基于金属-有机框架材料的双酚A碳点分子印迹荧光探针的制备及应用的制作方法

2021-02-02 18:02:43|

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本发明属于复合材料制备及食品安全检测技术领域，具体涉及一种基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备及应用。

背景技术：

双酚a是一种较为常见的双酚类化合物，多用于一些生活中常见的各种食品或饮料的包装材料的制备。近年来双酚a的大量使用，使其普遍存在于我们的生活中，而微量的双酚a就可对人体产生不良影响，如可造成心血管疾病、代谢和免疫疾病、糖尿病、神经行为障碍、致癌性过敏、生殖功能障碍等严重后果。目前食品接触材料及制品中bpa迁移量的测定方法主要有液相色谱法、液相色谱-质谱法、气相色谱-质谱法以及基于量子点的电化学传感器法等。但是，上述方法不但需要大型仪器、检测成本相对较高，而且检测周期长，一般实验室不易普及；而新型的简易传感器检测方法多数只可应用于成分简单的水样中bpa检测，限制了其发展。因此建立一种检测时间短、成本较低，且可应用于复杂样品基质中bpa检测的方法尤为重要。

分子印迹聚合物（mips）具有可以对特定目标分析物进行选择性识别的优点，是发展高选择性复合材料的理想选择；碳量子点因其优异的生物相容性、良好的发光性能、简单的合成工艺等优点，是发展荧光材料的理想选择，而荧光检测技术具有高灵敏度、响应时间短等优势受到人们青睐。将荧光技术与分子印迹技术结合，制备一种荧光分子印迹探针是本研究工作的主要目的。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备方法，该方法将荧光技术与分子印迹技术相结合，以金属-有机框架材料（mil-101）为支持载体，碳点为荧光信号物质，采用分子印迹技术实现了双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备。建立了一种食品中双酚a的高灵敏、高选择性检测方法。

本发明还提供了一种基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的应用。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：本发明提供了一种基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备mil-101

（a）初步合成：在反应溶剂中加入九水硝酸铬cr(no3)39h2o，对苯二甲酸h2bdc和40％氢氟酸hf，超声，转移至高压反应釜内，高温反应一段时间，冷却至室温后离心，倒掉上清液，用超纯水反复超声洗涤，离心，干燥后得到绿色粉末状产物即为mil-101；

（b）纯化：将初步合成的mil-101样品转移至圆底烧瓶中，加入超纯水，70℃水浴搅拌加热5h，4000rmin^-1离心10min，收集沉淀，再加入50ml无水乙醇，60℃搅拌加热3h，离心，收集沉淀后干燥，得到纯化后的mil-101；

（c）活化：将纯化后的mil-101置于nh4f中，60℃水浴加热10h，冷却至室温后过滤，用水洗涤除去残存的nh4f；

（d）将所得mil-101分散在乙醇溶液中，得mil-101乙醇分散液备用；

（2）制备碳点

准确称取一定量的反应溶剂，通氮气除去氧气，加热至240℃，在搅拌条件下迅速加入无水柠檬酸，反应时间持续0.5-3min，反应结束后冷却至室温，用石油醚反复洗涤纯化，分散在乙醇中，4℃条件下储存备用；

（3）制备基于mil-101的双酚a碳点分子印迹荧光探针

将模板分子、功能单体和cds超声分散在无水乙醇中，黑暗条件下静置3h，加入mil-101乙醇分散液，室温下避光搅拌1h，随后缓慢加入交联剂和催化剂，60℃反应12h，无水乙醇洗去未反应的原料，60℃真空干燥得初产物，分别用醇-酸溶液、醇溶液进行索氏提取，干燥后得到荧光分子印迹聚合物mil-101@mip。

本发明制备mil-101过程中，步骤（a）中，具体的操作过程为：70ml超纯水中加入4.00gcr(no3)39h2o），1.66gh2bdc和125μl40％hf，超声，转移至高压反应釜内，220℃加热8h，冷却至室温后离心，倒掉上清液，用超纯水反复超声洗涤3次，离心，干燥后得到绿色粉末状产物即为mil-101；步骤（c）中，将步骤（a）得到的mil-101，加入150ml，30mmol的nh4f；步骤（d）中，mil-101在乙醇溶液中的分散浓度为50mgml^-1。

进一步的，步骤（2）中，所述反应溶剂为n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基二甲氧基硅烷；所述柠檬酸在反应溶剂中的浓度为0.05g/ml；所述反应时间为1min。

进一步的，步骤（3）中，所述双酚a和功能单体的摩尔比例为0：1-1：4，优选的，摩尔比例为1：3；所述双酚a为bpa；所述功能单体为3-氨丙基三乙氧基硅烷；所述功能单体在无水乙醇反应体系中的浓度0.2-0.25mmol/ml；所述每1mmol的模板分子中加入0.5-3mlmil-101乙醇分散液；所述所述cds用量在无水乙醇中的体积分数为1.3-1.6%。

进一步的，步骤（3）中，所述交联剂为正硅酸四乙酯，所述正硅酸四乙酯与3-氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比例为8：3；所述催化剂为冰乙酸、盐酸或氨水；优化的，所述催化剂为冰乙酸；所述催化剂和模板分子的摩尔比为1：0.001。

进一步的，所述醇-酸溶液为甲醇醋酸混合液，甲醇和醋酸的体积比为9:1；所述醇溶液为甲醇溶液。

本发明还提供了一种利用上述制备方法制备得到的基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针在分析检测双酚a中的应用，包括以下步骤：

（1）将制备的聚合物mil-101@mip按3mg：2ml料液比加入样品提取液中，室温振荡1~30min，待分析检测使用。

（2）将待测样品采用荧光分光光度计检测分析。

进一步的，所述荧光分光光度计检测分析的条件为：激发波长为360nm，发射波长为400~600nm，增益为中，狭缝宽度为10nm。

本发明首先制备出以cr³⁺为中心金属离子，对苯二甲酸为侨联配体的一种具有超四面体结构的新型金属有机框架材料mil-101，然后以mil-101为支持载体，碳点为荧光信号物质，采用分子印迹技术实现了双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备。该探针对双酚a呈现高选择性，在360nm激发下，于456nm处有荧光发射，且荧光强度随溶液中双酚a浓度的增加而降低，有良好的的线性关系，可实现环境或食品中双酚a的高选择性高灵敏分析检测。

本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的材料制备方法简单，制备的复合材料集成了金属有机框架材料、分子印迹聚合物和荧光材料的特性，对目标物呈现高选择性、高效荧光响应等特性。

（2）本发明制备的材料可直接用于食品或环境中一些复杂基质中双酚a的分析检测，且操作简便，检测周期短，检测成本较低；该技术发明检测灵敏度较高，其最小检出限为18μg/l。

附图说明

图1为mil-101（a）和mil-101@mip（b）材料的扫描电镜。

图2为mil-101@mip材料的红外光谱图。

图3为mil-101和mil-101@mip材料的热重分析图。

图4为mil-101@mip材料对双酚a的荧光选择性。

图5为mil-101@mip材料对不同浓度bpa溶液的荧光谱图。

具体实施方式

为了使本发明上述特征和优点更加清楚和容易理解，下面将结合附图对发明本发明的实施方案作进一步详细描述。

下列实施实例中所涉及试剂如无特殊说明均为市售，使用前未经任何处理，金属有机框架材料mil-101和碳点均为自己合成，合成后分散于乙醇溶液中备用。

实施例1

基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备方法，步骤为：

（1）合成mil-101

（a）合成：70ml超纯水中加入4.00g九水硝酸铬（cr(no3)39h2o），1.66g对苯二甲酸（h2bdc）和125μl40％氢氟酸（hf），超声使其充分混匀。转移至100ml高压反应釜内，220℃加热8h，冷却至室温后离心，倒掉上清液，用超纯水反复超声洗涤3次，离心，干燥后得到绿色粉末状产物即为mil-101。

（b）纯化：将合成的mil-101样品转移至100ml圆底烧瓶中，加入50ml超纯水，70℃水浴搅拌加热5h，4000rmin^-1离心10min。收集沉淀，再加入50ml无水乙醇，60℃搅拌加热3h，离心，收集沉淀后干燥，得到纯化后的mil-101。

（c）活化：未经活化的mil-101晶体，其微观孔穴通常会被客体分子（溶剂分子）占据，影响其比表面积，进而影响吸附性能。使溶剂分子脱附的方法有很多，如加热脱附、溶剂萃取等。但本合成方法所用溶剂为水，使水完全脱附所要求的温度较高。所以本实验选用150ml，30mmol的nh4f，60℃水浴加热10h。冷却至室温后过滤，用水洗涤三遍，除去残存的nh4f。

（d）将所得mil-101分散在乙醇溶液中得到50mgml^-1的mil-101悬浮液备用。

（2）合成cds

准确称取10ml的n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基二甲氧基硅烷，通氮气10min除去氧气，加热至240℃，在搅拌条件下迅速加入0.5g无水柠檬酸，保持1min，反应结束后冷却至室温，用石油醚反复洗涤纯化，分散在乙醇中，4℃条件下储存备用。

（3）合成基于mil-101的双酚a碳点分子印迹荧光探针

将0.228g模板分子bpa（1mmol）、0.7ml功能单体aptes（3mmol）和cds（100μl、200μl、300μl）超声分散在14ml无水乙醇中，黑暗条件下静置3h，加入1mlmil-101乙醇分散液，室温下避光搅拌1h，随后缓慢加入1.8ml交联剂teos（8mmol）和1ml1mol/l的hcl。60℃反应12h，无水乙醇洗去未反应的原料，60℃真空干燥得初产物，分别用甲醇-乙酸溶液（9:1，v/v）、甲醇溶液进行索氏提取，洗去初产物中的模板分子bpa，干燥后得到荧光分子印迹聚合物mil-101@mip。在不加模板分子bpa的情况下，重复上述步骤得到荧光非分子印迹聚合物mil-101@nip。

实施例2

基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备方法，步骤为：

（1）合成mil-101

（a）合成。70ml超纯水中加入4.00g九水硝酸铬（cr(no3)39h2o），1.66g对苯二甲酸（h2bdc）和125μl40％氢氟酸（hf），超声使其充分混匀。转移至100ml高压反应釜内，220℃加热8h，冷却至室温后离心，倒掉上清液，用超纯水反复超声洗涤3次，离心，干燥后得到绿色粉末状产物即为mil-101。

（b）纯化。将合成的mil-101样品转移至100ml圆底烧瓶中，加入50ml超纯水，70℃水浴搅拌加热5h，4000rmin^-1离心10min。收集沉淀，再加入50ml无水乙醇，60℃搅拌加热3h，离心，收集沉淀后干燥，得到纯化后的mil-101。

（c）活化。未经活化的mil-101晶体，其微观孔穴通常会被客体分子（溶剂分子）占据，影响其比表面积，进而影响吸附性能。使溶剂分子脱附的方法有很多，如加热脱附、溶剂萃取等。但本合成方法所用溶剂为水，使水完全脱附所要求的温度较高。所以本实验选用150ml，30mmol的nh4f，60℃水浴加热10h。冷却至室温后过滤，用水洗涤三遍，除去残存的nh4f。

将所得mil-101分散在乙醇溶液中得到50mgml^-1的mil-101悬浮液备用。

（2）合成cds

（3）合成基于mil-101的双酚a碳点分子印迹荧光探针

将0.228g模板分子bpa（1mmol）、0.7ml功能单体aptes（3mmol）和cds（200μl）超声分散在无水乙醇（14.5ml、14ml、13ml、12ml）中，黑暗条件下静置3h，相应的加入mil-101乙醇分散液（0.5ml、1ml、2ml、3ml），室温下避光搅拌1h，随后缓慢加入1.8ml交联剂teos（8mmol）和1ml1mol/l的hcl。60℃反应12h，无水乙醇洗去未反应的原料，60℃真空干燥得初产物，分别用甲醇-乙酸溶液（9:1，v/v）、甲醇溶液进行索氏提取，洗去初产物中的模板分子bpa，干燥后得到荧光分子印迹聚合物mil-101@mip。在不加模板分子bpa的情况下，重复上述步骤得到荧光非分子印迹聚合物mil-101@nip。

实施例3

基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备方法，步骤为：

（1）合成mil-101

将所得mil-101分散在乙醇溶液中得到50mgml^-1的mil-101悬浮液备用。

（2）合成cds

（3）合成基于mil-101的双酚a碳点分子印迹荧光探针

将0.228g模板分子bpa（1mmol）、功能单体aptes（3mmol、4mmol）和cds（200μl）超声分散在13ml无水乙醇中，黑暗条件下静置3h，加入2mlmil-101乙醇分散液，室温下避光搅拌1h，随后缓慢加入交联剂teos（6mmol、8mmol、12mmol、16mmol）和1ml1mol/l的hcl。60℃反应12h，无水乙醇洗去未反应的原料，60℃真空干燥得初产物，分别用甲醇-乙酸溶液（9:1，v/v）、甲醇溶液进行索氏提取，洗去初产物中的模板分子bpa，干燥后得到荧光分子印迹聚合物mil-101@mip。在不加模板分子bpa的情况下，重复上述步骤得到荧光非分子印迹聚合物mil-101@nip。

实施例4

基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的制备方法，步骤为：

（1）合成mil-101

将所得mil-101分散在乙醇溶液中得到50mgml^-1的mil-101悬浮液备用。

（2）合成cds

（3）合成基于mil-101的双酚a碳点分子印迹荧光探针

将0.228g模板分子bpa（1mmol）、0.7ml功能单体aptes（3mmol）和cds（200μl）超声分散在13ml无水乙醇中，黑暗条件下静置3h，加入2mlmil-101乙醇分散液，室温下避光搅拌1h，随后缓慢加入1.8ml交联剂teos（8mmol）和1ml1mol/l的催化剂（hcl、hac、nh3▪h2o）。60℃反应12h，无水乙醇洗去未反应的原料，60℃真空干燥得初产物，分别用甲醇-乙酸溶液（9:1，v/v）、甲醇溶液进行索氏提取，洗去初产物中的模板分子bpa，干燥后得到荧光分子印迹聚合物mil-101@mip。在不加模板分子bpa的情况下，重复上述步骤得到荧光非分子印迹聚合物mil-101@nip。

在合成过程中，分别对cds用量、mil-101用量、合成比例及催化剂种类进行了优化分析，采用印迹因子作为衡量指标。优化结果如表1-表4所示。

表1cds用量优化

表2mil-101用量优化

表3合成比例优化

表4催化剂种类优化

效果实施例

（一）基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针的特性研究

为了对制备材料的特性有进一步的了解，对制备的基于金属-有机框架材料的双酚a碳点分子印迹荧光探针进行了表征，并对其荧光性能进行了考察。

图1为mil-101（a）和mil-101@mip（b）材料的扫描电镜图。如图所示，mil-101晶体颗粒近似为八面体结构，且表面光滑，具有较为良好的分散性；而mil-101@mip的表面具有一层明显的分子印迹层。

图2为mil-101@mip材料的红外光谱图。由图可知，583cm^-1处是cr-o振动峰，说明聚合物中有mil-101存在，1060cm^-1、1558cm^-1处分别代表了si-oh和n-h基团的特征吸收峰，说明在mil-101上成功合成了掺杂cds的荧光分子印迹层。

图3为mil-101及mil-101@mip材料的热重分析图。如图所示，相对于mil-101，mil-101@mip材料的失重曲线较为稳定，在300℃之前，mil-101@mip材料的失重率仅约为10%，证明分子印迹层的引入对mil-101起到了保护作用，大大增强了复合材料的热稳定性。

图4为mil-101@mip材料对双酚a的荧光选择性。选取双酚af（bpaf）、双酚s（bps）、双酚b（bpb）、双酚f（bpf）和对苯二酚（hydroquinone）5种bpa的结构类似物。由图可知，该材料对模板分子双酚a具有良好的荧光选择性。