一种铜-金纳米簇体系比率荧光检测三硝基甲苯的方法

1.本发明涉及一种利用铜-金纳米簇体系比率荧光检测三硝基甲苯(tnt)的方法。


背景技术：

2.三硝基甲苯(trinitrotoluene，tnt)，又称梯恩梯，是一种黄色烈性炸药，同时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)。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三硝基甲苯(tnt)(j.am.chem.soc.2011,133,8424
–
8427)；主干中含有芘单元的聚合物ppes薄膜用于荧光猝灭检测三硝基甲苯(tnt)(macromolecules,2011,44,4759
–
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三硝基甲苯(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(cn111943907a)；聚乙烯亚胺修饰的铜纳米簇荧光/比色双模检测三硝基甲苯(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，实现三硝基甲苯(tnt)与其他硝基芳烃类爆炸物中的区分(j.mater.chem.a,2020,8,10767)，含硅的炔基咔唑超支化聚合物荧光猝灭检测三硝基甲苯(tnt)(cn108559095b)。
3.相比于常见的荧光淬灭模式检测三硝基甲苯(tnt)容易受到假阳性信号的干扰，比率荧光体系能将单一荧光强度的变化转换为两个峰的峰强度比率变化，由于分析物逐步添加导致的连续荧光信号变化也可能产生荧光颜色的改变，通过紫外灯下相应的荧光颜色变化就可以粗略估计待测物的浓度范围，大大提高裸眼识别的能力。同时，比率荧光减少了许多外部因素的干扰，如环境、仪器状态和激发光强度等，提高了现场可视化检测的能力。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种利用铜-金纳米簇比率荧光检测三硝基甲苯的方法，该方法首先制备铜纳米簇和金纳米簇，再将铜纳米簇和金纳米簇混合，置于试管或比色皿简易检测容器内，调节ph至弱酸性后，直接实现现场快速荧光比率检测三硝基甲苯。该方法实现了对三硝基甲苯(tnt)的特异性可视化检测。利用荧光光谱研究了该荧光材料对硝基炸药分子的选择性和灵敏度，结果表明，加入相同浓度的三硝基甲苯(tnt)和其它干扰物后，荧光光谱在445nm处的荧光强度i
445
和620nm处的荧光强度i
620
的比值i
445
/i
620
只有在加入三硝基甲苯(tnt)后会明显增大，其它干扰物只会引起小的变化。同时，在365nm紫外灯照射下，铜-金纳米簇材料的荧光颜色会由粉红色变为蓝紫色。本发明提供的检测方法具有制备简易，操作简单、价格低廉、可视化程度高等特点，有利于三硝基甲苯(tnt)现场检测。
5.本发明所述的一种铜-金纳米簇体系比率荧光检测三硝基甲苯的方法，按下列步
骤进行：
6.制备铜纳米簇：
7.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
8.制备金纳米簇：
9.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
10.检测三硝基甲苯：
11.c、室温下，将步骤a得到的铜纳米簇和步骤b得到的金纳米簇按体积比1:2混合，置于试管或比色皿简易检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，再用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
12.d、将待测物三硝基甲苯加入到步骤c得到的检测溶液中，用荧光光谱仪扫描上述溶液与待测物反应前后的荧光发射光谱，以荧光光谱在445nm处的荧光强度i
445
和620nm处的荧光强度i
620
的比值i
445
/i
620
为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的荧光强度与tnt的浓度关系；
13.或将待测物三硝基甲苯加入到步骤c得到的检测溶液中，10s后在365nm紫外灯下观察到铜-金纳米簇材料体系的荧光颜色。
14.本发明所述的一种铜-金纳米簇体系比率荧光检测三硝基甲苯的方法，所述的铜纳米簇为聚乙烯亚胺修饰的铜纳米团簇，金纳米簇为谷胱甘肽修饰的金纳米簇，其原料均可通过商业途径购买，且无需复杂的有机合成步骤及后处理，省时省力。按照体积比，在室温条件下，将两种纳米簇按比例混合并调节ph得到检测材料。该检测材料具有对三硝基甲苯(tnt)显示高效、快速、特异地检测性能，同时金属纳米簇绿色无毒，环境友好。本发明针对环境和制式爆炸物原料中的相关成分进行检测。此外，该铜-金纳米簇材料与三硝基甲苯(tnt)反应后在10s内达到裸眼可视化的比率荧光现象，无需复杂的仪器设备，从而实现了低成本的即时现场检测，该方法的具体操作步骤如下：
15.制备检测材料：
16.将100mg的聚乙烯亚胺(pei，mw＝3500)溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200mm的硫酸铜作为铜源，同时加入1m的抗坏血酸搅拌均匀，二者的体积比为2:1，在温度40℃反应2.5h，最终溶液变为浅绿色，表明聚乙烯亚胺包覆的铜纳米簇(pei-cu ncs)的成功合成；
17.将浓度为0.1m的谷胱甘肽(gsh)溶液快速加入到8ml高氯酸金(haucl4,10mm)溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇(gsh-au ncs)；
18.检测三硝基甲苯：
19.按体积比1:2分别取铜纳米簇溶液和金纳米簇溶液混合，加入去离子水稀释，用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
20.将三硝基甲苯(tnt)溶液加入检测溶液中，用荧光光谱仪扫描上述溶液与待测物反应前后的荧光发射光谱，以荧光光谱在445nm处的荧光强度i
445
和620nm处的荧光强度i
620
的比值i
445
/i
620
为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的荧光强度与tnt的浓度关系；
21.所用铜纳米簇溶液的体积为50μl，金纳米簇溶液的体积为100μl，加入的待测物溶液体积为200μl；荧光光谱仪所需检测试样的总体积2ml，荧光光谱测试的激发波长为370nm；
22.铜-金纳米簇体系由两种金属纳米簇组成，其中铜纳米簇在365nm紫外激发光下显示明亮的蓝绿色荧光，最大发射波长为500nm；金纳米簇在365nm紫外激发光下显示橙色荧光，最大发射波长为620nm，在与三硝基甲苯(tnt)反应后呈现荧光比率变化，荧光颜色由粉红色变为蓝紫色；据此，该荧光纳米材料能通过比率荧光高效特异地检测三硝基甲苯(tnt)，以及环境问题中爆炸残留物的鉴定。
23.本发明所述的一种铜-金纳米簇体系比率荧光检测三硝基甲苯的方法，该方法中的铜-金纳米簇材料(pei-cu ncs/gsh-au ncs)比率荧光主要用于现场的三硝基甲苯(tnt)检测，包括tnt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。
24.与现有技术相比，本发明的特点如下：
25.1、本发明采用的荧光材料为铜-金纳米簇材料，纳米簇制备成本低廉、并且环境友好；
26.2、本发明提供的荧光检测方法可以快速、高效、可视化地实现三硝基甲苯(tnt)的特异性检测；
27.3、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10s内可以裸眼观察到比率荧光现象，检测限低至0.20nm。
附图说明
28.图1为本发明铜-金纳米簇材料(pei-cu ncs/gsh-au ncs)对三硝基甲苯(tnt)甲醇溶液的荧光检测图，其中，a为荧光光谱的变化情况图，b为铜-金纳米簇材料(pei-cu ncs/gsh-au ncs)在445nm处和620nm处的荧光强度比值与tnt的浓度关系，内插图为365nm紫外灯下拍摄的照片；
29.图2为本发明对三硝基甲苯(tnt)的选择性荧光检测图，其中a为铜-金纳米簇材料(pei-cu ncs/gsh-au ncs)检测多种硝基芳烃类化合物和金属阳离子荧光光谱的变化情况图，b为铜-金纳米簇材料(pei-cu ncs/gsh-au ncs)在445nm处和620nm处的荧光强度比值与待测物的关系，内插图为365nm紫外灯下拍摄的照片；
30.图3为本发明对三硝基甲苯(tnt)的抗干扰性荧光检测图，其中a为铜-金纳米簇材料(pei-cu ncs/gsh-au ncs)检测多种硝基芳烃类化合物或金属阳离子与tnt的混合物时的荧光光谱的变化情况图，b为铜-金纳米簇材料(pei-cu ncs/gsh-au ncs)在445nm处和620nm处的荧光强度比值与待测物的关系，内插图为365nm紫外灯下拍摄的照片。
具体实施方式
31.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。
32.实施例1
33.制备铜纳米簇：
34.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
35.制备金纳米簇：
36.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
37.检测三硝基甲苯：
38.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于试管检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，再用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
39.d、将200μl浓度的三硝基甲苯(tnt)溶液加入检测溶液中，用荧光光谱仪扫描上述溶液与待测物反应前后的荧光发射光谱，以荧光光谱在445nm处的荧光强度i
445
和620nm处的荧光强度i
620
的比值i
445
/i
620
为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的荧光强度与tnt的浓度关系，如图1所示，随着三硝基甲苯(tnt)浓度的增加，荧光光谱显示tnt对gsh-au ncs在620nm处的荧光特征峰淬灭效应明显，而对pei-cu ncs在445nm处的荧光峰淬灭能力较弱，三硝基甲苯(tnt)的浓度在0-27.5μm的范围内具有良好的线性关系，线性方程表述为：y＝0.895x+0.009，决定系数r2为0.9839，该纳米比率荧光体系对三硝基甲苯(tnt)的检测限低至0.20nm。
40.实施例2
41.制备铜纳米簇：
42.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
43.制备金纳米簇：
44.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
45.检测三硝基甲苯：
46.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于比色皿简易检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，再用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
47.d、将200μl的三硝基甲苯(tnt)溶液加入步骤c得到的检测溶液中，10s后在365nm紫外灯下观察到pei-cu ncs/gsh-au ncs体系的荧光颜色在加入三硝基甲苯(tnt)后由粉红色变为蓝紫色。
48.实施例3
49.制备铜纳米簇：
50.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，
同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
51.制备金纳米簇：
52.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
53.检测三硝基甲苯：
54.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于试管检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，再用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
55.d、将200μl的苦味酸(tnp)溶液加入步骤c得到的检测溶液中，用荧光光谱仪扫描上述溶液与待测物反应前后的荧光发射光谱，以荧光光谱在445nm处的荧光强度i
445
和620nm处的荧光强度i
620
的比值i
445
/i
620
为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的荧光强度比值与tnp的关系，如图2所示，加入tnp后，荧光光谱显示gsh-au ncs在620nm处的荧光特征峰淬灭效应明显，对pei-cu ncs在445nm处的荧光峰淬灭效应也明显，使得整体荧光强度下降，i
445
/i
620
的比值在加入tnp后小于1.0，比值没有明显增大。
56.实施例4
57.制备铜纳米簇：
58.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
59.制备金纳米簇：
60.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
61.检测三硝基甲苯：
62.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于比色皿简易检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，再用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
63.d、将200μl的苦味酸(tnp)溶液加入到步骤c得到的检测溶液中，10s后在365nm紫外灯下观察到pei-cu ncs/gsh-au ncs体系的荧光颜色在加入tnt后由粉红色变为无色。
64.实施例5
65.制备铜纳米簇：
66.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
67.制备金纳米簇：
68.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中
高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
69.检测三硝基甲苯：
70.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于试管检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，最后用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
71.d、将200μl的dnt溶液加入到步骤c得到的检测溶液中，用荧光光谱仪扫描上述溶液与待测物反应前后的荧光发射光谱，以荧光光谱在445nm处的荧光强度i
445
和620nm处的荧光强度i
620
的比值i
445
/i
620
为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的荧光强度比值与dnt的关系，如图2所示，加入dnt后，荧光光谱显示gsh-au ncs在620nm处的荧光特征峰淬灭效应不明显，对pei-cu ncs在445nm处的荧光峰淬灭效应也不明显，使得两个特征峰的相对荧光强度变化小，i
445
/i
620
的比值在加入dnt后没有明显变化。
72.实施例6
73.制备铜纳米簇：
74.a、将100mg的支化聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
75.制备金纳米簇：
76.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
77.检测三硝基甲苯：
78.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于试管检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，再用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
79.d、将200μl的dnt溶液加入到步骤c得到的检测溶液中，10s后在365nm紫外灯下观察到pei-cu ncs/gsh-au ncs体系的荧光颜色在加入dnt后保持粉红色不变。
80.实施例7
81.制备铜纳米簇：
82.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
83.制备金纳米簇：
84.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
85.检测三硝基甲苯：
86.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于试管检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，再用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
87.d、将200μl的三硝基甲苯(tnt)和干扰物溶液加入步骤c得到的检测溶液中，用荧光光谱仪扫描上述溶液与待测物反应前后的荧光发射光谱，以荧光光谱在445nm处的荧光强度i
445
和620nm处的荧光强度i
620
的比值i
445
/i
620
为纵坐标，波长为横坐标，得到溶液反应前后的荧光强度比值与待测物的关系，如图3所示，加入含三硝基甲苯(tnt)的混合物后，荧光光谱显示gsh-au ncs在620nm处的荧光特征峰淬灭效应明显，对pei-cu ncs在445nm处的荧光峰淬灭效应较弱，使得i
445
/i
620
的比值在加入混合物后相比于只加入三硝基甲苯(tnt)的比值变化小，表明pei-cu ncs/gsh-au ncs检测三硝基甲苯(tnt)时的抗干扰性良好。
88.实施例8
89.制备铜纳米簇：
90.a、将100mg的聚乙烯亚胺溶于5ml水中，搅拌均匀，加入200μl的硫酸铜作为铜源，同时加入100μl的抗坏血酸搅拌均匀得到混合液，再将混合溶液在温度40℃，反应2.5h，得到铜纳米簇，其中：硫酸铜在水溶液中的浓度为100mm，抗坏血酸在水溶液中的浓度为1m；
91.制备金纳米簇：
92.b、将浓度为0.1m的谷胱甘肽溶液快速加入到8ml高氯酸金10mm溶液中，强烈搅拌5min后，置于温度70℃反应24h，直至溶液变为淡黄色，得到谷胱甘肽包覆的金纳米簇，其中高氯酸金和谷胱甘肽的摩尔比为1:1.5；
93.检测三硝基甲苯：
94.c、室温下，按体积比1:2将步骤a得到的铜纳米簇50μl和步骤b得到的金纳米簇100μl混合，置于比色皿简易检测容器内，加入去离子水稀释，使得总体积为2ml，最后用hcl调节ph至4.0-6.0，得到检测溶液；
95.d、将200μl的三硝基甲苯(tnt)和干扰物溶液加入到步骤c得到的检测溶液中，10s后在365nm紫外灯下观察到pei-cu ncs/gsh-au ncs体系的荧光颜色在加入含tnt的混合物后由粉红色变为蓝紫色。