基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物tnt分子識別的化學製備方法

2023-05-11 00:33:21

專利名稱：基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物tnt分子識別的化學製備方法
基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別的化
學製備方法 所屬領域本發明涉及材料科學領域，特別涉及具有基於螢光共振能量轉移對超 痕量爆炸物TNT分子識別的化學製備方法。
技術背景從社會安全的角度來看，硝基芳香化合物具有極高的爆炸性和環境的 危害性，因此，近年來，在對超痕量硝基芳香化合物的探測和相關的傳感器陣列的探索 已經引起了社會研究機構廣泛的關注和富有成效的探索。特定硝基芳香族爆炸物及其蒸 汽信號的實驗室探測已經通過氣質聯用儀、離子遷移譜和中子活性分析等的方法被廣泛 的開展。這些傳統分析技術能夠滿足分析中的基本要求，如選擇性，可靠性，準確性和 可重複性，但是這些檢測方法是昂貴的、耗時的和繁瑣笨重的，因為檢測中樣品必須是 脫離檢測現場送往實驗室去分析，不能夠做到實時實地的檢測。綜上所述，有必要尋求 一種能夠快速和便捷的檢測TNT的方法。在應用方面，螢光分子是構築納米尺度結構的 理想敏感材料。而納米二氧化矽高的表面積，表面易於功能化，是理想的納米螢光傳感 器載體材料。為了解決爆炸物檢測問題，迫切地需要化學傳感器能夠對液相和汽相環境 中的目標分析物提供一種高選擇性、高響應、高敏感、快速、低成本和原位探測。
在各種信號傳感器中，基於螢光"關"或螢光"開"機理的光學可尋址傳感器 已經被證明是研究者在許多挑戰的環境中所期盼對各種小分子目標分析物檢測的方法， 由於該檢測方法的高信號輸出和可靠的檢測結果。螢光"關"機理的化學傳感器對硝基 芳香化合物用螢光方法檢測是極其有利的。擁有缺電子的芳香環的硝基芳香爆炸物是一 個電子的接受體，這樣就顯示出對富電子的螢光材料表面擁有很高的親和力。這種光致 發光是在電子受體和給體之間通過電子轉移n複合物機理直接淬滅的，這種淬滅主要依 賴於硝基芳香化物的接受電子能力。近來，美國Swager科研小組用擁有很高的螢光量子 產率的半導體有機聚合物對超痕量的硝基芳香族化合物蒸汽探測已經顯現了一系列的成 功實例。在光纖的表面塗抹上導電聚合物，對芳香硝基爆炸物檢測信號放大了30倍。與 此同時，其他的光致發光聚合物材料如聚四苯基矽烷，聚四苯基鍺烷和物理吸附染料的 多孔二氧化矽微球都已經被證明是對低標準的硝基芳香爆炸物蒸汽探測的有效傳感器。 近來，美國swager研究小組報導螢光"開"化學傳感器通過以活性酶為媒介的還原反應 對非芳香硝基化合物黑索金(RDX)和季戊四醇四硝酸酯(PETN)進行直接探測方法。
目前這些方法中作為可替代的方法之一就是半導體量子點代替螢光素，由於其 擁有很高螢光量子產率，螢光半導體量子點參雜二氧化矽納米粒子近來顯示了對於光學 為基礎的化學/生物傳感器檢測有巨大的潛力。發展在"納米粒子上的實驗室"技術將 提供一種更具有靈活性的化學/生物傳感器的新穎策略，這種靈活性的策略允許光學可調 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分析物，同時擁 有對各種傳感器的組裝能力。從原理上來說，基於納米粒子的傳感器可以通過共價耦聯 兩個組分 一種是識別接受體結合目標分子和另一種傳感器(發色基團)，即信號的接受 體。最典型的就是美國Goldman等人近來報導了用在量子點一部分抗體和有機染料之間 基於螢光共振能量轉移化學/生物傳感器。這種對麥芽糖和酶活性具有特定的檢測功能的傳感器已經被成功製備。 近年來，以二氧化矽納米粒子為載體，修飾螢光基團作為探針吸引了大批研究 者的興趣。2006年Wiesner科研小組的發明專利(US2006183246)公開了 "Fluorescent silica-based nanoparticles"製備方法。它採用了下述步驟(1)染料TRITC為芯-殼 型納米粒子的芯；(2)以正矽酸乙酯為反應的前驅體，以氨水為催化劑製備出芯殼型 的粒徑為30nm螢光二氧化矽納米粒子。2007年Aizawa Hideki科研小組的發明專利 (WO2007074722)公開 了 "Fluorescent silica nano-particle， fluorescent nano-material， biochip using the material, and assay method"製備方法。它採用了下述步驟(1)以正矽 酸乙酯為反應的前驅體，以氨水為催化劑製備粒徑為30nm或小於30nm的螢光二氧化矽 納米表面修飾上Cy3和Cy5螢光染料，這種螢光二氧化矽粒子可以用來作為生物晶片來 檢測生物分子。 但是這些芯殼型的二氧化矽納米粒子和表面修飾了螢光染料TRITC、 Cy3和Cy5
的螢光二氧化矽納米粒子選擇性相對較差，敏感性差，由於其表面沒有攜帶專識性的基 團。因此，合成高選擇性和高敏感性的螢光二氧化矽納米探針製備方法，實現對超痕量 TNT分子識別有其必要性。 在本發明中，我們報導了在二氧化矽納米粒子表面的一種螢光共振能量共振轉 移策略對在溶液和氣相中超痕量TNT的探測。二氧化矽納米粒子是尤其適合作為螢光化 學傳感器支撐體，因為二氧化矽納米粒子光學透明和光子物理惰性以及其表面能夠很容 易通過與矽烷化試劑縮合反應而修飾上新組裝功能的亞單元。二氧化矽納米粒子表面的 氨丙基能夠與TNT目標分子通過形成電荷轉移複合物，由於存在電子離域，這種電荷轉 移複合物在500-600nm波長範圍類顯示了一個很強的可見吸收峰。這一結果的發現，激 發我們在二氧化矽納米粒子表面通過共價交聯3-氨丙基三乙氧基矽烷(APTS)和6-羧基 螢光素琥珀醯亞胺酯(C1609)來探索基於螢光共振能量轉移化學傳感器對TNT目標分子 的專識性的檢測。當選擇一個合適螢光染料分子其擁有的螢光發射光譜與APTS-TNT復 合物的紫外-可見的吸收光譜相重合，它的螢光共振將會被APTS-TNT複合物所吸收，因 此，二氧化矽納米粒子的光致發光將會被有效的淬滅。由於在二氧化矽納米粒子表面有 許多的對TNT結合敏感性很強的氨丙基亞單元，這樣將會導致選擇性的對環境中TNT目 標分子形成快速的響應。而目前關於二氧化矽納米粒子表面修飾上氨丙基和6-羧基螢光 素琥珀醯亞胺酯未見文獻報導。這種表面修飾了 APTS和C1609的二氧化矽納米粒子通 過螢光共振能量轉移在溶液中選擇性探測到納摩爾濃度級TNT分子和在氣相中數個ppb 級。這種對TNT分子具有專識性作用的螢光二氧化矽納米粒子，以螢光作為探針、氨丙 基為識別位點顯現出對TNT高選擇性、高敏感和超痕量的探測。 發明內容發明目的針對目前現有技術存在的不足之處，本發明首次利用納米 二氧化矽作為支撐體合成了帶有氨丙基和螢光基團的一種基於螢光共振能量轉移對超痕 量爆炸物TNT分子識別的化學製備方法，並首次將納米二氧化矽表面進行功能化修飾用 於對超痕量爆炸物TNT分子識別。所述方法為化學合成法，首先製備的單分散凝膠二氧 化矽納米粒子進行表面的氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯修飾，使其功能化。
本發明的技術方案是 一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識 別的化學製備方法，包括用二氧化矽球形納米粒子作支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯，其特徵在於；所述修飾的二氧化矽球形納米粒子中富電子氨丙基同缺電子TNT目標分子之間通過電荷轉移形成深紅色複合物，此複合物在525nm處有最大可見吸收峰，而表面的6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯穩態螢光發射譜正好與其重疊，根據螢光共振能量轉移原理，正好能夠被這個波長的TNT的複合物所吸收，通過螢光強度的下降，從而實現對TNT分子識別，本發明的製備過程包括如下兩個步驟
1.1將3-氨丙基三乙氧基矽烷(3-aminopropyltriethoxysilane， APTS)中的氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯(6-Carboxyfluorescein N-succinimide ester， C1609)中的琥珀醯亞胺酯，通過親核取代反應以共價鍵形式耦聯到矽烷化試劑APTS上。典型的合成方法是在含有過量的0.5mL的APTS和2.4mg的染料C1609的分散到10mL的無水乙醇溶液中，用恆溫搖擺床以250rpm相對緩慢的轉速在室溫下避光連續反應12h，得到亮黃綠色的反應產物； 1.2第二步反應是將89.1mL的無水乙醇置於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，然後把10.9mL的氨水加入到上述反應溶液中，並迅速強烈的以750rpm攪拌三分鐘後，攪拌轉速降至500rpm，在室溫下反應18h，得到粒徑大約是200nm的氧化矽粒子溶液。將反應所得到螢光染料C1609耦聯到APTS上的亮黃綠色的反應產物連同50 ii L TEOS —道加入到反應合成後粒徑大約為200nm的上述反應溶液中去，在室溫下以500rpm轉速攪拌避光反應24h。
將上述所得的產物離心、超聲分散用無水乙醇洗三次，再重新分散到乙醇中。最終得到了C1609、 APTS封端的二氧化矽納米粒子，具有對TNT高選擇性、高敏感性和超痕量探測的螢光二氧化矽納米粒子探針。 作為對現有技術的進一步改進，所說支撐體為納米二氧化矽粒子，其粒徑可控可以通過調節反應物的量之間的比例來加以控制；所說二氧化矽球形納米粒子支撐體的表面經修飾使其表面富含氨丙基和螢光素基團；所說矽烷化試劑是3-氨丙基三乙氧基矽烷。所說螢光素是6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯。所說被識別分子為TNT。所說的二氧化矽納米粒子表面的氨丙基能夠專識性的結合TNT目標分子。
相對於現有技術的有益效果 其一相對於現有技術，2006年Wiesner科研小組的發明專利(US2006183246)公開了 "Fluorescent silica-based nanoparticles"製備方法。它採用了下述步驟(1)染料TRITC為芯-殼型納米粒子的芯；(2)以正矽酸乙酯為反應的前驅體，以氨水為催化劑製備出芯殼型的粒徑為30nm螢光二氧化矽納米粒子。2007年Aizawa Hideki科研小組的發明專利(WO2007074722)公開了 "Fluorescent silica nano-particle， fluorescentnano-material， biochip using the material, and assay method"製備方法。 它米用了下述步驟(l)以正矽酸乙酯為反應的前驅體，以氨水為催化劑製備粒徑為30nm或小於30nm的螢光二氧化矽納米表面修飾上Cy3和Cy5螢光染料，這種螢光二氧化矽粒子可以用來作為生物晶片來檢測生物分子。這種螢光納米粒子沒有專識性的識別位點，選擇性差，沒有涉及到螢光共振能量轉移機理，修飾的螢光基團不是通過共價鍵鍵合上，螢光分子容易洗脫，不穩定。 本發明採用了平均粒徑為200nm的二氧化矽球形納米粒子作模板為支撐體，在其表面通過鍵合修飾上氨丙基和螢光素C1609，修飾後的二氧化矽球形納米粒子擁有專識性的富電子功能基團-氨丙基，本發明的製備過程包括兩個步驟首先，將0.5mL的3-氨丙基三乙氧基矽烷和2.4mg的6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯分散在10mL的無水乙醇中，APTS中的氨丙基和C1609中的琥珀醯亞胺酯通過親核取代反應以共價鍵形式耦聯到矽烷化試劑APTS上。然後，將上述反應溶液連同50iiL的TEOS—道加入含有3.4mL的TEOS為前驅體，10.9mL的氨水為催化劑和89.1mL的無水乙醇為溶劑的反應後合成粒徑大約為200nm二氧化矽納米粒子的混合液中，在室溫下以500rpm轉速攪拌避光反應24h。
將上述所得的產物離心、超聲分散用無水乙醇洗三次，再重新分散到乙醇中。得到了表面富含氨丙基和螢光素的二氧化矽納米粒子，製備出對TNT目標分子具有高選擇性、高敏感和超痕量探測的螢光二氧化矽納米粒子探針。 綜上所述，納米分子螢光探針，尤其是在納米二氧化矽表面帶有分子識別基團的螢光探針，既增大納米螢光探針的比表面積，有增加了分子識別位點，提高選擇性、識別性和敏感性。 其二表面修飾了氨丙基和螢光素C1609分子的二氧化矽納米粒子，能夠對TNT分子識別。例如，加入一定量的TNT目標分子可以同二氧化矽表面的氨丙基形成暗紅色的複合物，此複合物吸收二氧化矽表面螢光素C1609的發射光，通過螢光強度下降，實現對TNT分子識別。合成表面富含氨丙基和螢光素的二氧化矽納米粒子球，同時也可以選擇性用來檢測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)。並且本發明中的螢光素是6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯。可見，本發明所提供的方法是通用的，實用範圍比較廣泛。 其三與傳統的螢光分子探針相比較，表面修飾二氧化矽納米粒子分子探針具有較大的比表面積，較多的識別位點，高選擇性，高敏感性，提高分子識別性能。圖9是本發明中納米粒子晶片淬滅百分數隨著在目標分析物飽和蒸汽時間的變化函數關係圖(A)和修飾了不同螢光染料的納米粒子在TNT飽和蒸汽中淬滅百分數時間函數的比較(B)。其中圖9(A)是修飾了 C1609的二氧化矽納米粒子對不同的目標分析物飽和蒸汽檢測結果，其中在TNT濃度相同的條件下淬滅百分數為最大。圖9(B)是修飾了 C1609的二氧化矽粒子和修飾了 6-Carboxy-X-rhodamine N-succinimidyl ester(ROX)的二氧化矽對TNT淬滅百分數的比較，可以看出表面修飾了 C1609的二氧化矽粒子對TNT的敏感性要遠遠的優於ROX的敏感性。 其四本發明所提供的方法中，粒徑可控的二氧化矽納米粒子可以通過調節反應物量之間的比例來加以控制。即帶功能識別基團的二氧化矽螢光納米粒子的粒徑是可以控制的，因此，通過調節氨水和TEOS的量來控制二氧化矽納米粒子的粒徑。
其五選擇溶膠二氧化矽納米顆粒作為球形模板目的因為其具有以下優點(1)容易合成溶膠氧化矽納米顆粒，其粒徑範圍可從5nm-2000nm，較大的表面積，相對較低成本；(2)在反應過程中具有化學和熱的穩定性不與有機溶劑反應；(3)表面容易嫁接有機官能團；(4)對環境無害。


圖1是本發明所採用的表面修飾了 APTS和C1609的二氧化矽納米粒子合成示意圖。 圖2是本發明所採用的APTS與TNT目標分子在溶液中通過電荷轉移相互作用形成的紅色複合物(A)和APTS-TNT紅色複合物的歸一化紫外-可見光譜圖及C1609的穩態螢光發射光譜圖(B)。 圖3是本發明所採用的表面富含氨丙基和C1609的二氧化矽納米粒子對TNT目標分子檢測原理示意圖。 圖4是本發明所採用的表面富含氨丙基和C1609的二氧化矽納米粒子的掃描電鏡圖(A)和透視電鏡圖(B)。 圖5是本發明所得到的表面修飾了氨丙基和C1609的二氧化矽納米粒子的紫外-可見光譜圖(a)及其穩態螢光光譜圖(b)。 圖6是本發明所得到的修飾不同的螢光染料的二氧化矽納米粒子和其純染料對不同的硝基化合物的螢光淬滅常數的比較圖。 圖7是本發明所得到的滴加10 ii L不同濃度的TNT溶液到C1609-APTS-silica納
米粒子組裝的晶片上螢光點的亮度和尺寸變化的螢光共聚焦顯微鏡照片。 圖8是本發明中螢光納米粒子隨TNT濃度的增加螢光強度的變化(A)和其對不
同分析物濃度的淬滅百分數的變化(B)。 圖9是本發明中納米粒子晶片淬滅百分數隨著在目標分析物飽和蒸汽時間的變化函數關係圖(A)和修飾了不同螢光染料的納米粒子在TNT飽和蒸汽中淬滅百分數時間
函數的比狡Cb;)。 根據附圖進一步解釋
具體實施例方式
圖1是本發明所採用的表面修飾了 APTS和C1609的二氧化矽納米粒子合成示意圖。在圖1中首先APTS與C1609進行共價耦聯，然後在二氧化矽凝膠納米粒子表面修飾上氨丙基和螢光素C1609,得到了螢光二氧化矽納米粒子。 二氧化矽納米粒子表面必須進行修飾，使表面帶上特定官能基團，以便二氧化矽納米粒子表面具有識別位點。本發明採用的是在純二氧化矽納米粒子表面共價耦聯氨丙基和螢光素C1609，使其表面覆蓋著氨丙基和螢光素C1609，這樣有利於缺電子的目標分析物同富電子氨丙基在二氧化矽納米粒子表面形成複合物； 首先是使矽烷化試劑APTS與螢光素C1609在一定的反應條件下通過共價耦聯，形成耦聯體。然後，以氨水為催化劑水解和縮合TEOS得到二氧化矽粒子，最後將耦聯體同製得的二氧化矽納米粒子混和液反應，從而製備對TNT有專識性識別作用的螢光二氧化矽納米粒子。 圖2是本發明所採用的APTS與TNT目標分子在溶液中通過電荷轉移相互作用形成的紅色複合物(A)和APTS-TNT紅色複合物的歸一化紫外-可見光譜圖及螢光素C1609的穩態螢光發射光譜圖(B)。 APTS-TNT紅色複合物在525nm處有最大的可見吸收峰，其複合物的吸收正好同螢光素C1609的穩態螢光發射光譜圖相重疊，根據螢光共振能量轉移，螢光素C1609的穩態螢光發射光正好被APTS-TNT紅色複合物所吸收，使得C1609螢光強度的下降，實現對TNT分子識別。 圖3是本發明所採用的表面富含氨丙基和C1609的二氧化矽納米粒子對目標分子檢測原理示意圖。在TNT目標分子存在的條件下，螢光二氧化矽粒子表面富電子的氨丙基與缺電子TNT目標分子之間通過電荷轉移作用形成紅色的複合物，根據螢光共振能量 轉移，螢光素C1609的穩態螢光發射光正好被APTS-TNT紅色複合物所吸收，使得C1609 螢光強度的改變，從而使螢光淬滅，實現對TNT分子識別。 圖4是本發明所採用的表面富含氨丙基和螢光素的二氧化矽納米粒子的掃描電 鏡圖(A)和透射電鏡圖(B)。由於採用兩步反應，首先，通過共價耦聯氨丙基和螢光素， 然後，製備純二氧化矽納米粒子，最後再將兩者混合反應得到表面富含氨丙基和螢光素 的二氧化矽納米粒子的掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡照片。 圖5是本發明所得到的表面修飾了氨丙基和C1609的二氧化矽納米粒子的紫 外-可見光譜圖(a)及其穩態螢光光譜圖(b)。從紫外-可見吸收譜圖可以清楚的看到修飾 上的螢光素的二氧化矽納米粒子在502nm處的吸收峰，同時從穩態螢光發射譜也清晰地 看到其在518nm處的最大發射強度。 圖6是本發明所得到的不同螢光染料修飾的二氧化矽納米粒子和純染料對不同 的硝基化合物的螢光淬滅常數的比較圖。從圖中可以看出修飾了氨丙基和C1609染料的 二氧化矽納米粒子對TNT的淬滅常數最大，選擇性和敏感性顯著。 圖7是本發明所得到的滴加10 ii L不同濃度的TNT溶液到C1609-APTS-silica納
米粒子組裝的晶片上螢光點的亮度和尺寸的變化的螢光共聚焦顯微鏡照片。從圖中可以 清晰地看出隨著TNT濃度的增大螢光二氧化矽納米粒子組成的晶片陣列在圖中螢光的強 度逐漸的降低。 圖8是本發明中螢光納米粒子隨TNT濃度的增加螢光強度的變化(A)及其對不同 分析物濃度的淬滅百分數的變化(B)。從圖8A中可以看出這種修飾了螢光素的二氧化矽 納米粒子球對TNT的探測可以低至10-9mol L—、 從圖8B中表面了這種納米粒子對TNT 的檢測限為最低。 圖9是本發明中納米粒子晶片淬滅百分數隨著在目標分析物飽和蒸汽時間的變 化函數關係圖(A)和修飾了不同螢光染料的納米粒子在TNT飽和蒸汽中淬滅百分數時間 函數的比較(B)。其中圖9A是修飾了 C1609的二氧化矽納米粒子對不同的目標分析物飽 和蒸汽檢測結果，其中在TNT濃度相同的條件下淬滅百分數為最大。圖9B是修飾了熒 光素C1609的二氧化矽粒子和修飾了螢光素ROX的二氧化矽對TNT淬滅百分數的比較， 可以看出表面修飾了 C1609的二氧化矽粒子對TNT的敏感性要遠遠的優於ROX的敏感 性。
具體實施例方式
一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別的化 學製備方法，包括用二氧化矽球形納米粒子作為支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧 基螢光素琥珀醯亞胺酯，其特徵在於所述的二氧化矽球形納米粒子表面帶有氨丙基和 6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯，其表面的氨丙基可進一步與TNT目標分子作用，使其表面 富電子的氨丙基作為電子供體同缺電子的TNT受體之間通過電荷轉移作用形成深紅色的 複合物，此深紅色複合物，通過螢光共振能量轉移可以吸收二氧化矽球形納米粒子表面 6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯的螢光，利用螢光強度的改變，實現對超痕量爆炸物TNT分 子識別，本發明的製備過程包括如下兩個步驟 第一步，是將3-氨丙基三乙氧基矽烷中的氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯 通過加成反應以共價鍵形式耦聯到矽烷化試劑3-氨丙基三乙氧基矽烷上，典型的合成方法是在含有過量的0.5mL lmL的3-氨丙基三乙氧基矽烷和2.0mg 10mg的6-羧基熒 光素琥珀醯亞胺酯的分散到10mL 20mL的無水乙醇溶液中，用恆溫搖擺床以100rpm 300rpm相對緩慢的轉速在室溫下避光連續反應12h 24h ; 第二步，反應是將50mL 90mL的無水乙醇置於500mL的單頸磨口燒瓶中， lmL 3.6mL的正矽酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate， TEOS)迅速的加到乙醇溶液中，在 500rpm下攪拌3min 10min，然後把lmL 15mL的氨水加入到上述反應溶液中，並迅 速強烈的以500rpm 750rpm攪拌三分鐘後，攪拌轉速降至400rpm 600rpm，在室溫下 反應15h 24h，在含有過量的0.5mL lmL的3-氨丙基三乙氧基矽烷和2.0mg 10mg 的6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯的10mL 20mL無水乙醇溶液中，反應所得到6-羧基熒 光素琥珀醯亞胺酯耦聯到3-氨丙基三乙氧基矽烷上的亮黃綠色的反應產物連同10 L 50 ii L TEOS —道加入到反應合成後得到二氧化矽納米粒子的上述反應溶液中去，在室溫 下以400rpm 600rpm轉速攪拌避光反應15h 24h。 將上述所得的擁有氨丙基和螢光素的二氧化矽納米粒子離心、用無水乙醇超聲 分散洗三次再重新分散到乙醇中，最終得到了氨丙基和螢光素C1609封端的二氧化矽納 米粒子，具有對TNT高選擇性、高度敏感和超痕量探測的螢光二氧化矽納米粒子探針。
表面修飾的二氧化矽納米粒子中加入目標分子，能夠改變其識別性能。如加入 TNT分子，二氧化矽納米粒子表面的氨基與TNT形成複合物，吸收二氧化矽粒子表面的 螢光素所發射的螢光，從而得到對TNT分子識別。 實施例根據共價耦聯反應，利用納米二氧化矽作為支撐體，採用兩步反應可 得到表面富含氨丙基和螢光素的二氧化矽納米粒子。 1、 APTS和螢光素C1609的耦聯反應在含有過量的0.5mL的APTS和2.4mg 的染料C1609的分散到10mL的無水乙醇溶液中，用恆溫搖擺床以250rpm相對緩慢的轉 速在室溫下避光連續反應12h ; 2、修飾了氨丙基和螢光素C1609的二氧化矽凝膠納米粒子製備將S9.1mL的 無水乙醇置於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，然後把10.9mL的氨水加入到上述反應溶液中，並迅速強烈的以 750rpm攪拌三分鐘後，攪拌轉速降至500rpm，在室溫下反應18h。 在含有過量的0.5mL APTS禾P2.4mg C1609的10mL無水乙醇溶液中，反應所得到螢光染料C 1609耦聯到APTS 上的亮黃綠色的反應產物連同50 ii L TEOS —道加入到反應合成後粒徑大約為200nm的上 述反應溶液中去，在室溫下以500rpm轉速攪拌避光反應24h。 對比染料ROX的修飾過 程類似於染料C1609。 將上述所得的產物離心、超聲分散用無水乙醇洗三次，再重新分散到乙醇中。 最終得到了C1609、 APTS封端的二氧化矽納米粒子，具有對TNT高選擇性、高敏感性和 超痕量探測的螢光二氧化 納米粒子探針。
權利要求
一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別的化學製備方法，包括用二氧化矽球形納米粒子作為支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯，其特徵在於所述的二氧化矽球形納米粒子表面帶有氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯，其表面的氨丙基可進一步與TNT目標分子作用，使其表面富電子的氨丙基作為電子供體同缺電子的TNT受體之間通過電荷轉移作用形成深紅色的複合物，此深紅色複合物通過螢光共振能量轉移可以吸收二氧化矽球形納米粒子表面6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯的螢光，利用螢光強度的改變，實現對超痕量爆炸物TNT分子識別，本發明的製備過程包括如下兩個步驟1.1第一步反應是將3-氨丙基三乙氧基矽烷中的氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯中的琥珀醯亞胺酯通過親核取代反應，以共價鍵形式耦聯到矽烷化試劑3-氨丙基三乙氧基矽烷上，典型的合成方法是在含有過量的0.5mL～1mL的3-氨丙基三乙氧基矽烷和2.0mg～10mg的6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯的分散到10mL～20mL的無水乙醇溶液中，用恆溫搖擺床以100rpm～300rpm相對緩慢的轉速在室溫下避光連續反應12h～24h；1.2第二步反應是將50mL～90mL的無水乙醇置於500mL的單頸磨口燒瓶中，1mL～3.6mL的正矽酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate，TEOS)迅速的加到乙醇溶液中，在500rpm下攪拌3min～10min，然後把1mL～15mL的氨水加入到上述反應溶液中，並迅速強烈的以500rpm～750rpm攪拌三分鐘後，攪拌轉速降至400rpm～600rpm，在室溫下反應15h～24h，在含有過量的0.5mL～1mL的3-氨丙基三乙氧基矽烷和2.0mg～10mg的6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯的10mL～20mL無水乙醇溶液中，反應所得到6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯耦聯到3-氨丙基三乙氧基矽烷上的亮黃綠色的反應產物連同10μL～50μL TEOS一道加入到反應合成後得到二氧化矽納米粒子的上述反應溶液中去，在室溫下以400rpm～600rpm轉速攪拌避光反應15h～24h。將上述所得的擁有氨丙基和螢光素的二氧化矽納米粒子離心、用無水乙醇超聲分散洗三次再重新分散到乙醇中，最終得到了螢光素和氨丙基封端的二氧化矽納米粒子，具有對TNT高選擇性、高度敏感和超痕量探測的螢光二氧化矽納米粒子探針。
2. 根據權利要求1所述的一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別 的化學製備方法，其特徵是所說支撐體為納米二氧化矽粒子，其粒徑可控可以通過調 節反應物的量之間的比例來加以控制。
3. 根據權利要求1所述的一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別 的化學製備方法，其特徵是所說二氧化矽球形納米粒子支撐體的表面經修飾其表面富 含氨丙基和螢光基團。
4. 根據權利要求1所述的一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別 的化學製備方法，其特徵是所說矽烷化試劑是3-氨丙基三乙氧基矽烷。
5. 根據權利要求1所述的一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別 的化學製備方法，其特徵是所說螢光素是6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯。
6. 根據權利要求1所述的一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識 別的化學製備方法，其特徵是所說二氧化矽納米粒子表面的氨丙基能夠專識性的結合 TNT分子。
全文摘要
一種基於螢光共振能量轉移對超痕量爆炸物TNT分子識別的化學製備方法，包括用二氧化矽球形納米粒子作支撐體，在其表面修飾上氨丙基和6-羧基螢光素琥珀醯亞胺酯，使其表面帶特定的官能團。本發明的製備過程包括如下兩個步驟首先是讓反應單體APTS與螢光素C1609在一定的反應條件下通過共價耦聯，形成耦聯體。然後，以氨水為催化劑水解和縮合TEOS得到二氧化矽粒子，最後將含有過量APTS的耦聯體與製得的二氧化矽納米粒子混合反應，從而製備對TNT有專識性識別作用的二氧化矽納米粒子，其比表面積大，形成高密度識別位點、選擇性好、敏感性好、形成帶有分子識別性能納米結構探針。
文檔編號G01N21/64GK101692023SQ20091014497
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月16日 優先權日2009年9月16日
發明者孫虹, 張凌雲, 朱德春, 管航敏, 陳紅, 高大明 申請人:合肥學院