毕业论文-纳米金修饰的还原氧化石墨烯-磷光量子点 复合材料对三聚氰胺的分析应用

1、 纳米金修饰还原氧化石墨烯-磷光量子点复合材料对三聚氰胺的分析应用Gold Nanoparticles Modified Reduced Graphene Oxide - Phosphorescence Quantum dots Composites for Melamine Analysis Applications医药化工学院 化学2班 学生：王星蝶 指导教师：李芳 贾文平1 前言三聚氰胺（melamine，MA），是一种重要的含氮有机合成中间体，由其为原料制备的三聚氰胺树脂可以用作阻燃剂，灭火剂，建材，纺织等工业，然而它仅仅是一种化工原料，并不可用于食品添加剂。若长期摄入MA会因其不易被

2、分解而导致产生肾与膀胱结石。由于凯氏定氮法（ HYPERLINK javascript:void(0); kjeldah HYPERLINK javascript:void(0); method）检测蛋白质中的含氮量的局限性，MA以其高含氮量（66%）而被不法和无知商家应用于奶粉生产中，也直接导致轰动全球的“大头娃娃事件”，数以万计的婴幼儿患肾、膀胱结石，更有数名孩子因此丧命，造成了巨额的经济、人身、信任损失。因此对三聚氰胺的检测也成了国内外学者的研究热门。目前对三聚氰胺的检测方法主要有国家标准1,2高效液相色谱法、液质联用法和气质联用法。毛细管电泳3、傅里叶变换近红外光谱4、表面增强拉曼光谱

3、5、酶联免疫吸附法6、表面等离子体基元共振法7、荧光分光光谱法8等等先进技术也相继被用于检测MA含量。一些相关方法的线性范围和检出限总结于表1中。表1: 各MA检测方法的线性范围检出限Table 1: the detection limit and linear range of each detective methods for MA方法线性范围检出限反相高效液相色潽法9(7.90.6) 106 M79.0 108 M高效液相色谱(0.16800.0) 106 M4.0 108 M液质联用(0.0040.8) 106 M比色法10(1.579.3) 106 M47.6 108 M荧光(0.

4、00080.08) 106 M0.061 108 M间接竞争性酶联免疫吸附测定(2.0400.0) 106 M0.4 108 M电化学法11(0.043.3) 106 M9.6 108 M表面增强拉曼散射0.5100 ppb0.1 ppb电化学偶联酶比色法12（1.01000）10 -11 M120 ppt近红外光谱法0.76 0.11 ppm毛细管电泳（1.6600）10 -6 M9.510 -7 M以上方法虽然精确度较高，但所用仪器十分昂贵，样品处理也较为复杂，操作繁琐，更有些试剂、药品毒性大，不利于可持续发展的科学观念。寻求一种简单可行的测定方法势在必行。量子点（quantum dots

5、,QDs）自被发现以来，以其特殊的物理性质量子尺寸效应，表面效应，量子限域效应，光、电学效应等等而被广泛应用于非线性光学，磁介质，细胞成像，生物传感等研究领域13。量子点的发光特性主要有荧光特性如碲化镉（CdTe）量子点等，部分量子点发光具有磷光特性如锰掺杂的硫化锌量子点（Mn:ZnS）等，前者因含重金属，且自身荧光和散射光的影响而具有较大影响，后者则含不含重金属，避免了自身荧光的干扰，选择性和灵敏度高而被优选14。高峰8等利用纳米金修饰的CdTe量子点对MA进行分析检测。目前国内外将量子点应用于检测MA的研究尚不多见。然而，由于由于量子点的大比表面积以及大量的表面缺陷，使纳米微粒具有很强的氧

6、化还原能力，从而使其具有很强的催化活性，也直接导致了量子点的不稳定15。氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）是一种新型的炭纳米材料，已在分子传感，细胞成像等方面有了初步的应用。将p-QDs负载到GO的表面，制备出兼具有GO和p-QDs优良性能的复合材料，对其发光强度有大的提高，稳定性也将增加。然而GO层片上含大量的环氧基，羟基等含氧官能团，影响到p-QDs-GO水相的制备，因而通常将GO有选择的还原成为还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide，rGO），rGO具有良好的水分散性，也能给p-QDs提供多个结合点位。所制得的p-QDs-rGO复合材料能保持各自原来的

7、优良属性。纳米金粒子（AuNPs）与p-QDs之间存在PET，会使p-QDs的磷光减弱（磷光猝灭），而AuNPs又能结合到MA中形成稳定的三聚氰酸衍生物纳米金复合物16,17，该复合物能均匀的分散在溶液中，进而又能将猝灭的p-QDs的磷光恢复回来。基于这样的猝灭-恢复（off-on）规律，开发一种纳米金修饰的还原氧化石墨烯磷光量子点对MA的分析检测，具有成本低，操作方便，设备要求低，可行性好，灵敏度高等优点。2 实验部分2.1 实验仪器及试剂仪器：Cary Elipse荧光分光光谱仪(美国Varian 公司，配1cm石英比色皿), DELTA320- pH计(梅特勒-特利多仪器（上海）有限公司

8、，配有LE438pH电极），Elix-5+Mill-QG超纯水系统（美国Millipore公司）， FA2004A电子天平（上海精天电子有限公司），数控系列超声波处理器（上海生析超声仪器），砂芯过滤装置等。药品和试剂：GO（中科院山西煤炭所），MA，ZnSO47H2O，MnCl44H2O，NaOH(均购自美国阿拉丁公司，且均为分析纯),HAuCl4(99.9%，购自天津市凯玛生化科技有限公司 )；水为超纯水。1.010-2M MA溶液：称取0.1261gMA于烧杯中，加入热水后超声溶解，冷却至室温，转移至100mL容量瓶中，并洗,5次后将洗涤液转移后定容，摇匀存于冰箱中备用，使用时取10L稀释

9、至10mL成1.010-5M MA溶液。2.510-4M HAuCl4溶液：准确称取0.0103g于王水浸泡过的烧杯中，加水溶解转移至100mL容量瓶中，并洗涤5次，将洗涤液一并转移，稀释定容至刻度线，摇匀后储存于4冰箱中备用。2.2 还原氧化石墨烯-L-半胱氨酸包覆的硫化锌掺锰量子点rGO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs复合材料和纳米金溶胶AuNPs的合成2.2.1 还原氧化石墨烯（rGO）的合成采用文献18中水合肼还原氧化石墨烯GO得到还原氧化石墨烯rGO。合成方法如下：取一定质量的GO于烧杯中，加入约60mLH2O，强力超声40min分散。将溶液转移到四口瓶中，加入5.0mL 80

10、%的水合肼（N2H4H2O) ，再加入40mLH2O,使得溶液总体积为100mL。搅拌加热至95左右达到回流。95下回流24h。取出液体，均匀放置到离心管中，在6000rps下离心10min。取离心管清液,用砂芯过滤（水系，0.45m）过滤得到rGO产品，离心管中浊液过滤得残渣，洗涤后与产品分开放置，在60下真空干燥过夜，称重，研细，装入棕色瓶中备用。2.2.2 L-半胱氨酸包覆的硫化锌掺锰量子点（Mn:ZnS-L-Cys QDs）的合成 根据导师课题组相关实验表明，L-半胱氨酸包覆的硫化锌掺锰量子点能稳定的负载到rGO表面。合成方法如下：称取一定质量的 ZnSO47H2O（1.0mmol）,

11、L-Cys（2.0mmol），装入到四口烧瓶中，加入约80mL的H2O搅拌下溶解，准确加入0.01M MnCl2溶液3mL（0.3mmol），用针筒小心注射1.0M NaOH溶液调节pH至9.0-10.0，通入氩气保护30min后，快速注入10mL 0.1M Na2S溶液（现配现用）于体系中，停止通气，敞口反应2个小时，反应结束后，冷却到室温，得到无色透亮的量子点溶液，装入试剂瓶中遮光保存备用。使用时用无水乙醇提纯，过滤干燥后，恢复至原体积使用。2.2.3 还原氧化石墨烯-L-半胱氨酸包覆的硫化锌掺锰量子点rGO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs复合材料的合成 准确量取提纯后的Mn:ZnS

12、-L-Cys QDs 溶液，加入一定质量的rGO固体（按照质量体积比需求定量，本实验采取w:V=0.5mg/mL）,强力超声15分钟即得复合材料，过滤，洗涤，干燥，储存于棕色瓶中备用。2.2.4 AuNPs的合成AuNPs采用文献报道的硼氢化钠还原法方法合成：实验前将所有相关仪器用王水浸泡1天，以防止纳米金的团聚。取20mL 2.510-4 M HAuCl4溶液于烧瓶中，置于冰水浴中搅拌，加入0.6mL 0.1M NaBH4溶液（用冰水现配），搅拌10min后，室温下搅拌约3h得到粒径约为5-6nm的纳米金溶胶。2.3 分析测试分别进行Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs稳定性测试，rGO-M

13、n:ZnS-L-Cys-p-QDs的浓度选择实验，AuNPs对该复合材料的猝灭效应以及MA对AuNPs猝灭后的溶液体系磷光强度恢复的响应，并对实验条件进行优化，进行干扰实验，选择最合适的浓度范围以及实验条件，按照下述方法检测样品中的三聚氰胺含量： 3 结果和讨论3.1 Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs稳定性测试移取100 LMn:ZnS-L-Cys-p-QDs溶液至10mL比色管中，稀释定容后摇匀，设置参数后，在520-700nm激发波长中扫描获得Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs激发光谱，每天下午同一时间测定一次，绘制如下图1稳定性曲线。从图中曲线可以得出，新制的Mn:ZnS-L-Cy

14、s-p-QDs溶液需放置一周以后才能达到稳定磷光强度。图1 Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs的稳定性测试Fig.1 Stability testing of Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs2.3.2 rGO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs的浓度选择分别移取0.5,1.0,1.5,2.0,2.5mL 0.5mg/mL rGO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs溶液至10mL比色管中，稀释定容后摇匀，测定其磷光强度，发现在1.0mL的浓度（0.05mg/mL）时具有最大吸收峰，再分别移取0.6,0.75,0.9,1.05mL 复合材料配制成10mL溶液，测定其吸光强度，绘制如下图

15、2浓度关系曲线。从图中可以发现加入量为0.75mL（0.0375mg/mL）时rGO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs溶液具有最大吸收峰。图2 rGO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs的浓度选择Fig2. Concentration selection of Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs3.3 AuNPs对复合材料溶液的猝灭效应移取3mL 0.0375mg/mL GO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs溶液于石英比色皿中，测定其磷光强度，加入60L AuNPs溶胶，测定其磷光强度，二图整合以后得到下图3。从图3中可以发现， AuNPs对GO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QD

16、s溶液有很好的磷光猝灭效应。图3 AuNPs对GO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs溶液的磷光猝灭Fig 3 the flourescence quenching of GO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs by adding AuNPs3.4 AuNPs加入量的选择移取3mL 0.0375mg/mL GO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs溶液于石英比色皿中，测定其磷光强度，然后每隔2分钟逐步加入20LAuNPs溶胶，测得其磷光强度的变化，并将结果置于图4中，由图可知，当AuNPs加入量为60L时，具有较好的猝灭效果，猝灭值约为150，能给MA提供较大的恢复空间。图4 AuNPs

17、加入量的选择Fig4 the selection of AuNPs dosage 3.5 猝灭的pH选择分别配置pH=6.50，6.75，7.00，7.25，7.50（pH0.05）的磷酸缓冲溶液，在16号10mL比色管中加入0.75mL 0.5 mg/mL 复合材料，并分别加入1mL 各pH值的PB缓冲溶液（1号加入1mL超纯水做空白对照）加水稀释定容至10mL，测各比色管的磷光强度，并加入60LAuNPs溶胶，测其磷光强度，并计算猝灭值，将结果展示在图5中。由图5可知，当溶液处于pH=6.75时，具有较好的猝灭效果。图5 溶液pH值对猝灭的影响Fig5 effection of pH fo

18、r quenching 3.6 共存物干扰测试3.7 标准曲线的绘制准确移取750 L 0.5mg/mL rGO-Mn:ZnS-L-Cys-p-QDs于10 mL比色管中，加PB缓冲溶液(pH = 6.70)1.0 mL，AuNPs 200L，用超纯水稀释至10mL，摇匀。取1mL溶液润洗比色皿2次后，取3mL该溶液于比色皿中。选择磷光模式，设置参数ex/em = 305/597nm (激发/发射狭缝分别为10/10nm)条件下，测定溶液的磷光强度。然后在比色皿中每隔5分钟加入3uL 1.010-5 MA溶液，测定各浓度下的磷光恢复值(F)，并作出相应的标准曲线。所得标准曲线线性方程为F =4

19、.0758108c + 6.2709，相关系数R为0.9816，检出限为。R SD N P0.98166.6341765.04935E-43.8 牛奶样品的测试同样3.7条件下测定样品溶液的(F)。根据稀释倍数和线性关系计算样品中MA的浓度。重复实验6次，计算加标回收率，所得结果总结于下表2中。加入样品中的MA浓度mol/L恢复值 F平均值加标回收率%表2牛奶样品中MA含量的加标回收实验Tab 2 MA content in milk samples spiked recovery experiments4 结论参考文献：1(中华人民共和国国家标准管理委员会中华人民共和国行业标准GBT2238

20、8-2008(原料乳与乳制品中三聚氰胺检测方法)，2008102井伟，唐熙等分析测试学报，2011，30( 3) :2692733 HYPERLINK /KCMS/detail/ /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e7%8e%8b%e5%a3%ab%e4%bc%9f&code=28659841;06870648;30969209;27033662; t /KCMS/detail/_blank 王士伟, HYPERLINK /KCMS/detail/ /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&

21、sfield=au&skey=%e9%82%93%e5%85%89%e8%be%89&code=28659841;06870648;30969209;27033662; t /KCMS/detail/_blank 邓光辉, HYPERLINK /KCMS/detail/ /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e5%b1%88%e5%bf%a0%e5%87%af&code=28659841;06870648;30969209;27033662; t /KCMS/detail/_blank 屈忠凯, HYPERLINK /KCMS

22、/detail/ /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e7%8e%8b%e8%be%89&code=28659841;06870648;30969209;27033662; t /KCMS/detail/_blank 王辉.毛细管电泳电化学发光法分离测定奶粉中的二聚氰胺和三聚氰胺J.分析实验室,2014（10）4刘小莉.应用傅利叶近红外光谱定性、定量检测鱼粉中掺杂三聚氰胺的研究D.四川农业大学，2010.5Lou, T. T.; Wang, Y. Q.; Li, J. H.; Peng, H. L.; Xiong, H.;

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24、胺偶联物修饰的表面等离子体激元共振芯片检测三聚氰胺含量J.分析化学. 2014,5,695-7008Feng Gao. Efficient Fluorescence Energy Transfer System between CdTe-Doped Silica Nanoparticles and Gold Nanoparticles for Turn-On Fluorescence Detection of Melamine. J. Agric. Food Chem., 2012, 60 (18), 4550-4558.9梁利妹,胡深,董文婷,冯超林. HYPERLINK /kcms/detail/detail.aspx?filename=HXMY201306006&dbcode=CJFQ&dbname=CJFD2013&v= t /kcms/detail/frame/_blank 反相高效液相色谱法对畜产品中三聚氰胺残留的检测J. 湖北畜牧兽医. 2013(06) 10Wen Z Q, Li G, Ren D. Appl. Spectrosc.，2011，65 (5):514-52011陈一虎. HYPERLINK /kcms/detail/detail.aspx?filename=XDQJ200822080&dbcode=CJFQ&dbna