对痕量TNT检测的CaMoO₄:Tb³⁺荧光探针的化学制备方法

专利名称：对痕量TNT检测的CaMoO₄:Tb³⁺荧光探针的化学制备方法
对痕量TNT检测的CaMoO4: Tb3+荧光探针的化学制备方法所属领域本发明涉及材料科学领域，特别涉及具有对痕量TNT检测的 CaMoO4ITb3+荧光探针的制备方法。
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检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 的实验室检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应用。 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。因此，为了解决爆炸物检测问题，迫切地需要荧光探针能够对环境中 TNT目标分析物提供一种高选择性、高灵敏、快速响应、低成本和原位检测。在应用方面，荧光分子是对目标分析物的高灵敏响应理想材料。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。拥有缺电子的芳香硝基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η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 蒸气检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检测 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 检测方法。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，荧光半导体量子点掺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。成功制备了对麦芽糖、TNT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.)。在实用的发光材料中，稀土离子掺杂的无机发光材料的应用是最广泛的。无机发 光材料通常包括稀土离子和过渡金属离子掺杂的各种金属氧化物、金属硫化物、复合氧化 物和无机盐等。近年来稀土发光材料正逐渐取代非稀土发光材料被广泛地应用在显示、照 明、信息存贮放大以及医学诊断等各个领域，在国民经济和人们日常生活中起着不可取代 的作用。稀土发光材料的研究也成为发光材料研究的重点和前沿。其的优点是转换率高，发 射波长从紫外、可见直到红外各种波长的光，且物理化学性质稳定。同时稀土离子对光的吸 收发生在内层4f电子的不同能级之间的跃迁，产生吸收光谱谱线很窄，因此呈现出的颜色 鲜艳纯正。用稀土离子掺杂制备的具有特殊物理和化学性质的微纳米尺寸的核-壳结构荧 光粒子，在光子晶体，催化剂，诊断学和药理学上的应用潜能而引起了研究者的广泛兴趣。 目前已经使用二氧化硅或聚合物壳包覆稀土发光材料，金属，半导体，金属氧化物，合金，染 料，生物分子等，或者这个逆过程来合成核_壳材料。主要是这些核_壳结构粒子具有非团 聚的，单分散的，粒径小于2μπι的球形形貌的发光粒子有更大的应用价值，因为它们能够 提供更高的堆积密度，较低的光散射，较明亮的发光性能，较高的清晰度，良好的涂屏效果。 这些核-壳结构粒子容易调控和结合磁，光学，电子，机械，及催化等性质。此外，在阴极射 线管，场发射，等离子显示屏等领域需要高的分辨率，高的明亮度，高效率的发光材料，这些 都促进了稀土离子发光材料在应用方面的展开了研究。近年来，由于稀土发光材料优良的性能，以稀土发光材料为研究对象吸引了大批 研究者的兴趣。2008年Wei Gao等人公开了发明专利(US20080035946A1) "Rare earth element-doped silicon oxide film electroluminescence device.，，的制备方法。该发 明提供了形成稀土元素掺杂氧化硅薄膜的硅纳米晶颗粒的制备方法。它采用了下述步骤 提供硅为第一个目标物，嵌入第一个稀土元素；提供硅为第二个目标物，共溅射第一第二目 标物，形成掺杂第一稀土元素的SRSO薄膜基质。2008年Masahiro Takata等人公开了发明 专利(US20080123698A1) “Tb-doped luminescent compound, luminescent composition and luminescent body containing the same,light emitting device and solid-state laser device”。该发明主要阐述了掺杂Tb发光复合物包括Tb和除了 Tb至少两种金属 元素，通过激发光发射。在Tb掺杂的荧光复合物中，Tb的浓度是物质的量浓度分数超过 3. 75%到20. 63%之间，包括Tb在内的所有金属总的物质的量。2009年廖金生等人公开 了发明专利(CN200910114933.2) “球形铽掺杂的钨酸盐绿色荧光粉及其制备方法”。它采 用了下述步骤(1)配制硝酸铽溶液；(2)柠檬酸作为晶核剂和络合剂。2009年王龙成公开了发明专利(CN200910098779.4) “一种掺铽氧化钇绿色发光粉末的制备方法”。它采用了 下述步骤将不同摩尔比的硝酸钇和硝酸铽溶于去离子水中，加入氢氧化纳溶液，充分搅拌 后，放入水热釜中，填充度为80% 90%，在150 250°C温度范围保温8 24h，最后将得 到的样品离心并干燥后，在氮气保护下，400 800°C热处理2 4h，获得一种掺铽氧化钇绿 色荧光粉末材料。但是这些方法仅仅是制备出了绿色荧光粉末材料，由于其表面没有进行后功能化 修饰，所以没有携带专识性的识别基团，同时未见文献报道在稀土掺杂发光材料表面修饰 氨丙基对TNT痕量检测报道。因此，合成高选择性和高灵敏的绿色荧光探针CaM0O4 = Tb3+O SiO2-APTS的制备方法，实现对超痕量TNT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表面富含氨基的 CaMoO4Tb3+OSiO2,实现对痕量TNT的检测。CaMoO4Tb3+OSiO2是尤其适合作为荧光探 针，因为CaMO04:Tb3+@Si02-光探针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。CaMoO4:Tb3+OSiO2表面 修饰的氨丙基能够与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500-550nm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CaMoO4:Tb3+OSiO2表面通过共价交联3-氨丙基三乙氧基硅烷 (3-aminopropyltriethoxysilane, APTS)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、高灵敏的检测。当选择一个合适荧光材料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，荧光材料的荧 光通过共振能量转移将会被APTS-TNT复合物所吸收，导致荧光探针的荧光强度下降，因 此，CaMoO4 Tb3+OSiO2的光致发光将会被有效的淬灭。由于在CaMoO4 Tb3+OSiO2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CaMoO4: Tb3+OSiO2表面修饰上APTS，使其表面分别带有APTS残基的氨 丙基，目前未见文献报道。这种表面修饰了 APTS的CaMoO4 Tb3+OSiO2通过荧光共振能量转移 在液相中能够检测到纳摩尔浓度级。这种对TNT分子具有专识性作用的荧光CaMoO4 Tb3+O SiO2,以荧光作为探针、氨丙基为识别位点显现出对TNT高选择性、高灵敏和痕量的检测。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 CaMoO4ITb3+为荧光发光体为核，以二氧化硅为壳进行包覆，形成核_壳型荧光探针粒子， 在其表面修饰上氨丙基，合成了带有氨丙基一种对痕量TNT检测的CaMoO4: Tb3+OSiO2的制 备方法，并首次将CaM0O4 = Tb3+OSiO2表面进行功能化修饰用于对痕量爆炸物TNT分子识 别与检测。所述方法为化学合成法，首先是运用溶胶_凝胶法结合一步原位合成法合成 CaMoO4:Tb3+OSiO2,然后，加入 3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane， APTS)将氨基修饰在CaMoO4 = Tb3+OSiO2表面，制备出对TNT识别和检测作用的CaMoO4 = Tb3+O SiO2-APTS荧光产物，形成高选择性、高灵敏、带有分子识别和检测性能微米结构荧光探针。本发明的技术方案是一种对痕量TNT检测的CaMoO4 Tb3+荧光探针的化学制备方 法，包括用二氧化硅薄膜包覆CaMoO4 Tb3+荧光探针，并在包覆后的产物表面修饰上氨丙基， 其特征在于所述CaMoO4:Tb3+OSiO2的荧光粒子表面拥有氨丙基，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CaMoO4: Tb3+OSiO2的荧光，利用荧光强度的改变，实现对痕量TNT检测，本发明的制备过程包 括如下两个步骤1. 1第一步是发光粉CaMoO4: Tb3+OSiO2的制备用电子天平分别准确称量0. 0825g CaCO3,0. 0081g Tb4O7置于IOOmL单颈磨口烧瓶中，接着加入2mL硝酸，再加入适量去离子水 调节溶液PH值在2 3之间，再将准确称量的0. 1532g钼酸铵，0. 3646g柠檬酸，0. 5205g 聚乙二醇加入上述溶液中，在500rpm下搅拌lh。然后将7. 43mL的无水乙醇置于上述烧瓶 中，迅速地加入300 μ L的TEOS到乙醇溶液中，在500rpm下搅拌3min，然后把991. 6 μ L的 氨水加入到上述反应溶液中，并迅速强烈地以750rpm搅拌3min后，搅拌转速降至500rpm， 在室温下反应24h。然后再将反应后溶液放在70°C水浴锅上蒸干后在烘箱中烘干12h小时， 烘干后的微球在程序控温炉中以1°C /min的速度升温至900°C并在该温度下持续煅烧2h， 最终得到CaMoO4 = Tb3+OSiO2荧光粒子；1.2第二步是CaMoO4: Tb3+OSi O2荧光粒子表面修饰3_氨丙基三乙氧基硅烷 (3-aminopropyltriethoxysilane, APTS) =CaMoO4:Tb3+OSiO2 荧光粒子作为荧光探针，在其 表面修饰上APTS作为选择性识别功能单体。首先将0. 0064g的CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光粒子 和450 μ L APTS加入到IOmL无水乙醇中，超声分散5min，用磁力搅拌器在50°C的N2氛围 下搅拌2h，放入恒温振荡器中振荡20h。将上述所得的表面修饰了氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2荧光粒子，用无水乙醇清洗 三次去除吸附在表面CaMO04:Tb3+@Si02多余的APTS，然后用去离子水清洗三次，得到表面富 含氨基对TNT具有高选择性、高灵敏和痕量检测CaMoO4:Tb3+@Si02-APTS的荧光探针。作为对现有技术的进一步改进，所说荧光发光体为CaMo04:Tb3+，其表面包覆一薄 层二氧化硅，其粒径和壳厚度可控，可以通过调节包覆次数和包覆SiO2厚度来加以控制；所 说CaMoO4:Tb3+OSiO2表面经修饰使其表面富含氨丙基；所说硅烷化试剂是3_氨丙基三乙 氧基硅烷(APTS)。所说荧光探针是CaMoO4: Tb3+OSiO2-APTS。所说被识别分子为TNT。所说 的CaMoO4:Tb3+OSiO2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CaMoO4 Tb3+OSiO2-APTS表面残基氨丙基能够与TNT形成复合物与发光体CaMoO4 Tb3+ 之间能够实现荧光共振能量转移。相对于现有技术的有益效果近年来，以稀土发光材料为研究对象吸引了大批研究者的兴趣。2008年Wei Gao 等人公开了发明专禾Ij (US20080035946A1) "Rare earth element-doped silicon oxide film electroluminescence device. ”的制备方法。该发明提供了形成稀土元 素掺杂氧化硅薄膜的硅纳米晶颗粒的制备方法。它采用了下述步骤提供硅为第一个 目标物，嵌入第一个稀土元素；提供硅为第二个目标物，共溅射第一第二目标物，形成 掺杂第一稀土元素的SRSO薄膜基质。2008年Masahiro Takata等人公开了发明专利 (US20080123698A1) “Tb-doped luminescent compound, luminescent composition and luminescent body containing the same, light emitting device and solid-state laser device. ”该发明主要阐述了掺杂Tb发光复合物包括Tb和除了 Tb至少两种金属 元素，通过激发光发射。在Tb掺杂的荧光复合物中，Tb的浓度是物质的量浓度分数超过 3. 75%到20. 625%之间，包括Tb在内的所有金属总的物质的量。2009年廖金生等人公开 了发明专利(CN200910114933.2) “球形铽掺杂的钨酸盐绿色荧光粉及其制备方法”。它采
6用了下述步骤(1)配制硝酸铽溶液；(2)柠檬酸作为晶核剂和络合剂。2009年王龙成公开 了发明专利(CN200910098779.4) “一种掺铽氧化钇绿色发光粉末的制备方法”。它采用了 下述步骤将不同摩尔比的硝酸钇和硝酸铽溶于去离子水中，加入氢氧化纳溶液，充分搅拌 后，放入水热釜中，填充度为80% 90%，在150°C 250°C温度范围保温8h 24h，最后将 得到的样品离心并干燥后，在氮气保护下，400°C 800°C热处理2h 4h，获得一种掺铽氧 化钇绿色荧光粉末材料。但是这些文献报道仅仅是采用不同的方法制备出了绿色荧光粉末，所制得的荧光 材料的表面没有进行表面修饰，没有携带专识性的基团，选择性差，未见基于荧光共振能量 转移原理去检测目标分析物的报道，更未涉及到利用表面修饰氨丙基对TNT检测报道。因 此，合成高选择性和高灵敏的绿色荧光探针CaMoO4:Tb3+OSiO2-APTS的制备方法，实现对超 痕量TNT分子识别和检测有其必要性。本发明首先是一步合成法合成具有荧光的CaM0O4 = Tb3+OSiO2 用电子天平分别准 确称量0.0825g CaCO3,0. 0081g Tb4O7置于IOOmL单颈磨口烧瓶中，接着加入2mL硝酸，再 加入适量去离子水调节溶液PH值在2 3之间，将准确称量的0. 1532g钼酸铵，0. 3646g柠 檬酸，0. 5205g聚乙二醇加入上述溶液中，在500rpm下搅拌lh。之后将7. 43mL的无水乙醇 置于上述烧瓶中，迅速地加入300 μ L的TEOS到乙醇溶液中，在500rpm下搅拌3min，然后把 991. 6 μ L的氨水加入到上述反应溶液中，并迅速强烈的以750rpm搅拌3min后，搅拌转速降 至500rpm，在室温下反应24h。之后将反应后溶液放在70°C水浴锅上蒸干后在烘箱中烘干 12h，烘干后的微球在程序控温炉中以1°C /min的速度升温至900°C并在该温度下持续煅烧 2h，最终得到CaMoO4 = Tb3+OSiO2荧光材料。其次，是表面修饰了氨丙基的CaMoO4 = Tb3+OSiO2的制备=CaMoO4:Tb3+OSiO2粒子作 为荧光材料，APTS作为选择性识别功能单体。首先将0. 0064g的CaMoO4:Tb3+OSiO2粒子和 450 μ LAPTS加入到IOmL无水乙醇中，超声分散5min，用磁力搅拌器在50°C的N2氛围下搅 拌2h，放入振荡器中振荡20h。使得氨丙基共价偶联到CaMoO4:Tb3+OSiO2表面。将上述所得的表面修饰了氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2荧光粒子，用无水乙醇清洗 三次去除吸附在表面CaMO04:Tb3+@Si02多余的APTS，然后用去离子水清洗三次，得到表面富 含氨基对TNT具有高选择性、高灵敏和痕量检测CaMoO4:Tb3+@Si02-APTS的荧光探针。综上所述，表面修饰氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2，尤其是在CaMoO4 = Tb3+上包覆了一 层SiO2,既增大荧光探针的比表面积，又增加了分子识别位点，提高了选择性、识别性和敏 感性。其二 表面修饰了氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2荧光粒子，能够对TNT分子选择性 识别。当加入一定量的TNT目标分子后，CaMoO4:Tb3+OSiO2 二氧化硅表面的富电子氨丙 基能够与缺电子TNT通过酸碱离子对作用形成暗红色的复合物，此暗红色复合物正好吸 收CaMoO4 = Tb3+的所发射绿光，通过荧光强度下降，实现对TNT检测。合成表面富含氨丙 基的CaMoO4:Tb3+OSiO2荧光粒子，同时也可以选择性用来检测其他芳香硝基爆炸物分子， 如 2，4，6-三硝基苯酚(2,4,6-Trinitrophenol, Picric acid, PA)、2，4-二硝基甲苯(2， 4-dinitrotoluene，DNT)和硝基苯(Nitrobenzene，NB)。可见，本发明所提供的方法是通用 的，实用范围比较广泛。其三与传统的稀土荧光材料相比较，表面修饰氨丙基的CaMoO4: Tb3+OSiO2的荧光探针具有较大的比表面积，拥有识别位点，提高对目标分子选择性识别，利用荧光共振能量 转移原理，提高了对目标分析物的高敏感的检测。其四本发明所提供的方法中，CaMoO4:Tb3+OSiO2粒径和厚度可控，可以通过调节 包覆次数和包覆SiO2厚度来加以控制。其五选择CaMoO4 = Tb3+荧光体的包覆SiOjn其表面再修饰APTS的目的，因为其具 有以下优点=(I)CaMoO4 = Tb3+荧光寿命长；(2)容易合成二氧化硅溶胶，较大的比表面积，相 对较低成本；(3)在反应过程中具有化学和热的稳定性不与有机溶剂反应；(4)表面容易嫁 接有机官能团；(5)对环境无害。(6)通过CaMoO4:Tb3+@Si02-APTS与TNT之间形成暗红色 复合物，这种复合物与CaMoO4 = Tb3+绿色荧光之间在空间接近时发生了荧光共振能量转移， 通过荧光强度的减弱，实现对目标分析物TNT的检测。


图1是本发明所采用的CaMoO4: Tb3+OSiO2-APTS合成表面富含氨基的示意图。图2是本发明所采用的CaMoO4 = Tb3+无水乙醇溶液归一化紫外-可见吸收光谱和 荧光发射光谱图。插图表示的是CaMoO4 = Tb3+水溶液在254nm紫外灯照射下的光学性质。图3是本发明所采用的CaMoO4 Tb3+粉末的XRD谱图。图4是本发明所采用的表面富含氨丙基的CaMoO4: Tb3+OSiO2-APTS荧光探针与TNT 目标分子形之间通过荧光共振能量转移原理实现对TNT高选择性、高灵敏检测示意图。图5是本发明所采用的CaMoO4: Tb3+OSiO2扫描电子显微镜图。图6是本发明所采用的表面修饰了氨丙基的CaMoO4 = Tb3+OSiO2对PA、TNT、DNT、NB 四种芳香硝基爆炸物检测限的荧光强度变化图。图7是本发明所采用的表面修饰了氨丙基的CaMoO4Tb3+OSiO2对不同浓度PA、 TNT、DNT、NB荧光光谱变化图及其所对应荧光猝灭常数图。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的CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光探针合成示意 图。在图1中第一步是发光粉CaMO04:Tb3+@Si02的制备用电子天平分别准确称量CaCO3, Tb4O7置于单颈磨口烧瓶中，接着加入硝酸，再加入适量去离子水调节溶液PH值，将准确称 量的钼酸铵，柠檬酸和聚乙二醇加入上述溶液中，搅拌lh。然后将无水乙醇置于上述烧瓶 中，迅速地加入TEOS到乙醇溶液中，搅拌3min，然后再将氨水加入到上述反应溶液中，在室 温下搅拌反应24h。将反应后溶液放在水浴锅上蒸干后在烘箱中烘干，烘干后的微球在程序 控温炉中升温至900°C并在该温度下持续煅烧，最终得到CaMoO4:Tb3+OSiO2发光粉。第二步 是CaMoO4 = Tb3+OSiO2粒子表面修饰APTS = CaMoO4: Tb3+OSiO2粒子作为荧光剂，APTS作为功能 单体。首先将CaMoO4:Tb3+OSiO2粉末和APTS加入到无水乙醇中，超声分散，在N2氛围下搅 拌，放入恒温振荡器中振荡20h。将上述所得的修饰了氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2,用无水乙醇清洗三次去除吸附 在表面CaMoO4 = Tb3+OSiO2多余的APTS，最终得到了表面富含氨基的CaMoO4:Tb3+OSiO2-APTS, 对TNT可以高选择性、高灵敏和痕量检测。图2是本发明所采用的CaMoO4 = Tb3+无水乙醇溶液归一化紫外-可见吸收光谱 和荧光发射光谱图。插图表示的是CaMoO4 = Tb3+水溶液在254nm紫外灯照射下的光学性质。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粉末的稳态荧光最大发射波长546nm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 CaMoO4: Tb3+OSiO2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CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光强度的下降，实现对TNT分子识别。图3本发明所采用的CaMoO4 Tb3+粉末的XRD谱图。给出了 900 V煅烧后的 CaMoO4: Tb3+粉末，CaMoO4的标准卡片(851267)以及Tb4O7的标准卡片(231418)的XRD谱。 通过与三者XRD谱比较可以看出，在2 θ约为28. 74处，三者的峰基本重合，可以推断出Tb3+ 成功掺杂到CaMoO4中。图4是本发明所采用的表面富含氨丙基的CaMoO4: Tb3+OSiO2-APTS荧光探针与TNT 目标分子形之间通过荧光共振能量转移原理实现对TNT高选择性、高灵敏检测示意图。在 TNT目标分子存在的条件下，CaMoO4 = Tb3+荧光探针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 的CaMoO4: Tb3+OSiO2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CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光强度的改变，从而使荧光淬灭，实现对TNT分子识别。图5是本发明所采用的CaMoO4:Tb3+OSiO2扫描电子显微镜图。本实验中采用溶胶 凝胶法结合一步原位合成法合成CaMoO4: Tb3+OSiO2,是在900°C煅烧下得到的，通过SEM图可 以看到核_壳结构的CaMoO4:Tb3+OSiO2粒子呈晶型结构，表面致密均勻。图6是本发明所采用的表面修饰了氨丙基的CaMoO4 = Tb3+OSiO2对PA、TNT、DNT、 NB四种芳香硝基爆炸物检测限的荧光强度变化图。CaMoO4:Tb3+@Si02-APTS产物随不同浓 度PA、TNT、DNT、NB加入量的荧光发射光谱变化曲线，可以看出随着四种芳香硝基爆炸物浓 度的不断增加，CaMoO4:Tb3+OSiO2-APTS的荧光强度明显减弱，表明CaMoO4:Tb3+OSiO2表面修 饰了功能基团与目标分析物之间形成酸碱离子对作用。这说明芳香硝基化合物对制备的 CaMoO4: Tb3+OSiO2-APTS荧光探针具有荧光猝灭作用，且检测灵敏度达到IX 10_9mol · Λ成 功实现了对芳香硝基化合物的超痕量定性检测。图7是本发明所采用的表面修饰了氨丙基的CaMoO4Tb3+OSiO2对不同浓度ΡΑ、 TNT、DNT、NB荧光光谱变化图及其所对应的荧光猝灭常数图。可以看到随着目标分析物 (PA、TNT、DNT和NB)浓度的不断增加，CaMoO4:Tb3+OSiO2-APTS的荧光强度逐渐减弱。使用 Stern-Volme方程探讨荧光猝灭效率，以苦味酸(PA)为例，它的Stern-Volme方程为(I。/ I)-l = Ksv[PA], Ip I分别为没有目标分析物和存在目标分析物的稳态荧光强度，Ksv为 PA的猝灭常数。根据Stern-Volme方程求出PA、TNT、DNT和NB的猝灭常数分别为26651， 23010，16885 和 12208，可以得到 Ksv[PA] > Ksv[TNT] > Ksv[DNT] > Ksv[NB]。这种淬灭 常数主要依赖于目标分子的溶液浓度，氨基对目标分子的亲和力和荧光淬灭机理。可见， CaMoO4:Tb3+iSi02-APTS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，与荧光粉末分子空间接近时，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。苦味酸的淬灭常数比TNT大，是因 为苦味酸的酸性比TNT强的多，而不是与氨丙基之间形成复合物所致，更不是基于荧光共 振能量转移机理。
具体实施例方式一种对痕量TNT检测的CaMoO4 = Tb3+荧光探针的化学制备方法， 包括用二氧化硅薄膜包覆CaMoO4 = Tb3+荧光探针，并在包覆后的产物表面修饰上氨丙基，其 特征在于所述CaMO04:Tb3+@Si02的荧光粒子表面拥有氨丙基，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 CaMoO4: Tb3+OSiO2的荧光，利用荧光强度的改变，实现对痕量TNT检测，本发明的制备过程包 括如下两个步骤第一步是发光粉CaMoO4: Tb3+OSiO2的制备用电子天平分别准确称量0. 0820g 0. 0830g CaC03，0. 0076g 0. 0086g Tb4O7置于IOOmL单颈磨口烧瓶中，接着加入ImL 3mL硝酸，再加入适量去离子水调节溶液pH值在2 3之间，再将准确称量的0. 1522g 0. 1542g钼酸铵，0. 3636g 0. 3656g柠檬酸，0. 5150g 0. 5350g聚乙二醇加入上述溶液 中，在450rpm 550rpm下搅拌Ih 2h。然后将6. 43mL 8. 43mL的无水乙醇置于上述烧 瓶中，迅速地加入200 μ L 400 μ L的TEOS到乙醇溶液中，在450rpm 550rpm下搅拌2 4min,然后把800 μ L 1000 μ L的氨水加入到上述反应溶液中，并迅速强烈地以700rpm 800rpm搅拌3min后，搅拌转速降至450rpm 550rpm，在室温下反应18h 24h。然后再 将反应后溶液放在60°C 80°C水浴锅上蒸干后在烘箱中烘干Ilh 13h小时，烘干后的微 球在程序控温炉中以1°C /min的速度升温至800°C 1000°C并在该温度下持续煅烧Ih 3h，最终得到CaMoO4 = Tb3+OSiO2荧光粒子；第二步是CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光粒子表面修饰3_氨丙基三乙氧基硅烷 (3-aminopropyltriethoxysilane, APTS) =CaMoO4:Tb3+OSiO2 荧光粒子作为荧光探针，在其 表面修饰上APTS作为选择性识别功能单体。首先将0. 0064g的CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光粒子 和350 μ L 550 μ LAPTS加入到5mL 15mL无水乙醇中，超声分散4min 6min，用磁力搅 拌器在40°C 60°C的N2氛围下搅拌Ih 2h，放入恒温振荡器中振荡18h 22h。将上述所得的表面修饰了氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2荧光粒子，用无水乙醇清洗 三次去除吸附在表面CaMO04:Tb3+@Si02多余的APTS，然后用去离子水清洗三次，得到表面富 含氨基对TNT具有高选择性、高灵敏性和痕量探测CaMoO4: Tb3+OSiO2-APTS的荧光探针。表面修饰氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2中加入目标分子，能够改变其识别性能。如加 入TNT分子，CaMoO4:Tb3+OSiO2-APTS表面的氨基与TNT形成复合物，吸收CaMoO4 = Tb3+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，利用制得的CaMoO4:Tb3+OSiO2作为支撑体，采用两步 反应可得到表面富含氨丙基的CaMoO4:Tb3+@Si02-APTS荧光探针。第一步是发光粉CaMoO4:Tb3+OSiO2的制备用电子天平分别准确称量0. 0825g CaCO3,0. 0081g Tb4O7置于IOOmL单颈磨口烧瓶中，接着加入2mL硝酸，再加入适量去离子水 调节溶液PH值在2 3之间，再将准确称量的0. 1532g钼酸铵，0. 3646g柠檬酸，0. 5205g 聚乙二醇加入上述溶液中，在500rpm下搅拌lh。然后将7. 43mL的无水乙醇置于上述烧瓶 中，迅速地加入300 μ L的TEOS到乙醇溶液中，在500rpm下搅拌3min，然后把991. 6 μ L的氨水加入到上述反应溶液中，并迅速强烈地以750rpm搅拌3min后，搅拌转速降至500rpm， 在室温下反应24h。然后再将反应后溶液放在70°C水浴锅上蒸干后在烘箱中烘干12h小时， 烘干后的微球在程序控温炉中以1°C /min的速度升温至900°C并在该温度下持续煅烧2h， 最终得到CaMoO4 = Tb3+OSiO2荧光粒子第二步是CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光粒子表面修饰3_氨丙基三乙氧基硅烷 (3-aminopropyltriethoxysilane, APTS) =CaMoO4:Tb3+OSiO2 荧光粒子作为荧光探针，在其 表面修饰上APTS作为选择性识别功能单体。首先将0. 0064g的CaMoO4: Tb3+OSiO2荧光粒子 和450 μ L APTS加入到IOmL无水乙醇中，超声分散5min，用磁力搅拌器在50°C的N2氛围 下搅拌2h，放入恒温振荡器中振荡20h。将上述所得的表面修饰了氨丙基的CaMoO4:Tb3+OSiO2荧光粒子，用无水乙醇清洗 三次去除吸附在表面CaMO04:Tb3+@Si02多余的APTS，然后用去离子水清洗三次，得到表面富 含氨基对TNT具有高选择性、高灵敏和痕量检测CaMoO4:Tb3+@Si02-APTS的荧光探针。
1权利要求
一种对痕量TNT检测的CaMoO4:Tb3+荧光探针的化学制备方法，包括用二氧化硅薄膜包覆CaMoO4:Tb3+荧光探针，并在包覆后的产物表面修饰上氨丙基，其特征在于所述CaMoO4:Tb3+@SiO2的荧光粒子表面拥有氨丙基，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CaMoO4:Tb3+@SiO2的荧光，利用荧光强度的改变，实现对痕量TNT检测，本发明的制备过程包括如下两个步骤1.1第一步是发光粉CaMoO4:Tb3+@SiO2的制备用电子天平分别准确称量0.0820g～0.0830g CaCO3，0.0076g～0.0086g Tb4O7置于100mL单颈磨口烧瓶中，接着加入1mL～3mL硝酸，再加入适量去离子水调节溶液pH值在2～3之间，再将准确称量的0.1522g～0.1542g钼酸铵，0.3636g～0.3656g柠檬酸，0.5150g～0.5350g聚乙二醇加入上述溶液中，在450rpm～550rpm下搅拌1h～2h。然后将6.43mL～8.43mL的无水乙醇置于上述烧瓶中，迅速地加入200μL～400μL的TEOS到乙醇溶液中，在450rpm～550rpm下搅拌2～4min，然后把800μL～1000μL的氨水加入到上述反应溶液中，并迅速强烈地以700rpm～800rpm搅拌3min后，搅拌转速降至450rpm～550rpm，在室温下反应18h～24h。然后再将反应后溶液放在60℃～80℃水浴锅上蒸干后在烘箱中烘干11h～13h小时，烘干后的微球在程序控温炉中以1℃/min的速度升温至800℃～1000℃并在该温度下持续煅烧1h～3h，最终得到CaMoO4:Tb3+@SiO2荧光粒子；1.2第二步是CaMoO4:Tb3+@SiO2荧光粒子表面修饰3 氨丙基三乙氧基硅烷(3 aminopropyltriethoxysilane，APTS)CaMoO4:Tb3+@SiO2荧光粒子作为荧光探针，在其表面修饰上APTS作为选择性识别功能单体。首先将0.0064g的CaMoO4:Tb3+@SiO2荧光粒子和350μL～550μLAPTS加入到5mL～15mL无水乙醇中，超声分散4min～6min，用磁力搅拌器在40℃～60℃的N2氛围下搅拌1h～2h，放入恒温振荡器中振荡18h～22h。将上述所得的表面修饰了氨丙基的CaMoO4:Tb3+@SiO2荧光粒子，用无水乙醇清洗三次去除吸附在表面CaMoO4:Tb3+@SiO2多余的APTS，然后用去离子水清洗三次，得到表面富含氨基对TNT具有高选择性、高灵敏性和痕量探测CaMoO4:Tb3+@SiO2 APTS的荧光探针。
2.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的CaMoO4= Tb3+荧光探针的化学制备方 法，其特征是所说荧光探针是CaMo04:Tb3+。
3.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的CaMoO4= Tb3+荧光探针的化学制备方 法，其特征是所说的荧光探针包覆壳层是二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的CaMoO4= Tb3+荧光探针的化学制备方 法，其特征是其粒径和厚度可控，可以通过调节包覆SiO2次数和包覆SiO2量来加以控制。
5.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的CaMoO4= Tb3+荧光探针的化学制备方 法，其特征是所说CaMoO4:Tb3+OSiO2表面经修饰使其表面富含氨丙基。
6.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的CaMoO4= Tb3+荧光探针的化学制备方 法，其特征是所说硅烷化试剂是3-氨丙基三乙氧基硅烷。
7.根据权利要求1所述的一种对痕量TNT检测的CaMoO4= Tb3+荧光探针的化学制备方 法，其特征是所说CaM0O4 = Tb3+OSiO2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所述的一种对痕量TNT检测的CaMoO4Tb3+荧光探针的化学制备方法， 其特征是所说CaMoO4 = Tb3+荧光探针是基于荧光共振能量转移原理实现对TNT痕量探测。
全文摘要
一种对痕量TNT检测的CaMoO4:Tb3+荧光探针的化学制备方法，包括用二氧化硅薄膜包覆CaMoO4:Tb3+荧光粉末，并在包覆后的CaMoO4:Tb3+荧光粉末表面修饰上氨丙基，使其表面带特定的官能团。本发明的制备过程包括如下两个步骤首先是用溶胶-凝胶法结合一步原位合成法合成CaMoO4:Tb3+@SiO2荧光探针，然后，以氨水为催化剂水解和缩合APTS至荧光粒子表面，使其带有氨丙基。从而制备对TNT有选择性识别作用的CaMoO4:Tb3+@SiO2-APTS荧光探针，其比表面积较大，形成高密度识别位点、选择性好、敏感性好、形成带有分子识别性能荧光探针。
文档编号G01N21/64GK101957319SQ201010237010
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者司靖宇, 孙虹, 张凌云, 朱德春, 浦国佳, 管航敏, 陈红, 高大明 申请人:合肥学院