专利名称：对超痕量tnt蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备方法
对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备方
法所属领域本发明涉及材料科学领域，特别涉及具有对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备方法。
背景技术：
从社会安全的角度来看，硝基芳香化合物具有极高的爆炸性和环境的 危害性，因此，近年来，在对超痕量硝基芳香化合物的探测和相关的传感器阵列的探索已经 引起了社会研究机构广泛的关注和富有成效的探索。特定硝基芳香族爆炸物及其蒸气信号 的实验室探测已经通过气质联用仪、离子迁移谱和中子活性分析等的方法被广泛的开展。 这些传统分析技术能够满足分析中的基本要求，如选择性，可靠性，准确性和可重复性，但 是这些检测方法是昂贵的、耗时的和繁琐笨重的，因为检测中样品必须是脱离检测现场送 往实验室去分析，不能够做到实时实地的检测。综上所述，有必要寻求一种能够快速和便捷 的检测TNT的方法。在应用方面，荧光分子是构筑纳米尺度结构的理想敏感材料。而反蛋 白石结构二氧化硅纳米薄膜具有高的比表面积，表面易于功能化，是理想的荧光传感器载 体材料。为了解决爆炸物检测问题，迫切地需要化学传感器能够对汽相环境中的目标分析 物提供一种高选择性、高灵敏性、高响应、快速、低成本和原位探测。在各种信号传感器中，基于荧光“关”或荧光“开”机理的光学可寻址传感器已经 被证明是研究者在许多挑战的环境中所期盼对各种小分子目标分析物检测的方法，由于该 检测方法的高信号输出和可靠的检测结果。荧光“关”机理的化学传感器对硝基芳香化合 物用荧光方法检测是极其有利的。拥有缺电子的芳香环的硝基芳香爆炸物是一个电子的接 受体，这样就显示出对富电子的荧光材料表面拥有很高的亲和力。这种光致发光是在电子 受体和给体之间通过电子转移π复合物机理直接淬灭的，这种淬灭主要依赖于硝基芳香 化物的接受电子能力。近来，美国Swager科研小组用拥有很高的荧光量子产率的半导体有 机聚合物对超痕量的硝基芳香族化合物蒸气探测已经显现了一系列的成功实例。在光纤的 表面涂抹上导电聚合物，对TNT检测信号放大了 30倍。与此同时，其他的光致发光聚合物 材料如聚四苯基硅烷，聚四苯基锗烷和物理吸附染料的多孔二氧化硅微球都已经被证明是 对低浓度的硝基芳香爆炸物蒸气探测的有效传感器。2008年，美国swager研究小组报道荧 光“开”化学传感器通过以活性酶为媒介的还原反应对非芳香硝基化合物黑索金(RDX)和 季戊四醇四硝酸酯(PETN)进行直接探测方法。目前这些方法中作为可替代的方法之一就是半导体量子点代替荧光素，由于其拥 有很高荧光量子产率，荧光半导体量子点参杂二氧化硅纳米粒子近来显示了对于光学为基 础的化学/生物传感器检测有巨大的潜力。发展在“纳米粒子上的实验室”技术将提供一 种更具有灵活性的化学/生物传感器的新颖策略，这种灵活性的策略允许光学可调和特定 配合物和接受体的组装，能够提供高比表面积为更好的接触目标分析物，同时拥有对各种 传感器的组装能力。从原理上来说，基于纳米粒子的传感器可以通过共价耦联两个组分一 种是识别接受体结合目标分子和另一种传感器(发色基团)，即信号的接受体。最典型的就 是美国Goldman科研小组近来报道了在量子点上修饰抗体和有机染料之间基于荧光共振 能量转移化学/生物传感器。成功制备了对麦TNT、芽糖和酶活性具有特定的检测功能的化学/生物传感器。近来，我们报道了带有氨基封端的ZnS掺杂二价Mn2+离子纳米晶表现出了对于 痕量芳香硝基爆炸物蒸气超痕量和高灵敏检测。痕量硝基芳香爆炸物蒸气与修饰在ZnS 纳米晶表面的巯基乙氨通过酸碱离子对形成深红色复合物，这种复合物淬灭桔黄色Mn2+ 的光致发光，通过荧光强度的改变，实现对芳香硝基爆炸物的检测(Anal.Chem. 2008,80, 3458-3465)。同时，我们在二氧化硅纳米粒子表面修饰上氨基和荧光染料分子，目标分析衍 生物与二氧化硅表面的荧光素之间发生的能量共振转移，实现对TNT的一种荧光放大淬灭 检测(Anal. Chem. 2008，80，8545-8553)。此外，纳米结构表面的高浓度TNT分子印记实现了 对TNT的高选择性和高灵敏的检测，如二氧化硅纳米粒子表面印记(J. Am. Chem. Soc. 2007， 129,7859-7866.)，二氧化硅纳米管表面印记(Anal. Chem. 2008,80,437-443.)，聚合物纳 米线和纳米管表面印记(Anal. Chem. 2006，78，8339-8346.)，以及中空聚合物壳层(Adv. Mater. 2007，19，2370-2374.)。用胶体晶体模板广泛用来制备高度有序的三维反蛋白石结构多孔薄膜，这中薄膜 的多功能用途来自于较宽范围的折射率，不同的孔径区域，较大的比表面积。因此，它们在 实际应用方面表现出比传统的固体薄膜拥有更多的优点，如催化，分离，和化学/生物传感 器等。例如，反蛋白石薄膜的折射率随着环境的变化而变化，导致了布拉格衍射波长移动， 可以作为自行报告传感器。此外，大孔结构的相互联系和大的比表面积，可大大减少质量运 输阻力，为目标物分析进入提供更多的便利。这些特性使得反蛋白石薄膜特别适合在化学/ 生物传感器上的应用。同正常固体薄膜传感器相比，反蛋白石薄膜与目标分析物的相互作 用和响应都大大提高。由于广泛使用模板组装制备各种反蛋白石薄膜，因此，基于反蛋白石 结构的化学/生物传感器，最近吸引了大量的研究者的兴趣，例如，反蛋白石结构分子印记 凝胶薄膜对有机分子手性，Pb2+，血糖，肌氨酸酐的识别和检测；反蛋白石结构金属二氧化物 薄膜用于检测污染物气体和有机溶剂的检测；反蛋白石结构金属银或金薄膜表面增强拉曼 光谱特征的活性物种的检测。近年来，以二氧化硅和聚苯乙烯凝胶粒子为模板，制备反蛋白石结构薄 膜传感器吸引了大批研究者的兴趣。2009年Musashi Fujishima科研小组的发 明专利(US20090220426A1)公开 了 “Biodegradable inverted-opal structure, method formanufacturing and using the same, and medical implant comprising thebiodegradable inverted-opal strucrture” 制备方法。它采用了下述步骤(1) 二氧 化硅或聚苯乙烯凝胶粒子为模板；(2)以脂肪族聚酯(aliphatic polyester)为光子晶体 的填充剂，去除二氧化硅或聚苯乙烯光子晶体后，制得脂肪族聚酯反蛋白石结构薄膜。2006 年Klimonskij Sergej Olegovich科研小组的发明专利(RU2383082C 1)公开了“Method of making polyfunctional photonic crystals withinverted opal structure.，，备方法。 它采用了下述步骤(1)聚苯乙烯凝胶粒子为模板；(2)分别以Zn2Si04, LiFe508，BaFe1209, BaTi03，SrTi03，MgAl20dn Y3A15012光子晶体填充剂，制备反蛋白石结构的薄膜，具有光学、电 学和磁学性能。2005年李东升等人公开了发明专利(CN200410016497.2) “制备反蛋白石 光子晶体异质结薄膜的方法”制备方法。它采用了下述步骤(1)以二氧化硅小球为模板； (2) 二氧化硅光子晶体小球空隙填充IV族复合半导体材料，得到蛋白石薄膜后填充具有高 介电导体材料，去除二氧化硅后得到反蛋白石结构异质薄膜。2008年中国科学院化学所研究工作者李会玲公开了发明专利(CN20081010557.6) “反蛋白石结构膜的用途”制备方法。 它采用了下述步骤(1)反蛋白石结构孔径可调；(2)精确测定吸附油后颜色的变化，实现 快速检测。 但是这些反蛋白石结构的薄膜都是利用材料自身的特性，选择性相对较差，灵敏 性差，由于其表面没有携带专识性的基团，同时未见利用表面修饰了氨丙基和荧光素的反 蛋白石结构二氧化硅薄膜对TNT蒸气检测报道。因此，合成高选择性和高灵敏性的反蛋白 石结构的二氧化硅荧光薄膜制备方法，实现对超痕量TNT蒸气分子识别和检测有其必要 性。在本发明中，我们报道了基于荧光共振能量转移原理在反蛋白石结构二氧化硅 荧光薄膜表面实现对超痕量TNT蒸气的探测。反蛋白石结构二氧化硅薄膜是尤其适合作 为荧光化学传感器支撑体，因为反蛋白石结构二氧化硅薄膜光学透明和光子物理惰性以 及其表面能够很容易通过与硅烷化试剂缩合反应而修饰上新组装功能的亚单元。反蛋白 石结构二氧化硅薄膜表面的氨丙基能够与TNT目标分子通过形成电荷转移复合物，由于 存在电子离域，这种电荷转移复合物在500-600nm波长范围类显示了一个很强的可见吸 收峰。这一结果的发现，激发我们在反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面通过共价交联3-氨 丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane，APTS)和荧光素5 (6)-异硫氰酸 (Fluoresceins (6) -isothiocyanate, FITC)来探索基于荧光共振能量转移化学传感器对 TNT目标分子高选择性、高灵敏性的检测。当选择一个合适荧光分子其拥有的荧光发射光谱 与APTS-TNT复合物的紫外-可见的吸收光谱相重合，当它们空间相互接近时，荧光素的荧 光通过共振能量转移将会被APTS-TNT复合物所吸收，导致荧光素荧光强度的下降，因此， 反蛋白石结构二氧化硅薄膜的光致发光将会被有效的淬灭。由于在反蛋白石结构二氧化 硅薄膜表面有许多的对TNT结合敏感性很强的氨丙基亚单元，这样将会导致选择性的对环 境中TNT目标分子形成快速的响应。关于反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面修饰上APTS和 FITC，使其表面分别带有APTS残基的氨丙基和荧光素FITC的荧光基团，目前未见文献报 道。这种表面修饰了 APTS和FITC的反蛋白石结构二氧化硅薄膜通过荧光共振能量转移在 气相中能够探测到数个PPb级。这种对TNT分子具有专识性作用的荧光反蛋白石结构二氧 化硅薄膜，以荧光作为探针、氨丙基为识别位点显现出对TNT蒸气高选择性、高灵敏性和超 痕量的探测。发明内容发明目的针对目前现有技术存在的不足之处，本发明首次利用反蛋 白石结构的多层二氧化硅薄膜作为支撑体合成了带有氨丙基和荧光基团的一种对超痕量 TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备方法，并首次将反蛋白石结构二氧化硅薄膜 表面进行功能化修饰用于对超痕量爆炸物TNT蒸气分子识别与检测。所述方法为化学合成 法，首先是表面富含磺酸基的聚苯乙烯微球在硅片表面自组装形成光子晶体，然后，以盐酸 为催化剂水解和缩合正规酸四乙酯(Tetraethyl orthosilicate,TE0S)形成溶胶-凝胶前 躯体溶液,加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane，APTS)与前躯体 缩合，将承载了聚苯乙烯光子晶体的硅片浸入前躯体中，前躯体浸入到光子晶体的间隙，用 N，N-二甲基甲酰胺去除光子晶体，形成反蛋白石结构二氧化硅薄膜，最后在其表面修饰上 荧光素FITC，制备出对TNT蒸气识别和检测作用的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，形成 高选择性、高灵敏性、带有分子识别和检测性能纳米结构荧光探针。
本发明的技术方案是一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄 膜的制备方法，包括用反蛋白石结构二氧化硅薄膜，在其表面修饰上氨丙基和荧光素 5(6)-异硫氰酸(Fluorescein 5 (6)-isothiocyanate，FITC)，其特征在于所述的反蛋 白石结构二氧化硅荧光薄膜表面带有氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸(Fluorescein 5 (6)-isothiocyanate, FITC)，其表面的氨丙基可进一步与TNT目标分子作用，使其表面富 电子的氨丙基作为电子供体同缺电子的TNT受体之间通过电荷转移作用形成深红色的复 合物，此深红色复合物通过荧光共振能量转移可以吸收反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面荧 光素5 (6)-异硫氰酸(Fluoresceins (6)-isothiocyanate，FITC)的荧光，利用荧光强度的 改变，实现对超痕量TNT蒸气检测，本发明的制备过程包括如下两个步骤1. 1第一步是聚苯乙烯微球的光子晶体自组装将硅片(lcmXlcm)沉浸在 H2S04 H202体积比为4 1的混合液中5 7h后，用去离子水清洗三次，然后再用高纯氮 气吹干，将0. 2 0. 5mL的1. 25% (质量分数)、粒径为400 600nm的表面修饰了磺酸基 的聚苯乙烯(pl0ystyrene，PS)微球加入到直径为5cm的玻璃称量瓶中，将一片上述处理后 表面洁净的硅片(lcmXlcm)缓慢的沉积在玻璃称量瓶的底部，称量瓶加盖玻璃盖片，让其 溶液慢慢的蒸发8 12天，在硅片的表面形成了有规律排列的聚苯乙烯微球光子晶体，硅 片上排列规整的聚苯乙烯光子晶体在100 120°C条件下加热3 5min ；1. 2第二步是表面修饰了氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸 (Fluoresceins (6) -isothiocyanate, FITC)的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜的制备以 上述在硅片上制备的排列规整聚苯乙烯微球光子晶体作为模板。将2 4mL的无水乙醇， 0. 5 1. 5mL 的正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate, TE0S)和 0. 5 1. 5mL 浓度为 0. 5 1. 5mol 厂1的盐酸溶液混合，在冰浴中搅拌10 15h后得到溶胶-凝胶前躯体溶 液，30 50 y L的硅烷化试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)加入到上述反应混合液中连 续搅拌8 12h，排列规整的聚苯乙烯微球光子晶体的硅片被沉浸在溶胶-凝胶前驱体溶液 中，聚苯乙烯微球间隙之间充满了溶胶_凝胶前驱体溶液，在室温下，自然干燥2 4天，机 械打磨去除光子晶体表面多余的二氧化硅，用N，N-二甲基甲酰胺完全溶解去除聚苯乙烯 微球，再用无水乙醇清洗三次，得到反蛋白石结构二氧化硅薄膜，其浸入到溶解2 3mg荧 光素5 (6)-异硫氰酸的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，在室温下避光反应15h 24h，反蛋白 石结构二氧化硅表面的氨基与荧光素5 (6)-异硫氰酸中的异硫氰酸根进行亲核加成反应， 使得荧光基团共价偶联到反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面。将上述所得的拥有氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，用无水乙醇清 洗三次去除吸附在二氧化硅薄膜表面多余的荧光素，最终得到了氨丙基和荧光素封端的反 蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，具有对TNT蒸气高选择性、高灵敏性和超痕量探测的反蛋 白石结构的二氧化硅荧光薄膜。作为对现有技术的进一步改进，所说支撑体为反蛋白石结构二氧化硅薄膜，其厚 度和孔径可控，可以通过调节排列规整的聚苯乙烯微球光子晶体的粒径来加以控制；所说 反蛋白石结构二氧化硅薄膜支撑体的表面经修饰使其表面富含氨丙基和荧光基团；所说 硅烷化试剂是3_氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)。所说荧光素是荧光素5(6)-异硫氰酸 (Fluorescein 5 (6)-isothiocyanate，FITC)。所说被识别分子为TNT。所说的反蛋白石结 构二氧化硅薄膜表面的氨丙基能够专识性的结合TNT目标分子，形成暗红色的复合物。所说的反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面的荧光素能够与APTS-TNT复合物形成荧光共振能量 转移。相对于现有技术的有益效果 其一相对于现有技术，2009年Musashi Fujishima科研小组的发明 专禾I」(US20090220426A1) Jf 7 "Biodegradable inverted-opal structure, method formanufacturing and using the same, and medical implant comprising thebiodegradable inverted-opal strucrture” 制备方法。它采用了下述步骤(1) 二氧 化硅或聚苯乙烯凝胶粒子为模板；(2)以脂肪族聚酯(aliphatic polyester)为光子晶体 的填充剂，去除二氧化硅或聚苯乙烯光子晶体后，制得脂肪族聚酯反蛋白石结构薄膜。2006 年Klimonskij Sergej Olegovich科研小组的发明专利(RU2383082C 1)公开了"Method of making polyfunctional photonic crystals withinverted opal structure.，，备方法。 它采用了下述步骤(1)聚苯乙烯凝胶粒子为模板；(2)分别以Zn2SiO4, LiFe5O8, BaFe12O9, BaTiO3, SrTiO3,MgAl2OJP Y3Al5O12光子晶体填充剂，制备反蛋白石结构的薄膜，具有光学、电 学和磁学性能。2005年李东升等人公开了发明专利(CN200410016497.2) “制备反蛋白石 光子晶体异质结薄膜的方法”制备方法。它采用了下述步骤(1)以二氧化硅小球为模板； (2) 二氧化硅光子晶体小球空隙填充IV族复合半导体材料，得到蛋白石薄膜后填充具有高 介电导体材料，去除二氧化硅后得到反蛋白石结构异质薄膜。2008年中国科学院化学所研 究工作者李会玲公开了发明专利(CN20081010557.6) “反蛋白石结构膜的用途”制备方法。 它采用了下述步骤(1)反蛋白石结构孔径可调；(2)精确测定吸附油后颜色的变化，实现 快速检测。但是这些反蛋白石结构的薄膜都是利用材料自身的特性，选择性相对较差，灵敏 性差，由于其表面没有携带专识性的基团，同时未见利用表面修饰了氨丙基和荧光素的反 蛋白石结构二氧化硅薄膜对TNT蒸气检测报道。因此，合成高选择性和高灵敏性的反蛋白 石结构的二氧化硅荧光薄膜制备方法，实现对超痕量TNT蒸气分子识别和检测有其必要 性。本发明首先是聚苯乙烯微球自组装成为光子晶体将硅片(IcmXlcm)沉浸在 H2SO4 H2O2体积比为4 1的混合液中6h后，用去离子水清洗三次，然后再用高纯氮气 吹干，将0.3mL的1.25% (质量分数)、粒径为500nm的表面修饰了磺酸基的聚苯乙烯 (ploystyrene,PS)微球加入到直径为5cm的玻璃称量瓶中，将一片上述处理后表面洁净的 硅片(IcmXlcm)缓慢的沉积在玻璃称量瓶的底部，称量瓶加盖玻璃盖片，让其溶液慢慢的 蒸发10天，在硅片的表面形成了有规律排列的聚苯乙烯微球光子晶体，硅片上排列规整的 聚苯乙烯光子晶体在110°C条件下加热4min ；其次，是表面修饰了氨丙基和荧光素5(6)_异硫氰酸 (Fluoresceins (6) -isothiocyanate, FITC)的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜的制备以 上述在硅片上制备的排列规整聚苯乙烯微球光子晶体作为模板。将3mL的无水乙醇，ImL的 正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate, TE0S)和ImL浓度为Imol -Γ1的盐酸溶液混合， 在冰浴中搅拌12h后得到溶胶-凝胶前躯体溶液，40 μ L的硅烷化试剂3-氨丙基三乙氧基 硅烷(APTS)加入到上述反应混合液中连续搅拌10h，排列规整的聚苯乙烯微球光子晶体的 硅片被沉浸在溶胶_凝胶前驱体溶液中，聚苯乙烯微球间隙之间充满了溶胶_凝胶前驱体溶液，在室温下，自然干燥3天，机械打磨去除光子晶体表面多余的二氧化硅，用N，N-二甲 基甲酰胺完全溶解去除聚苯乙烯微球，再用无水乙醇清洗三次，得到反蛋白石结构二氧化 硅薄膜，其浸入到溶解2. 5mg荧光素5(6)-异硫氰酸的N，N- 二甲基甲酰胺溶液中，在室温 下避光反应18h，反蛋白石结构二氧化硅表面的氨基与荧光素5 (6)-异硫氰酸中的异硫氰 酸根进行亲核加成反应，使得荧光基团共价偶联到反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面。将上述所得的拥有氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，用无水乙醇清 洗三次去除吸附在二氧化硅薄膜表面多余的荧光素，最终得到了氨丙基和荧光素封端的反 蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，具有对TNT蒸气高选择性、高灵敏性和超痕量探测的反蛋 白石结构的二氧化硅荧光薄膜。综上所述，表面修饰氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，尤其是在反 蛋白石结构二氧化硅薄膜表面带有分子识别基团的荧光薄膜传感器，既增大荧光薄膜传感 器的比表面积，又增加了分子识别位点，提高选择性、识别性和敏感性。其二 表面修饰了氨丙基和荧光素FITC分子的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，能够 对TNT分子识别。例如，加入一定量的TNT目标分子可以同二氧化硅表面的氨丙基形成暗 红色的复合物，此复合物吸收二氧化硅表面荧光素FITC的发射光，通过荧光强度下降，实 现对TNT分子识别。合成表面富含氨丙基和荧光素的二氧化硅纳米粒子球，同时也可以选 择性用来检测其他硝基爆炸物分子，如2，4_ 二硝基甲苯(DNT)和硝基苯(NB)。并且本发明 中的荧光素是荧光素5 (6)-异硫氰酸(Fluorescein 5 (6)-isothiocyanate，FITC)。可见， 本发明所提供的方法是通用的，实用范围比较广泛。其三与传统的固体薄膜化学传感器相比较，表面修饰的反蛋白石结构二氧化硅 多层薄膜化学传感器具有较大的比表面积，较多的识别位点，高选择性，高敏感性，提高分 子识别性能。其四本发明所提供的方法中，孔径可控的反蛋白石结构二氧化硅薄膜可以通过 调节制备光子晶体聚苯乙烯微球粒径来加以控制。即带功能识别基团的反蛋白石结构二氧 化硅薄膜的孔径是可以控制的，因此，通过聚苯乙烯微球的粒径来调节。其五选择反蛋白石结构二氧化硅薄膜目的，因为其具有以下优点(1)容易合成 二氧化硅溶胶，较大的比表面积，相对较低成本；(2)在反应过程中具有化学和热的稳定性 不与有机溶剂反应；(3)表面容易嫁接有机官能团；(4)对环境无害。
图1是本发明所采用的表面修饰了 APTS和FITC的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄 膜合成示意图。图2是本发明所采用的TNT-APTS酸碱离子对复合物归一化紫外-可见吸收光谱 和FITC荧光发射光谱图。插图表示的是TNT溶液中(a)不加入和(b)加入APTS溶液颜色 的变化。图3是本发明所采用的表面富含氨丙基和FITC的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄 膜对TNT目标分子检测原理示意图(A)和二氧化硅荧光薄膜与TNT目标分子形之间的荧光 共振能量转移原理示意图。图4是本发明所采用的表面富含磺酸基的聚苯乙烯光子晶体的扫描电子显微镜图(A)和表面修饰了氨丙基和荧光基团的反蛋白石结构二氧化硅薄膜扫描电子显微镜图 ⑶。图5是本发明所采用的(A)表面化学键修饰了荧光素FITC反蛋白石二氧化硅薄 膜(a)荧光发射光谱图以及表面物理吸附荧光素FITC反蛋白石二氧化硅薄膜(b)荧光发 射光谱图和(B)表面修饰了氨丙基和荧光素FITC反蛋白石二氧化硅薄膜(a)和表面修饰 了氨丙基和荧光素FITC无定性二氧化硅薄膜(b)归一化荧光发射光谱图。图6是本发明所采用的(A)孔径为400nm表面修饰了氨丙基和荧光素FITC反蛋 白石结构二氧化硅薄膜在TNT饱和蒸气( 4ppb)气氛中lOmin后其荧光发射光谱随时间 演变图，(B)表面修饰了氨丙基和荧光素FITC无定性二氧化硅薄膜在TNT饱和蒸气气氛中 lOmin后其荧光发射光谱随时间演变图和(C)无定性二氧化硅薄膜(a)和反蛋白石结构二 氧化硅薄膜(b)的淬灭百分数随时间变化的关系。图7是本发明所采用的表面修饰了氨丙基和荧光素FITC反蛋白石结构二氧化硅 薄膜分别在(A)2，4，6-三硝基甲苯(TNT)饱和蒸气( 4ppb)、(B) 2，4-二硝基甲苯(DNT) 饱和蒸气( 200ppb)、(C)硝基苯(NB)饱和蒸气( 400ppm)气氛中lOmin后其荧光发 射光谱随时间演变图和(D)其淬灭百分数随时间的变化。根据附图进一步解释
具体实施例方式图1是本发明所采用的表面修饰了 APTS和FITC的反蛋白石结构二氧化硅荧 光薄膜合成示意图。在图1中第一步是聚苯乙烯微球的光子晶体自组装将处理后的表 面洁净的硅片沉浸在表面修饰了磺酸基的聚苯乙烯(ploystyrene，PS)微球溶液中，盛 放聚苯乙烯(ploystyrene，PS)微球溶液器皿表面加盖玻璃盖片，让其溶液慢慢，在硅片 的表面形成了有规律排列的聚苯乙烯微球光子晶体，加热硅片上排列规整的聚苯乙烯光 子晶体调节其刚性。第二步是表面修饰氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸(Fluorescein 5(6)-isothiocyanate, FITC)的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜的制备以上述在硅片上 制备的排列规整聚苯乙烯微球光子晶体作为模板。将无水乙醇，正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate,TE0S)和盐酸溶液混合，在冰浴中搅拌后得到溶胶-凝胶前躯体溶液，将硅 烷化试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)加入到上述反应混合液中连续搅拌，排列规整的 聚苯乙烯微球光子晶体的硅片被沉浸在溶胶-凝胶前驱体溶液中，聚苯乙烯微球间隙之间 充满了溶胶-凝胶前驱体溶液，在室温下，自然干燥，机械打磨去除光子晶体表面多余的二 氧化硅，用N，N-二甲基甲酰胺完全溶解去除聚苯乙烯微球，再用无水乙醇清洗三次，得到 反蛋白石结构二氧化硅薄膜，其浸入到溶解荧光素5 (6)-异硫氰酸的N，N- 二甲基甲酰胺溶 液中，在室温下避光反应，反蛋白石结构二氧化硅表面的氨基与荧光素5(6)-异硫氰酸中 的异硫氰酸根进行亲核加成反应，使得荧光基团共价偶联到反蛋白石结构二氧化硅薄膜表将上述所得的拥有氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，用无水乙醇清 洗三次去除吸附在二氧化硅薄膜表面多余的荧光素，最终得到了氨丙基和荧光素封端的反 蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，具有对TNT蒸气高选择性、高灵敏性和超痕量探测的反蛋 白石结构的二氧化硅荧光薄膜。图2是本发明所采用的TNT-APTS酸碱离子对复合物归一化紫外-可见吸收光谱 和FITC荧光发射光谱图。插图表示的是TNT溶液中(a)不加入和(b)加入APTS溶液颜色的
10变化。富电子的APTS作为电子的给体与缺电子的TNT作为电子的供体，形成了 APTS-TNT酸 碱离子对，这种APTS-TNT酸碱离子对在525nm处有最大的可见吸收峰，红色的酸碱离子对 复合物的可见吸收正好同发射绿光的荧光素FITC的稳态荧光最大发射波长520nm谱图相 重叠。根据荧光共振能量转移，当它们空间相互接近时，发生能量共振转移，发射绿光的荧 光素FITC的稳态荧光发射光正好被红色的APTS-TNT酸碱离子对复合物所吸收，使得FITC 荧光强度的下降，实现对TNT分子识别。图3是本发明所采用的表面富含氨丙基和FITC的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄 膜对TNT目标分子检测原理示意图(A)和二氧化硅荧光薄膜与TNT目标分子形之间的荧光 共振能量转移原理示意图(B)。在TNT目标分子存在的条件下，反蛋白石结构二氧化硅荧光 薄膜表面富电子的氨丙基作为电子对的给体与缺电子TNT目标分子作为电子对受体之间 通过电荷转移作用形成红色的酸碱离子对复合物，根据荧光共振能量转移，当它们空间相 互接近时，发生能量共振转移，发射绿光荧光素FITC的稳态荧光发射光正好被APTS-TNT红 色酸碱离子对复合物所吸收，使得FITC荧光强度的改变，从而使荧光淬灭，实现对TNT分子 识别。图4是本发明所采用的表面富含磺酸基的聚苯乙烯光子晶体的扫描电子显微镜 图(A)和表面修饰了氨丙基和荧光基团的反蛋白石结构二氧化硅薄膜扫描电子显微镜图 (B)。由于采用两步反应，首先，表面富含磺酸基的聚苯乙烯微球在洁净硅片表面上自组装 为光子晶体，图4(B)所示为其扫描电子显微镜照片，可以看出聚苯乙烯光子晶体成六方密 堆积排列。最后，由聚苯乙烯光子晶体制备表面修饰了 APTS反蛋白石结构二氧化硅，用N， N-二甲基甲酰胺溶解去除聚苯乙烯光子晶体，在所得到的反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面 修饰荧光素5 (6)-异硫氰酸(Fluorescein 5 (6) -isothiocyanate，FITC)，得到反蛋白石结 构二氧化硅荧光薄膜，图4(A)所示为其透射电子显微镜照片，图中可知反蛋白石结构二氧 化硅薄膜呈现多层堆积排列。图5是本发明所采用的(A)表面化学键修饰了荧光素FITC反蛋白石二氧化硅薄 膜(a)荧光发射光谱图以及表面物理吸附荧光素FITC反蛋白石二氧化硅薄膜(b)荧光发 射光谱图和(B)表面修饰了氨丙基和荧光素FITC反蛋白石二氧化硅薄膜(a)和表面修饰 了氨丙基和荧光素FITC无定性二氧化硅薄膜(b)归一化荧光发射光谱图。图5(A)中显示 了表面化学键修饰了荧光素FITC比物理吸附荧光素FITC的反蛋白石二氧化硅薄膜荧光发 射强度要高的多，表明共价偶联上的FITC分子更多。图5(B)表面修饰了氨丙基和荧光素 FITC反蛋白石二氧化硅薄膜(a)发射光谱图仅有单一的峰，而无定性二氧化硅薄膜(b)多 了一个肩峰。图6是本发明所采用的(A)孔径为400nm表面修饰了氨丙基和荧光素FITC反蛋 白石结构二氧化硅薄膜在TNT饱和蒸气( 4ppb)气氛中lOmin后其荧光发射光谱随时间 演变图，(B)表面修饰了氨丙基和荧光素FITC无定性二氧化硅薄膜在TNT饱和蒸气气氛中 lOmin后其荧光发射光谱随时间演变图和(C)无定性二氧化硅薄膜(a)和反蛋白石结构二 氧化硅薄膜(b)的淬灭百分数随时间变化的关系。由于多空层状的堆积，传质阻力较小，因 此，反蛋白石结构的二氧化硅薄膜对TNT蒸气响应和淬灭要明显地优于无定形二氧化硅薄 膜，如图6(A)和(B)所示。反蛋白石结构薄膜淬灭百分数是10倍于无定形二氧化硅薄膜， 如图6(C)所示。
图7是本发明所采用的表面修饰了氨丙基和荧光素FITC反蛋白石结构二氧化硅 薄膜分别在(A)2，4，6-三硝基甲苯(TNT)饱和蒸气( 4ppb)、(B) 2，4-二硝基甲苯(DNT) 饱和蒸气( 200ppb)、(C)硝基苯饱和蒸气( 400ppm)气氛中lOmin后其荧光发射光谱 随时间演变图和(D)其淬灭百分数随时间的变化。暴露在目标分子饱和蒸气中lOmin后，反 蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜对TNT、DNT和NB的淬灭百分数(1-1/%)分别为10%、36% 和70%。这种淬灭百分数主要依赖于目标分子的饱和蒸气浓度，目标气体分子的扩散速率， 氨基对目标分子的亲和力和荧光淬灭机理。硝基苯(NB)和2，4-二硝基甲苯(DNT)饱和蒸 气浓度分别是TNT的饱和蒸气1 X 105和50倍，然而，NB和DNT的淬灭百分数却仅仅是TNT 的7倍和3. 6倍。可见，反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面的氨丙基对TNT分子的捕获能力 要比NB和DNT强的多，由于TNT的分子结构中有三个吸电子的硝基能够与富电子的氨丙基 形成强烈的酸碱离子对，同是形成深红色复合物，与荧光素分子空间接近时，形成共振能量 转移，从而有效的淬灭荧光。然而，NB和DNT分子结构分别为一个硝基和二个硝基，相对来 说吸电子能力较弱，很难形成复合物，因此，对荧光的淬灭效率比TNT要差很多。
具体实施例方式一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备方 法，包括用反蛋白石结构二氧化硅薄膜，在其表面修饰上氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸 (Fluorescein 5 (6)-isothiocyanate，FITC)，其特征在于所述的反蛋白石结构二氧化硅 荧光薄膜表面带有氨丙基和荧光素5 (6)-异硫氰酸(Fluorescein 5 (6)-isothiocyanate, FITC)，其表面的氨丙基可进一步与TNT目标分子作用，使其表面富电子的氨丙基作为电子 供体同缺电子的TNT受体之间通过电荷转移作用形成深红色的复合物，此深红色复合物 通过荧光共振能量转移可以吸收反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面荧光素5(6)-异硫氰酸 (Fluoresceins (6) -isothiocyanate, FITC)的荧光，利用荧光强度的改变，实现对超痕量 TNT蒸气检测，本发明的制备过程包括如下两个步骤第一步，是聚苯乙烯微球自组装成为光子晶体将硅片(lcmXlcm)沉浸在 H2S04 H202体积比为4 1的混合液中5 7h后，用去离子水清洗三次，然后再用高纯氮 气吹干，将0. 2 0. 5mL的1. 25% (质量分数)、粒径为400 600nm的表面修饰了磺酸基 的聚苯乙烯(pl0ystyrene，PS)微球加入到直径为5cm的玻璃称量瓶中，将一片上述处理后 表面洁净的硅片(lcmXlcm)缓慢的沉积在玻璃称量瓶的底部，称量瓶加盖玻璃盖片，让其 溶液慢慢的蒸发8 12天，在硅片的表面形成了有规律排列的聚苯乙烯微球光子晶体，硅 片上排列规整的聚苯乙烯光子晶体在100 120°C条件下加热3 5min ；第二步，是表面修饰了氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸 (Fluoresceins (6) -isothiocyanate, FITC)的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜的制备以 上述在硅片上制备的排列规整聚苯乙烯微球光子晶体作为模板。将2 4mL的无水乙醇， 0. 5 1. 5mL 的正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate, TE0S)和 0. 5 1. 5mL 浓度为 0. 5 1. 5mol 厂1的盐酸溶液混合，在冰浴中搅拌10 15h后得到溶胶-凝胶前躯体溶 液，30 50 y L的硅烷化试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)加入到上述反应混合液中连 续搅拌8 12h，排列规整的聚苯乙烯微球光子晶体的硅片被沉浸在溶胶-凝胶前驱体溶液 中，聚苯乙烯微球间隙之间充满了溶胶_凝胶前驱体溶液，在室温下，自然干燥2 4天，机 械打磨去除光子晶体表面多余的二氧化硅，用N，N-二甲基甲酰胺完全溶解去除聚苯乙烯 微球，再用无水乙醇清洗三次，得到反蛋白石结构二氧化硅薄膜，其浸入到溶解2 3mg荧光素5 (6)-异硫氰酸的N，N- 二甲基甲酰胺溶液中，在室温下避光反应15h 24h，反蛋白 石结构二氧化硅表面的氨基与荧光素5 (6)-异硫氰酸中的异硫氰酸根进行亲核加成反应， 使得荧光基团共价偶联到反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面。将上述所得的拥有氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，用无水乙醇清 洗三次去除吸附在二氧化硅薄膜表面多余的荧光素，最终得到了氨丙基和荧光素封端的反 蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，具有对TNT蒸气高选择性、高灵敏性和超痕量探测的反蛋 白石结构的二氧化硅荧光薄膜。表面修饰氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜中加入目标分子，能够改 变其识别性能。如加入TNT分子，反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面的氨基与TNT形成复合 物，吸收反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面的荧光素所发射的荧光，从而得到对TNT分子识 别和检测。实施例根据共价耦联反应，利用反蛋白石结构二氧化硅薄膜作为支撑体，采用两 步反应可得到表面富含氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜。1、聚苯乙烯微球自组装成为光子晶体将硅片(lcmX lcm)沉浸在H2S04 H202体 积比为4 1的混合液中6h后，用去离子水清洗三次，然后再用高纯氮气吹干，将0.3mL的 1.25% (质量分数)、粒径为500nm的表面修饰了磺酸基的聚苯乙烯(ploystyrene，PS)微 球加入到直径为5cm的玻璃称量瓶中，将一片上述处理后表面洁净的硅片(lcmXlcm)缓慢 的沉积在玻璃称量瓶的底部，称量瓶加盖玻璃盖片，让其溶液慢慢的蒸发10天，在硅片的 表面形成了有规律排列的聚苯乙烯微球光子晶体，硅片上排列规整的聚苯乙烯光子晶体在 110°C条件下加热4min ；2、表面修饰了氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸 (Fluoresceins (6) -isothiocyanate, FITC)的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜的制备以 上述在硅片上制备的排列规整聚苯乙烯微球光子晶体作为模板。将3mL的无水乙醇，lmL的 正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate, TE0S)和lmL浓度为lmol .L—1的盐酸溶液混合， 在冰浴中搅拌12h后得到溶胶-凝胶前躯体溶液，40uL的硅烷化试剂3-氨丙基三乙氧基 硅烷(APTS)加入到上述反应混合液中连续搅拌10h，排列规整的聚苯乙烯微球光子晶体的 硅片被沉浸在溶胶_凝胶前驱体溶液中，聚苯乙烯微球间隙之间充满了溶胶_凝胶前驱体 溶液，在室温下，自然干燥3天，机械打磨去除光子晶体表面多余的二氧化硅，用N，N-二甲 基甲酰胺完全溶解去除聚苯乙烯微球，再用无水乙醇清洗三次，得到反蛋白石结构二氧化 硅薄膜，其浸入到溶解2. 5mg荧光素5(6)-异硫氰酸的N，N- 二甲基甲酰胺溶液中，在室温 下避光反应18h，反蛋白石结构二氧化硅表面的氨基与荧光素5(6)-异硫氰酸中的异硫氰 酸根进行亲核加成反应，使得荧光基团共价偶联到反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面。将上述所得的拥有氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，用无水乙醇清 洗三次去除吸附在二氧化硅薄膜表面多余的荧光素，最终得到了氨丙基和荧光素封端的反 蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，具有对TNT蒸气高选择性、高灵敏性和超痕量探测的反蛋 白石结构的二氧化硅荧光薄膜。
权利要求
一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备方法，包括用反蛋白石结构二氧化硅薄膜，在其表面修饰上氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸(Fluorescein 5(6)-isothiocyanate，FITC)，其特征在于所述的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜表面带有氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸(Fluorescein5(6)-isothiocyanate，FITC)，其表面的氨丙基可进一步与TNT目标分子作用，使其表面富电子的氨丙基作为电子供体同缺电子的TNT受体之间通过电荷转移作用形成深红色的复合物，此深红色复合物通过荧光共振能量转移可以吸收反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面荧光素5(6)-异硫氰酸(Fluorescein5(6)-isothiocyanate，FITC)的荧光，利用荧光强度的改变，实现对超痕量TNT蒸气检测，本发明的制备过程包括如下两个步骤1.1第一步是聚苯乙烯微球自组装成为光子晶体将硅片(1cm×1cm)沉浸在H2SO4∶H2O2体积比为4∶1的混合液中5～7h后，用去离子水清洗三次，然后再用高纯氮气吹干，将0.2～0.5mL的1.25％(质量分数)、粒径为400～600nm的表面修饰了磺酸基的聚苯乙烯(ploystyrene，PS)微球加入到直径为5cm的玻璃称量瓶中，将一片上述处理后表面洁净的硅片(1cm×1cm)缓慢的沉积在玻璃称量瓶的底部，称量瓶加盖玻璃盖片，让其溶液慢慢的蒸发8～12天，在硅片的表面形成了有规律排列的聚苯乙烯微球光子晶体，硅片上排列规整的聚苯乙烯光子晶体在100～120℃条件下加热3～5min；1.2第二步是表面修饰了氨丙基和荧光素5(6)-异硫氰酸(Fluorescein5(6)-isothiocyanate，FITC)的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜的制备以上述在硅片上制备的排列规整聚苯乙烯微球光子晶体作为模板。将2～4mL的无水乙醇，0.5～1.5mL的正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate，TEOS)和0.5～1.5mL浓度为0.5～1.5mol·L-1的盐酸溶液混合，在冰浴中搅拌10～15h后得到溶胶-凝胶前躯体溶液，30～50μL的硅烷化试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)加入到上述反应混合液中连续搅拌8～12h，排列规整的聚苯乙烯微球光子晶体的硅片被沉浸在溶胶-凝胶前驱体溶液中，聚苯乙烯微球间隙之间充满了溶胶-凝胶前驱体溶液，在室温下，自然干燥2～4天，机械打磨去除光子晶体表面多余的二氧化硅，用N，N-二甲基甲酰胺完全溶解去除聚苯乙烯微球，再用无水乙醇清洗三次，得到反蛋白石结构二氧化硅薄膜，其浸入到溶解2～3mg荧光素5(6)-异硫氰酸的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，在室温下避光反应15h～24h，反蛋白石结构二氧化硅表面的氨基与荧光素5(6)-异硫氰酸中的异硫氰酸根进行亲核加成反应，使得荧光基团共价偶联到反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面。将上述所得的拥有氨丙基和荧光素的反蛋白石结构二氧化硅薄膜，用无水乙醇清洗三次去除吸附在二氧化硅薄膜表面多余的荧光素，最终得到了氨丙基和荧光素封端的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，具有对TNT蒸气高选择性、高灵敏性和超痕量探测的反蛋白石结构的二氧化硅荧光薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备 方法，其特征是所说光子晶体是由排列规整的表面富含磺酸基团的聚苯乙烯微球构成，其 粒径可调。
3.根据权利要求1所述的一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备 方法，其特征是所说反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜孔径可控，通过调节排列规整的聚苯 乙烯光子晶体粒径来加以控制。
4.根据权利要求1所述的一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备 方法，其特征是所说反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面经修饰使其表面富含氨丙基和荧光基团。
5.根据权利要求1所述的一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备 方法，其特征是所说硅烷化试剂是3-氨丙基三乙氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结 构荧光薄膜的制备方法，其特征是所说荧光素是荧光素5(6)-异硫氰酸 (Fluorescein5(6)-isothiocyanate, FITC)。
7.根据权利要求1所述的一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备 方法，其特征是所说反蛋白石结构二氧化硅薄膜表面的氨丙基能够选择性的结合TNT目 标分子。
8.根据权利要求1所述的一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备 方法，其特征是所说去除光子晶体的溶剂是N，N- 二甲基甲酰胺。
全文摘要
一种对超痕量TNT蒸气检测的反蛋白石结构荧光薄膜的制备方法，包括用反蛋白石结构二氧化硅，在其表面修饰上氨丙基和荧光素FITC。本发明的制备过程包括如下两个步骤首先是表面富含磺酸基的聚苯乙烯微球在硅片表面自组装形成光子晶体，然后，以盐酸为催化剂水解和缩合TEOS形成溶胶-凝胶前躯体溶液，加入APTS与前躯体缩合，将承载了聚苯乙烯光子晶体的硅片浸入前躯体中，前躯体浸入到光子晶体的间隙，用N，N-二甲基甲酰胺去除光子晶体，形成反蛋白石结构二氧化硅薄膜，最后在其表面修饰上荧光素FITC，制备对TNT蒸气识别作用的反蛋白石结构二氧化硅荧光薄膜，形成高选择性、高灵敏性、带有分子识别性能纳米结构探针。
文档编号G01N21/64GK101870866SQ20101018064
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者司靖宇, 孙虹, 张凌云, 朱德春, 管航敏, 陈红, 高大明 申请人:合肥学院