一种快速荧光检测三硝基甲苯或三硝基苯酚的双模荧光铜纳米簇

1.本发明涉及一种一种快速荧光检测三硝基甲苯或三硝基苯酚的双模荧光铜纳米簇。


背景技术：

2.近年来，爆炸物严重威胁人民生命和财产安全，同时其也是主要环境污染物，严重危害人类健康。因此，开展爆炸物探测的研究，具有重要的现实意义和战略意义。在各种检测技术中，荧光传感法因其可远程操作、高灵敏度、低成本的优势，已经被用以探测蒸汽、溶液和固体中的三硝基甲苯。自1998年swager等人首次利用有机共轭高分子薄膜检测痕量爆炸物以来，荧光传感技术在痕量炸药检测方面的研究得到快速发展和应用，不断有新型的荧光探针被报道用以检测三硝基甲苯(tnt)或三硝基苯酚(tnp)。例如红光-绿光双发射的cdte量子点偶联在硅球上用以比率荧光检测溶液相的tnt(j.am.chem.soc.2011,133,8424
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8427)；牛血清蛋白修饰的铜纳米簇用于荧光猝灭检测tnp(anal.bioanal.chem.2015,407,4607
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4613)；主干中含有芘单元的聚合物ppes薄膜用于荧光猝灭检测tnt(macromolecules,2011,44,4759
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4766)；谷胱甘肽包裹的金纳米簇与聚烯丙胺层层组装形成的薄膜用于荧光猝灭检测tnt溶液(acta chim.sinica 2016,74,929-934)；新型希夫碱类有机小分子荧光探针用于检测tnt和tnp(cn 111943907a)；聚乙烯亚胺修饰的铜纳米簇荧光/比色双模检测tnt(sensor.actuat.b-chem.2018,254,811
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819)；蒽基亚胺链聚合物(aip)双模检测，实现tnt与其他硝基芳烃类爆炸物中的区分(j.mater.chem.a,2020,8,10767)。
3.目前用于检测三硝基甲苯(tnt)和三硝基苯酚(tnp)的荧光材料，虽然都能对目标物产生特异的荧光信号变化，反应快速且灵敏度高，但是由于tnt和tnp的结构相似性使其缺电子能力相近，给二者的同时检测带来了一定的困难。相关专利(cn 111943907a)报道了利用三硝基甲苯(tnt)和三硝基苯酚(tnp)与荧光探针反应前后荧光强度淬灭程度不同和发射峰红移程度的不同实现二者有效区分的技术手段，但有机荧光探针需要复杂的合成步骤及后处理，且该手段还需要荧光光谱仪的进一步确认，不满足现场检测的需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种快速荧光检测三硝基甲苯或三硝基苯酚的双模荧光铜纳米簇，利用紫外-可见光吸收光谱和荧光光谱两个通道研究了该荧光铜纳米簇对硝基炸药分子的选择性和灵敏度，并结合理论计算和单光子计数测量荧光寿命对识别机理进行了深入分析，结果表明，加入相同浓度的三硝基甲苯(tnt)或三硝基苯酚(tnp)后，纳米簇在500nm的发射峰都产生强的荧光淬灭，且对tnp的猝灭效果更好，此外只有加入三硝基甲苯(tnt)才会在475nm产生新的吸收峰，且颜色变红。本发明提供的检测方法具有制备简易，操作简单、价格低廉、双模检测可视化程度高等特点，有利于三硝基甲苯(tnt)或三硝基苯酚
(tnp)的现场检测。为公安系统刑侦部门爆炸案的侦破提供有效技术手段。
5.本发明所述的一种快速荧光检测三硝基甲苯或三硝基苯酚的双模荧光铜纳米簇，该纳米簇是由化学试剂硫酸铜、支化聚乙烯亚胺、抗坏血酸制成，其中：
6.硫酸铜在水溶液中的浓度为100-300mm；
7.抗坏血酸在水溶液中的浓度为500mm-1m；
8.支化聚乙烯亚胺的加入量为50-200mg；
9.硫酸铜和抗坏血酸的摩尔比为2:1；
10.双模荧光铜纳米簇制备，具体操作按下列步骤进行：
11.a、将100mg的支化聚乙烯亚胺溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
12.b、将浓度为100-300mm的硫酸铜和浓度为500mm-1m抗坏血酸按摩尔比2:1的加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，即得到能灵敏快速荧光检测t三硝基甲苯或三硝基苯酚的双模荧光铜纳米簇；
13.c、将步骤b得到的双模荧光铜纳米簇置于试管或比色皿容器内，调节ph至碱性后，直接加入三硝基甲苯或三硝基苯酚溶液，即实现现场快速荧光猝灭检测，并利用荧光/比色的双通道确定三硝基甲苯或三硝基苯酚的存在。
14.本发明所述的一种快速荧光检测三硝基甲苯或三硝基苯酚的双模荧光铜纳米簇，其在检测爆炸物时的具体操作步骤如下：
15.1)制备检测材料：
16.将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml水中，搅拌均匀，按摩尔比2:1加入100-300mm的硫酸铜作为铜源，同时加入500-1m的抗环血酸伴随搅拌其中，在温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，表明支化聚乙烯亚胺(pei)-cu ncs的成功合成；
17.2)将步骤1)制备的铜纳米簇应用于三硝基甲苯(tnt)或三硝基苯酚(tnp)的荧光检测，具体操作步骤如下：
18.取200μl的铜纳米簇溶液，用naoh调节ph至10.0，将1mm的tnt或tnp甲醇溶液200μl加入检测溶液中，用荧光光谱仪扫描铜纳米簇溶液与待测物反应前后的荧光发射光谱，以荧光强度变化值为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的荧光发射谱；荧光光谱仪和紫外-可见吸收光谱仪所需检测试样的总体积2ml，所述的荧光强度变化值采用最大发射峰位置500nm；
19.3)将步骤1)制备的铜纳米簇应用于三硝基甲苯(tnt)或三硝基苯酚(tnp)的比色检测，具体操作步骤如下：
20.取200μl的检测溶液，用naoh调节ph至10.0，将1mm的tnt或tnp甲醇溶液200μl加入铜纳米簇检测溶液中，用紫外-可见吸收光谱仪扫描上述溶液与待测物反应前后的紫外吸收吸收光谱，并观察溶液颜色变化，以吸收度值为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的吸收光谱，荧光光谱仪和紫外-可见吸收光谱仪所需检测试样的总体积2ml，所述的荧光强度变化值采用最大发射峰位置500nm。
21.本发明所述的一种快速荧光检测三硝基甲苯或三硝基苯酚的双模荧光铜纳米簇，主要用于现场的三硝基甲苯(tnt)或三硝基苯酚(tnp)的检测和有效区分，其主要包括tnt原料、tnp原料、爆炸物和爆炸残留物。解决了荧光检测硝基芳烃类爆炸物领域中的荧光探针合成复杂、操作繁琐、无法现场检测的问题。
22.与现有技术相比，本发明的特点如下：
23.本发明采用的荧光材料为铜纳米簇，铜源丰富且易得、价格低廉、并且环境友好；
24.本发明提供的荧光检测方法可以快速、高效地实现tnt的双模检测和区分tnt与tnp这两种结构类似爆炸物；
25.本发明的检测方法相比于其他仪器检测方法，不需要样品前处理，不需要专业操作人员，且1min内可以裸眼观察到比色现象，15min内荧光检测效果达到最好；
26.该材料易于制备，在可见光下显示浅绿色，但在365nm紫外激发光下显示明亮的绿色荧光，最大发射波长为500nm，在与三硝基甲苯(tnt)反应后呈现荧光猝灭且伴随有溶液颜色变红的现象，与三硝基苯酚(tnp)反应后荧光猝灭但没有出现比色现象，据此，该荧光纳米材料能通过荧光/比色双模有效鉴别tnt和tnp这两种难以区分的硝基芳烃类爆炸物，其有望应用于司法取证研究、地雷探测以及环境问题中爆炸残留物的鉴定。
附图说明
27.图1为本发明检测材料pei-cu ncs检测tnt甲醇溶液后荧光光谱的变化情况，以及对应的365nm紫外光下的荧光变化照片，其中a为不同tnt浓度下的荧光光谱曲线；b为在500nm处的荧光强度随不同tnt浓度的变化曲线；c为不同tnt浓度下铜纳米簇溶液的比色以及荧光；
28.图2为本发明检测材料pei-cu ncs检测多种硝基芳烃类化合物的甲醇溶液后吸收光谱的变化情况，以及日光下相应的照片，其中a为加入不同硝基芳烃类化合物后，铜纳米簇溶液的紫外吸收谱图；b为加入不同硝基芳烃类化合物后，铜纳米簇溶液的比色目视图；
29.图3为本发明利用检测材料pei-cu ncs制备的纸条基传感器检测tnt前后，在365nm紫外灯下的荧光变化照片。
具体实施方式
30.通过以下具体的实施例对本发明做进一步的说明，但发明不限制于这些具体的实施例。
31.实施例1
32.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
33.b、将浓度为100mm的硫酸铜200μl和浓度为500mm抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
34.c、量取的将步骤b得到的双模荧光铜纳米簇200μl置于石英比色皿容器内，再加入1m的naoh调节ph至10.0，加入200μl三硝基甲苯甲醇溶液，15min后用荧光光谱仪进行扫描tnt加入前后的荧光光谱，如图1所示，可以看出反应后，在500nm附近的荧光发射峰产生明显猝灭，且随着浓度加深光谱有明显红移。
35.实施例2
36.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
37.b、将浓度为150mm的硫酸铜200μl和浓度为600mm抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
38.c、将步骤b得到的双模荧光铜纳米簇200μl置于石英比色皿容器内，加入1m的naoh调节ph至10.0，再加入200μl的三硝基甲苯(tnt)甲醇溶液，15min后，在365nm紫外灯下观察到铜簇的绿色荧光发生明显猝灭。
39.实施例3
40.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
41.b、将浓度为200mm的硫酸铜200μl和浓度为700mm抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
42.c、将步骤b得到的双模荧光铜纳米簇200μl置于试管内，再加入1m的naoh调节ph至10.0，再加入200μl的三硝基苯酚(tnp)甲醇溶液，15min后用荧光光谱仪进行扫描tnt加入前后的荧光光谱，结果表明反应后，在500nm附近的荧光发射峰产生明显猝灭。
43.实施例4
44.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
45.b、将浓度为250mm的硫酸铜200μl和浓度为800mm抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
46.c、将步骤b得到的双模荧光铜纳米簇200μl置于试管内，再加入1m的naoh调节ph至10.0，再加入200μl的三硝基苯酚(tnp)甲醇溶液，15min后，在365nm紫外灯下观察到铜簇的绿色荧光发生明显猝灭。
47.实施例5
48.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
49.b、将浓度为300mm的硫酸铜200μl和浓度为900mm抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
50.c、将步骤b得到的双模荧光铜纳米簇200μl置于石英比色皿容器内，加入1m的naoh调节ph至10.0，再加入200μl的三硝基甲苯(tnt)甲醇溶液，15min后，用紫外-可见分光光度计测量反应前后溶液的吸收光谱变化，结果表明与tnt反应后在475nm产生了新的吸收峰，且溶液颜色变红。
51.实施例6
52.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
53.b、将浓度为180mm的硫酸铜200μl和浓度为1m抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮
的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
54.c、将步骤b得到的双模荧光铜纳米簇200μl置于石英比色皿容器内，加入1m的naoh调节ph至10.0，再加入200μl的三硝基苯酚(tnp)甲醇溶液，15min后，用紫外-可见分光光度计测量反应前后溶液的吸收光谱变化，结果表明与tnp反应后没有产生明显的新的吸收峰，且溶液颜色与刚加入三硝基苯酚(tnp)时相比没有明显变化，只是接近于三硝基苯酚(tnp)甲醇溶液的黄绿色。
55.实施例7
56.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
57.b、将浓度为280mm的硫酸铜200μl和浓度为850mm抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
58.c、将whatman滤纸裁剪成小条，浸泡在得到的双模荧光铜纳米簇溶液稀释5倍后的烧杯中，2h后取出，在温度60℃烘箱内干燥1小时，滴加三硝基甲苯(tnt)甲醇溶液与纸条上，分别在日光和365nm紫外灯下观察反应前后颜色变化，结果表明紫外灯下纸条荧光明显猝灭，日光下产生红色印记。
59.实施例8
60.a、室温下，将100mg的支化聚乙烯亚胺(pei)mw＝3500溶于4ml超纯水中，均匀搅拌10min；
61.b、将浓度为140mm的硫酸铜200μl和浓度为1m抗坏血酸1ml加入步骤a支化聚乙烯亚胺溶液中，并均匀搅拌，温度40℃反应2h，最终溶液变为浅绿色，在紫外灯下显现出明亮的绿色荧光，表明即得到双模荧光铜纳米簇pei-cu ncs；
62.c、将whatman滤纸裁剪成小条，浸泡在得到的双模荧光铜纳米簇溶液稀释5倍后的烧杯中，2h后取出，在温度60℃烘箱内干燥1小时，滴加三硝基苯酚(tnp)甲醇溶液与纸条上，分别在日光和365nm紫外灯下观察反应前后颜色变化，结果表明紫外灯下纸条荧光明显猝灭，日光下颜色没有明显变化。
63.虽然上述实施方式描述了本发明，应当理解的是，在不违背本发明的精神的前提下，本发明所述的铜纳米簇用于其它领域中的tnt和tnp检测同样适用。本发明中所述的铜纳米簇的各组分比例与相关条件参数可以适当调整，且这些变动同样属于本发明的范围。