專(zhuān)利名稱(chēng)：基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物tnt分子識(shí)別的化學(xué)制備方法
基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別的化
學(xué)制備方法 所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域，特別涉及具有基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超 痕量爆炸物TNT分子識(shí)別的化學(xué)制備方法。
技術(shù)背景從社會(huì)安全的角度來(lái)看，硝基芳香化合物具有極高的爆炸性和環(huán)境的 危害性，因此，近年來(lái)，在對(duì)超痕量硝基芳香化合物的探測(cè)和相關(guān)的傳感器陣列的探索 已經(jīng)引起了社會(huì)研究機(jī)構(gòu)廣泛的關(guān)注和富有成效的探索。特定硝基芳香族爆炸物及其蒸 汽信號(hào)的實(shí)驗(yàn)室探測(cè)已經(jīng)通過(guò)氣質(zhì)聯(lián)用儀、離子遷移譜和中子活性分析等的方法被廣泛 的開(kāi)展。這些傳統(tǒng)分析技術(shù)能夠滿(mǎn)足分析中的基本要求，如選擇性，可靠性，準(zhǔn)確性和 可重復(fù)性，但是這些檢測(cè)方法是昂貴的、耗時(shí)的和繁瑣笨重的，因?yàn)闄z測(cè)中樣品必須是 脫離檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)送往實(shí)驗(yàn)室去分析，不能夠做到實(shí)時(shí)實(shí)地的檢測(cè)。綜上所述，有必要尋求 一種能夠快速和便捷的檢測(cè)TNT的方法。在應(yīng)用方面，熒光分子是構(gòu)筑納米尺度結(jié)構(gòu)的 理想敏感材料。而納米二氧化硅高的表面積，表面易于功能化，是理想的納米熒光傳感 器載體材料。為了解決爆炸物檢測(cè)問(wèn)題，迫切地需要化學(xué)傳感器能夠?qū)σ合嗪推喹h(huán)境 中的目標(biāo)分析物提供一種高選擇性、高響應(yīng)、高敏感、快速、低成本和原位探測(cè)。
在各種信號(hào)傳感器中，基于熒光"關(guān)"或熒光"開(kāi)"機(jī)理的光學(xué)可尋址傳感器 已經(jīng)被證明是研究者在許多挑戰(zhàn)的環(huán)境中所期盼對(duì)各種小分子目標(biāo)分析物檢測(cè)的方法， 由于該檢測(cè)方法的高信號(hào)輸出和可靠的檢測(cè)結(jié)果。熒光"關(guān)"機(jī)理的化學(xué)傳感器對(duì)硝基 芳香化合物用熒光方法檢測(cè)是極其有利的。擁有缺電子的芳香環(huán)的硝基芳香爆炸物是一 個(gè)電子的接受體，這樣就顯示出對(duì)富電子的熒光材料表面擁有很高的親和力。這種光致 發(fā)光是在電子受體和給體之間通過(guò)電子轉(zhuǎn)移n復(fù)合物機(jī)理直接淬滅的，這種淬滅主要依 賴(lài)于硝基芳香化物的接受電子能力。近來(lái)，美國(guó)Swager科研小組用擁有很高的熒光量子 產(chǎn)率的半導(dǎo)體有機(jī)聚合物對(duì)超痕量的硝基芳香族化合物蒸汽探測(cè)已經(jīng)顯現(xiàn)了一系列的成 功實(shí)例。在光纖的表面涂抹上導(dǎo)電聚合物，對(duì)芳香硝基爆炸物檢測(cè)信號(hào)放大了30倍。與 此同時(shí)，其他的光致發(fā)光聚合物材料如聚四苯基硅烷，聚四苯基鍺烷和物理吸附染料的 多孔二氧化硅微球都已經(jīng)被證明是對(duì)低標(biāo)準(zhǔn)的硝基芳香爆炸物蒸汽探測(cè)的有效傳感器。 近來(lái)，美國(guó)swager研究小組報(bào)道熒光"開(kāi)"化學(xué)傳感器通過(guò)以活性酶為媒介的還原反應(yīng) 對(duì)非芳香硝基化合物黑索金(RDX)和季戊四醇四硝酸酯(PETN)進(jìn)行直接探測(cè)方法。
目前這些方法中作為可替代的方法之一就是半導(dǎo)體量子點(diǎn)代替熒光素，由于其 擁有很高熒光量子產(chǎn)率，熒光半導(dǎo)體量子點(diǎn)參雜二氧化硅納米粒子近來(lái)顯示了對(duì)于光學(xué) 為基礎(chǔ)的化學(xué)/生物傳感器檢測(cè)有巨大的潛力。發(fā)展在"納米粒子上的實(shí)驗(yàn)室"技術(shù)將 提供一種更具有靈活性的化學(xué)/生物傳感器的新穎策略，這種靈活性的策略允許光學(xué)可調(diào) 和特定配合物和接受體的組裝，能夠提供高比表面積為更好的接觸目標(biāo)分析物，同時(shí)擁 有對(duì)各種傳感器的組裝能力。從原理上來(lái)說(shuō)，基于納米粒子的傳感器可以通過(guò)共價(jià)耦聯(lián) 兩個(gè)組分 一種是識(shí)別接受體結(jié)合目標(biāo)分子和另一種傳感器(發(fā)色基團(tuán))，即信號(hào)的接受 體。最典型的就是美國(guó)Goldman等人近來(lái)報(bào)道了用在量子點(diǎn)一部分抗體和有機(jī)染料之間 基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移化學(xué)/生物傳感器。這種對(duì)麥芽糖和酶活性具有特定的檢測(cè)功能的傳感器已經(jīng)被成功制備。 近年來(lái)，以二氧化硅納米粒子為載體，修飾熒光基團(tuán)作為探針吸引了大批研究 者的興趣。2006年Wiesner科研小組的發(fā)明專(zhuān)利(US2006183246)公開(kāi)了 "Fluorescent silica-based nanoparticles"制備方法。它采用了下述步驟(1)染料TRITC為芯-殼 型納米粒子的芯；(2)以正硅酸乙酯為反應(yīng)的前驅(qū)體，以氨水為催化劑制備出芯殼型 的粒徑為30nm熒光二氧化硅納米粒子。2007年Aizawa Hideki科研小組的發(fā)明專(zhuān)利 (WO2007074722)公開(kāi) 了 "Fluorescent silica nano-particle， fluorescent nano-material， biochip using the material, and assay method"制備方法。它采用了下述步驟(1)以正硅 酸乙酯為反應(yīng)的前驅(qū)體，以氨水為催化劑制備粒徑為30nm或小于30nm的熒光二氧化硅 納米表面修飾上Cy3和Cy5熒光染料，這種熒光二氧化硅粒子可以用來(lái)作為生物芯片來(lái) 檢測(cè)生物分子。 但是這些芯殼型的二氧化硅納米粒子和表面修飾了熒光染料TRITC、 Cy3和Cy5
的熒光二氧化硅納米粒子選擇性相對(duì)較差，敏感性差，由于其表面沒(méi)有攜帶專(zhuān)識(shí)性的基 團(tuán)。因此，合成高選擇性和高敏感性的熒光二氧化硅納米探針制備方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)超痕量 TNT分子識(shí)別有其必要性。 在本發(fā)明中，我們報(bào)道了在二氧化硅納米粒子表面的一種熒光共振能量共振轉(zhuǎn) 移策略對(duì)在溶液和氣相中超痕量TNT的探測(cè)。二氧化硅納米粒子是尤其適合作為熒光化 學(xué)傳感器支撐體，因?yàn)槎趸杓{米粒子光學(xué)透明和光子物理惰性以及其表面能夠很容 易通過(guò)與硅烷化試劑縮合反應(yīng)而修飾上新組裝功能的亞單元。二氧化硅納米粒子表面的 氨丙基能夠與TNT目標(biāo)分子通過(guò)形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，由于存在電子離域，這種電荷轉(zhuǎn) 移復(fù)合物在500-600nm波長(zhǎng)范圍類(lèi)顯示了一個(gè)很強(qiáng)的可見(jiàn)吸收峰。這一結(jié)果的發(fā)現(xiàn)，激 發(fā)我們?cè)诙趸杓{米粒子表面通過(guò)共價(jià)交聯(lián)3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)和6-羧基 熒光素琥珀酰亞胺酯(C1609)來(lái)探索基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移化學(xué)傳感器對(duì)TNT目標(biāo)分子 的專(zhuān)識(shí)性的檢測(cè)。當(dāng)選擇一個(gè)合適熒光染料分子其擁有的熒光發(fā)射光譜與APTS-TNT復(fù) 合物的紫外-可見(jiàn)的吸收光譜相重合，它的熒光共振將會(huì)被APTS-TNT復(fù)合物所吸收，因 此，二氧化硅納米粒子的光致發(fā)光將會(huì)被有效的淬滅。由于在二氧化硅納米粒子表面有 許多的對(duì)TNT結(jié)合敏感性很強(qiáng)的氨丙基亞單元，這樣將會(huì)導(dǎo)致選擇性的對(duì)環(huán)境中TNT目 標(biāo)分子形成快速的響應(yīng)。而目前關(guān)于二氧化硅納米粒子表面修飾上氨丙基和6-羧基熒光 素琥珀酰亞胺酯未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。這種表面修飾了 APTS和C1609的二氧化硅納米粒子通 過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移在溶液中選擇性探測(cè)到納摩爾濃度級(jí)TNT分子和在氣相中數(shù)個(gè)ppb 級(jí)。這種對(duì)TNT分子具有專(zhuān)識(shí)性作用的熒光二氧化硅納米粒子，以熒光作為探針、氨丙 基為識(shí)別位點(diǎn)顯現(xiàn)出對(duì)TNT高選擇性、高敏感和超痕量的探測(cè)。 發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明首次利用納米 二氧化硅作為支撐體合成了帶有氨丙基和熒光基團(tuán)的一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕 量爆炸物TNT分子識(shí)別的化學(xué)制備方法，并首次將納米二氧化硅表面進(jìn)行功能化修飾用 于對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別。所述方法為化學(xué)合成法，首先制備的單分散凝膠二氧 化硅納米粒子進(jìn)行表面的氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯修飾，使其功能化。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí) 別的化學(xué)制備方法，包括用二氧化硅球形納米粒子作支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯，其特征在于；所述修飾的二氧化硅球形納米粒子中富電子氨丙基同缺電子TNT目標(biāo)分子之間通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移形成深紅色復(fù)合物，此復(fù)合物在525nm處有最大可見(jiàn)吸收峰，而表面的6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射譜正好與其重疊，根據(jù)熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理，正好能夠被這個(gè)波長(zhǎng)的TNT的復(fù)合物所吸收，通過(guò)熒光強(qiáng)度的下降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)TNT分子識(shí)別，本發(fā)明的制備過(guò)程包括如下兩個(gè)步驟
1.1將3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane， APTS)中的氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯(6-Carboxyfluorescein N-succinimide ester， C1609)中的琥珀酰亞胺酯，通過(guò)親核取代反應(yīng)以共價(jià)鍵形式耦聯(lián)到硅烷化試劑APTS上。典型的合成方法是在含有過(guò)量的0.5mL的APTS和2.4mg的染料C1609的分散到10mL的無(wú)水乙醇溶液中，用恒溫?fù)u擺床以250rpm相對(duì)緩慢的轉(zhuǎn)速在室溫下避光連續(xù)反應(yīng)12h，得到亮黃綠色的反應(yīng)產(chǎn)物； 1.2第二步反應(yīng)是將89.1mL的無(wú)水乙醇置于500mL的單頸磨口燒瓶中，3.4mL的TEOS迅速的加到乙醇溶液中，在500rpm下攪拌3min，然后把10.9mL的氨水加入到上述反應(yīng)溶液中，并迅速?gòu)?qiáng)烈的以750rpm攪拌三分鐘后，攪拌轉(zhuǎn)速降至500rpm，在室溫下反應(yīng)18h，得到粒徑大約是200nm的氧化硅粒子溶液。將反應(yīng)所得到熒光染料C1609耦聯(lián)到APTS上的亮黃綠色的反應(yīng)產(chǎn)物連同50 ii L TEOS —道加入到反應(yīng)合成后粒徑大約為200nm的上述反應(yīng)溶液中去，在室溫下以500rpm轉(zhuǎn)速攪拌避光反應(yīng)24h。
將上述所得的產(chǎn)物離心、超聲分散用無(wú)水乙醇洗三次，再重新分散到乙醇中。最終得到了C1609、 APTS封端的二氧化硅納米粒子，具有對(duì)TNT高選擇性、高敏感性和超痕量探測(cè)的熒光二氧化硅納米粒子探針。 作為對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所說(shuō)支撐體為納米二氧化硅粒子，其粒徑可控可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)物的量之間的比例來(lái)加以控制；所說(shuō)二氧化硅球形納米粒子支撐體的表面經(jīng)修飾使其表面富含氨丙基和熒光素基團(tuán)；所說(shuō)硅烷化試劑是3-氨丙基三乙氧基硅烷。所說(shuō)熒光素是6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯。所說(shuō)被識(shí)別分子為T(mén)NT。所說(shuō)的二氧化硅納米粒子表面的氨丙基能夠?qū)ＷR(shí)性的結(jié)合TNT目標(biāo)分子。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果 其一相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，2006年Wiesner科研小組的發(fā)明專(zhuān)利(US2006183246)公開(kāi)了 "Fluorescent silica-based nanoparticles"制備方法。它采用了下述步驟(1)染料TRITC為芯-殼型納米粒子的芯；(2)以正硅酸乙酯為反應(yīng)的前驅(qū)體，以氨水為催化劑制備出芯殼型的粒徑為30nm熒光二氧化硅納米粒子。2007年Aizawa Hideki科研小組的發(fā)明專(zhuān)利(WO2007074722)公開(kāi)了 "Fluorescent silica nano-particle， fluorescentnano-material， biochip using the material, and assay method"制備方法。 它米用了下述步驟(l)以正硅酸乙酯為反應(yīng)的前驅(qū)體，以氨水為催化劑制備粒徑為30nm或小于30nm的熒光二氧化硅納米表面修飾上Cy3和Cy5熒光染料，這種熒光二氧化硅粒子可以用來(lái)作為生物芯片來(lái)檢測(cè)生物分子。這種熒光納米粒子沒(méi)有專(zhuān)識(shí)性的識(shí)別位點(diǎn)，選擇性差，沒(méi)有涉及到熒光共振能量轉(zhuǎn)移機(jī)理，修飾的熒光基團(tuán)不是通過(guò)共價(jià)鍵鍵合上，熒光分子容易洗脫，不穩(wěn)定。 本發(fā)明采用了平均粒徑為200nm的二氧化硅球形納米粒子作模板為支撐體，在其表面通過(guò)鍵合修飾上氨丙基和熒光素C1609，修飾后的二氧化硅球形納米粒子擁有專(zhuān)識(shí)性的富電子功能基團(tuán)-氨丙基，本發(fā)明的制備過(guò)程包括兩個(gè)步驟首先，將0.5mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷和2.4mg的6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯分散在10mL的無(wú)水乙醇中，APTS中的氨丙基和C1609中的琥珀酰亞胺酯通過(guò)親核取代反應(yīng)以共價(jià)鍵形式耦聯(lián)到硅烷化試劑APTS上。然后，將上述反應(yīng)溶液連同50iiL的TEOS—道加入含有3.4mL的TEOS為前驅(qū)體，10.9mL的氨水為催化劑和89.1mL的無(wú)水乙醇為溶劑的反應(yīng)后合成粒徑大約為200nm二氧化硅納米粒子的混合液中，在室溫下以500rpm轉(zhuǎn)速攪拌避光反應(yīng)24h。
將上述所得的產(chǎn)物離心、超聲分散用無(wú)水乙醇洗三次，再重新分散到乙醇中。得到了表面富含氨丙基和熒光素的二氧化硅納米粒子，制備出對(duì)TNT目標(biāo)分子具有高選擇性、高敏感和超痕量探測(cè)的熒光二氧化硅納米粒子探針。 綜上所述，納米分子熒光探針，尤其是在納米二氧化硅表面帶有分子識(shí)別基團(tuán)的熒光探針，既增大納米熒光探針的比表面積，有增加了分子識(shí)別位點(diǎn)，提高選擇性、識(shí)別性和敏感性。 其二表面修飾了氨丙基和熒光素C1609分子的二氧化硅納米粒子，能夠?qū)NT分子識(shí)別。例如，加入一定量的TNT目標(biāo)分子可以同二氧化硅表面的氨丙基形成暗紅色的復(fù)合物，此復(fù)合物吸收二氧化硅表面熒光素C1609的發(fā)射光，通過(guò)熒光強(qiáng)度下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)TNT分子識(shí)別。合成表面富含氨丙基和熒光素的二氧化硅納米粒子球，同時(shí)也可以選擇性用來(lái)檢測(cè)其他硝基爆炸物分子，如2， 4-二硝基甲苯(DNT)、硝基苯(NB)和黑索金(RDX)。并且本發(fā)明中的熒光素是6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯?？梢?jiàn)，本發(fā)明所提供的方法是通用的，實(shí)用范圍比較廣泛。 其三與傳統(tǒng)的熒光分子探針相比較，表面修飾二氧化硅納米粒子分子探針具有較大的比表面積，較多的識(shí)別位點(diǎn)，高選擇性，高敏感性，提高分子識(shí)別性能。圖9是本發(fā)明中納米粒子芯片淬滅百分?jǐn)?shù)隨著在目標(biāo)分析物飽和蒸汽時(shí)間的變化函數(shù)關(guān)系圖(A)和修飾了不同熒光染料的納米粒子在TNT飽和蒸汽中淬滅百分?jǐn)?shù)時(shí)間函數(shù)的比較(B)。其中圖9(A)是修飾了 C1609的二氧化硅納米粒子對(duì)不同的目標(biāo)分析物飽和蒸汽檢測(cè)結(jié)果，其中在TNT濃度相同的條件下淬滅百分?jǐn)?shù)為最大。圖9(B)是修飾了 C1609的二氧化硅粒子和修飾了 6-Carboxy-X-rhodamine N-succinimidyl ester(ROX)的二氧化硅對(duì)TNT淬滅百分?jǐn)?shù)的比較，可以看出表面修飾了 C1609的二氧化硅粒子對(duì)TNT的敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)于ROX的敏感性。 其四本發(fā)明所提供的方法中，粒徑可控的二氧化硅納米粒子可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)物量之間的比例來(lái)加以控制。即帶功能識(shí)別基團(tuán)的二氧化硅熒光納米粒子的粒徑是可以控制的，因此，通過(guò)調(diào)節(jié)氨水和TEOS的量來(lái)控制二氧化硅納米粒子的粒徑。
其五選擇溶膠二氧化硅納米顆粒作為球形模板目的因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)(1)容易合成溶膠氧化硅納米顆粒，其粒徑范圍可從5nm-2000nm，較大的表面積，相對(duì)較低成本；(2)在反應(yīng)過(guò)程中具有化學(xué)和熱的穩(wěn)定性不與有機(jī)溶劑反應(yīng)；(3)表面容易嫁接有機(jī)官能團(tuán)；(4)對(duì)環(huán)境無(wú)害。


圖1是本發(fā)明所采用的表面修飾了 APTS和C1609的二氧化硅納米粒子合成示意圖。 圖2是本發(fā)明所采用的APTS與TNT目標(biāo)分子在溶液中通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移相互作用形成的紅色復(fù)合物(A)和APTS-TNT紅色復(fù)合物的歸一化紫外-可見(jiàn)光譜圖及C1609的穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射光譜圖(B)。 圖3是本發(fā)明所采用的表面富含氨丙基和C1609的二氧化硅納米粒子對(duì)TNT目標(biāo)分子檢測(cè)原理示意圖。 圖4是本發(fā)明所采用的表面富含氨丙基和C1609的二氧化硅納米粒子的掃描電鏡圖(A)和透視電鏡圖(B)。 圖5是本發(fā)明所得到的表面修飾了氨丙基和C1609的二氧化硅納米粒子的紫外-可見(jiàn)光譜圖(a)及其穩(wěn)態(tài)熒光光譜圖(b)。 圖6是本發(fā)明所得到的修飾不同的熒光染料的二氧化硅納米粒子和其純?nèi)玖蠈?duì)不同的硝基化合物的熒光淬滅常數(shù)的比較圖。 圖7是本發(fā)明所得到的滴加10 ii L不同濃度的TNT溶液到C1609-APTS-silica納
米粒子組裝的芯片上熒光點(diǎn)的亮度和尺寸變化的熒光共聚焦顯微鏡照片。 圖8是本發(fā)明中熒光納米粒子隨TNT濃度的增加熒光強(qiáng)度的變化(A)和其對(duì)不
同分析物濃度的淬滅百分?jǐn)?shù)的變化(B)。 圖9是本發(fā)明中納米粒子芯片淬滅百分?jǐn)?shù)隨著在目標(biāo)分析物飽和蒸汽時(shí)間的變化函數(shù)關(guān)系圖(A)和修飾了不同熒光染料的納米粒子在TNT飽和蒸汽中淬滅百分?jǐn)?shù)時(shí)間
函數(shù)的比狡Cb;)。 根據(jù)附圖進(jìn)一步解釋
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明所采用的表面修飾了 APTS和C1609的二氧化硅納米粒子合成示意圖。在圖1中首先APTS與C1609進(jìn)行共價(jià)耦聯(lián)，然后在二氧化硅凝膠納米粒子表面修飾上氨丙基和熒光素C1609,得到了熒光二氧化硅納米粒子。 二氧化硅納米粒子表面必須進(jìn)行修飾，使表面帶上特定官能基團(tuán)，以便二氧化硅納米粒子表面具有識(shí)別位點(diǎn)。本發(fā)明采用的是在純二氧化硅納米粒子表面共價(jià)耦聯(lián)氨丙基和熒光素C1609，使其表面覆蓋著氨丙基和熒光素C1609，這樣有利于缺電子的目標(biāo)分析物同富電子氨丙基在二氧化硅納米粒子表面形成復(fù)合物； 首先是使硅烷化試劑APTS與熒光素C1609在一定的反應(yīng)條件下通過(guò)共價(jià)耦聯(lián)，形成耦聯(lián)體。然后，以氨水為催化劑水解和縮合TEOS得到二氧化硅粒子，最后將耦聯(lián)體同制得的二氧化硅納米粒子混和液反應(yīng)，從而制備對(duì)TNT有專(zhuān)識(shí)性識(shí)別作用的熒光二氧化硅納米粒子。 圖2是本發(fā)明所采用的APTS與TNT目標(biāo)分子在溶液中通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移相互作用形成的紅色復(fù)合物(A)和APTS-TNT紅色復(fù)合物的歸一化紫外-可見(jiàn)光譜圖及熒光素C1609的穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射光譜圖(B)。 APTS-TNT紅色復(fù)合物在525nm處有最大的可見(jiàn)吸收峰，其復(fù)合物的吸收正好同熒光素C1609的穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射光譜圖相重疊，根據(jù)熒光共振能量轉(zhuǎn)移，熒光素C1609的穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射光正好被APTS-TNT紅色復(fù)合物所吸收，使得C1609熒光強(qiáng)度的下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)TNT分子識(shí)別。 圖3是本發(fā)明所采用的表面富含氨丙基和C1609的二氧化硅納米粒子對(duì)目標(biāo)分子檢測(cè)原理示意圖。在TNT目標(biāo)分子存在的條件下，熒光二氧化硅粒子表面富電子的氨丙基與缺電子TNT目標(biāo)分子之間通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移作用形成紅色的復(fù)合物，根據(jù)熒光共振能量 轉(zhuǎn)移，熒光素C1609的穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射光正好被APTS-TNT紅色復(fù)合物所吸收，使得C1609 熒光強(qiáng)度的改變，從而使熒光淬滅，實(shí)現(xiàn)對(duì)TNT分子識(shí)別。 圖4是本發(fā)明所采用的表面富含氨丙基和熒光素的二氧化硅納米粒子的掃描電 鏡圖(A)和透射電鏡圖(B)。由于采用兩步反應(yīng)，首先，通過(guò)共價(jià)耦聯(lián)氨丙基和熒光素， 然后，制備純二氧化硅納米粒子，最后再將兩者混合反應(yīng)得到表面富含氨丙基和熒光素 的二氧化硅納米粒子的掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡照片。 圖5是本發(fā)明所得到的表面修飾了氨丙基和C1609的二氧化硅納米粒子的紫 外-可見(jiàn)光譜圖(a)及其穩(wěn)態(tài)熒光光譜圖(b)。從紫外-可見(jiàn)吸收譜圖可以清楚的看到修飾 上的熒光素的二氧化硅納米粒子在502nm處的吸收峰，同時(shí)從穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射譜也清晰地 看到其在518nm處的最大發(fā)射強(qiáng)度。 圖6是本發(fā)明所得到的不同熒光染料修飾的二氧化硅納米粒子和純?nèi)玖蠈?duì)不同 的硝基化合物的熒光淬滅常數(shù)的比較圖。從圖中可以看出修飾了氨丙基和C1609染料的 二氧化硅納米粒子對(duì)TNT的淬滅常數(shù)最大，選擇性和敏感性顯著。 圖7是本發(fā)明所得到的滴加10 ii L不同濃度的TNT溶液到C1609-APTS-silica納
米粒子組裝的芯片上熒光點(diǎn)的亮度和尺寸的變化的熒光共聚焦顯微鏡照片。從圖中可以 清晰地看出隨著TNT濃度的增大熒光二氧化硅納米粒子組成的芯片陣列在圖中熒光的強(qiáng) 度逐漸的降低。 圖8是本發(fā)明中熒光納米粒子隨TNT濃度的增加熒光強(qiáng)度的變化(A)及其對(duì)不同 分析物濃度的淬滅百分?jǐn)?shù)的變化(B)。從圖8A中可以看出這種修飾了熒光素的二氧化硅 納米粒子球?qū)NT的探測(cè)可以低至10-9mol L—、 從圖8B中表面了這種納米粒子對(duì)TNT 的檢測(cè)限為最低。 圖9是本發(fā)明中納米粒子芯片淬滅百分?jǐn)?shù)隨著在目標(biāo)分析物飽和蒸汽時(shí)間的變 化函數(shù)關(guān)系圖(A)和修飾了不同熒光染料的納米粒子在TNT飽和蒸汽中淬滅百分?jǐn)?shù)時(shí)間 函數(shù)的比較(B)。其中圖9A是修飾了 C1609的二氧化硅納米粒子對(duì)不同的目標(biāo)分析物飽 和蒸汽檢測(cè)結(jié)果，其中在TNT濃度相同的條件下淬滅百分?jǐn)?shù)為最大。圖9B是修飾了熒 光素C1609的二氧化硅粒子和修飾了熒光素ROX的二氧化硅對(duì)TNT淬滅百分?jǐn)?shù)的比較， 可以看出表面修飾了 C1609的二氧化硅粒子對(duì)TNT的敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)于ROX的敏感 性。
具體實(shí)施例方式
一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別的化 學(xué)制備方法，包括用二氧化硅球形納米粒子作為支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧 基熒光素琥珀酰亞胺酯，其特征在于所述的二氧化硅球形納米粒子表面帶有氨丙基和 6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯，其表面的氨丙基可進(jìn)一步與TNT目標(biāo)分子作用，使其表面 富電子的氨丙基作為電子供體同缺電子的TNT受體之間通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移作用形成深紅色的 復(fù)合物，此深紅色復(fù)合物，通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移可以吸收二氧化硅球形納米粒子表面 6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯的熒光，利用熒光強(qiáng)度的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)超痕量爆炸物TNT分 子識(shí)別，本發(fā)明的制備過(guò)程包括如下兩個(gè)步驟 第一步，是將3-氨丙基三乙氧基硅烷中的氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯 通過(guò)加成反應(yīng)以共價(jià)鍵形式耦聯(lián)到硅烷化試劑3-氨丙基三乙氧基硅烷上，典型的合成方法是在含有過(guò)量的0.5mL lmL的3-氨丙基三乙氧基硅烷和2.0mg 10mg的6-羧基熒 光素琥珀酰亞胺酯的分散到10mL 20mL的無(wú)水乙醇溶液中，用恒溫?fù)u擺床以100rpm 300rpm相對(duì)緩慢的轉(zhuǎn)速在室溫下避光連續(xù)反應(yīng)12h 24h ; 第二步，反應(yīng)是將50mL 90mL的無(wú)水乙醇置于500mL的單頸磨口燒瓶中， lmL 3.6mL的正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate， TEOS)迅速的加到乙醇溶液中，在 500rpm下攪拌3min 10min，然后把lmL 15mL的氨水加入到上述反應(yīng)溶液中，并迅 速?gòu)?qiáng)烈的以500rpm 750rpm攪拌三分鐘后，攪拌轉(zhuǎn)速降至400rpm 600rpm，在室溫下 反應(yīng)15h 24h，在含有過(guò)量的0.5mL lmL的3-氨丙基三乙氧基硅烷和2.0mg 10mg 的6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯的10mL 20mL無(wú)水乙醇溶液中，反應(yīng)所得到6-羧基熒 光素琥珀酰亞胺酯耦聯(lián)到3-氨丙基三乙氧基硅烷上的亮黃綠色的反應(yīng)產(chǎn)物連同10 L 50 ii L TEOS —道加入到反應(yīng)合成后得到二氧化硅納米粒子的上述反應(yīng)溶液中去，在室溫 下以400rpm 600rpm轉(zhuǎn)速攪拌避光反應(yīng)15h 24h。 將上述所得的擁有氨丙基和熒光素的二氧化硅納米粒子離心、用無(wú)水乙醇超聲 分散洗三次再重新分散到乙醇中，最終得到了氨丙基和熒光素C1609封端的二氧化硅納 米粒子，具有對(duì)TNT高選擇性、高度敏感和超痕量探測(cè)的熒光二氧化硅納米粒子探針。
表面修飾的二氧化硅納米粒子中加入目標(biāo)分子，能夠改變其識(shí)別性能。如加入 TNT分子，二氧化硅納米粒子表面的氨基與TNT形成復(fù)合物，吸收二氧化硅粒子表面的 熒光素所發(fā)射的熒光，從而得到對(duì)TNT分子識(shí)別。 實(shí)施例根據(jù)共價(jià)耦聯(lián)反應(yīng)，利用納米二氧化硅作為支撐體，采用兩步反應(yīng)可 得到表面富含氨丙基和熒光素的二氧化硅納米粒子。 1、 APTS和熒光素C1609的耦聯(lián)反應(yīng)在含有過(guò)量的0.5mL的APTS和2.4mg 的染料C1609的分散到10mL的無(wú)水乙醇溶液中，用恒溫?fù)u擺床以250rpm相對(duì)緩慢的轉(zhuǎn) 速在室溫下避光連續(xù)反應(yīng)12h ; 2、修飾了氨丙基和熒光素C1609的二氧化硅凝膠納米粒子制備將S9.1mL的 無(wú)水乙醇置于500mL的單頸磨口燒瓶中，3.4mL的TEOS迅速的加到乙醇溶液中，在 500rpm下攪拌3min，然后把10.9mL的氨水加入到上述反應(yīng)溶液中，并迅速?gòu)?qiáng)烈的以 750rpm攪拌三分鐘后，攪拌轉(zhuǎn)速降至500rpm，在室溫下反應(yīng)18h。 在含有過(guò)量的0.5mL APTS禾P2.4mg C1609的10mL無(wú)水乙醇溶液中，反應(yīng)所得到熒光染料C 1609耦聯(lián)到APTS 上的亮黃綠色的反應(yīng)產(chǎn)物連同50 ii L TEOS —道加入到反應(yīng)合成后粒徑大約為200nm的上 述反應(yīng)溶液中去，在室溫下以500rpm轉(zhuǎn)速攪拌避光反應(yīng)24h。 對(duì)比染料ROX的修飾過(guò) 程類(lèi)似于染料C1609。 將上述所得的產(chǎn)物離心、超聲分散用無(wú)水乙醇洗三次，再重新分散到乙醇中。 最終得到了C1609、 APTS封端的二氧化硅納米粒子，具有對(duì)TNT高選擇性、高敏感性和 超痕量探測(cè)的熒光二氧化 納米粒子探針。
權(quán)利要求
一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別的化學(xué)制備方法，包括用二氧化硅球形納米粒子作為支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯，其特征在于所述的二氧化硅球形納米粒子表面帶有氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯，其表面的氨丙基可進(jìn)一步與TNT目標(biāo)分子作用，使其表面富電子的氨丙基作為電子供體同缺電子的TNT受體之間通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移作用形成深紅色的復(fù)合物，此深紅色復(fù)合物通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移可以吸收二氧化硅球形納米粒子表面6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯的熒光，利用熒光強(qiáng)度的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別，本發(fā)明的制備過(guò)程包括如下兩個(gè)步驟1.1第一步反應(yīng)是將3-氨丙基三乙氧基硅烷中的氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯中的琥珀酰亞胺酯通過(guò)親核取代反應(yīng)，以共價(jià)鍵形式耦聯(lián)到硅烷化試劑3-氨丙基三乙氧基硅烷上，典型的合成方法是在含有過(guò)量的0.5mL～1mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷和2.0mg～10mg的6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯的分散到10mL～20mL的無(wú)水乙醇溶液中，用恒溫?fù)u擺床以100rpm～300rpm相對(duì)緩慢的轉(zhuǎn)速在室溫下避光連續(xù)反應(yīng)12h～24h；1.2第二步反應(yīng)是將50mL～90mL的無(wú)水乙醇置于500mL的單頸磨口燒瓶中，1mL～3.6mL的正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate，TEOS)迅速的加到乙醇溶液中，在500rpm下攪拌3min～10min，然后把1mL～15mL的氨水加入到上述反應(yīng)溶液中，并迅速?gòu)?qiáng)烈的以500rpm～750rpm攪拌三分鐘后，攪拌轉(zhuǎn)速降至400rpm～600rpm，在室溫下反應(yīng)15h～24h，在含有過(guò)量的0.5mL～1mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷和2.0mg～10mg的6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯的10mL～20mL無(wú)水乙醇溶液中，反應(yīng)所得到6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯耦聯(lián)到3-氨丙基三乙氧基硅烷上的亮黃綠色的反應(yīng)產(chǎn)物連同10μL～50μL TEOS一道加入到反應(yīng)合成后得到二氧化硅納米粒子的上述反應(yīng)溶液中去，在室溫下以400rpm～600rpm轉(zhuǎn)速攪拌避光反應(yīng)15h～24h。將上述所得的擁有氨丙基和熒光素的二氧化硅納米粒子離心、用無(wú)水乙醇超聲分散洗三次再重新分散到乙醇中，最終得到了熒光素和氨丙基封端的二氧化硅納米粒子，具有對(duì)TNT高選擇性、高度敏感和超痕量探測(cè)的熒光二氧化硅納米粒子探針。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別 的化學(xué)制備方法，其特征是所說(shuō)支撐體為納米二氧化硅粒子，其粒徑可控可以通過(guò)調(diào) 節(jié)反應(yīng)物的量之間的比例來(lái)加以控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別 的化學(xué)制備方法，其特征是所說(shuō)二氧化硅球形納米粒子支撐體的表面經(jīng)修飾其表面富 含氨丙基和熒光基團(tuán)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別 的化學(xué)制備方法，其特征是所說(shuō)硅烷化試劑是3-氨丙基三乙氧基硅烷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別 的化學(xué)制備方法，其特征是所說(shuō)熒光素是6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí) 別的化學(xué)制備方法，其特征是所說(shuō)二氧化硅納米粒子表面的氨丙基能夠?qū)ＷR(shí)性的結(jié)合 TNT分子。
全文摘要
一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移對(duì)超痕量爆炸物TNT分子識(shí)別的化學(xué)制備方法，包括用二氧化硅球形納米粒子作支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧基熒光素琥珀酰亞胺酯，使其表面帶特定的官能團(tuán)。本發(fā)明的制備過(guò)程包括如下兩個(gè)步驟首先是讓反應(yīng)單體APTS與熒光素C1609在一定的反應(yīng)條件下通過(guò)共價(jià)耦聯(lián)，形成耦聯(lián)體。然后，以氨水為催化劑水解和縮合TEOS得到二氧化硅粒子，最后將含有過(guò)量APTS的耦聯(lián)體與制得的二氧化硅納米粒子混合反應(yīng)，從而制備對(duì)TNT有專(zhuān)識(shí)性識(shí)別作用的二氧化硅納米粒子，其比表面積大，形成高密度識(shí)別位點(diǎn)、選擇性好、敏感性好、形成帶有分子識(shí)別性能納米結(jié)構(gòu)探針。
文檔編號(hào)G01N21/64GK101692023SQ20091014497
公開(kāi)日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者孫虹, 張凌云, 朱德春, 管航敏, 陳紅, 高大明 申請(qǐng)人:合肥學(xué)院