一种具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子及其制备方法和应用，该水分散性荧光聚合物纳米粒子是以苯乙烯、对氯甲基苯乙烯和烯丙基荧光素为单体，以1,4,7,10-四氮杂环十二烷为表面功能化试剂，采用一步细乳液聚合方法与纳米粒子表面修饰技术相结合制备而成。该水分散性荧光聚合物纳米粒子在水中具有很好的分散性，能对铜离子和硫阴离子实现双选择性荧光检测。与现有技术相比，本发明得到的水分散性荧光聚合物纳米粒子在纯水介质中可分别实现对微量铜离子和微量硫阴离子的高灵敏度、高选择性检测，且合成路线简单，使用方便，适于放大合成和实际生产应用，在生物和环境检测领域有着巨大的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备及生物和环境离子检测技术领域，具体地说，涉及具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子及其制备方法，以及该水分散性纳米粒子在水中铜离子和硫阴离子检测的应用。

背景技术

铜在生命体中参与电子传递、氧化还原等一系列重要的生理过程，对铜离子的直接快速检测一直以来都是科学研究的热点。在另外一方面，硫化物对有机体具有严重的危害性，分析硫化物特别是硫阴离子（S^2-）的残留对环境污染物的检测、化学过程的控制以及食品质量安全的监控都有着极其重要的作用。

除传统的原子吸收光谱、离子选择性电极等检测方法以外，目前在国际上也广泛采用荧光分子传感器的方法来检测铜离子和硫阴离子，尤其是跟踪其在生命活动中的作用过程。荧光分子传感器是指那些能够将分子/离子结合信息转换成易被检测的荧光信号，进而获得对离子的识别功能的荧光物质。荧光分子传感器对离子的分析和检测具有以下优点：通过荧光强度的变化可以直观体现离子的存在，且具有高的灵敏度；荧光测量方法是非入侵的，对样品不具有破坏性，是其他分析方法如原子吸收光谱、离子选择性电极分析等无法比拟的。

荧光分子传感器的识别机理一般包括光诱导电子转移，光诱导电荷转移，激基缔合物和荧光共振能量转移（FRET）等几类。其中，利用FRET原理来进行荧光分子传感器设计具有以下两个主要优点。首先，它可利用结合各种传统荧光染料（给体）与离子识别基团（受体）来实现对多种离子的识别检测；其次，FRET过程并不直接产生具有氧化还原活性的离子，对被检测物或生物组织不产生损害或其他不利过程。通常，基于FRET原理的荧光分子传感器，可以通过设计合适的给体与受体基团来实现对特定离子的专属性识别功能。然而，这些基于FRET原理设计合成的荧光分子传感器大多涉及比较复杂的合成路线，不利于放大合成与批量生产应用。而且，大多数荧光分子传感器在水中的溶解性较差，无法适用于纯水体系，从而限制了它们在实际环境与生物离子检测中的应用前景。因此，发展一种能直接在水中检测铜离子和硫阴离子的制备简单、灵敏度高的新型荧光传感器无疑将具有广泛的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子的制备方法，该方法采用一步细乳液聚合方法与纳米粒子表面修饰技术相结合技术，得到表面接枝1,4,7,10-四氮杂环十二烷的含FBP的荧光聚合物纳米粒子，进一步应用表明，该荧光聚合物纳米粒子能够在水中实现对铜离子和硫阴离子的高灵敏度、高选择性双识别功能。

本发明的目的是通过下述方式实现的：一种具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

（1）将苯乙烯、对氯甲基苯乙烯、烯丙基荧光素（FBP）、正十六烷按质量比为1：0.22：0.004：0.1混合均匀后分散在浓度为0.01～0.02g/ml的十二烷基三甲基溴化铵的水溶液中，超声乳化至形成均匀的细乳液后加入相对于苯乙烯质量3.4%的过硫酸钾引发剂，70℃反应3小时后得到表面含氯甲基的荧光聚合物纳米粒子；

（2）在步骤（1）制得的表面含氯甲基的荧光聚合物纳米粒子中加入2～3倍（摩尔比）于对氯甲基苯乙烯用量的1,4,7,10-四氮杂环十二烷，室温下反应7天，经3次透析除去未反应的1,4,7,10-四氮杂环十二烷后，得到具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子。

一种根据所述的具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子的制备方法制备的水分散性荧光聚合物纳米粒子。

根据所述的制备方法制备的水分散性荧光聚合物纳米粒子在水中铜离子和硫阴离子检测中的应用。 

本发明采用将环多胺类衍生物接枝到荧光聚合物纳米粒子表面以形成检测铜离子和硫阴离子所需的水分散性荧光聚合物纳米粒子。在水介质中，通过铜离子与粒子表面的环多胺基团形成络合物，以和粒子中荧光团发生有效的FRET，使纳米粒子的荧光强度逐渐降低，从而实现在水中的对铜离子的高灵敏度、高选择性的识别和检测。并且，该荧光聚合物纳米粒子表面的环多胺基团和铜离子的络合作用还会随着硫阴离子的加入而逐渐消失，从而使粒子中荧光团与铜离子和环多胺衍生物所形成的络合物之间的FRET逐渐消失，将导致粒子的荧光强度逐步恢复，从而可进一步实现对硫阴离子的高灵敏度、高选择性识别和检测。与现有技术相比，本发明中的水分散性荧光聚合物纳米粒子合成路线简单、后处理方便、可直接对水中的铜离子和硫阴离子进行高灵敏度和特异性识别、适合放大合成和实际生产应用。

附图说明

图1为水分散性荧光聚合物纳米粒子对铜离子和硫阴离子的识别原理示意图。

图2 为水分散性荧光聚合物纳米粒子测得的原子力显微镜图。

图3为不同铜离子浓度时，水分散性荧光聚合物纳米粒子（固含量：0.03 wt%）的荧光发射光谱变化图（ λ_ex = 490 nm），[Cu²⁺] = 0（a），1.0×10^-6 mol/l（b）, 5.0×10^-6 mol/l（c）, 1.0×10^-5mol/l（d）, 2.0×10^-5 mol/l（e）, 4.0×10^-5 mol/l（f），6×10^-5 mol/l（g）。

图4为各种金属离子对水分散性荧光聚合物纳米粒子荧光强度的影响对比数据图（固含量：0.03 wt%，加入后的金属离子的浓度均为5.0×10^-6 mol/l，I/I₀为各金属离子加入前后的水分散性荧光聚合物纳米粒子在以490nm为激发波长，528nm为发射波长处荧光强度的比值）。

图5为含铜离子（[Cu²⁺] =2.0×10^-5 mol/l）的水分散性荧光聚合物纳米粒子（固含量：0.03 wt%）在加入不同S^2-后的荧光发射光谱变化图（λ_ex=490nm）， [S^2-]=5.0×10^-6 mol/l（a）, 1.0×10^-5mol/l（b）, 2.0×10^-5mol/l（c）, 4.0×10^-5 mol/l（d）, 6.0×10^-5 mol/l（e），8×10^-5mol/l（f）, 1.0×10^-4 mol/l（g）, 1.2×10^-4 mol/l（h）。

图6为各种阴离子对加入铜离子后的水分散性荧光聚合物纳米粒子的荧光强度影响对比数据图（固含量：0.03 wt%，加入后的阴离子的浓度均为5.0×10^-6 mol/l，I/I₀为各阴离子加入前后的水分散性荧光聚合物纳米粒子在以490nm为激发波长， 528nm为发射波长处荧光强度的比值）。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种具有铜离子和硫阴离子双识别功能的水分散性荧光聚合物纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

（1）细乳液聚合制备含FBP的荧光聚合物纳米粒子。

将0.5g苯乙烯，0.11g对氯甲基苯乙烯，0.05g正十六烷和0.002g烯丙基荧光素（FBP）的混合液在普通磁力搅拌器上搅拌5分钟得溶液a；同时将0.15g十二烷基三甲基溴化铵加在10ml水里，在普通磁力搅拌器上搅拌10分钟得溶液b。将溶液a和b混合后，在常温下搅拌5分钟后，放入冰水浴中（低于20 oC）超声乳化20分钟便可得到稳定的细乳液。将细乳液转入25 ml圆底烧瓶中，加入0.017g过硫酸钾以引发聚合，圆底烧瓶置于75 oC油浴锅中反应3h。反应结束后，冷却至室温，过滤得到所需的含FBP的荧光聚合物纳米粒子。 

（2）含FBP的荧光聚合物纳米粒子的表面功能化修饰。

将步骤（1）中所得的荧光聚合物纳米粒子装入25ml圆底烧瓶，再加入1,4,7,10-四氮杂环十二烷0.328g，室温下反应7天得混合分散液。将混合分散液装入透析袋，在1000ml大烧杯中（含800ml水和11g DTAB）透析24小时，共三次，得到用于识别铜离子和硫阴离子所需要的水分散性荧光聚合物纳米粒子，见图1。

实施例2：铜离子的检测实验。

（1）取7个5ml样品瓶，分别加入实施例1中所得的稀释至固含量为0.03 wt%的3ml水分散性荧光聚合物纳米粒子，然后分别将浓度为（a）[Cu²⁺]=0，（b）[Cu²⁺]=1.0×10^-3mol/l，（c）[Cu²⁺]=5.0×10^-3mol/l，（d）[Cu²⁺]=1.0×10^-2mol/l，（e）[Cu²⁺]=2.0×10^-2mol/l，（f）[Cu²⁺]=4.0×10^-2mol/l，（g）[Cu²⁺]=6×10^-2mol/l的3μl硝酸铜溶液加入7个样品瓶中，常温下搅拌5分钟后，以490nm为激发波长，分别测定这些样品，得七个样品的荧光发射光谱变化图，见图3。测定结果表明：该纳米粒子水分散液的荧光强度随着铜离子浓度的逐渐增加而逐步下降，且铜离子浓度>1μmol/l时纳米粒子水分散液的荧光强度明显下降。

（2）取10个5ml样品瓶，分别装入实施例1中所得的稀释至固含量为0.03 wt%的3ml水分散性荧光聚合物纳米粒子，然后分别将浓度为5.0×10^-3mol/l的Cu²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺和Hg²⁺各取3μl加入10个样品瓶样品中，然后分别测定10个样品在490nm波长激发，528nm波长发射处的荧光发射强度，结果见图4。测定结果表明：除了铜离子外，其它上述各种金属离子对所制备的荧光聚合物纳米粒子荧光强度没有明显影响。

实施例3：硫阴离子的检测实验。

（1）取8个5ml样品瓶，分别装入实施例1中所得的稀释至固含量为0.03 wt%的3ml水分散性荧光聚合物纳米粒子，然后在8个样品瓶中分别加入2.0×10^-2mol/l的硝酸铜溶液3μl，常温下搅拌5分钟后，测定每个样品在490nm波长激发，528nm波长发射处的荧光强度，然后在8个样品中分别加入浓度为（a）[S^2-]=5.0×10^-3mol/l，（b）[S^2-]=1.0×10^-2mol/l，（c）[S^2-]=2.0×10^-2mol/l，（d）[S^2-]=4.0×10^-2mol/l，（e）[S^2-]=6.0×10^-2mol/l，（f）[S^2-]=8.0×10^-2mol/l，（g）[S^2-]= 0.1mol/l，（h）[S^2-]=0.12mol/l的硫化钠溶液3μl，常温下搅拌5分钟后，以490nm为激发波长，测定这些样品的荧光发射强度，得加入不同S^2-后的荧光发射光谱变化图，见图5。测定结果表明：该纳米粒子水分散液的荧光强度随着硫阴离子浓度的逐渐增加而逐步提高，而且在硫阴离子浓度>5μmol/l，时就可以检测到体系荧光强度的明显增强。

（2）取9个5ml样品瓶，分别装入实施例1中所得的稀释至固含量为0.03 wt%的3ml水分散性荧光聚合物纳米粒子，然后在9个样品瓶中分别加入2.0×10^-2mol/l的硝酸铜溶液3μl，常温下搅拌5分钟后，测定每个样品在490nm波长激发，528nm波长发射处的荧光强度；然后分别将浓度为5.0×10^-3 mol/l的S^2-，Cl^-，NO₃^-，SO₄^2-，HCO₃^-，CO₃^2-，Br^-，F^-和S₂SO₃^2-加入9个样品中，然后分别测定9个样品在490nm波长激发，528nm波长发射处的荧光强度，结果见图6。测定结果表明：除了硫阴离子外，其它上述各种阴离子对所制备的荧光聚合物纳米粒子荧光强度没有明显的影响。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明所作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。