ZnS,Fe3O4纳米复合物的制备

1 实验目的

（1）掌握羧基修饰Fe3O4的制备、ZnS量子点的制备和量子点氨基修饰的方法。

（2）了解酰胺化反应的原理，掌握酰胺化反应的操作。 （3）学习并掌握荧光分光光度计的使用方法。

2 实验背景

2.1 分子印迹技术 2.1.1 分子印迹简介

分子印迹技术是近年发展起来的一门结合高分子化学、材料科学、化学工程及生物化学的交叉学科技术。它利用分子印迹聚合物模拟酶-底物或抗体-抗原之间的相互作用，对印迹分子也称模板分子进行专一识别。这类聚合物是具有分子识别功能的新型仿生试剂，其通常含有一定的空间形状、不同大小的化学官能团。2.1.2 分子印迹原理

当模板分子（印迹分子）与聚合物单体接触时会形成多重作用点，通过聚合过程这种作用就会被记忆下来，当模板分子除去后，聚合物中就形成了与模板分子空间构型相匹配的具有多重作用点的空穴，这样的空穴将对模板分子及其类似物具有选择识别特性。 2.1.3 分子印迹方法

（1）共价键法（预组装）：聚合前印迹分子与功能单体反应形成硼酸酷、西夫碱、亚胺、缩醛等衍生物，通过交联剂聚合产生高分子聚合物，用水解等方法除去印迹分子即得到共价结合型分子印迹聚合物。

（2）非共价键法（自组装）：非共价键法是制备分子印迹聚合物最有效且最常用的方法。这些非共价键包括静电引力（离子交换）、氢键、金属鳌合、电荷转移、疏水作用以及范德华力等。其中最重要的类型是离子作用，其次是氢键作用。

（3）共价作用与非共价作用杂化：该法实际上是把分子自组装和分子预组装两种方法结合起来形成的方法。首先，印迹分子与功能单体以共价键的形式形成印迹分子衍生物（单体-印迹分子聚合物），这一步相当于分子预组装过程，然后交联聚合，使功能基固定在聚合物链上，出去印迹分子后，功能基留在空穴中。当印迹分子重新进入空穴中时，印迹分子与功能单体上的功能基不是以共价键结合，而是以非共价键结合，如同分子自组装。

（4）金属螯合作用：金属离子与生物或药物分子的螯合作用具有高度的立体选择性、结合和断裂均比较温和的特点，故有望应用于分子印迹中。 2.1.4 基本步骤

分子印迹聚合物是由多种化合物反应得到的聚集体系，其中包括模板分子、功能单体、交联剂、致孔剂还有引发剂。在选择化学物反应体系时，首先得保证模板分子与功能单体具有能够通过共价键或非共价键有效结合的位点，然后以引发剂作催化，使聚合过程得以顺利进行。其过程包括以下三个步骤：

（1）在一定溶剂（也称致孔剂）中，模板分子与功能单体依靠官能团之间的共价或非共价作用形成主客体配合物；

（2）加入交联剂，通过引发剂、光或热等引发单体聚合，使主客体配合物与交联剂通过自由基共聚合在模板分子周围形成高联的刚性聚合物；

（3）将聚合物中的印迹分子洗脱或解离出来。 2.1.5 分子印迹的应用

（1）生物学应用：除了氨基酸、单糖等生物小分子外，蛋白质是最早被用于MIT 的生物大分子。已经报道的被用于分子印迹方法的蛋白质有牛血色素、牛血清蛋白、肌酸激酶、溶解酵素等。2004 年，Slinchenko等首次在硅烷化的载玻片表面合成了DNA 分子印迹聚合物。Ogiso等制备了针对特异性DNA 片断的分子印迹聚合物凝胶， 实现了对单个碱基突变进行识别与分离。模板分子甚至可以是整个生物细胞。酵母细胞甚至很柔软的血红细胞也可以被印迹。

（2）分析化学应用：分子印迹技术由于其对目标分子的强亲和力和高选择性，被应用于多种环境污染物的富集、检测之中。在分子印迹技术兴起的20 世纪90 年代，人们就已经开始了将其应用于农药领域的研究。三嗪类除草剂莠去津是早期被运用于农药分子印迹的模板分子之一。目前，可以使用分子印迹技术制得相应印迹聚合物的农药已有硫丹、三嗪类除草剂、有机磷酸酯类杀虫剂等。分子印迹技术已被证明可用于环境样本中重金属离子的检测。表面印迹在合成金属离子的分子印迹聚合物中较为常用。此外，其它一些环境污染物，如多环芳烃（PAHs）、内分析干扰素雌酮、17β-雌二醇、炔雌酮等、染料孔雀石绿等，也可用分子印迹方法进行检测、净化。

（3）天然产物化学及医药应用：分子印迹技术运用于天然产物分离、分析由来已久。目前，将分子印迹技术运用于天然产物之中基本分为以下几种方式：以分子印迹聚合物作为色谱固定相；用作色谱前处理SPE填料；制成薄膜和传感器等。如颜流水等以沉淀聚合法成功制备了咖啡因印迹聚合物微球。分子印迹技术以其高亲和性、高选择性为天然产物的分离与检测提供了新的广阔的平台。

（4）有机合成应用：用分子印迹技术可以制得有类似酶活性中心的孔穴，而且在孔穴内可以制得与反应物结合的基团并引入各种具有催化作用的基团。 2.2 ZnS/Fe3O4纳米复合物 2.2.1 磁性粒子

磁性纳米粒子有超顺磁性、高矫顽力、低居里温度与高磁化率等特点。近年来，磁性纳米颗粒引起了科研工作者极大的研究兴趣，并在生物医学领域得到了广泛应用，主要包括磁共振成象、基因和药物传输、磁热疗、生物磁性分离等。其中，超顺磁性氧化铁纳米颗粒是生物医学领域研究最多的一种磁性纳米材料。这是因为磁性氧化铁纳米颗粒不仅生物兼容性好、易于和其它物质结合(如染料、生物分子等)，而且对外加磁场有很好的响应。 2.2.2 ZnS量子点

量子点是由II-VI或II-V族元素组成的小分子无机物，微观形态上位荧光纳米微球，其粒径约为1-12nm，是一种零维的半导体纳米微晶。不同于普通纳米微粒杂乱的原子排布，量子点中的大约200-10000个原子呈现类似体相晶体的规整原子排列。由于量子点的尺寸微小，因此在微观上会体现出许多独特的性质，最受人关注的便在于其的光学和电学特征，不同尺寸的量子点在光激发下会发出不同波长的光。同时，量子点还具有宽的激发谱，以及较窄的光谱带。在按照其结构组成上的不同，量子点可以分为核壳式结构量子点，金属量子点，以及掺杂式量子点。量子点在细胞标记、筛选药物、医学成像、单分子研究以及疾病诊断与治疗等方面有极大的应用前景。

ZnS是一种半导体材料，能带为3.7eV。ZnS量子点因其独特的光电性质，如较大的能带、高电场抗性和光致发光等性质，近些年来也已经受到了广泛的关注。ZnS量子点在当代技术应用中也有非常广的应用前景，如太阳能电池、变频传感器、荧光发光材料和催化剂等。 2.2.3ZnS/Fe3O4纳米复合物

非复合纳米材料由于其功能的单一性使其在很多领域的应用都受到了限制，所以近些年来，多功能复合纳米材料的研究引了广泛的关注。在众多的研究中关于ZnS/Fe3O4纳米复合材料的报道还很少，ZnS／Fe3O4纳米复合材料结合了ZnS量子点的荧光发光特性和纳米Fe3O4的磁性而具有双重功能，这种材料的研究有一定的潜在价值。 2.3 荧光分光光度计

荧光分光光度计是用于扫描液相荧光标记物所发出的荧光光谱的一种仪器。其能提供包括激发光谱、发射光谱以及荧光强度、量子产率、荧光寿命、荧光偏振等许多物理参数，从各个角度反映了分子的成键和结构情况。通过对这些参数的测定，不但可以做一般的定量分析, 而且还可以推断分子在各种环境下的构象变化，从而阐明分子结构与功能之间的关系。荧光分光光度计的激发波长扫描范围一般是190~650nm，发射波长扫描范围是200~800nm。可用于液体、固体样品（如凝胶条）的光谱扫描。 2.3.1 仪器原理

由高压汞灯或氙灯发出的紫外光和蓝紫光经滤光片照射到样品池中，激发样品中的荧光物质发出荧光，荧光经过滤过和反射后，被光电倍增管所接受，然后以图或数字的形式显示出来。

物质荧光的产生是由在通常状况下处于基态的物质分子吸收激发光后变为激发态, 这些处于激发态的分子是不稳定的,在返回基态的过程中将一部分的能量又以光的形式放出，从而产生荧光。不同物质由于分子结构的不同,其激发态能级的分布具有各自不同的特征，这种特征反映在荧光上表现为各种物质都有其特征荧光激发和发射光谱，因此可以用荧光激发和发射光谱的不同来定性地进行物质的鉴定。

在溶液中，当荧光物质的浓度较低时,其荧光强度与该物质的浓度通常有良好的正比关系,即IF=KC,利用这种关系可以进行荧光物质的定量分析,与紫外-可见分光光度法类似，荧光分析通常也采用标准曲线法进行。 2.3.2 仪器组成

（1）光源：为高压汞蒸气灯或氙弧灯，后者能发射出强度较大的连续光谱，且在300nm～400nm 范围内强度几乎相等，故较常用。

（2）激发单色器：置于光源和样品室之间的为激发单色器或第一单色器，筛选出特定的激发光谱。

（3）发射单色器：置于样品室和检测器之间的为发射单色器或第二单色器，常采用光栅为单色器。筛选出特定的发射光谱。

（4）样品室：通常由石英池(液体样品用)或固体样品架(粉末或片状样品)组成。测量液体时，光源与检测器成直角安排；测量固体时，光源与检测器成锐角安排。

（5）检测器：一般用光电管或光电倍增管作检测器。可将光信号放大并转为电信号。 2.3.3 仪器应用

理论上，具有刚性结构和平面结构的分子；π电子共轭体系的分子；给电子取代基的化合物都可用直接荧光法测定。间接荧光法测定是目标分析物本身不具备荧光发射能力，但具备使某种荧光物质荧光猝灭的能力，或者可以通过氧化还原偶联酶催化等手段使其转化为荧光物质，而进行间接测定。

3 实验原理

3.1 磁性粒子制备

实验室制备磁性粒子采用水热法制备，水热法具有过程简单，原材料价格低，可大规模一步制备的优势，在密闭的高温高压反应釜中，采用乙二醇作为溶剂，利用高温条件下乙二醇的还原性部分还原Fe3+，并形成Fe3O4晶体，同时加入柠檬酸三钠对磁性粒子进行表面羧基修饰，为保证磁性粒子在应用过程中的稳定性与分散性，再加入醋酸钠提供静电作用力来稳定分散系，阻止纳米粒子团聚。制备得到表面羧基修饰的Fe3O4磁性纳米颗粒形貌可控，粒径均一，分散性良好。 3.2 酰胺化反应

在本实验中，由于合成的Fe3O4磁性颗粒表面修饰的羧基的反应活性不高，需通过EDC/NHS反应体系进行活化后进行后续的酰胺化反应。EDC试剂全名1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，NHS试剂全名N-羟基琥珀酰亚胺，EDC/NHS常联用作为羧基的活化试剂。在该反应的反应机理中，EDC反应将羧基酸酯化，可以使其反应活性显著提升，但是活化后的羧基易水解，需加入NHS与其结合形成稳定的活泼酯中间体，便于下一步的酰胺化反应。通过EDC/NHS反应体系，活化Fe3O4磁性颗粒表面修饰的羧基（-COOH）与ZnS量子点表面修饰的氨基（-NH2）进行酰化反应，得到酰胺键（-CONH-），使ZnS量子点包裹在磁性颗粒表面，得到磁性荧光纳米颗粒复合材料。

4 实验仪器及试剂

4.1 实验试剂

FeCl3,柠檬三酸钠，乙二醇，无水乙酸钠，氨基修饰的ZnS量子点，柠檬酸，EDC，NHS。 4.2 实验仪器

超声波清洗仪，真空冷冻干燥机，烘箱，反应釜，恒温摇床，荧光分光光度计，磁力搅拌器。

5 实验步骤

5.1 羧基修饰的Fe3O4的制备

（1）取FeCl3 1.95g，0.6g柠檬三酸钠，60ml乙二醇，加入烧杯中。 （2）超声溶解上述混合溶液。

（3）开始搅拌溶液，在搅拌的过程中，缓慢加入3.6g无水乙酸钠，加满30分钟。

（3）将上述溶液放入反应釜中，于200℃烘箱加热12h，放于室温环境降温一晚。

（4）将所得产物，放入-80℃的冰箱冷冻20min后，将产物置于离心管真空冷冻干燥4-5h，之后置于4℃环境下保存。 5.2 酰胺化反应

（1）预先配制PH6.4的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，配置完毕后，用玻璃瓶装，4℃冰箱保存。

（2）用缓冲溶液配制活化试剂EDC/NHS（8:9.6 mg/mL）。

（3）取64mg羧基修饰的磁性颗粒，加入500ml活化试剂，搅拌2h。 （4）向第（1）步活化后的羧基磁流体中加入500mg氨基修饰后的ZnS量子点，超声溶解后，在温度为30℃的搅拌中反应20h。

（5）先用磁铁吸附，分别测定吸附0min，3min，6min和20min的上清液荧光强度。再将液体重悬，每隔3min测定一次上清液的荧光强度。

6 实验结果

（1）磁铁吸附时荧光强度的测定

（2）自然沉淀时荧光强度的测定

7 结果分析

在实验时观察，磁铁吸附时随着时间的推移，可明显观察到锥形瓶底部沉淀逐渐增多，上层液体逐渐变得清澈，而自然沉降时锥形瓶中的浑浊度几乎无法观察到随时间出现的变化。

由荧光强度测定的结果可知，磁铁吸附溶液时，随着时间的推移，上清液的荧光强度下降明显。而在重悬后，自然沉降时上清液的荧光强度，随着时间的推移测定出的结果基本上没有变化。

所以可以得出结论，经过酰胺化反应，活化Fe3O4磁性颗粒表面修饰的羧基（-COOH）与ZnS量子点表面修饰的氨基（-NH2）进行酰化反应，得到酰胺键（-CONH-），使ZnS量子点包裹在磁性颗粒表面，才会被磁铁吸附时，液体逐渐变清澈，底部沉淀增多，以及荧光强度的下降。

8 实验反思

（1）真空冷冻干燥结束时，发现离心管倒掉，以后实验需注意加支撑物进行支撑，防止倾倒。

（2）测定结果荧光强度偏低，考虑可能羧基修饰的ZnS量子点放置时间过长。

（3）荧光测定时，每测定一次，需要把比色皿里溶液倒回锥形瓶，需用胶头滴管缓慢滴加，防止底部沉淀被冲起。

参考文献

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