超细混合价Ce-MOF纳米线的制备及在电化学发光传感中的应用的制作方法

超细混合价ce
‑
mof纳米线的制备及在电化学发光传感中的应用
技术领域
1.本发明涉及纳米材料制备及应用领域，尤其涉及一种超细混合价ce
‑
mof纳米线的制备及在电化学发光传感中的应用。


背景技术：

2.新烟碱类杀虫剂因其高效、广谱性，是目前应用最广泛的植物源杀虫剂，其通过控制烟碱乙酰胆碱酯酶受体来阻断中枢神经系统的正常传导，从而导致害虫的瘫痪和死亡。然而，有研究表明新烟碱不仅对蜜蜂有巨大的潜在危害，还对人类健康有负面影响，其中吡虫啉(imi)是新烟碱类杀虫剂的典型代表。由于长期广泛使用，imi残留已成为农产品中普遍存在的杀虫剂污染物，因此，对植物产品的样品进行imi的可靠定量分析是十分必要的。迄今为止，imi的测定方法，主要包括高效液相色谱(hplc)、液相色谱
‑
串联质谱(lc
‑
ms/ms)、气相色谱
‑
串联质谱(gc
‑
ms/ms)以及免疫分析方法等。然而，这些分析方法使用时均昂贵且耗时。因此，开发经济、方便、高灵敏度的imi测定方法具有广阔的应用潜力。在此背景下，电化学发光(ecl)传感器因其低的背景噪声和固有的高灵敏度而受到越来越多的研究人员的关注，在ecl传感器构建过程中，提高发光探针的ecl响应，提高传感器灵敏度是重要的课题。
3.金属有机框架材料(metal organic framework,mof)是由有机配体和无机金属离子通过配位键形成的多孔材料，具有表面积大、永久孔隙率高、易于功能化等优异的物理化学性能。由于其独特的特性，mof在气体存储、生物医学、催化、传感、分离等领域有着广泛的应用，在基于mof的ecl传感器中，mof通常用于固定发色团或提供催化活性中心。例如，wang等人制备了负载鲁米诺功能化agnps的co/ni基mof纳米片，构建了检测afp的免疫传感器；yang等报道了网状金属有机框架的功能化，通过包封和表面修饰来增强ecl强度；shao等人报道了mof/au/g四重体作为猝灭剂和增强剂，用于制作靶触发的比率ecl传感器，用于敏感检测前列腺特异性抗原；huang等人通过引入四苯乙烯基配体制备了诱导聚集的ecl(aiecl)型hf
‑
mof。因此，之前报道的基于mof的ecl传感器大多数都关注于增加发色团的负载或掺杂其他催化材料。
4.尽管取得了这些进展，但基于mof的ecl传感器仍面临一些问题。例如，传统方法合成的mof的粒径通常在微米级，这给mof在电极上的固定化带来了严峻的挑战。事实上mof粘附和后功能化是基于mof的ecl传感器面临的主要问题，mof结构的大尺寸也限制了其导电性。此外，大多数mof在水中不稳定，这可能导致负载的发色基团泄漏。这些因素极大地限制了基于mof的ecl传感器的稳定性和重现性，因此开发一种新的技术来设计和制备高性能的mof，使其具有超细尺寸、在水中的良好稳定性和高电导率是特别重要的。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，针对传统方法合成的mofs粒径过大、在水中稳
定性差以及电导率不高的问题，提出了一种超细混合价ce
‑
mof纳米线的制备方法。
6.本超细混合价ce
‑
mof纳米线的制备方法包括：采用阳离子ctab(十六烷基三甲基溴化铵)和sds(十二烷基硫酸钠)表面活性剂混合形成正负离子胶束体系，在水中生成稳定的单晶超细ce
‑
mof纳米线胶体溶液。
7.制备步骤具体包括：将40mg的naoh(氢氧化钠)和70mg的h3btc(均苯三甲酸)溶于3ml的水中，并加入60ml的0.1mol/l sds溶液和2ml的0.1mol/l ctab溶液，经过30s的涡旋，得到有机配体胶束溶液；将140mg的ce(no3)3·
6h2o(六水硝酸铈)溶于2ml水中，再分别加入40ml的0.1mol/l sds溶液和1ml的0.1mol/l ctab溶液，超声处理2min，得到金属离子胶束溶液；将有机配体胶束溶液缓慢加入金属离子胶束溶液中，在40℃下水浴反应3h；然后在室温下加入1ml的30wt％的h2o2(双氧水)，反应1h，直至乳白色的反应混合物变黄即反应完成，再将所得产物离心，用去离子水和乙醇洗涤，在50℃下真空干燥过夜，得到超细混合价ce
‑
mof纳米线。
8.在超细混合价ce
‑
mof的基础上，本发明还提出了一种基于超细混合价ce
‑
mof的imi
‑
miecs(吡虫啉分子印迹电化学发光传感器)的制备方法，制备步骤包括：依次用1.0、0.3和0.05μm氧化铝水浆将gce(玻碳电极)抛光至镜面，用水、乙醇和0.5mol/l h2so4(硫酸)依次漂洗；取15mg ce
‑
mof超声分散于5ml去离子水中；然后，将10μl的ce
‑
mof分散液滴到gce的电极表面，在25℃下干燥后得到ce
‑
mof/gce电极；以ce
‑
mof/gce为工作电极，在ph为6.8的含有0.5mmol/l imi和3.0mmol/l o
‑
pd(邻苯二胺)的pbs缓冲液中电聚合制备imi分子印迹膜，以50mv/s的扫描速率进行20次的循环伏安扫描，制备得到imi
‑
mip膜；最后将制得的imi
‑
mip修饰电极在体积比为8：1的甲醇乙酸混合液中浸泡7分钟去除模板，得到imi
‑
miecs。
9.进一步地，imi
‑
miecs应用于植物源食品中痕量imi的检测，检测方法为：将洗脱的miecs浸入不同浓度的样品溶液中10分钟，重吸附待测液中的吡虫啉；将重吸附完成后的传感器置于0.1mmol/l鲁米诺、0.2mmol/l h2o2和0.02mol/lph 8.5硼酸盐缓冲液发光液中，测量ecl响应；随着样品中吡虫啉浓度的增加，分子印迹孔穴被占据，阻碍探针在电极表面电子传递，从而降低传感器的ecl响应，构建门控制型的imi
‑
miecs。
10.进一步地，imi
‑
miecs对鲁米诺过氧化氢催化发光体系的作用机制包括两条途径，途径1中，溶液中的溶解氧生成超氧阴离子，途径2中，ce
‑
mof中的ce(iii)催化超氧阴离子的形成，提高了的生成效率，最后鲁米诺自由基和大量的超氧阴离子生成了发光体ap2‑
·
，导致ce
‑
mof/gce中鲁米诺的ecl体系的增强。
11.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
12.本发明公开了一种基于超细混合价铈金属
‑
有机框架(ce
‑
mof)的电化学发光(ecl)传感器的构建；为了制备该传感器，胶束作为纳米反应室，在水中生成稳定的超细混合价ce
‑
mof晶体胶体溶液；将制备的超细混合价ce
‑
mof首次成功引入鲁米诺ecl体系，提出了双路自循环催化发光策略；通过与分子印迹技术的结合，构建了一种新型的基于mof的ecl传感器，并应用于植物源食品的痕量imi检测中；本方法的提出在农药检测领域具有特别的意义，为基于mof的分子印迹ecl传感器的设计提供了一种简便且可靠的路线。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为超细混合价ce
‑
mof的sem、tem图及其对应的快速傅里叶变换(fft)；
15.图2为超细混合价ce
‑
mof的pxrd图谱；
16.图3为超细混合价ce
‑
mof及其{021}相的晶面示意图；
17.图4为ce
‑
mof胶体溶液在h2o2存在和不存在情况下的照相图像以及部分氧化样品在630nm激光照射下显示丁达尔效应图像；
18.图5为超细混合价ce
‑
mof的xps测量光谱(a)、高分辨率ce三维光谱(b)、ft
‑
ir光谱(c)，umv
‑
ce
‑
mof的稳定性测量示意图(d)；
19.图6为mof/gce在0.1mol/l kcl的5mmol/l fe(cn)
63
‑
/4
‑
溶液中不同扫描速率下的cv图；
20.图7为ce
‑
mof/gce的浸出试验强度结果示意图；
21.图8为ce
‑
mof催化鲁米诺/h2o2过程的ecl机制示意图；
22.图9为ce
‑
mof/gce上imi
‑
mip(a)和nmip(b)的形成示意图；
23.图10为电聚合o
‑
pd/imi摩尔比优化示意图；
24.图11为洗脱(a)和再吸收(b)时间的优化示意图；
25.图12为ph和缓冲介质对鲁米诺/h2o2发光体系的影响示意图；
26.图13为h2o2添加量的优化示意图；
27.图14为miecs(a)和非miecs(b)的δecl
re
‑
t的示意图；
28.图15为imi
‑
miecs对吡虫啉的电化学发光响应性能及其工作曲线；
29.图16为ecl响应稳定性评估示意图；
30.图17为ecl传感器的交叉反应性研究结果示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明提供了一种超细混合价ce
‑
mof纳米线的制备方法：采用阳离子ctab(十六烷基三甲基溴化铵)和sds(十二烷基硫酸钠)表面活性剂混合形成正负离子胶束体系，在水中生成稳定的单晶超细ce
‑
mof纳米线胶体溶液。
33.在本实施例中，制备的具体步骤包括：将40mg的naoh(氢氧化钠)和70mg的h3btc(均苯三甲酸)溶于3ml的水中，并加入60ml的0.1mol/l sds溶液和2ml的0.1mol/l ctab溶液，经过30s的涡旋，得到有机配体胶束溶液；将140mg的ce(no3)3·
6h2o(六水硝酸铈)溶于2ml水中，再分别加入40ml的0.1mol/l sds溶液和1ml的0.1mol/l ctab溶液，超声处理2min，得到金属离子胶束溶液；将有机配体胶束溶液缓慢加入金属离子胶束溶液中，在40℃
下水浴反应3h；然后在室温下加入1ml的30wt％的h2o2(双氧水)，反应1h，直至乳白色的反应混合物变黄即反应完成，再将所得产物离心，用去离子水和乙醇洗涤，在50℃下真空干燥过夜，得到超细混合价ce
‑
mof纳米线。
34.请参见图1，图1为超细混合价ce
‑
mof的sem、tem图及其对应的快速傅里叶变换(fft)，从图中可以看出，使用正负离子胶束体系制备的超细混合价ce
‑
mof表现出一维纳米线形态，直径约为50nm。这是因为胶束提供了稳定的晶体纳米生长反应隔室，改善了ce
‑
mof的生长连续性。其中图1e为超细混合价ce
‑
mof的hrtem图像及其对应的快速傅里叶变换(fft)。请参见图2和3，图2为超细混合价ce
‑
mof的pxrd图谱；图3为超细混合价ce
‑
mof及其{021}相的晶面示意图，图1中hrtem图像表明，制备的ce
‑
mof保持了良好的晶体结构，层间间距计算为约0.35nm，与图3中ce
‑
mof的{021}面很好地对应。请参见图4，图4中依次为ce
‑
mof胶体溶液在h2o2不存在和存在情况下的照相图像以及部分氧化样品在630nm激光照射下显示丁达尔效应，不存在h2o2的ce
‑
mof胶体溶液呈乳白色，存在h2o2的ce
‑
mof胶体溶液呈黄色，在630nm激光照射下显示丁达尔效应。
35.请参见图5，图5为超细混合价ce
‑
mof的xps测量光谱(a)、高分辨率ce三维光谱(b)、ft
‑
ir光谱(c)，超细混合价ce
‑
mof的稳定性测量示意图(d)。用xps分析了超细混合价ce
‑
mof的元素组成和化学状态；如图5a所示，在ce
‑
mof全扫描xps中可以明显观察到ce 3d、c 1s和o1s区域的特征峰；ce的高分辨xps谱显示出10个反褶积峰，如图5b所示；标记为v0、v'、u0、u'的峰归属于ce(iii)，而标记为v、v"、v"'、u、u"、u"'的峰定义为ce(iv)的特征峰，这些峰对应ce的两种不同价态，支持了这种以混合价态金属为活性中心的鲁米诺/过氧化氢双通道催化发光路线，最终提高了催化效率；通过图5c中ft
‑
ir光谱确认ce
‑
mof的成功形成，在1612
‑
1554、1434
‑
1369和531cm
‑1处的特征峰分别属于羧酸离子的υassy和υsym伸缩振动和ce
‑
o伸缩振动。对于基于mof的ecl传感器来说，由于需要在电解池中长期浸泡，稳定性是确保mof良好性能的关键，因此测试了ce
‑
mof在水或甲醇中的稳定性，如图5d所示，发现ce
‑
mof在水中浸泡24或48h时，其pxrd谱图基本没有变化，甲醇浸泡试验也得到了类似的结果。这些分析结果证实了ce
‑
mof的成功制备，具有混合价、超细尺寸和优异的稳定性，重要的是，这些性质符合过氧化氢模拟酶的要求，从而预示了该体系具有高效催化鲁米诺/h2o2的ecl的能力。
36.在超细混合价ce
‑
mof的基础上，本发明还提出了一种基于超细混合价ce
‑
mof的imi
‑
miecs的制备方法，制备步骤包括：依次用1.0、0.3和0.05μm氧化铝水泥浆将gce电极抛光至镜面，用水、乙醇和0.5mol/l h2so4(硫酸)依次漂洗；取15mg ce
‑
mof超声分散于5ml去离子水中；然后，将10μl的ce
‑
mof分散液转移到电极上，在25℃下干燥后得到ce
‑
mof/gce电极；以ce
‑
mof/gce为工作电极，在ph为6.8的含有0.5mmol/l imi和3.0mmol/l o
‑
pd(邻苯二胺)的pbs缓冲液中电聚合制备imi分子印迹膜，以50mv/s的扫描速率进行20次的循环伏安扫描，制备得到imi
‑
mip膜。最后将制得的imi
‑
mip修饰电极在体积比为8：1的甲醇乙酸混合液中浸泡7分钟去除模板，得到imi
‑
miecs。(对比例为：在其余条件相同的情况下，用不含有imi的聚合液制备得到，为非mip(nmip)膜，最后制得的为非miecs)。
37.对制备得到的ce
‑
mof/gce进行电化学性能确认：以含有0.1mol/l kcl的5mmol/l fe(cn)
63
‑
/4
‑
溶液为探针，在不同扫描速率下用cv初步研究了修饰电极的有效电极面积。请参见图6，图6为mof/gce在0.1mol/lkcl的5mmol/l fe(cn)
63
‑
/4
‑
溶液中不同扫描速率下的cv
图；结果表明，在0.01～0.1v/s范围内，ip与ν
1/2
呈线性关系，表明存在扩散控制过程。根据randles
‑
sevcik方程(ip＝2.69
×
105n
3/2
a
eff
d
1/2
ν
1/2
c)，ip
‑
ν
1/2
曲线的斜率ip(a)＝2.68
×
10
‑4ν
1/2
‑
4.28
×
10
‑6，r2＝0.991)，ce
‑
mof/gce有效面积的计算为7.22mm2。其中n＝1,d＝7.6
×
10
‑6cm2，ip、a
eff
、c和ν分别为5mmol/l探针的峰值电流(a)、有效面积(cm2)、探针浓度(mol/cm
‑3)和扫描速率(v/s)。与裸电极(4.02mm2)相比，ce
‑
mof/gce的有效电极面积增加了约1.80倍，这是由于ce
‑
mof纳米线形成的交错网络结构，增加了电极的有效接触面积。此外，还通过浸出试验研究了ce
‑
mof修饰电极的稳定性，请参见图7，图7为ce
‑
mof/gce的浸出试验结果示意图，将修饰电极置于含有0.1mmol/l鲁米诺和0.2mmol/l h2o2的硼酸盐缓冲液(ph 8.5,0.02mol/l)中进行浸出测试，每隔20min测量一次电化学发光，结果表明ce
‑
mof/gce在长期浸泡中仍然保持良好的稳定性。
38.imi
‑
miecs对鲁米诺过氧化氢催化发光体系的作用机制包括两条途径，途径1中，溶液中的溶解氧生成超氧阴离子，途径2中，ce
‑
mof中的ce(iii)催化超氧阴离子的形成，提高了的生成效率，最后鲁米诺自由基和大量的超氧阴离子生成了发光体ap2‑
·
，导致ce
‑
mof/gce中鲁米诺的ecl体系的增强。请参见图8，图8为ce
‑
mof催化鲁米诺/h2o2过程的ecl机制示意图。
39.采用电聚合法制备了mip膜和nmip膜，请参见图9，图9为ce
‑
mof/gce上imi
‑
mips(a)和nmip(b)的形成示意图。从图9a中可以看出，随着聚合的进行，o
‑
pd的峰值电流逐渐减小，在20次循环后达到最小值，这是由于形成了不导电的分子印迹膜。nmip膜是在相同的条件下制备的，除了缓冲液中不含有imi，cv没有观察到显著差异，说明imi不参与印迹膜的聚合反应，而是通过范德华力或氢键被包埋在印迹膜中。
40.为了提高imi
‑
miecs的传感性能，对单体与模板摩尔比、洗脱时间、吸附时间、探针溶液组成等关键因素进行了优化。
41.请参见图10，图10为电聚合o
‑
pd/imi摩尔比优化示意图。随着o
‑
pd/imi比值的增加，ecl强度增加，有利于形成更多的印迹空腔，但当单体与模板摩尔比为6:1时，ecl信号强度最高，且随着摩尔比的进一步增大，信号强度降低。这是由于过量的单体导致o
‑
pd的自聚合，降低了mip膜的有效性。因此，单体与模板的摩尔比为6:1是制备imi
‑
miecs的最佳条件。
42.请参见图11，图11为洗脱(a)和再吸收(b)时间的优化示意图；ecl强度随着洗脱时间的增加而增加，在7min后达到稳定值。此外，随着重吸附的进行，ecl信号由于印迹孔穴的占据而逐渐降低，在10min后达到动力学平衡。最佳洗脱时间为7min，重吸附时间为10min。
43.请参见图12
‑
13，图12为ph和缓冲介质对鲁米诺/h2o2发光体系的影响示意图，图13为h2o2添加量的优化示意图，h2o2的浓度和缓冲介质的优化选择，可以进一步减少传感器背景，提高灵敏度。因此，以重吸附100nmol/l imi作为工作电极，对传感器进行ecl条件优化实验，结果表明，ph＝8.5的硼酸硼砂缓冲液和0.2mmol/l h2o2最适合进行ecl测定。对imi在miecs和非miecs中的吸附动力学研究，吸附动力学过程符合langmuir吸附模型，拟合方程为：
[0044][0045]
式中δecl
re(a，u)
和δecl
sa(a，u)
分别为ecl强度变化对不同重吸收时间和饱和容量的响应。请参见图14，图14为miecs(a)和非miecs(b)的δecl
re
‑
t的示意图；并计算了它们的
动力学参数，列于表1。恒定的动力学速率(k；s
‑1)被广泛用于评价吸附速率，因此该速率可用于评价miecs和非miecs的特异性吸附性能，经计算二者k值分别为209.7s
‑1和53.5s
‑1。这一结果归因于超细mof的修饰，增加了有效电极面积，导致了miecs中识别位点数量的增加，最终提高了分子印迹识别效率。
[0046][0047]
表1 miecs和非miecs吸附动力学参数
[0048]
对ce
‑
mof的ecl传感器进行性能分析，见图15，根据拟合方程：δecl＝48.50c(nmol/l) 452.09(r2＝0.992)，图15为imi
‑
miecs对吡虫啉的电化学发光响应性能及其工作曲线，在imi浓度范围为2～120nmol/l时，发现ecl强度随着imi浓度的增加而线性减小，经计算传感器检查线为0.34nmol/l(3δ/k,n＝11)。进一步确认了所提出的传感器在12次连续循环伏安扫描中的响应稳定性，其中发现ecl强度在12次发光测试中始终保持稳定，计算出的相对标准偏差(rsd)为5.6％，请参见图16，图16为ecl响应稳定性评估示意图。因此，这一结果证实了基于mof的ecl传感器的成功构建，具有良好的响应稳定性。
[0049]
对制备得到的ecl传感器进行常见干扰物的交叉反应性能研究，包括杀虫剂(clothianidin、acetamiprid、thiamethoxam、cyromazine)和离子(k

、ca
2
、na

、mg
2
、fe
3
)，所有干扰物质的浓度均控制在10μmol/l水平，并记录存在和不存在imi时干扰物质的δecl强度。请参见图17，图16为ecl传感器的交叉反应性研究结果示意图。从图17中可以看出，该传感器对其他结构杀虫剂和离子具有良好的抗干扰性能。此外，交叉反应性的平行研究进一步表明，该传感器对imi具有良好的选择性识别能力，从而确认了该传感器在实际样品检测中的良好应用潜力。
[0050]
imi
‑
miecs应用于植物源食品中痕量imi的检测：
[0051]
样品的制备：随机选取植物源食品，采用溶剂萃取法从样品中提取imi。具体步骤为：将清洗后切碎的植物源食品(5g)加入甲醇(10ml)，搅拌2min，然后超声提取10min，得到的提取物通过滤纸过滤，滤液以5000rpm离心15min，取上清液，用0.02mol/lpbs稀释至10ml，即成样品溶液。
[0052]
检测：将洗脱后的miecs浸泡在样品溶液中10分钟，重吸附待测液中的imi；将吸附完成后的传感器放置在含有0.1mmol/l鲁米诺、0.2mmol/l h2o2、0.02mol/lph 8.5的硼酸盐缓冲液发光液中，然后用电压为600v的光电倍增管，测量ecl的反应，扫描电位范围为0
‑
0.8v。
[0053]
以植物源食品中的苹果、香蕉和西红柿为例，在苹果、香蕉和西红柿中分别添加了3种浓度的imi。请参见表2，表2为植物源样品的imi检测结果(nd为没有检测到)；已知的imi得标准回收量为88.5％
‑
114.3％，标准偏差小于6.4％，采用本方法制得的传感器与液相色谱法的检测所得结果一致，表明基于ce
‑
mof的miecs在实际样品imi检测中具有潜在的适用性。
[0054][0055]
表2为植物源样品的imi检测结果
[0056]
本技术采用正负离子胶束体系在水中生成稳定的超细ce
‑
mof胶体溶液，采用胶束作为纳米反应室的原位部分氧化合成路线，在40℃下合成了超细混合价ce
‑
mofs。在制备之后，首次将一种混合价态mof作为模拟酶引入鲁米诺过氧化氢ecl体系中，提出了双路自循环催化发光策略，并利用分子印迹技术构建了一种基于超细混合价铈金属
‑
有机框架的电化学发光传感器，用于植物源食品中检测痕量imi。本技术的技术方案提供了一种简便可靠的基于mof的分子印迹ecl传感器的制作方法，对农药检测领域具有极其重要的意义。
[0057]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。