一种中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球、制备方法及其应用

本发明属于光学传感材料制备及食品安全检测，具体涉及一种中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球、制备方法及其应用。

背景技术：

1、经过近几年的不断研究，分子印迹技术已经发展为可用于制备特异性吸附材料的成熟方法，通过该方法所得到的分子印迹聚合物(molecular imprinting polymers,mips)能够特异性识别目标分子，并且可以在复杂的样品基质中实现对目标分子的准确捕获，因此，mips被广泛应用于荧光传感领域，以解决荧光材料特异性缺乏的问题。但是，传统的荧光分子印迹聚合物在制备的过程中，需要考虑荧光材料和分子印迹聚合物合成体系的兼容性，并且层层的包覆不仅使得步骤繁琐，还容易导致荧光材料的性能减弱。

2、光学编码微球可以通过将不同的荧光元素嵌入到编码基体中获得，具有操作简单、快速读取和低成本等优点。针对传统分子印迹荧光传感材料在制备上的问题，将分子印迹聚合物和光学编码概念结合能够很好的解决，即将分子印迹聚合物作为编码基体，荧光材料作为编码元素，通过两者之间的相互作用使荧光材料进入基体中，赋予分子印迹聚合物荧光性能。

3、但是光学编码微球的发展，受限于实心分子印迹聚合物的高度交联性，印迹位点包埋深，编码时间长，而且当用于食品检测时，由于传质阻力大，传质速率慢，导致检测时间较长。

4、为了降低传质阻力并提供更容易接近目标分子的途径，目前已经提出了许多策略，如中空分子印迹聚合物、表面分子印迹、介孔分子印迹聚合物等，在具有良好形貌的分子印迹聚合物中，具有中空结构的分子印迹聚合物(hmips)因其优异的性能(密度低、比表面积大、吸附容量大和传质速率快)而受到越来越多的关注；表面印迹的过程是以核层颗粒为支撑材料，分子印迹聚合物在其表面进行聚合，印迹位点只存在于壳层中，这对于目标物的洗脱和重新吸附非常有利，但是由于引入的核层颗粒不具有特异性识别位点，反而会占据分子印迹聚合物的质量，会降低单位质量分子印迹聚合物的结合容量。所以，将内层的支撑材料去除，制备中空分子印迹聚合物，即仅仅保留印迹壳层，聚合物的单位质量的结合容量将会大大提高，同时，金属有机框架材料zif-8具有热稳定好、比表面积大、孔道结构独特和易于合成等特点，并且在酸性条件下解体，是一种理想的支撑材料。

5、全无机钙钛矿量子点cspbx3(x＝cl、br、i)作为新型的荧光材料，因具有较高的光致发光量子产率(plqy＞90％)、较窄的半峰宽、发射波长可调节等优点，已经引起广泛的关注，并在许多领域显示出巨大的潜力，如太阳能电池、光电探测器和发光二极管。但是全无机钙钛矿量子点在高温、高湿度、氧气或者强光照射的环境中，便会加快分解速率，尤其是暴露在水中，更是表现出很强的不稳定性。因此，结合中空分子印迹聚合物的特异性识别和全无机钙钛矿量子点优异的光学特性制备荧光编码微球，既提高了荧光编码微球的特异识别能力和荧光强度，又提高了钙钛矿量子点的稳定性。

6、苏丹红ⅰ是一种亲酯性偶氮染料，通常被用作机油、蜡、纺织品和油彩等产品的着色剂。食品标准局和欧盟规定，苏丹红ⅰ、ⅱ、ⅲ和ⅳ已经被确定为是潜在的致癌物和诱变剂，并且已经被国际癌症研究机构(iarc)列为ⅲ类致癌物。目前对于苏丹红的定量分析多采用色谱分析方法，虽然准确度高、灵敏性强，但是通常设备体积大、操作需要专业技术人员、检测时间长，尤其是针对突发事件无法满足实时检测的需求。因此，在保证准确度和灵敏性的基础上，开发新型的快速检测方法，缩短检测流程和时间具有研究的必然性。

技术实现思路

1、为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球、制备方法及其应用。

2、本发明所提供的一种中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球，是通过如下的方法制备获得的：将全无机钙钛矿量子点加入到有机溶剂中，然后加入中空分子印迹聚合物，分散均匀，使量子点和中空分子印迹聚合物结合完成编码，洗涤至上清液中无荧光，干燥，即得到中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球。

3、本发明中，采用中空分子印迹聚合物替代传统的分子印迹聚合物与全无机钙钛矿量子点进行结合，避免了因传统分子印迹聚合物的高交联度造成的印迹位点包埋深，影响荧光材料释放速率等问题，加快了荧光材料和分子印迹聚合物(mips)之间的传质速率，进而缩短了编码时间。

4、此外，本发明中所提供的中空mips不仅具有较大的比表面积，而且具有稳定的骨架结构，因而当钙钛矿量子点填充在其内部的中空位置时，二者相互作用的同时也提高了钙钛矿量子点在环境中的稳定性。

5、进一步的，本发明所提供的中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球的制备方法，包括如下的步骤：

6、(1)制备金属有机框架材料；

7、(2)制备中空分子印迹聚合物；

8、(3)制备中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球：将全无机钙钛矿量子点加入到有机溶剂中，加入(2)中制备的中空分子印迹聚合物，分散均匀，使量子点和中空分子印迹聚合物结合完成编码，洗涤至上清液中无荧光，23～26℃条件下避光干燥，得到中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球。

9、在上述步骤中，所述的全无机钙钛矿量子点为cspbbr3量子点、cspbcl1.5br1.5量子点、cspbi2br量子点中的任一种。

10、所述的有机溶剂选自碳原子数目为5～8的直链饱和烷烃中的任一种。

11、优选的，所述的有机溶剂为正己烷。

12、上述的步骤中，所述的金属有机框架材料为zif-8。

13、上述的步骤(1)中，所述金属有机框架材料的制备方法为：将硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶于甲醇中，超声使二者溶解，将2-甲基咪唑的甲醇溶液缓慢加入到硝酸锌的甲醇溶液中，避光搅拌，将得到的悬浮液离心，甲醇洗涤，真空干燥至恒温，得到金属有机框架材料zif-8。

14、优选的，步骤(1)中，所述的硝酸锌与2-甲基咪唑的物质的量之比为1：4。

15、优选的，步骤(1)中，于1,000rpm的转速下避光搅拌24h。

16、上述的步骤(2)中，所述的中空分子印迹聚合物的制备方法如下：

17、将(1)中获得的金属有机框架材料加入到致孔剂乙腈中，分散，加入模板分子、功能单体甲基丙烯酸、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯和二乙烯基苯、引发剂偶氮二异丁腈，混匀，通入氮气除氧，密封加热，反应制备出聚合物；用甲醇和乙酸的混合溶液对制备的聚合物进行洗脱，去除模板分子并溶解掉金属有机框架材料，再用甲醇洗涤至中性，干燥，得到中空分子印迹聚合物。

18、本发明中采用甲醇这一极性较强的有机溶剂对反应获得的聚合物进行洗脱，不仅能够很好地清洗聚合物，而且还能洗去聚合物中残留的乙酸。

19、优选的，步骤(2)中所述的模板分子为苏丹红ⅰ、苏丹红ⅱ、苏丹红ⅲ、苏丹红ⅳ中的任一种。

20、优选的，步骤(2)中所述的模板分子为苏丹红ⅰ。

21、优选的，步骤(2)中所述的模板分子：功能单体：交联剂的物质的量比为1：4：20。

22、优选的，步骤(2)中所述的交联剂中，乙二醇二甲基丙烯酸酯与二乙烯基苯的比为1：1。

23、优选的，步骤(2)中所述的甲醇和乙酸的混合溶液中，甲醇与乙酸的体积比为8～9：2～1。

24、优选的，步骤(2)中所述的甲醇和乙酸的混合溶液中，甲醇与乙酸的体积比为8：2。

25、优选的，步骤(2)中采用超声振荡的方式将各原料混匀。

26、优选的，步骤(2)中于50～65℃下水浴加热20～30h。

27、优选的，步骤(2)中利用索式提取装置，采用甲醇和乙酸的混合溶液对聚合物进行洗脱。

28、优选的，步骤(2)中所述的干燥，条件为50～65℃下干燥20～30h。

29、更具体的，上述的步骤(2)中，所述的中空分子印迹聚合物的制备方法为：将(1)中获得的金属有机框架材料加入致孔剂乙腈中，超声使其在乙腈中分散，加入模板分子、功能单体甲基丙烯酸、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯和二乙烯基苯、引发剂偶氮二异丁腈；超声混匀，通入氮气除氧，密封后置于50～65℃水浴搅拌20～30h；利用索式提取装置，用甲醇和乙酸的混合溶液对聚合物进行洗脱，去除模板分子并溶解掉金属有机框架材料，再用甲醇洗涤至中性，在50～65℃条件下干燥20～30h，得到中空分子印迹聚合物。

30、本发明在中空分子印迹聚合物的制备过程中，巧妙地利用了zif-8这一金属有机框架材料在酸性条件下的不稳定性，在采用甲醇-乙酸混合溶液进行模板洗脱时同时去除zif-8核心，提高了中空分子印迹聚合物的均匀性以及聚合物整体的稳定性，避免了直接将中空的金属有机框架材料与模板分子直接填充可能造成的聚合物均匀性、稳定性差等问题，此外，本发明中采用的溶解方式较为温和，避免了在传统中空分子印迹聚合物制备过程中，强酸、强碱使用或者煅烧的加工方式对分子印迹层的破坏。

31、上述的步骤(3)中，全无机钙钛矿量子点与中空分子印迹聚合物的质量比为1：10。

32、进一步的，本发明提供的中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球的制备方法，包括以下的步骤：

33、(1)制备金属有机框架材料：将硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶于甲醇中，硝酸锌与2-甲基咪唑的物质的量之比为1：4，超声使二者溶解，将2-甲基咪唑的甲醇溶液缓慢加入到硝酸锌的甲醇溶液中，于1,000rpm的转速下避光搅拌24h，将得到的悬浮液离心，甲醇洗涤，真空干燥至恒温，得到金属有机框架zif-8；

34、(2)制备中空分子印迹聚合物：将(1)中获得的金属有机框架材料加入致孔剂乙腈中，超声使其在乙腈中分散，加入模板分子、功能单体甲基丙烯酸、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯和二乙烯基苯、引发剂偶氮二异丁腈，其中，模板分子：功能单体：交联剂的物质的量比为1：4：20；交联剂中，乙二醇二甲基丙烯酸酯与二乙烯基苯的比为1：1，超声混匀，通入氮气除氧，密封后置于50～65℃水浴搅拌20～30h，获得聚合物；利用索式提取装置，用甲醇和乙酸的混合溶液对聚合物进行洗脱，甲醇与乙酸的体积比为8～9：2～1，去除模板分子并溶解掉金属有机框架材料，再用甲醇洗涤至中性，在50～65℃条件下干燥20～30h，得到模板分子对应的中空分子印迹聚合物；

35、(3)制备中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球：将全无机钙钛矿量子点加入到有机溶剂中，加入中空分子印迹聚合物分散均匀，全无机钙钛矿量子点与中空分子印迹聚合物的质量比为1：10，将量子点和中空分子印迹聚合物混合完成编码，洗涤至上清液中无荧光，25℃条件下避光干燥，得到模板分子对应的中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球。

36、此外，一种中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球在检测食品中苏丹红ⅰ含量中的应用也是本发明所要重点保护的范围。

37、优选的，所述的食品为辣椒粉、辣椒油、番茄酱、鸡蛋、鸭蛋中的任一种。

38、本发明中以中空分子印迹聚合物为编码基体，以三种不同颜色的cspbx3量子点作为荧光信号，结合荧光编码技术，制备出特异性识别苏丹红ⅰ的cspbx3分子印迹荧光编码微球，该微球不仅对苏丹红ⅰ具有很强的识别功能，同时具有cspbx3的优异荧光性能。

39、此外，本发明中以苏丹红i为模板分子时，其与金属有机框架材料zif-8结合形成的聚合物经甲醇-乙酸混合溶液溶解后获得的中空分子印迹聚合物，解决了目前针对苏丹红ⅰ检测过程存在的需要大型仪器和专业技术人员、检测时间长的问题，特别是，通过构建中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码体系，建立了适用于苏丹红ⅰ的荧光快速定量的分析方法，开发了适用于不同基质中苏丹红ⅰ的快速检测方法，在对苏丹红ⅰ的实际检测过程中，检测时间缩短至10min，相对于实心的分子印迹钙钛矿量子点荧光编码体系的检测效率提高了66.7％。

40、更进一步的，本发明提供的一种中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球的制备方法，具体如下：

41、(1)将0.7344g硝酸锌和0.8106g2-甲基咪唑分别溶解在50ml甲醇中，超声使二者溶解，将2-甲基咪唑的甲醇溶液缓慢加入到硝酸锌的甲醇溶液中，在室温下避光搅拌24h，将得到的悬浮液以8,000rpm离心5min得到沉淀，用甲醇洗涤沉淀3次，在40℃的真空干燥箱中干燥8h，得到金属有机框架材料zif-8；

42、(2)将100mg zif-8加入到含有20ml乙腈的50ml的圆底烧瓶中，超声10min使zif-8在乙腈中完全分散，加入0.1mmol模板分子苏丹红ⅰ，超声使其溶解，继续将0.4mmol功能单体甲基丙烯酸、1mmol交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯、1mmol交联剂二乙烯基苯和20mg引发剂偶氮二异丁腈加入到圆底烧瓶中，超声5min，通入氮气15min除氧，并在氮气的保护下密封，60℃水浴聚合反应，得到具有核壳结构的聚合物(mips@zif-8)；将得到的聚合物用乙腈进行洗涤，抽滤，放入60℃烘箱中干燥24h，接着用体积比为8：2的甲醇与乙酸混合溶液在索式提取装置中洗脱，去除模板分子苏丹红ⅰ的同时，破坏支撑材料zif-8，最后用甲醇洗涤吸附性聚合物至中性，放入60℃的烘箱中干燥24h，得到苏丹红ⅰ中空分子印迹聚合物(hmips)；

43、(3)选用三种不同颜色的全无机钙钛矿量子点溶液作为荧光元素，以hmips为编码基体，进行编码，制备荧光编码微球。

44、将1ml的正己烷和100μl浓度为10mg ml-1的cspbx3量子点溶液加入到2ml的离心管中，超声混合，接着向体系中加入10mg的hmips，超声使其分散均匀后，在振荡器上避光震荡5min，随后10,000rpm离心10min，去除上清液，并用正己烷洗涤沉淀3次，直至上清液中未检测到钙钛矿量子点的荧光信号，然后置于25℃条件下避光干燥至恒重，即可得到三种不同颜色的hmips-cspbx3微球：hmips-cspbcl1.5br1.5、hmips-cspbbr3以及hmips-cspbi2br微球。

45、本发明的有益效果在于：

46、(1)本发明将高吸附量、快传质速率、低密度的中空分子印迹聚合物与具有优异荧光性能的钙钛矿量子点相结合，制备出了一种中空分子印迹钙钛矿量子点荧光编码微球，不仅增大了传统材料的比表面积，而且还增加了编码基体和量子点之间的传质速率，缩短了编码时间，使得该微球具有选择性高、吸附速率快、高荧光量子产率等优点。

47、(2)本发明简化了中空分子印迹聚合物的制备过程，巧妙地利用zif-8在酸性条件下的不稳定性，在采用甲醇-乙酸混合溶液进行模板洗脱时同时去除zif-8核心，避免了在传统中空分子印迹聚合物制备过程中，强酸、强碱使用或者煅烧的加工方式对分子印迹层的破坏，同时采用先将zif-8作为载体进行表面印迹再将zif-8与模板分子除去的方法，进一步提高了中空分子印迹聚合物的均匀性与稳定性。

48、(3)本发明所构建的中空分子印迹荧光编码传感体系，不仅检测时间短，而且前处理流程简单，并且实现了对辣椒粉、辣椒油、番茄酱、鸡蛋和鸭蛋中的苏丹红ⅰ的快速识别和定量分析。

49、(4)现有技术相比，本发明首次以zif-8作为核心，制备中空分子印迹聚合物，并且首次将中空分子印迹聚合物与钙钛矿量子点结合，用于编码微球的构建，所建立的检测方法在食品安全快速检测领域方面具有重要的实际意义。