CN104927866A - 空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料科学与工程和现代光学传感技术领域,涉及一种空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备方法及其应用。步骤如下:采用水相法制备CdTe量子点胶体溶液;采用法,以正硅酸乙酯为原料制备单分散SiO2微球;微球在非离子型高分子化合物保护下加入碱性蚀刻剂,制得空心多孔SiO2微球;用氨基硅烷偶联剂进行修饰;向量子点胶体溶液中加入修饰后的空心多孔SiO2微球,避光反应,制得空心多孔硅球包覆量子点材料,即为所述空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器。本发明的空心多孔硅球包覆量子点材料具有良好量子点荧光性能、稳定性和生物相容性,对甲醛具有选择性响应,适用于生物、食品、环境等复杂样品中痕量甲醛的分析检测。
Description
技术领域
本发明属于材料科学与工程和现代光学传感技术领域,涉及到空心多孔硅球包覆量子点荧光复合材料的制备方法及其应用。该荧光传感器对甲醛具有良好的响应,适用于生物、食品、环境等复杂样品中痕量甲醛的分析检测。
背景技术
近十年来,荧光传感器具有高灵敏度、高选择性、操作简捷等优点,在食品、生物、环境、化工等领域应用越来越广泛;基于荧光猝灭作用设计的各种荧光传感器是其中一个重要研究方向,而传感新材料作为材料科学和分析化学的交叉结合点备受关注。
量子点(QDs)是主要由II-VI族或III-V族元素组成的半导体,它具有宽的激发光谱、窄的发射光谱、高的荧光量子产率和寿命长等特殊的性质,是一种比荧光染料分子更理想的生物探针,在基因组学、蛋白质组学、分子生物学、生物化学等方面已得到广泛应用。为提高量子点的生物相容性和稳定性,通常采用硅烷化等表面修饰方法或将量子点适当包埋等方式对其进行改性。
多孔材料是具有规则排列、大小可调的孔道结构,它具有独有的机械、吸附、渗透、光电及生物活性等特点。其中介孔二氧化硅具有优越的光学透明性、良好的生物相容性、高的渗透性等优点,在靶向药物、生物富集与分离、磁热疗、固定化酶、大分子催化、吸附分离等领域有良好的应用前景。为提高介孔二氧化硅的负载量,Zhang等人通过采用自模板法合成具有内部空腔的多孔二氧化硅,为纳米颗粒提供大的附着空间,提升它的负载能力并扩大其应用范围;Li等人利用空心多孔二氧化硅作为一种多功能的纳米接受器,成功地捕获纳米小颗粒。
甲醛是一种重要的工业原料,也是常用的防腐剂和消毒剂,已被世界卫生组织确定为致癌、致畸物质和潜在的强致突变物。近年来室内空气、水产品、食品和环境水中的甲醛危害已引起了人们的广泛关注。结合量子点良好的荧光性能和多孔二氧化硅介孔材料的多孔性、吸附性、可修饰性,开展多孔空心二氧化硅包覆量子点荧光传感器的研制并应用于环境、食品中微量甲醛的检测具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明针对环境食品等领域对微量甲醛快速检测所需荧光传感器的需求,结合目前国内外基于量子点和介孔材料研究的发展趋势,提供一种新的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备方法。
本发明通过以下技术方案实现:
一种空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备方法,按以下步骤制备:
(1)采用水相法制备CdTe量子点胶体;
(2)采用法,以正硅酸乙酯为原料制备单分散SiO2微球;微球在非离子型高分子化合物保护下加入碱性蚀刻剂,制得空心多孔SiO2微球;
(3)将步骤(2)制得的空心多孔SiO2微球用氨基硅烷偶联剂进行修饰;
(4)向步骤(1)制得的量子点胶体溶液中加入步骤(3)中所制备的修饰后的空心多孔SiO2微球,避光反应,制得空心多孔硅球包覆量子点材料,即为所述空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器。
进一步地,所述步骤(1)中,以水相法制备的CdTe量子点,其粒径范围为1-4nm。
进一步地,所述步骤(3)中,所述氨基硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷,所述空心多孔硅球和氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1:3。
进一步地,所述步骤(4)具体为:分别加入量子点和氨基化空心多孔硅球在乙醇水溶液中,避光反应24h,其中乙醇水溶液的体积分数为60-70%,每毫升量子点溶液中加入氨基化空心多孔硅球2mg。
本发明的内容还包括按照上述方法制备获得的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器。
进一步地,当所述空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的浓度为1mg/mL时,在碱性条件下对甲醛具有选择性猝灭作用。
进一步地,所述空心多孔硅球包覆量子点材料传感器在超声波作用和室温静置等条件下具有良好的稳定性,30天内其荧光性能基本不变。
本发明的内容还包括所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器,在复杂样品中痕量甲醛的分析检测的应用。
进一步地,所述复杂样品为环境水样或水产品等。
进一步地,所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器对水产品中甲醛的检出限为0.07mg/L。
本发明采用自组装技术制备具有强的发光性能和开放体系的荧光纳米胶囊,直接将量子点包覆进入大孔道的氨基化介孔二氧化硅微球中,获得简单、稳定且良好的荧光特性的荧光传感器。本发明的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器,可以对甲醛具有选择性的响应,满足环境或食品中痕量甲醛残留的分析要求。
附图说明
图1多孔空心二氧化硅包覆量子点荧光传感器的制备过程的示意图。
图2为空心多孔二氧化硅球扫描电镜图(A)、氨基修饰的多孔空心二氧化硅透射电镜(B)和多孔空心二氧化硅包覆量子点透射电镜(C)。
图3量子点(a)和多孔空心二氧化硅包覆量子点(b)和未修饰的多孔空心二氧化硅包覆量子点(c)的荧光谱图。
图4为二氧化硅包覆量子点荧光传感器的紫外光谱图和荧光光谱图(a)和其对甲醛的响应的紫外光谱图和荧光光谱图(b)。
图5多孔空心二氧化硅包覆量子点的稳定性。
图6多孔空心二氧化硅包覆量子点的选择性
图7多孔空心二氧化硅包覆量子点对不同浓度甲醛标准溶液的荧光响应。
具体实施例
以下结合本发明的实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1空心多孔硅球包覆量子点材料传感器的制备
本实施例为空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备,其步骤如图1所示,具体步骤如下:
(1)氨基化空心多孔二氧化硅的制备:采用法制备约120nm的二氧化硅;取二氧化硅粉末0.3g加入到10mL去离子水中,超声10min后加入0.25g聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和0.6g NaBH4,剧烈搅拌下50℃水浴加热6h。离心(8000rpm)得到白色固体,并用去离子水反复洗涤三次,50℃真空干燥24h,研磨得空心多孔二氧化硅微球待用。将空 心多孔二氧化硅微球加入到200mL无水乙醇中,超声30min后加入100μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷和100μL去离子水,45℃回流搅拌6h,分别用乙醇和去离子水洗涤2-3次,45℃下真空干燥24h。
(2)CdTe量子点(QDs)的制备:在2mL玻璃瓶中分别加入1mL去离子水、0.042g NaBH4和0.064g Te粉。密封下缓慢搅拌40min,待瓶底黑色粉末消失后再静置20min,得NaHTe前驱体清液;准确称取0.0228g CdCl2·2.5H2O加入到250mL三口烧瓶中,加入100mL去离子水和25.5μL的巯基丙酸(MPA),搅拌20min后调节pH值为11.0,通氮气20min,然后快速注入100μL NaHTe前驱体清液,96℃水浴回流6h,得CdTe量子点。
(3)多孔空心二氧化硅包覆量子点的制备
称取10mg的多孔空心二氧化硅,加入4mL无水乙醇和6mL水,超声20min后,加入1.0mL CdTe量子点,继续超声10min,然后室温下避光搅拌反应24h,低速离心去除未吸附的量子点,即得多孔空心二氧化硅包覆量子点。使用时将多孔空心二氧化硅包覆量子点分散于5mL水中即可。
制得多孔空心二氧化硅包覆量子点如图2所示,其中2(A)为空心多孔二氧化硅球扫描电镜图、2(B)为氨基修饰的多孔空心二氧化硅透射电镜和2(C)为多孔空心二氧化硅包覆量子点透射电镜。
实施例2:多孔空心二氧化硅包覆量子点荧光传感器的荧光性能和选择性
(1)荧光性能
图3给出了未包覆的CdTe量子点(a)、氨基修饰的二氧化硅包覆的量子点(b)和未氨基修饰的二氧化硅包覆的量子点(c)的荧光光谱图,图中可以看出,采用氨基修饰的二氧化硅多孔空心微球包覆之后,量子点的荧光强度保持在60%左右,而未氨基修饰的二氧化硅无法稳定地包覆量子点。图4给出了二氧化硅包覆量子点荧光传感器的紫外光谱图和荧光光谱图(a)和其对甲醛的响应的紫外光谱图和荧光光谱图(b)。图中可明显看出甲醛可以猝灭二氧化硅包覆的量子点荧光;照片中可看出甲醛加入后溶液的颜色发生了明显的变化,可用于直接可视化传感检测。
(2)稳定性
图5给出了二氧化硅包覆的量子点荧光传感器的稳定性结果,其中a是二氧化硅包覆的量子点原液;b是二氧化硅包覆的量子点经离心后的超声再分散溶液;1-30为二氧化硅包覆的量子点放置相应天数之后超声再分散溶液的荧光强度。图中可以明显看出制备的二氧化硅包覆的量子点具有良好的稳定性。
(3)选择性
图6给出了二氧化硅包覆的量子点荧光传感器对甲醛、乙醇、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷和甲苯等物质的荧光响应,结果表明荧光传感器对甲醛具有选择性的响应;溶液体系里面少量的乙醇等其他有机溶剂不影响其荧光性能。
实施例3:多孔空心二氧化硅包覆量子点荧光传感器检测水产品中的甲醛
(1)分析方法的建立
配制一系列浓度梯度为0.2到15.5mg/L的甲醛标准溶液,通过荧光光谱响应绘制标准曲线并计算线性范围、相关系数和方法检出限。结果表明,甲醛在0.2-15.5mg/L范围内的线性关系良好(图7),线性方程为ΔF=351.4C-7.770,相关系数0.9997,检出限为0.07mg/L。
(2)分析实际样品
将所建方法应用于鱿鱼中甲醛的分析检测。准确称取2g的干鱿鱼,以100mL水为溶剂超声萃取30min后,在15000rpm高速离心5min,取上清液为由于提取液,备用。
分别移取20μL,50μL和100μL鱿鱼提取液加入到0.5mL二氧化硅包覆量子点溶液中,充分摇匀后静置8min,测定其荧光强度。同时以分别加入31ppm甲醛和未加入甲醛的鱿鱼提取液为参比。根据公式:
(公式1)
结果表明,鱿鱼中含有甲醛的浓度为4.6ppm,甲醛的回收率95.25%-106.5%,RSD小于2.0%。
以上所述,本发明采用自组装技术制备具有强的发光性能和开放体系的荧光纳米胶囊,直接将量子点包覆进入大孔道的氨基化介孔二氧化硅微球中,获得简单、稳定且良好的荧光特性的荧光传感器。本发明的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器,可以对甲醛具有选择性的响应,满足环境或食品中痕量甲醛残留的分析要求。
需要声明的是,以上仅仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修饰、等同变化与修饰,均仍然属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备方法其特征在于,按以下步骤制备:
(1)采用水相法制备CdTe量子点胶体溶液;
(2)采用法,以正硅酸乙酯为原料制备单分散SiO2微球;微球在非离子型高分子化合物保护下加入碱性蚀刻剂,制得空心多孔SiO2微球;
(3)将步骤(2)制得的空心多孔SiO2微球用氨基硅烷偶联剂进行修饰;
(4)向步骤(1)制得的量子点胶体溶液中加入步骤(3)中所制备的修饰后的空心多孔SiO2微球,避光反应,制得空心多孔硅球包覆量子点材料,即为所述空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器。
2.如权利要求1所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,以水相法制备的CdTe量子点,其粒径范围为1-4nm。
3.如权利要求1所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中,所述氨基硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷,所述空心多孔硅球和氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1:3。
4.如权利要求1所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)具体为:分别加入量子点和氨基化空心多孔硅球在乙醇水溶液中,避光反应24h,其中乙醇水溶液的体积分数为60-70%,每毫升量子点溶液中加入氨基化空心多孔硅球2mg。
5.按照权利要求1-4任意一条的方法制备获得的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器。
6.如权利要求5所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器,其特征在于:当其浓度为1mg/mL时,在碱性条件下对甲醛具有选择性猝灭作用。
7.如权利要求5所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器,其特征在于:所述空心多孔硅球包覆量子点材料传感器在超声波作用和室温静置等条件下具有良好的稳定性,30天内其荧光性能基本不变。
8.权利要求6所述的空心多孔硅球包覆量子点荧光传感器,在复杂样品中痕量甲醛分析检测的应用。
9.如权利要求8所述的应用,其特征在于:所述复杂样品为环境水样或水产品等。
10.如权利要求8所述的应用,其特征在于:其对水产品中甲醛的检出限为0.07mg/L。
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