其形貌进行表征，其结果如图2(b)所示。如图2(a)所示，本实施例成功制得具有蓝(437nm)、绿(523nm)、红(600nm)三波段发光的微球乳液，其中蓝光部分来源于两亲性聚芳醚腈嵌段共聚物，绿光和红光发射部分来源于两种量子点；且根据图2(b)的SEM得知该复合微球具有800nm的平均粒径。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：步骤2中加入的乙醇用量改为3份，其余步骤与实施例1相同。

对实施例2得到的复合微球进行形貌表征，其结果见附图3(a)。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：步骤2中加入的乙醇用量改为5份，其余步骤与实施例1相同。

对实施例3得到的复合微球进行形貌表征，其结果见附图3(b)。

结合图2(b)和图3可得出乙醇用量越大，则得到的复合微球粒径越小，因此乙醇的用量可用于调控复合微球的尺寸。

实施例4

一种基于上述多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球用于多元金属离子检测的方法，包括以下步骤：

步骤1、取0.1份(质量)实施例1制得的微球乳液加入至含0.9份去离子水的石英比色皿中形成复合微球乳液，以365nm为激发波长进行发射光谱扫描；取10份复合微球乳液，向其中分别加入0.005份浓度为0.01mol/L的不同的金属离子溶液(10种金属离子溶液)，得到混合液，每种混合液中金属离子的浓度为5*10^-5mol/L，三分钟后测试10份混合液的发射光谱，筛选出对微球荧光具有明显淬灭作用的金属离子为Ag⁺，Cu²⁺，Hg²⁺和Fe³⁺；

步骤2、初筛：针对筛选出的每一种金属离子，配制不同浓度的金属离子水溶液，然后加入步骤1所述复合微球乳液中，得到混合液；以Ag⁺为例：配制不同浓度Ag⁺水溶液，取0.005份配制的Ag⁺水溶液加入至步骤1所述复合微球乳液中，得到Ag⁺最终浓度为10^-8～10^{- 5}mol/L的混合液，三分钟后测试其荧光发射光谱；

步骤3、根据步骤2得到的发射光谱曲线，对Ag⁺的响应浓度区间进行分析，针对具有明显淬灭作用的浓度范围，以更小的浓度差配制不同浓度的Ag⁺水溶液，进一步筛选出Ag⁺的线性作用范围(是指满足：荧光淬灭程度＝a*C+b，C为Ag⁺浓度，单位μmol/L)，然后加入步骤1所述复合微球乳液中，三分钟后测试混合液的荧光发射光谱；

步骤4、根据步骤3所得荧光光谱，计算Ag⁺对复合微球各发射波段的荧光淬灭程度，根据荧光淬灭程度和浓度，拟合得到a、b，进而得到Ag⁺的响应范围和响应方程式(即荧光淬灭程度＝a*C+b)。

对实施例4步骤1得到的结果进行各金属离子对复合微球探针的淬灭程度分析，得到如图4所示结果，由图可知，相同离子浓度下，Ag⁺、Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺四种重金属离子对复合微球的荧光强度均具有不同程度的淬灭，因此复合微球乳液可实现对该四种金属离子的检测。进一步地，通过步骤2得到的不同浓度Ag⁺加入复合微球乳液前后的荧光光谱如图5(a)所示，可知其响应范围在0.1～10μM之间，且在此范围内对蓝光发射波段淬灭作用较小，可忽略不计。进一步设置Ag⁺浓度为0.1～10μM之间，进行步骤3和步骤4所述操作，得到结果如图6(a)所示；由图可知，复合微球乳液对Ag⁺检测浓度线性区间分为两个，即0.1～1μM和1～5μM，且在523nm和600nm波段分别对应淬灭线性方程。

针对Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺，采用步骤2、3、4相同的操作，仅将其中的Ag⁺替换为Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺。复合微球乳液与Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺作用后的荧光光谱分别如图5(b)、5(c)和5(d)所示，线性拟合结果分别如图6(b)、6(c)和6(d)所示。根据图示结果：Cu²⁺的线性响应浓度区间为1～10μM和10～50μM，对蓝、绿、红三个波段均有淬灭，因此每个区间对应3个线性拟合方程式；Hg²⁺的线性响应浓度区间为0.05～3μM和3～5μM，对绿光和红光波段具有明显淬灭，因此每个区间对应2个线性拟合方程式；Fe³⁺的线性响应浓度区间为0.5～10μM和10～100μM，每个区间对应3个线性拟合方程式。

实施例5

步骤1、根据实施例4得到的各金属离子的响应方程式及响应范围，取已知不同浓度且在第一响应区间的Cu²⁺、Hg²⁺、Fe³⁺依次加入步骤1所述复合微球乳液、或者取已知不同浓度且在第一响应区间的Cu²⁺、Hg²⁺、Fe³⁺先混合后再加入步骤1所述复合微球乳液中，三分钟后进行荧光发射光谱测试，比较两种加入方式(依次加入和混合后加入)对淬灭结果是否具有影响；

步骤2、根据步骤1所得荧光发射光谱结果，计算复合微球各波段的荧光淬灭程度，依据实施例4得到的Cu²⁺、Hg²⁺、Fe³⁺各波段第一区间拟合方程式的叠加反推各金属离子的浓度，即将Cu²⁺、Hg²⁺、Fe³⁺对复合微球乳液分别在蓝光、绿光、红光三个波段的淬灭程度随金属离子浓度的线性方程相加，形成以各波段淬灭程度为因变量(y)，三种金属离子各自浓度为自变量(x)的三元一次方程组。根据计算得到的浓度结果与加入浓度对比得到测试的误差区间，进而实现对未知浓度的Cu²⁺、Hg²⁺、Fe³⁺三种金属离子的高通量检测。

通过实施例4得到的线性拟合方程式参数如表1所示，选取最终浓度为5μM Cu²⁺，2μM Hg²⁺和6μM Fe³⁺的金属离子进行实施例5步骤1所述操作，其结果如图7(a)所示，可知各金属离子依次加入与混合后加入的淬灭程度相差较小，可认为复合微球乳液对各金属离子的检测在线性检测区间内互不干扰。进一步地，根据实施例5所述三种金属离子在第一线性区间的拟合方程式叠加，及经过步骤2所得结果得到如图7(b)所示三元一次方程组及浓度计算结果。由图可知：计算结果与添加金属离子的结果相对误差较小，因此认为该方法可有效地检测处于第一线性浓度区间的三种金属离子。以此作为延伸，推测该方法适用于对四种响应离子任三种离子组合的多元检测。

表1为本发明实施例4所得Ag⁺、Cu²⁺、Hg²⁺和Fe³⁺与多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球作用后的线性检测范围及拟合方程参数。

表1

Claims (1)

1.一种多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球在多元金属离子检测中的应用，其特征在于，所述聚芳醚腈复合微球进行多元离子检测的具体过程为：

步骤1、多波段荧光发射聚芳醚腈复合微球的制备：

1.1称取0.005质量份聚芳醚腈、0.00005～0.0005质量份绿光量子点和0.00005～0.0005质量份红光量子点，溶解于0.1～0.5质量份助溶剂与0.5～2质量份二氯甲烷形成的混合溶剂中，得到均匀有机相；其中，所述聚芳醚腈的结构式如下：

其中，m＝50～150，n＝50～150，且m＝n；

1.2在棕色试剂瓶中加入0.01～0.05质量份十二烷基磺酸钠和10～20质量份去离子水，随后加入0.5～5质量份乙醇搅拌均匀，得到混合液A；

1.3在连续磁力搅拌的条件下，将步骤1.1所得的有机相加入步骤1.2混合液A中，乳化3～9h后，打开试剂瓶盖使二氯甲烷充分挥发；

1.4离心并用去离子水洗涤步骤1.3所得乳液，最后超声分散在10～20质量份去离子水中得到微球乳液，干燥，即可得到所述聚芳醚腈复合微球；

步骤2、取0.1～0.4质量份步骤1.4得到的微球乳液加入至含0.9～3.6质量份去离子水的石英比色皿中形成复合微球乳液，进行荧光发射光谱扫描；取n质量份复合微球乳液，向其中分别加入相同浓度的不同金属离子溶液，得到混合液，每种混合液中金属离子的浓度为10^-4～10^-5mol/L，三分钟后测试n质量份混合液的荧光发射光谱，筛选出对微球荧光具有明显淬灭作用的金属离子；

步骤3、初筛：针对筛选出的每一种金属离子，配制不同浓度的金属离子水溶液，然后加入步骤2所述复合微球乳液中，得到混合液；其中，每种混合液中金属离子的浓度为10^-8～5×10^-4mol/L，三分钟后测试其荧光发射光谱；

步骤4、根据步骤3得到的发射光谱曲线，对每种金属离子的响应浓度区间进行分析，针对具有明显淬灭作用的浓度范围，以更小的浓度差配制不同浓度的金属离子水溶液，进一步筛选出每种金属离子的线性作用范围，然后加入步骤2所述复合微球乳液中，三分钟后测试混合液的荧光发射光谱；

步骤5、根据步骤4所得荧光光谱，计算不同浓度金属离子对复合微球各发射波段的荧光淬灭程度，根据荧光淬灭程度和浓度，拟合得到a、b，进而得到不同金属离子的响应范围和响应方程式；其中，荧光淬灭程度＝a*C+b，C为金属离子浓度；

步骤6、根据步骤5得到的各金属离子的响应范围和响应方程式，取三种或以下不同浓度的且在响应区间内的已知金属离子依次加入步骤2所述复合微球乳液、或者取三种或以下不同浓度的且在响应区间内的已知金属离子先混合后再加入步骤2所述复合微球乳液中，三分钟后进行荧光发射光谱测试，比较依次加入和混合后加入两种加入方式对淬灭结果是否具有影响；

步骤7、根据步骤6所得荧光发射光谱结果，计算复合微球各波段的荧光淬灭程度，依据步骤5得到的三个响应方程式的叠加式，反推计算出各金属离子的浓度，根据计算得到的浓度结果与加入浓度对比得到测试的误差区间，进而实现对未知浓度金属离子的检测。

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