一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法

摘要

本发明公开了一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，技术方案为：通过利用构建出的能够将其内部荧光探针信号大幅度增强的光子晶体功能体系，进而通过荧光强度变化实现对痕量胺类化合物的高灵敏识别检测，解决了传统检测方法（例如比色法、分光光度法、原子吸收法、质谱法等）对样品清洁度要求很高，检测前必须作相应的预处理，结果重现性差，以及灵敏度低且干扰因素较多等问题。本发明所提供的光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，还具有以下优点：该检测体系对检测痕量有机胺类化合物的荧光增强率可达205%，灵敏性高，该检测体系具有较好的抗干扰能力。

权利要求

1.一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，其特征在于，在光子带隙带边波长位置与荧光探针荧光发射波长位置相匹配的空心球光子晶体中，因光子晶体光子带隙的带边增强效应，极微量浓度的荧光探针溶液在激发光照射下也能够发出明显的荧光信号，当滴加有机胺类化合物时，有机胺类化合物能够有效淬灭荧光探针的信号，从而通过荧光强度的显著变化实现对有机胺类化合物的高灵敏检测；

所述荧光探针为罗丹明6G；

所述有机胺类化合物为二乙胺、三乙胺、正丙胺、苯胺、环己胺、异丙胺、组胺和正丁胺。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，其特征在于，主要具体步骤如下：步骤一：将颗粒粒径为180-400 nm的聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒配制成质量分数为0.1%-1%的分散液，超声0.5-2 h，备用；

步骤二：将步骤一所得的分散液通过自组装的方法在基底表面形成光子晶体薄膜；

步骤三：以步骤二得到的光子晶体薄膜为基础，经马弗炉灼烧处理，去除聚合物内核，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

步骤四：以步骤三得到的二氧化硅空心球光子晶体为基础，渗入荧光发射波长位置与所需光子带隙带边波长位置相匹配的荧光探针溶液，接着滴加一系列不同种类不同浓度的有机胺类化合物溶液，观察其淬灭效果，记录荧光发射光谱图，完成对有机胺类化合物的识别检测。

3.根据权利要求2所述的一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，其特征在于，步骤一中，配置分散液所用的溶剂为乙醇、水或两者的混合物；

所述胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯@二氧化硅核壳颗粒、聚丙烯酰胺@二氧化硅核壳颗粒、酚醛树脂@二氧化硅核壳颗粒或聚酰亚胺@二氧化硅核壳颗粒。

4.根据权利要求3所述的一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，其特征在于，步骤二中，基底为普通玻璃、有机玻璃、各类金属薄片或者陶瓷片；

分散液自组装的方法为垂直沉积、重力沉降、电泳沉积或者强制有序。

5.根据权利要求4所述的一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，其特征在于，步骤三中，光子晶体灼烧处理的具体步骤为：在马弗炉中以2℃/min的速度升温至500℃，持续恒温灼烧3 h。

说明书

一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法

技术领域

[0001] 本发明属于荧光分析检测技术领域，具体涉及一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法。

背景技术

[0002] 有机胺类化合物在各类药物、杀虫剂、染料添加剂以及抗腐蚀剂等领域的有着广泛的应用。大量生产和使用的同时，有机胺类化合物也以各种形式排放到大气、土壤、食品和各类水体中, 造成了严重的环境污染，对生态环境和人体健康都产生了很大的影响。许多有机胺类化合物不仅自身有毒,还易于与硝酸盐、亚硝酸以及酰胺等反应生成强致癌性的亚硝基化合物，该类化合物具有高毒性、持久性、迁移性以及富集性等特点，可以诱发肝癌、胃癌和食道癌等。因此，建立灵敏、快速、准确的检测痕量有机胺类化合物的方法在环境污染监测、食品安全检验以及疾病预防控制等方面具有重要意义。

[0003] 近年来，荧光检测技术因具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、稳定性高以及操作简单等优点，在痕量有机胺类化合物检测领域受到了研究者的广泛关注。为了实现对更低浓度痕量有机胺类化合物的识别检测，必须进一步提高荧光探针的检测灵敏度。目前关于提高荧光检测灵敏度的方法有两种，主要包括对荧光探针的结构修饰和采用特殊的检测基底。目前研究比较广泛的是通过结构修饰来实现传感灵敏度的提高，但结构修饰有时候并不容易，往往不可避免地经历复杂繁琐的有机合成过程，费时费力，而且到达一定极限也就很难再提高。通过有机/无机复合材料或采用微纳米结构基底也可以实现对灵敏度的改进，但荧光探针受限于这类普通平板基底的结构，其灵敏度仍有很大的改进空间。

发明内容

[0004] 为了实现对有机痕量胺类化合物的高灵敏检测，解决了传统检测方法（例如比色法、分光光度法、原子吸收法、质谱法等）对样品清洁度要求很高，检测前必须作相应的预处理，结果重现性差，以及灵敏度低且干扰因素较多等问题，本发明提供了一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，

[0005] 本发明所采用的技术方案是：

[0006] 一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，技术方案为：在光子带隙带边波长位置与荧光探针荧光发射波长位置相匹配的空心球光子晶体中，因光子晶体光子带隙的带边增强效应，极微量浓度的荧光探针溶液在激发光照射下也能够发出明显的荧光信号，当滴加有机胺类化合物时，有机胺类化合物能够有效淬灭荧光探针的信号，从而通过荧光强度的显著变化实现对有机胺类化合物的高灵敏检测。

[0007] 一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，主要具体步骤如下：

[0008] 步骤一：将颗粒粒径为180-400 nm的聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒配制成质量分数为0.1%-1%的分散液，超声0.5-2 h，备用；

[0009] 步骤二：将步骤一所得的分散液通过自组装的方法在基底表面形成光子晶体薄膜；

[0010] 步骤三：以步骤二得到的光子晶体薄膜为基础，经马弗炉灼烧处理，去除聚合物内核，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

[0011] 步骤四：以步骤三得到的二氧化硅空心球光子晶体为基础，渗入荧光发射波长位置与所需光子带隙带边波长位置相匹配的荧光探针溶液，接着滴加一系列不同种类不同浓度的有机胺类化合物溶液，观察其淬灭效果，记录荧光发射光谱图，完成对有机胺类化合物的识别检测。

[0012] 优选地，步骤一中，配置分散液所用的溶剂为乙醇、水或两者的混合物；所述胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯@二氧化硅核壳颗粒、聚丙烯酰胺@二氧化硅核壳颗粒、酚醛树脂颗粒@二氧化硅核壳颗粒或聚酰亚胺颗粒@二氧化硅核壳颗粒。

[0013] 优选地，步骤二中，基底为普通玻璃、有机玻璃、各类金属薄片或者陶瓷片；分散液自组装的方法为垂直沉积、重力沉降、电泳沉积或者强制有序；光子晶体薄膜除了空心球结构，同时也包括各类聚合物反蛋白石结构光子晶体薄膜。

[0014] 优选地，步骤三中，光子晶体灼烧处理的具体步骤为：在马弗炉中以2℃/min的速度升温至500℃，持续恒温灼烧3 h。

[0015] 优选地，步骤四中，渗入的荧光探针优选为罗丹明6G和以其为基本骨架的各类衍生物，或者其他能够被有机胺类化合物淬灭的结构类似的荧光探针；有机胺类化合物为二乙胺、三乙胺、正丙胺、苯胺、环己胺、异丙胺、组胺和正丁胺。

[0016] 本发明的有益效果是：

[0017] 1.本发明制备得到的功能体系在检测痕量有机胺类化合物具有更高的灵敏度：在合适波长位置光子带隙的光子晶体中，因光子晶体光子带隙的带边增强效应，微量浓度的荧光探针溶液在激发光照射下也能够发出明显的荧光信号，当溶液中存在痕量有机胺类化合物时，有机胺类化合物能够有效淬灭荧光探针的信号，从而通过荧光强度的显著变化就可以实现对有机胺类化合物的高灵敏检测。

[0018] 2.本发明所提供的光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法，将光子晶体+荧光染料+有机胺类三者结合起来，还具有以下优点：该检测体系对检测痕量有机胺类化合物的荧光增强率可达205%，灵敏性高，该检测体系具有较好的抗干扰能力。

附图说明

[0019] 图1为普通玻璃基底和光子晶体薄膜基底的荧光发射光谱图；

[0020] 图2为检测100 mg/L正丙胺时的荧光发射光谱变化图；

[0021] 图3为检测100 mg/L二乙胺时的荧光发射光谱变化图；

[0022] 图4为检测100 mg/L三乙胺时的荧光发射光谱变化图；

[0023] 图5为检测100 mg/L苯酚时的荧光发射光谱变化图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0025] 本发明通过利用构建出的能够将其内部荧光探针信号大幅度增强的光子晶体功能体系，进而通过荧光强度显著变化实现对痕量有机胺类化合物的高灵敏识别检测。

[0026] 本发明通过荧光检测技术与光子晶体技术相结合，利用光子晶体光子带隙的带边效应实现对微弱荧光探针信号的有效增强，就可以实现对更低浓度的痕量胺类化合物的高灵敏识别检测。带边效应即在布里渊区边界的特殊点(带交叉点和分开点，带边缘)，不同方向传播的波产生耦合，形成驻波，使光子带边中光的态密度增强，并导致光增益放大，从而可实现内部荧光信号的放大。

[0027] 本发明制备得到的空心球光子晶体功能体系，其在液相中光子带隙带边波长位置可以与所需荧光探针荧光发射波长位置相匹配，使其内部的荧光探针信号明显增强，从而在淬灭过程中产生显著的荧光强度变化，实现对痕量有机胺类化合物的高灵敏检测，[0028] 一种光子晶体荧光增强检测痕量有机胺类化合物的方法.具体步骤如下：

[0029] 步骤一：将颗粒粒径为180-400 nm范围的聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒配制成质量分数为0.1%-1%的分散液，超声0.5-2 h，备用；

[0030] 步骤二：将步骤一所得的分散液通过垂直沉积、重力沉降、电泳沉积、强制有序等方法与基底接触，待溶剂完全挥发干后，光子晶体薄膜即可在玻璃基底上形成；

[0031] 步骤三：以步骤二得到的光子晶体薄膜为基础，经马弗炉程序升温（2℃/min）至500℃高温下灼烧3 h去除聚合物内核，也使得二氧化硅壳层紧缩致密，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

[0032] 步骤四：以步骤三得到的二氧化硅空心球光子晶体为基础，渗入荧光发射波长位置与所需光子带隙带边波长位置相匹配的荧光探针溶液，接着滴加一系列不同种类不同浓度的胺类化合物溶液，观察其淬灭效果，记录荧光发射光谱图，完成对有机胺类化合物的识别检测。

[0033] 优选地，步骤一中，配置分散液所用的溶剂为乙醇、水或两者的混合物；胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯@二氧化硅核壳颗粒、聚丙烯酰胺@二氧化硅核壳颗粒、酚醛树脂颗粒@二氧化硅核壳颗粒或聚酰亚胺颗粒@二氧化硅核壳颗粒；

[0034] 优选地，步骤二中，所述基底为普通玻璃、有机玻璃、各类金属薄片或者陶瓷片。

[0035] 所述光子晶体薄膜除了空心球结构，同时也包括各类聚合物反蛋白石结构结构光子晶体薄膜。

[0036] 优选地，步骤四中，渗入的荧光探针优选为罗丹明6G和以其为基本骨架的各类衍生物，或者其他能够被有机胺类化合物淬灭的结构类似的荧光探针。有机胺类化合物为二乙胺、三乙胺、正丙胺、苯胺、环己胺、异丙胺、组胺和正丁胺。

[0037] 实施例1

[0038] 以玻璃片为基底，聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以罗丹明6G为渗入溶液。

[0039] 步骤一：首先，将5 mL的烧杯和玻璃基底用食人鱼溶液加热浸泡4h，然后，用去离子水清洗5次，再用乙醇冲洗4次，将基底用镊子放入烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。

[0040] 步骤二：将颗粒粒径为300 nm（壳厚度为50 nm）的聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球分散于水中，配制成浓度为1.0 wt%的分散液，超声1h，备用；

[0041] 步骤三：将玻璃基底垂直放置，取3 mL步骤二所得的分散液加入放有基底的干净烧杯中，然后将烧杯放于恒温干燥箱（35℃）进行静置，待溶剂完全挥发干后，光子晶体薄膜即在基底上形成；

[0042] 步骤四：以步骤三得到的核壳微球光子晶体薄膜为基础，经马弗炉程序升温（2℃/min）至500℃高温下灼烧3 h，去除聚合物内核，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

[0043] 步骤五：将1 mL罗丹明6G溶液渗入步骤四所得的光子晶体薄膜中，记录光谱数据，通过与对比玻璃基底比较，计算光子晶体薄膜的荧光增强效率。

[0044] 结论：当以玻璃片为基底，粒径大小为300 nm（壳厚度为50 nm）聚苯乙烯@二氧化-5  硅核壳微球为胶体颗粒，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以1 ml 5×10 mol/L罗丹明6G为渗入溶液，以波长为365 nm的紫外光激发，如图1所示,与对比玻璃基底比较,其荧光发射强度增强了 205.0 % 。

[0045] 实施例2

[0046] 以玻璃片为基底，聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以罗丹明6G为渗入溶液。

[0047] 步骤一：首先，将5 mL的烧杯和玻璃基底用食人鱼溶液加热浸泡4h，然后，用去离子水清洗5次，再用乙醇冲洗4次，将基底用镊子放入烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。

[0048] 步骤二：将颗粒粒径为300 nm（壳厚度为50 nm）的聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球分散于水中，配制成浓度为1.0 wt%的分散液，超声1h，备用；

[0049] 步骤三：将玻璃基底垂直放置在烧杯中，取3 mL步骤二所得的分散液加入其中，然后将烧杯放于恒温干燥箱（35℃）进行静置，待溶剂完全挥发干后，光子晶体薄膜即在基底上形成；

[0050] 步骤四：以步骤三得到的光子晶体薄膜为基础，经马弗炉程序升温（2℃/min）至500℃高温下灼烧3 h，去除聚合物内核，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

[0051] 步骤五：将1 mL罗丹明6G溶液渗入步骤四所得的光子晶体薄膜中，接着滴加1 mL 100 mg/L的正丙胺溶液，观察荧光淬灭效果，记录光谱数据，通过与空白实验比较（滴加1 mL乙醇），计算其淬灭效率。

[0052] 结论：当以玻璃片为基底，粒径大小为300 nm（壳厚度为50 nm）聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球为胶体颗粒，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以1ml 5×10-5  mol/L罗丹明6G为渗入溶液，以波长为365 nm的紫外光激发，如图2所示,滴加1 ml 浓度为100 mg/L的正丙胺溶液时,其荧光淬灭率为11.5 % 。

[0053] 实施例3

[0054] 以玻璃片为基底，聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以罗丹明6G为渗入溶液。

[0055] 步骤一：首先，将5 mL的烧杯和玻璃基底用食人鱼溶液加热浸泡4h，然后，用去离子水清洗5次，再用乙醇冲洗4次，将基底用镊子放入烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。

[0056] 步骤二：将颗粒粒径为300 nm（壳厚度为50 nm）的聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球分散于水中，配制成浓度为1.0 wt%的分散液，超声1 h，备用；

[0057] 步骤三：将玻璃基底垂直放置在烧杯底部，取3 mL步骤二所得的分散液加入其中，然后将烧杯放于恒温干燥箱（35℃）进行静置，待溶剂完全挥发干后，光子晶体薄膜即在基底上形成；

[0058] 步骤四：以步骤三所得的光子晶体薄膜为基础，经马弗炉程序升温（2 ℃/min）至500 ℃高温下灼烧3 h，去除聚合物内核，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

[0059] 步骤五：将1 mL罗丹明6G溶液渗入步骤四所得的光子晶体薄膜中，接着滴加1 mL 100 mg/L的二乙胺溶液，观察荧光淬灭效果，记录光谱数据，通过与空白实验比较（滴加1 mL乙醇），计算其淬灭效率。

[0060] 结论：当以玻璃片为基底，粒径大小为300 nm（壳厚度为50 nm）聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球为胶体颗粒，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以1 ml 5×10-5  mol/L罗丹明6G为渗入溶液，以波长为365 nm的紫外光激发，如图3所示,滴加1 ml 浓度为100 mg/L的二乙胺溶液时,其荧光淬灭率为 11.0%

[0061] 实施例4

[0062] 以玻璃片为基底，聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以罗丹明6G为渗入溶液。

[0063] 步骤一：首先，将5 mL的烧杯和玻璃基底用食人鱼溶液加热浸泡4h，然后，用去离子水清洗5次，再用乙醇冲洗4次，将基底用镊子放入烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。

[0064] 步骤二：将颗粒粒径为300 nm（壳厚度为50 nm）的聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球分散于水中，配制成浓度为1.0 wt%的分散液，超声1 h，备用；

[0065] 步骤三：将玻璃基底垂直放置烧杯底部，取3 mL步骤二所得的分散液加入其中，然后将烧杯放于恒温干燥箱（35℃）进行静置，待溶剂完全挥发干后，光子晶体薄膜即在基底上形成；

[0066] 步骤四：以步骤三制备得到的光子晶体薄膜为基础，经马弗炉程序升温（2 ℃/min）至500 ℃高温下灼烧3 h，去除聚合物内核，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

[0067] 步骤五：将1 mL罗丹明6G溶液渗入步骤四所得的光子晶体薄膜中，接着滴加1 mL 100 mg/L的三乙胺溶液，观察荧光淬灭效果，记录光谱数据，通过与空白实验比较（滴加1 mL乙醇），计算其淬灭效率。

[0068] 结论：当以玻璃片为基底，粒径大小为300 nm（壳厚度为50 nm）聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球为胶体颗粒，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以1 ml 5×10-5  mol/L罗丹明6G为渗入溶液，以波长为365 nm的紫外光激发，如图4所示,滴加1ml 浓度为100 mg/L的三乙胺溶液时,其荧光淬灭率为 43.2 %。

[0069] 实施例5

[0070] 以玻璃片为基底，聚合物@二氧化硅核壳微球胶体颗粒为聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以罗丹明6G为渗入溶液。

[0071] 步骤一：首先，将5 mL的烧杯和玻璃基底用食人鱼溶液加热浸泡4h，然后，用去离子水清洗5次，再用乙醇冲洗4次，将基底用镊子放入烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。

[0072] 步骤二：将颗粒粒径为300 nm（壳厚度为50 nm）的聚苯乙烯@二氧化硅核壳微球分散于水中，配制成浓度为1.0 wt%的分散液，超声1h，备用；

[0073] 步骤三：将玻璃基底垂直放置烧杯底部，取3 mL步骤二所得的分散液加入其中，然后将烧杯放于恒温干燥箱（35℃）进行静置，待溶剂完全挥发干后，光子晶体薄膜即在基底上形成；

[0074] 步骤四：以步骤三制备得到的光子晶体薄膜为基础，经马弗炉程序升温（2 ℃/min）至500 ℃高温下灼烧3 h，去除聚合物内核，最终制备得到二氧化硅空心球光子晶体薄膜；

[0075] 步骤五：将1 mL罗丹明6G溶液渗入步骤四所得的光子晶体薄膜中，接着滴加1 mL 100 mg/L的苯酚溶液，观察荧光淬灭效果，记录光谱数据，通过与空白实验比较（滴加1 mL乙醇），计算其淬灭效率。

[0076] 结论：当以玻璃片为基底，粒径大小为300 nm（壳厚度为50 nm）聚苯乙烯@二氧化-5  硅核壳微球为胶体颗粒，通过垂直自组装法制备光子晶体薄膜，以1 ml 浓度为5×10mol/L罗丹明6G为渗入溶液，以波长为365 nm的紫外光激发，如图5所示,滴加1 ml 浓度为
100 mg/L的苯酚溶液时,其荧光强度几乎没有变化，说明检测体系具有较好的抗干扰能力。

[0077] 综上，本方法制备得到的光子晶体功能体系，当以 5×10-5  mol/L罗丹明6G为渗入探针溶液，以波长为365 nm的紫外光激发时,与对比玻璃基底比较,能够使荧光发射强度增强 205.0 %。在对100 mg/L的正丙胺溶液、二乙胺溶液和三乙胺溶液检测中，分别实现了11.5%、 11.0%和43.3%，显示出了良好的淬灭效果。在以100 mg/L 的苯酚为干扰物的检测中，荧光强度几乎没有变化，说明检测体系具有较好的抗干扰能力。

[0078] 本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。