本發(fā)明屬于熒光傳感器材料的制備和分析化學(xué)檢測領(lǐng)域，涉及一種基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器的制備及其應(yīng)用于4-硝基苯酚檢測的方法。

背景技術(shù)：

熒光檢測方法具有取樣量少、靈敏度高、操作簡單性和響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，在無機(jī)、有機(jī)、醫(yī)藥、生物化學(xué)和臨床檢驗(yàn)等不同領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。熒光傳感器可以利用傳感器與目標(biāo)物之間的特異性作用，根據(jù)引起的熒光變化實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的特異性檢測，目前熒光傳感器已成為常見的熒光檢測方法之一。熒光傳感器的熒光源除了有機(jī)熒光染料之外，還包括納米金、納米銀、半導(dǎo)體量子點(diǎn)及碳點(diǎn)等。傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料斯托克位移小，容易造成光致漂白；納米金和納米銀的成本高；半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有一定的毒性而且水溶性差。相比之下，碳點(diǎn)具有明顯的優(yōu)勢，碳點(diǎn)具有低毒性、環(huán)境友好性、良好的生物相容性和制備方法簡易性。碳點(diǎn)作為一類綠色的環(huán)境友好型熒光材料，近年來得到人們越來越廣泛的研究。但是，通常碳點(diǎn)的較低的量子產(chǎn)率在一定程度上限制了碳點(diǎn)作為熒光傳感器材料的應(yīng)用。碳點(diǎn)的熒光發(fā)光性質(zhì)與其表面缺陷有關(guān)，通過鈍化可使有機(jī)或聚合物材料附著在碳點(diǎn)表面，使得碳點(diǎn)的表面缺陷變得穩(wěn)定，從而增加熒光量子產(chǎn)率。此外，碳點(diǎn)的熒光與其本征態(tài)的結(jié)構(gòu)和邊緣處的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過選取合適的原料，可將雜原子引入碳點(diǎn)的骨架結(jié)構(gòu)或者邊緣區(qū)域，得到雜原子摻雜的碳點(diǎn)，改善碳點(diǎn)本征態(tài)的發(fā)光，可有效提高碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率(limsy,shenw,gaoz.carbonquantumdotsandtheirapplications[j].chemicalsocietyreviews,2015,44(1):362-381.)。高的熒光量子產(chǎn)率對于熒光傳感器檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度提供了根本的保障。目前已有文獻(xiàn)報(bào)道n原子摻雜能夠有效提高碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率(dingh,zhangp,wangty,etal.nitrogen-dopedcarbondotsderivedfrompolyvinylpyrrolidoneandtheirmulticolorcellimaging[j].nanotechnology,2014,25(20):205604.)。值得注意的是，使用不同的材料或者相同材料不同的制備方法制得的碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)具有較大差異，主要是因?yàn)閾诫s原子的種類、含量和官能團(tuán)結(jié)構(gòu)顯著影響碳點(diǎn)的熒光性質(zhì)。相比鈍化包裹的碳點(diǎn)，摻雜的碳點(diǎn)具有更多的功能基團(tuán)可直接和目標(biāo)物作用，實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)作為熒光傳感器的特異性檢測。

由于碳點(diǎn)本身官能團(tuán)的種類有限，其在一定程度上限制了碳點(diǎn)的應(yīng)用范圍。將碳點(diǎn)材料和分子印跡技術(shù)結(jié)合可以有效增強(qiáng)基于碳點(diǎn)的熒光傳感器的特異性識別能力，擴(kuò)大其作為熒光傳感器的應(yīng)用范圍。同時(shí)由于量子點(diǎn)表面印跡層的形成可極大提高量子點(diǎn)熒光的穩(wěn)定性。liu等人利用原位水熱合成的方法制備了碳點(diǎn)印跡聚合物材料，并成功應(yīng)用于雙酚a的熒光特異性檢測(liug,chenz,jiangx,etal.in-situhydrothermalsynthesisofmolecularlyimprintedpolymerscoatedcarbondotsforfluorescentdetectionofbisphenola[j].sensorsandactuatorsb:chemical,2016,228:302-307.)。但是，制備碳點(diǎn)印跡傳感器時(shí)，傳統(tǒng)的印跡方法會(huì)造成量子點(diǎn)被印跡層包埋過深導(dǎo)致熒光強(qiáng)度減弱甚至消失，同時(shí)由于量子點(diǎn)和目標(biāo)分子特異性吸附位點(diǎn)的包埋導(dǎo)致傳質(zhì)速率低。表面印跡技術(shù)能很好的解決這個(gè)問題，選擇合適的基材制備的碳點(diǎn)印跡聚合物的聚合層厚度可控且活性位點(diǎn)靠近基材表面，能夠保證碳點(diǎn)熒光的穩(wěn)定性和檢測過程較快的傳質(zhì)速率。氧化石墨烯(go)是一種二維納米材料，具有大的比表面積、良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，其表面豐富的含氧官能團(tuán)可在印跡過程中參與反應(yīng)，能夠使印跡層均勻在覆蓋在其表面，是一種優(yōu)良的表面印跡基質(zhì)材料。

4-硝基苯酚(4-np)是一種硝基芳香族化合物，具有急性毒性、高致癌性、低生物降解性和環(huán)境積聚性，容易在動(dòng)植物體內(nèi)富集，通過食物鏈危害人體健康。因此監(jiān)測環(huán)境和食品中的4-np的含量，對于保證人類健康安全具有重要意義。目前常用的4-np檢測方法有色譜法和光譜法，但是其對于復(fù)雜樣品預(yù)處理過程較為復(fù)雜且要求一定的儀器操作技能。因此，開發(fā)一種快速、簡單、靈敏檢測4-np的方法很有必要。熒光傳感器可有效應(yīng)用于4-np的熒光特異性檢測。zhou等人制備了硅球包覆的石墨烯量子點(diǎn)和印跡聚合物的復(fù)合材料用于4-硝基苯酚的檢測(zhouy,quz,zengy,etal.anovelcompositeofgraphenequantumdotsandmolecularlyimprintedpolymerforfluorescentdetectionofparanitrophenol[j].biosensorsandbioelectronics,2014,52:317-323.)。到目前為止，氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡傳感器應(yīng)用于4-np的檢測還未有報(bào)道。

基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器為簡單、快速、高靈敏檢測食品和環(huán)境中4-np的含量提供了一類新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器的制備方法及應(yīng)用。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：首先選取檸檬酸銨和乙二胺為碳源和氮源，制備出具有優(yōu)良熒光性質(zhì)的氮摻雜碳點(diǎn)(ncds)。再選取氧化石墨烯(go)為基質(zhì)材料，4-硝基苯酚(4-np)為模板分子、甲基丙烯酸為功能單體合成了一種新型摻氮碳點(diǎn)表面分子印跡熒光傳感器(4-np-mip)。最后將其應(yīng)用于溶液中4-硝基苯酚的檢測，考察該熒光傳感器對4-np的特異性識別和檢測能力。隨著4-np濃度的增加，4-np-mip的熒光逐漸減弱，根據(jù)熒光強(qiáng)度的變化可以定量得出4-np的含量。該熒光傳感器具有良好的穩(wěn)定性，對于4-np的熒光檢測快速靈敏，能夠應(yīng)用于復(fù)雜樣品中4-np的特異性檢測，在環(huán)境和食品中4-np的監(jiān)控和檢測方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值和前景。

一種基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器的制備方法，包括如下步驟：

(1)氮摻雜碳點(diǎn)ncds的制備：

在聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜中，加入檸檬酸銨，乙二胺，和去離子水，水熱反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，將所得溶液利用0.22um的聚四氟乙烯濾膜抽濾，得濾液，使用3500da的滲析袋滲析濾液，真空冷凍干燥后，制得氮摻雜碳點(diǎn)ncds；

(2)基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器4-np-mip的制備：

將go用乙醇進(jìn)行超聲分散后，加入4-硝基苯酚(4-np)，甲基丙烯酸maa；再加入ncds的乙醇溶液，進(jìn)行自組裝，攪拌過夜，將反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)入到恒溫水浴中，加入egdma和aibn，氮?dú)夥諊幸l(fā)聚合反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后用乙醇洗滌產(chǎn)物，真空干燥；

(3)將步驟(2)得到的產(chǎn)物用甲醇/乙酸混合溶液進(jìn)行索氏萃取洗滌，洗脫模板劑4-np，真空干燥后，即為4-硝基苯酚表面分子印跡熒光傳感器4-np-mip。

步驟(1)中，使用檸檬酸銨和乙二胺為碳源和氮源，所述的檸檬酸銨、乙二胺、去離子水的用量比例為：8mmol:1～4ml:10ml。

步驟(1)中，所述的水熱反應(yīng)溫度為120～200℃，水熱反應(yīng)的時(shí)間為4～6h；滲析袋滲析濾液的時(shí)間為24h。

步驟(2)中，所述的ncds的印跡聚合反應(yīng)以go為印跡基材，maa為功能單體，4-np為模板劑，egdma為交聯(lián)劑，aibn為引發(fā)劑；

所述go和乙醇的用量比例為50mg：25ml；超聲時(shí)間為30min；

所述go、4-np、maa和ncds的用量比為：50mg:3.0mmol:5～15mmol:10～20ml；

所述egdma和aibn的用量比例為：1mmol：4～6mg。

步驟(2)中，所述聚合反應(yīng)的溫度為55～65℃，聚合時(shí)間為4-8h。

步驟(3)中，所述的混合溶液中甲醇和乙酸的體積比為4:1。

本發(fā)明得到的4-硝基苯酚表面分子印跡熒光傳感器4-np-mip，最佳激發(fā)波長為ex＝400nm,最佳發(fā)射波長為em＝470nm。

本發(fā)明所述的一種基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器用于檢測4-硝基苯酚的用途，檢測的線性范圍為5～40umol/l。使用方法為：

量取制備好的4-np-mip熒光傳感器溶液10ml，再加入4-np溶液以0.1mol/lhcl或0.1mol/lnh3·h2o溶液調(diào)ph為7.0并混合定容，使得4-np濃度范圍為0～40umol/l，40min后，檢測該熒光傳感器在激發(fā)波長為ex＝400nm時(shí)的發(fā)射波長和熒光強(qiáng)度，熒光發(fā)射波長位置基本不變，熒光強(qiáng)度減弱，4-np猝滅了該熒光傳感器的熒光。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明以制備的是一種新型的基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡傳感器，其對4-np具有特異性識別和檢測能力。隨著4-np濃度的增加，4-np-mip的熒光逐漸減弱，根據(jù)熒光強(qiáng)度的變化可以定量得出4-np的含量。該熒光傳感器具有良好的穩(wěn)定性，對于4-np的熒光檢測快速靈敏，能夠應(yīng)用于復(fù)雜樣品中4-np的特異性檢測，在環(huán)境和食品中4-np的監(jiān)控和檢測方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值和前景。這為快速高效檢測4-np的含量提供了一種新方法。

附圖說明

圖1:圖1(a)和圖1(b)分別是氮摻雜碳點(diǎn)和的基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡傳感器透射電鏡圖；由圖1(a)和圖1(b)可知，氮摻雜碳點(diǎn)尺寸均勻，4-np-mip印跡傳感器中包裹ncds的印跡層結(jié)構(gòu)很好的連接在go表面。

圖2為4-np-mip檢測4-np時(shí)熒光強(qiáng)度的變化和線性范圍。由圖2可知，隨著4-np濃度的增加，4-np-mip的熒光逐漸減弱，線性范圍為5～40umol/l。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

(1)氮摻雜碳點(diǎn)(ncds)的制備

在50ml聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜中，加入8.0mmol檸檬酸銨，2ml乙二胺，和10ml去離子水，在160℃下反應(yīng)4h，冷卻至室溫。將所得溶液利用0.22um的聚四氟乙烯濾膜抽濾，得濾液。使用3500da的滲析袋滲析濾液24h，真空冷凍干燥后制得氮摻雜碳點(diǎn)(ncds)。

(2)基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器(4-np-mip)的制備

100ml三口燒瓶，加入先前合成的50mggo，25ml乙醇進(jìn)行超聲分散。30min后加入3.0mmol4-硝基苯酚(4-np)，10mmol甲基丙烯酸(maa)，10mlncqds的乙醇溶液(50mg/l)，進(jìn)行自組裝，攪拌過夜。將上述反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)入到恒溫水浴中，加入1mmolegdma和4mgaibn，60℃氮?dú)夥罩幸l(fā)聚合，聚合6h后用乙醇洗滌產(chǎn)物，真空干燥。用甲醇/乙酸(v:v，4:1)混合溶液進(jìn)行索氏萃取洗滌，真空干燥后即為4-硝基苯酚表面分子印跡熒光傳感器(4-np-mip)。

(3)熒光測試

將制備的500mg/l的4-np-mip溶液進(jìn)行熒光光譜測試，得到的最佳激發(fā)波長為ex＝400nm,最佳發(fā)射波長為em＝470nm。

(4)4-np的檢測

量取制備好的4-np-mip熒光傳感器溶液10ml，再加入市售生菜預(yù)處理以后的溶液，以0.1mol/lhcl和0.1mol/lnh3·h2o溶液調(diào)ph為7.0，混合均勻40min后，檢測該熒光傳感器在激發(fā)波長為ex＝400nm時(shí)的發(fā)射波長和熒光強(qiáng)度，熒光發(fā)射波長位置基本不變，熒光強(qiáng)度減弱，說明市售生菜中含有4-np能夠猝滅該熒光傳感器的熒光，濃度為7.2umol/l。

實(shí)施例2：

(1)氮摻雜碳點(diǎn)(ncds)的制備

在50ml聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜中，加入8.0mmol檸檬酸銨，4ml乙二胺，和10ml去離子水，在200℃下反應(yīng)6h，冷卻至室溫。將所得溶液利用0.22um的聚四氟乙烯濾膜抽濾，得濾液。使用3500da的滲析袋滲析濾液24h，真空冷凍干燥后制得氮摻雜碳點(diǎn)(ncds)。

(2)基于氧化石墨烯的氮摻雜碳點(diǎn)的表面印跡熒光傳感器(4-np-mip)的制備

100ml三口燒瓶，加入先前合成的50mggo，25ml乙醇進(jìn)行超聲分散。30min后加入3.0mmol4-硝基苯酚(4-np)，15mmol甲基丙烯酸(maa)，20mlncqds的乙醇溶液(50mg/l)，進(jìn)行自組裝，攪拌過夜。將上述反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)入到恒溫水浴中，加入1mmolegdma和6mgaibn，65℃氮?dú)夥罩幸l(fā)聚合，聚合8h后用乙醇洗滌產(chǎn)物，真空干燥。用甲醇/乙酸(v:v，4:1)混合溶液進(jìn)行索氏萃取洗滌，真空干燥后即為4-np表面分子印跡熒光傳感器(4-np-mip)。

(3)熒光測試

將制備的500mg/l的4-np-mip溶液進(jìn)行熒光光譜測試，得到的最佳激發(fā)波長為ex＝400nm,最佳發(fā)射波長為em＝472nm。

(4)4-np的檢測

量取制備好的4-np-mip熒光傳感器溶液10ml，再加入市售青菜預(yù)處理以后的溶液，以0.1mol/lhcl和0.1mol/lnh3·h2o溶液調(diào)ph為7.0，混合均勻40min后，檢測該熒光傳感器在激發(fā)波長為ex＝400nm時(shí)的發(fā)射波長和熒光強(qiáng)度，熒光發(fā)射波長位置基本不變，熒光強(qiáng)度減弱，說明市售青菜中含有4-np能夠該熒光傳感器的熒光，濃度為10.1umol/l。