ZIF-8/碳点分子印迹荧光传感器的构筑及其选择性识别性能研究

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荧光传感器是一类由荧光材料组成的化学传感器,通过与目标物产生物理或者化学作用,将目标物的浓度变化转换成对应的荧光信号变化,其具有操作简便、成本低、检测用量少等优点,在环境监测、生物化学、临床检验、食品安全等诸多领域应用广泛。分子印迹荧光传感器兼具分子印迹技术与荧光传感器的优势,可以同步提高荧光传感器的化学稳定性和对目标物的选择性识别能力。碳点(Carbon dots,CDs)作为一类零维纳米材料,具有荧光性能优异、化学性质稳定、制备简单等特性,被广泛应用于分析检测、生物成像等荧光传感应用。但是,CDs与分子印迹技术结合时容易团聚导致其荧光减弱甚至猝灭,影响了目标物检测的灵敏度。金属有机骨架(Metal organic frameworks,MOFs)是由有机配体与金属离子自组装而成的多孔杂化材料,具有超高孔隙率、大的比表面积和丰富的微/介孔结构。将荧光量子点(Quantum dots,QDs)作为客体分子封装/自组装到MOFs基体中/表面上,随后在MOFs表面原位包覆分子印迹聚合物制备CDs/MOFs分子印迹荧光传感器,可以有效增强QDs的分散性,避免因其自身特性和分子印迹聚合物包覆过程所引起的聚集荧光猝灭效应,进而提高荧光传感器的稳定性和检测灵敏性,同时兼具高选择性和良好的抗干扰能力。本论文采取水热法制备CDs用作荧光识别材料,选取沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8为MOFs材料,构筑了两种ZIF-8/CDs单发射分子印迹荧光传感器并用于分析检测目标物;同时引入Cd Te QDs和Zn O QDs作为荧光背景材料,制备了ZIF-8/CDs双发射分子印迹荧光传感器,用于快速可视化检测目标物;并进一步设计制备了荧光比色试纸,用于简便、快速裸眼可视化检测,实现对目标分析物的定性分析和初步筛选。主要研究内容如下:1.ZIF-8/CDs硅基分子印迹荧光传感器的构筑及其选择性识别孔雀石绿为了抑制CDs团聚引起的荧光减弱甚至猝灭现象,将CDs自主装到ZIF-8表面,采用溶胶凝胶印迹法制备了一种新型核壳结构的分子印迹荧光传感器(ZIF-8/CDs@MIPs-2),用于孔雀石绿(Malachite Green,MG)的高灵敏度和选择性定量分析。荧光性能分析实验表明,与CDs@MIPs比较,引入高比表面积的ZIF-8将ZIF-8/CDs@MIPs-2对MG的响应时间缩短了一半。当MG浓度范围为20-180 nmol/L时,ZIF-8/CDs@MIPs-2对MG荧光检测呈现较好的线性关系,最低检测限为2.93 nmol/L,低于CD@MIPs对MG的检测限(5.48 nmol/L),提高了检测灵敏度。该检测方法成功应用于环境水样中痕量MG的测定,加标回收率在99.85-104.28%之间,与高效液相色谱(HPLC)法检测结果几乎一致,相对标准偏差(RSD)分别低至0.41%和0.83%,说明ZIF-8/CDs@MIPs-2用于实际水样中检测MG残留具有很高的准确度。2.中空型ZIF-8/CDs分子印迹荧光传感器的构筑及其选择性识别牛血红蛋白以生物质CDs和ZIF-8的组装体为荧光基团和载体,间苯二酚和三聚氰胺为双功能单体,乌洛托品为交联剂,采用水相合成法制备新型中空结构的分子印迹荧光传感器(H-ZIF-8/CDs@MIPs-2)。印迹合成过程中功能单体间苯二酚和三聚氰胺在交联剂作用下生成酚酸类中间体,释放出质子将ZIF-8刻蚀成中空结构。研究结果表明,这种独特中空结构荧光传感器稳定性好,对牛血红蛋白(Bovine hemoglobin,BHb)的响应时间比CDs@MIPs快了近5.0 min。在最佳的条件下,H-ZIF-8/CDs@MIPs-2随着BHb浓度(0.058-4.5μmol/L)的增加呈线性猝灭,线性方程的相关系数(R~2)为0.9985,检测限为15.6 nmol/L,远低于CDs@MIPs对BHb的最低检测限(26.1 nmol/L)。即使在复杂的环境中,H-ZIF-8/CDs@MIPs-2对BHb仍然有很好的选择性识别效果。H-ZIF-8/CDs@MIPs-2对BHb识别机制为荧光共振能量转移。在实际应用过程中,H-ZIF-8/CDs@MIPs-2对BHb具有较好的检测性能,加标回收率在98.6-101.1%之间,RSD在2.38-4.35%之间。3.中空型Cd Te@ZIF-8/CDs双发射分子印迹荧光传感器的构筑及其可视化识别多巴胺为了提高荧光传感器的抗干扰能力,同时实现可视化和选择性。将红色荧光Cd Te QDs封装在ZIF-8中构筑稳定的参比荧光及载体(Cd Te@ZIF-8),以蓝色荧光CDs为识别信号,结合分子印迹技术制备了一种中空型双发射分子印迹荧光传感器(Cd Te@H-ZIF-8/CDs@MIPs-2),用于多巴胺(Dopamine,DA)的可视化检测。中空结构的Cd Te@H-ZIF-8/CDs@MIPs-2有助于光散射获得足够的能量激发QDs发光,缩短对DA的响应时间。在DA浓度为0-600 nmol/L范围内,Cd Te@H-ZIF-8/CDs@MIPs-2的荧光强度显著猝灭,具有良好的线性关系,检测限为12.35 nmol/L。在紫外灯下,Cd Te@H-ZIF-8/CDs@MIPs-2测试溶液的荧光颜色发生了从蓝色到红色的明显变化,具有较好的可视化效果。在干扰离子和DA类似物存在下,Cd Te@H-ZIF-8/CDs@MIPs-2仅对DA展现较好的识别效果。将Cd Te@H-ZIF-8/CDs@MIPs-2和HPLC方法进行加标检测人体血清中的DA,二者的回收率分别在98.02-104.06%和97.98-103.55%之间,RSD分别低于4.28%和4.45%,说明Cd Te@H-ZIF-8/CDs@MIPs-2对于真实样品中的DA分析具有良好的灵活性和优异的准确性。4.Cd Te@ZIF-8/CDs双发射分子印迹荧光试纸的设计及其可视化识别溶菌酶将红色Cd Te QDs包覆在ZIF-8中制备Cd Te@ZIF-8作为荧光参比信号,以蓝色CDs为荧光识别信号,并自组装到Cd Te@ZIF-8表面,采取水相聚合法构建了双发射分子印迹荧光传感器(Cd Te@ZIF-8/CDs@MIPs-2),用于选择性可视化测定溶菌酶(Lysozyme,Lys)。荧光检测结果表明Cd Te@ZIF-8/CDs@MIPs-2对Lys的检测具有较高的选择性和灵敏度,在Lys 0-8.5 mg/L浓度范围内呈现较好的线性关系,其检测限为0.048 mg/L。为了满足对Lys的可视化检测和便携策略的需求,本实验制备了一种灵巧和廉价的Lys检测试纸,并成功应用于实际样品加标回收检测Lys,与HPLC方法检测Lys的加标回收率范围分别在为98.5%-104.95%和96.75-102.63%,证实了Cd Te@ZIF-8/CDs@MIPs-2试纸用于可视化识别Lys的可行性。5.Zn O@ZIF-8/CDs双发射分子印迹荧光试纸的设计及其可视化识别双酚A以黄色荧光Zn O QDs为荧光参比信号和锌源,采用自模板法制备Zn O@ZIF-8核壳结构纳米点,蓝色荧光CDs为识别信号,4-乙烯基吡啶(4-VP)为功能单体,双酚A(Bisphenol A,BPA)为模板分子,二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)为交联剂,采用沉淀聚合法合成了Zn O@ZIF-8/CDs@MIPs-2。在BPA浓度为0-60 nmol/L时,建立了定量检测BPA的荧光分析方法,相关线性方程的R~2为0.998,其检测限低至0.778nmol/L,相应的测试溶液在紫外灯下显示从蓝色到黄色的明显变化。选择性实验结果表明Zn O@ZIF-8/CDs@MIPs-2仅对BPA具有良好的选择性识别效果。将Zn O@ZIF-8/CDs@MIPs-2应用于罐头食品中BPA的加标回收检测,并与HPLC方法检测BPA的结果进行对比,二者的加标回收率分别为96.58%-102.04%和97.43%-103.82%。Zn O@ZIF-8/CDs@MIPs-2试纸在紫外灯下对BPA进行可视化识别,结果表明试纸对BPA识别的荧光颜色变化与测试溶液的基本一致,说明Zn O@ZIF-8/CDs@MIPs-2荧光试纸不仅可以快速筛选BPA,而且丰富了分子印迹荧光传感器的应用范围和便捷性。
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