CN115010942B - 对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb-UiO-66的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属有机框架材料技术领域,尤其涉及一种对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb‑UiO‑66的制备方法及应用,以UiO‑66为基础结构,通过直接合成法,将镧系金属离子Tb成功引入,使Tb(NO3)3·6H2O与ZrCl4两种混合物在DMF溶剂中共同与有机配体对苯二甲酸结合,得到含有Tb3+离子的比率荧光探针Tb‑UiO‑66,本发明能够提升UiO‑66金属有机框架材料在70%乙醇中的荧光传感性能,从而使得Tb‑UiO‑66金属有机框架材料对70%乙醇溶液中苯乙烯具有快速准确的特异性识别能力、较强的抗干扰能力、超低的检测限(低至18.3 ppb)以及良好的可再生性能。
Description
技术领域
本发明属于金属有机框架材料技术领域,尤其涉及一种对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb-UiO-66的制备方法及应用。
背景技术
随着全球现代化的不断发展以及能源消费的持续增长,挥发性有机化合物(VOCs)排放量逐年上升,且大范围同时出现的频率日益增高,这无疑对全人类的生命安全造成了严重的威胁,苯乙烯对人眼和上呼吸道有刺激和麻醉作用。高浓度苯乙烯急性中毒会强烈刺激人眼及上呼吸道黏膜,出现眼痛、流泪、流鼻涕、打喷嚏、咽痛、咳嗽等症状,继而头痛、头晕、恶心、呕吐、全身乏力。眼部受苯乙烯液体污染,可致灼伤。苯乙烯慢性中毒可致神经衰弱综合征,有头痛、乏力、恶心、食欲减退、腹胀、忧郁、健忘、指颤等症状;苯乙烯对呼吸道有刺激作用,长期接触可引起阻塞性肺部病变,根据国家标准规定,苯乙烯被列为恶臭污染物,然而,真实环境中的苯乙烯往往普遍含量极低,传统的检验材料如量子点,荧光聚合物,有机染料分子等材料很少有可以达到微量或痕量的技术,即使可以达到但又因材料稳定性不强、循环再生性能差等缺点,难以实时有效地在较低浓度时检测苯乙烯,且在绿色环保节能的溶剂中能够检测苯乙烯的材料又少之又少,因此,发明一种能够在绿色环保溶剂中检测苯乙烯的材料刻不容缓。
发明内容
本发明的目的是提供一种对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针 Tb-UiO-66的制备方法及应用,可有效解决传统的检验材料稳定性不强、循环再生性能差,检测灵敏度低等缺点。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb-UiO-66的制备方法,包括以下步骤:将Tb3+硝酸盐和Zr4+氯化盐混合物与对苯二甲酸以物质的量之比为 1:1比例混合在一起,其中Tb3+、Zr4+的物质的量之比为1:1~1:19,以DMF有机溶剂为反应介质,每个Zr6O4(OH)4簇团与对苯二甲酸配体连接,新引入的Tb3+也与游离的对苯二甲酸配体连接,通过配位反应,自组装形成含有镧系金属Tb 的UiO-66改性材料。
进一步的,所述Tb3+硝酸盐、Zr4+氯化盐、对苯二甲酸、DMF的物质的量之比为1:1:2:1065~1:19:20:10656。
进一步的,所述配位反应的温度为120℃,晶化时间为24~25h。
采用上述制备方法制备得到的对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针 Tb-UiO-66,所述Tb-UiO-66比率荧光探针的BET比表面积为674.5~1062.7m2/g, Langmuir比表面积为797.5~1194.7m2/g,孔体积为0.46~0.54cm3/g,微孔体积为0.225~0.386cm3/g,平均孔径为1.8~3.1nm。
一种比率荧光探针Tb-UiO-66用于微量或痕量检测苯乙烯时,其在70%乙醇溶液中对苯乙烯的检测限低至18.3ppb。
反应机理:本发明通过掺杂法,使得含有两种不同金属前体的混合物在DMF 溶剂中共同与有机配体对苯二甲酸结合,得到含有两种不同金属位点的金属有机框架材料;本发明通过在UiO-66结构中引入镧系金属位点,对苯二甲酸可以充当敏化镧系金属离子Tb3+的配位点,镧系金属离子Tb3+通过“天线效应”实现有效的发光,能够显著提升UiO-66金属有机框架材料在70%乙醇溶液中的荧光传感性能,从而使得Tb-UiO-66金属有机框架材料对70%乙醇溶液中苯乙烯具有快速准确的特异性识别能力、较强的抗干扰能力、超低的检测限以及优良的再生性能,本发明提供的Tb-UiO-66双金属有机框架材料在70%乙醇溶液中对苯乙烯的检测限可降低至18.3ppb。
本发明具有的优点是:本发明Tb-UiO-66金属有机框架材料对苯乙烯具有选择性荧光检测能力,且具有超低的检测限,同时使用溶剂热法和直接合成法,操作简单,易于合成,适合大规模工业化生产,具有较高研究及应用价值,是检测苯乙烯材料上的创新,其还具有热稳定性好、化学稳定性好可重复性好等优势。
附图说明
图1是本发明实施例1-4中制备的比率荧光探针的X射线衍射图谱比较图。
图2是本发明实施例1-4中制备的比率荧光探针在77K条件下氮气吸附- 脱附等温线比较图。
图3是本发明实施例1-4中制备的比率荧光探针的红外光谱比较图(4000 cm-1-400cm-1)。
图4是本发明实施例中配体对苯二甲酸、原始UiO-66金属有机骨架材料和实施例1制备的比率荧光探针的红外光谱比较图。
图5是本发明实施例1-4中制备的比率荧光探针的热稳定性比较图。
图6是本发明实施例1中制备的比率荧光探针在不同浓度苯乙烯中的荧光发射光谱图。
图7是本发明实施例中制备的比率荧光探针在低浓度荧光传感苯乙烯时的线性拟合图。
图8是本发明实施例中制备的比率荧光探针荧光传感不同VOCs后的荧光强度图。
图9是本发明实施例1制备的比率荧光探针在pH=2强酸环境中存在1~7 天PXRD图谱。
图10是本发明实施例1中制备的比率荧光探针在pH=12强碱环境中存在 1~7天PXRD图谱。
具体实施方式
实施例1
将TbNO3·6H2O(0.061mM,0.021g)、ZrCl4(1.159mM,0.2703g)和对苯二甲酸(1.22mM,0.2027g)溶于50mL DMF中,至溶液澄清。将溶液转移至 100mL反应釜中,放入电热恒温鼓风干燥箱中,升温条件为30min由室温升至 120℃,并在120℃条件下维持24h。自然降温后,将反应釜中的溶液取出,离心,将其浸泡在50mL DMF中,每隔24h换用新鲜的DMF,重复三次后,浸泡溶剂改为氯仿,每隔24h换用新鲜的氯仿,重复三次。最后再次离心得到的白色晶体,简单进行干燥后,将纯化完成后的MOF置于120℃条件下真空干燥箱中干燥12h即可得到纯化后的掺杂不同比例镧系金属离子的Tb-UiO-66化合物。记为Tb-UiO-66(1:19)。
实施例2
将TbNO3·6H2O(0.122mM,0.042g)、ZrCl4(1.098mM,0.2561g)和对苯二甲酸(1.22mM,0.2027g)溶于50mL DMF中,至溶液澄清。将溶液转移至 100mL反应釜中,放入电热恒温鼓风干燥箱中,升温条件为30min由室温升至 120℃,并在120℃条件下维持24h。自然降温后,将反应釜中的溶液取出,离心,将其浸泡在50mL DMF中,每隔24h换用新鲜的DMF,重复三次后,浸泡溶剂改为氯仿,每隔24h换用新鲜的氯仿,重复三次。最后再次离心得到的白色晶体,简单进行干燥后,将纯化完成后的MOF置于120℃条件下真空干燥箱中干燥12h即可得到纯化后的掺杂不同比例镧系金属离子的Tb-UiO-66化合物。记为Tb-UiO-66(1:9)。
实施例3
将TbNO3·6H2O(0.305mM,0.105g)、ZrCl4(0.915mM,0.2134g)和对苯二甲酸(1.22mM,0.2027g)溶于50mL DMF中,至溶液澄清。将溶液转移至 100mL反应釜中,放入电热恒温鼓风干燥箱中,升温条件为30min由室温升至 120℃,并在120℃条件下维持24h。自然降温后,将反应釜中的溶液取出,离心,将其浸泡在50mL DMF中,每隔24h换用新鲜的DMF,重复三次后,浸泡溶剂改为氯仿,每隔24h换用新鲜的氯仿,重复三次。最后再次离心得到的白色晶体,简单进行干燥后,将纯化完成后的MOF置于120℃条件下真空干燥箱中干燥12h即可得到纯化后的掺杂不同比例镧系金属离子的Tb-UiO-66化合物。记为Tb-UiO-66(1:3)。
实施例4
将TbNO3·6H2O(0.61mM,0.21g)、ZrCl4(0.61mM,0.1422g)和对苯二甲酸(1.22mM,0.2027g)溶于50mL DMF中,至溶液澄清。将溶液转移至100 mL反应釜中,放入电热恒温鼓风干燥箱中,升温条件为30min由室温升至 120℃,并在120℃条件下维持24h。自然降温后,将反应釜中的溶液取出,离心,将其浸泡在50mL DMF中,每隔24h换用新鲜的DMF,重复三次后,浸泡溶剂改为氯仿,每隔24h换用新鲜的氯仿,重复三次。最后再次离心得到的白色晶体,简单进行干燥后,将纯化完成后的MOF置于120℃条件下真空干燥箱中干燥12h即可得到纯化后的掺杂不同比例镧系金属离子的Tb-UiO-66化合物。记为Tb-UiO-66(1:1)。
性能测试
(一)X射线衍射分析
图1为UiO-66及Tb-UiO-66比率荧光探针的实验PXRD谱图。结果表明, UiO-66特征峰出现在2θ=7.48、8.6、25.8°分别对应峰110、002、244,掺杂镧系金属离子Tb3+后在以上三个特征峰位置均有峰,且峰强较大。但是实施例1 中的金属有机骨架材料三个峰位置2θ=7.39、8.50、25.7°;实施例2中的探针三个峰位置2θ=7.43、8.52、25.7°;实施例3中的探针三个峰位置2θ=7.45、8.54、 25.8°;实施例4中的探针三个峰位置2θ=7.45、8.58、25.8°,我们可以观察到随着Tb离子在合成过程中占比增大,XRD峰值越向小角度偏移,即材料中引入了Tb,且Tb在材料中占比增大。
(二)N2吸附-脱附分析
在77K下对所合成的原始UiO-66和实施例1-4中所合成的比率荧光探针进行了氮气吸附-脱附测试,其所得比表面积,微孔体积,总孔体积,平均孔径结果见表1。
表1
从图2中可以看出,在相对较低压力下,UiO-66和实施例1-4所合成的 Tb-UiO-66的氮气吸附量均迅速上升,达到一定相对压力后,吸附出现饱和,这是典型的Ⅰ型等温线,反映的是微孔材料的微孔填充现象,这说明本实验合成的单金属和Tb-UiO-66探针均为微孔材料。然而,由于引入镧系离子,部分孔道造成堵塞,因此双金属材料比表面积低于单金属材料。其中,对于Tb-UiO-66,比表面积随着Tb引入量的增多而降低。这也与PXRD实验结果一致。此外,引入第二种金属,也破坏了UiO-66原始结构的对称性。综上所述,结合微孔体积、总孔体积等其他孔结构参数,综合考虑,选择比表面积和总孔体积最大的实施例4种制备的Tb-UiO-66作为荧光实验的基础。
(三)红外光谱分析
图3和4为UiO-66和Tb-UiO-66的红外谱图。可以看出,UiO-66的红外特征吸收峰与文献报道基本一致,图3可知不同的金属比(Tb/Zr)的改性后 Tb-UiO-66的红外图谱并无差别,图4中可知,UiO-66和Tb-UiO-66同配体对苯二甲酸相比,在1400cm-1和931cm-1处为羧酸中-OH的弯曲振动峰消失,表明-OH被其他元素取代;且在663cm-1处出现新的峰,该峰为Zr-O键伸缩振动; Tb-UiO-66同UiO-66相比,在532cm-1处出现新的峰,该峰为Tb-O键伸缩振动。
(四)热稳定性分析
由图5可知双金属改性前后材料失重阶段主要有三个,第一个失重阶段为室温到100℃,该阶段主要为材料中自由水进行挥发而失重;第二阶段为 150℃~300℃,该阶段失重原因主要为合成材料过程中DMF分子进行挥发;第二阶段为450℃~550℃,我们可以看到该阶段材料已失重50%,发生结构的坍塌。以上说明,Tb-UiO-66探针具有很好地热稳定性。
(五)(比率)荧光灵敏度分析
滴定不同浓度的苯乙烯70%乙醇溶液,采用荧光分光光度计测试本发明的双金属材料Tb-UiO-66,对苯乙烯70%乙醇溶液的荧光传感性能。如图6所示,随着苯乙烯70%乙醇溶液浓度的增加,Tb-UiO-66的荧光强度I317*546/I380先增强后降低,在低浓度范围内,两者的线性相关性可以用等式I317*546/I380=Ksv*C+1分析,I546为加入分析物后材料在546nm处的荧光强度,I317为加入分析物后材料在317nm处的荧光强度,I380为加入分析物后材料在380nm处的荧光强度,C为加入的分析物的浓度,单位是ppm,Ksv为低浓度范围内的猝灭常数。如图7所示,在低浓度时,I317*546/I380与苯乙烯70%乙醇溶液浓度之间具有很好的线性关系(相关系数R2=0.991),这表明苯乙烯 70%乙醇溶液的荧光增强效应很好的符合等式模型。Ksv为5.45*107M,这表明苯乙烯对Tb-UiO-66材料具有较好的猝灭效应,灵敏度很高,同时符合比率荧光条件。通过测试Tb-UiO-66在70%乙醇溶液中多次测量后的荧光强度,可以发现,Tb-UiO-66在70%乙醇溶液中的发光强度基本保持稳定,通过计算得到标准偏差约为0.18,利用文献报道的公式计算检测限:
LOD=3α/slope=18.3ppb(空白样n=10)
此外,对于UiO-66,采用同样的方法,在低浓度范围内计算检测限为LOD 为0.4ppm(空白样n=10)
由此我们可以看出Tb-UiO-66同UiO-66对比,其检测限由18.3ppb降低到 0.4ppm,且检测限计算方法略有不同。
(六)荧光选择性分析
在1-丙醇、1-丁醇、丙醛、己醛、辛醛、壬醛、异戊二烯等肺癌标记物溶剂存在条件下Tb-UiO-66(1:19)对苯乙烯的70%乙醇溶液的荧光传感性能如图8 所示。由图可知,当苯乙烯与其他各种肺癌标记物试剂同时存在时,Tb-UiO-66 (1:19)对苯乙烯荧光检测具有良好的选择性,表明其对其他肺癌标记物具有良好的抗干扰能力,可以用于苯乙烯的荧光传感。
(七)酸碱稳定性分析
由图9-10可知,Tb-UiO-66(1:19)在沸水、强酸(pH=2)和强碱(pH=12) 的环境中浸泡一星期,其晶体结构依旧保持完整性,说明材料具有很好地耐酸碱特性。
Claims (5)
1.一种对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb-UiO-66的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将Tb3+硝酸盐和Zr4+氯化盐混合物与对苯二甲酸以物质的量之比为1:1比例混合在一起,其中Tb3+、Zr4+的物质的量之比为1:1~1:19,以DMF有机溶剂为反应介质,每个Zr6O4(OH)4簇团与对苯二甲酸配体连接,新引入的Tb3+也与游离的对苯二甲酸配体连接,通过配位反应,自组装形成含有镧系金属Tb的UiO-66改性材料。
2.如权利要求1所述的对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb-UiO-66的制备方法,其特征在于:所述Tb3+硝酸盐、Zr4+氯化盐、对苯二甲酸、DMF的物质的量之比为1:1:2:1065~1:19:20:10656。
3.如权利要求2所述的对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb-UiO-66的制备方法,其特征在于:所述配位反应的温度为120℃,晶化时间为24~25 h。
4.如权利要求1-3任一所述的制备方法制备得到的对苯乙烯具有高选择性的比率荧光探针Tb-UiO-66,其特征在于:所述Tb-UiO-66比率荧光探针的BET比表面积为674.5~1062.7m2/g,Langmuir比表面积为797.5~1194.7 m2/g,孔体积为0.46~0.54 cm3/g,微孔体积为0.225~0.386 cm3/g,平均孔径为1.8~3.1 nm。
5.如权利要求4所述的比率荧光探针Tb-UiO-66用于微量或痕量检测苯乙烯,其在70%乙醇溶液中对苯乙烯的检测限低至18.3 ppb。
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GR01 | Patent grant | ||
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