荧光分子印迹-磁性共价有机骨架材料的研制及其在药物分析领城中的应用

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目的:(1)研制制备方法简单、灵敏度高的基于桂花的蓝光碳点(carbon dots,CDs),并将其有效地用于水体及血浆中Fe3+的灵敏检测以及抗坏血酸(ascorbic acid,AA)的间接检测和细胞成像。(2)研制新型的基于CDs-磁性分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymers,MIPs)的复合材料,并将其用于2,4,6-三硝基苯酚(TNP)的分离分析。(3)研制吸附性能良好的新型磁性共价有机骨架材料(Magnetic covalent organic frameworks,MCOFs),并将其用作磁固相萃取(Magnetic solid phase extraction,MSPE)的吸附剂,用于药物分析领域中抗生素类药物的分离分析。(4)研制具有高选择性、高吸附性能及高灵敏度的基于荧光CDs-MIPs-MCOFs新型复合材料,并将其用于水体中痕量环境污染物TNP的富集及分析。方法:(1)以桂花作为绿色来源的制备CDs的前驱体,通过水热合成法制备蓝光CDs(对原料用量、反应温度及反应时间等制备条件进行优化),并采用透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和能量色散谱(EDS)对所制备的CDs进行形貌和官能团表征。采用紫外可见吸收光谱(UV-vis)和荧光光谱对CDs的光学性能进行表征。而后,将CDs应用于Fe3+的灵敏检测。并通过UV-vis检测和荧光寿命分析评价CDs-Fe3+的猝灭机理。由于添加抗坏血酸(AA)可以部分恢复Fe3+对CDs的荧光猝灭,制备了“off-on”传感器用于AA的间接检测。最后,以肺癌细胞(A549)为研究对象,将CDs用于MTT实验和细胞成像实验,以探索CDs的细胞毒性和生物相容性。(2)以无水柠檬酸为碳源、AEAPMS为表面修饰剂制备蓝光CDs;以CDs和Fe3O4作为共核,分子印迹聚合物(MIPs)作为特定识别位点,通过反向微乳液法制备CDs-磁性MIPs复合材料(CDs/Fe3O4@MIPs和CDs/Fe3O4@NIPs)。通过TEM、EDS、FT-IR、Zeta电位分析、XRD和振动样品磁力分析(VSM)对聚合物进行表征。优化聚合物应用于TNP的荧光检测条件,并考察聚合物对TNP的选择性及灵敏性。利用荧光寿命试验以及不同温度下猝灭速率常数探究TNP对聚合物复合材料的猝灭机制。最后,将制备的聚合物复合材料用于实际水样中TNP的检测与分析。(3)以1,3,5-三(对甲酰基苯基)苯和4,4’’-二氨基-对-三联苯为单体,以Fe3O4为磁性来源,制备MCOFs。通过SEM、TEM、EDS、XRD、VSM、TGA等表征手段,对制备的MCOFs进行有效表征,以保证其成功制备。接着,将所制备的MCOFs材料用作MSPE的吸附剂,并结合HPLC-DAD,考察不同MSPE条件下MCOFs的吸附能力,推测该材料对氟喹诺酮类药物的吸附机制。接着,采用静态吸附实验对材料的吸附模型进行研究。最后,将MCOFs用于血液、牛奶、猪肉样本中喹诺酮类药物(环丙沙星、恩诺沙星、洛美沙星、加替沙星、左氧氟沙星、培氟沙星)的分离分析。(4)首先,以2,3,5,6-四氟对苯二甲醛和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯为单体,以Fe3O4为磁性来源,制备对TNP有较好吸附性能的MCOFs;结合HPLC-DAD,考察MCOFs的静动态吸附性能;以该MCOFs作支撑材料和吸附剂,将MIPs用作选择性吸附剂(TNP为模板分子),将CDs用作荧光检测的元件制备了MCOFs@MIPs@CDs复合物材料。以SEM、TEM、XRD、VSM等表征手段,对制备的MCOFs@MIPs@CDs复合物材料进行有效表征,以保证其成功制备。采用荧光法分析该材料的荧光性能。最后,将该荧光复合材料用于TNP的分析与检测。结果:(1)成功制备了量子产率为18.53%的发蓝光CDs,其最优制备条件为:以2g干燥的桂花为原料,反应温度为240℃,反应时间为5 h。通过TEM表征发现:所制备的CDs尺寸分布相对均匀,尺寸差异小,平均粒径为2.23 nm;XRD结果显示CDs具有石墨状的结晶结构。FT-IR、XPS以及XRD用以探究CDs表面官能团的组成以及相应的元素分析,结果表明:CDs结构中包含C=C,-NH2和-COOH等基团。CDs的荧光性能分析结果表明:在340 nm的激发下,CDs具有最强的荧光发射其发射波长为410 nm。将CDs于优化的检测条件下用于Fe3+检测。结果表明:CDs可用于Fe3+的选择性检测,其荧光响应的线性范围为10 nM-50μM,检测限(LOD)为5 nM。所制备的CDs成功用于了实际水样(自来水、沱江水和岷江水)以及人血清中Fe3+的检测,其回收率范围为93.76%to 113.80%。此外,紫外光谱和荧光寿命的实验结果表明:Fe3+通过内部滤过效应(IFE)猝灭CDs的荧光。接着,“off-on”传感器成功用于AA的灵敏检测(LOD为5μM)。MTT实验和细胞成像实验结果表明:CDs对A549细胞无明显细胞毒性;CDs可以通过细胞膜进入细胞质,使细胞发蓝光,因此,CDs可用于细胞成像。然而,Fe3+孵育细胞后半小时,细胞荧光强度明显减弱,再加入AA孵育半小时后,这种猝灭作用可以被部分恢复。此结果说明该CDs可用于细胞或其他生物体中Fe3+和AA的检测。(2)成功制备了CDs/Fe3O4@MIPs复合物材料。TEM结果表明:复合物材料具有平均直径约200 nm的核-壳结构,EDS进一步证实了复合物材料中Fe3O4和CDs的存在,表明复合物材料的成功制备。Fe3O4、CDs/Fe3O4@NIPs以及CDs/Fe3O4@MIPs(去除模板后)的FT-IR光谱图结果分析表明:MIPs成功与Fe3O4和CDs包裹在一起。CDs/Fe3O4@NIPs和CDs/Fe3O4@MIPs(去除模板后)的FT-IR光谱图特征峰位置几乎一样,表明复合物材料聚合后模板分子被成功洗脱。Zeta电位、XRD及VSM分析结果表明:Fe3O4和CDs存在于聚合物中,进一步说明复合物材料的成功制备。荧光分析结果表明该复合物材料在激发波长为370 nm处具有最大的荧光发射,最大发射波长为470 nm,且具有良好的荧光稳定性。通过优化检测TNP的条件(包括:复合物材料的分散溶剂、检测pH、溶液离子强度、复合物材料浓度),将复合物材料用于TNP的检测。结果表明:CDs/Fe3O4@MIPs检测TNP的最佳优化条件为:水作为分散溶剂、10μg·mL-1的浓度作为CDs/Fe3O4@MIPs的最佳使用浓度。对TNP的荧光检测信号响应范围为1nM-100μM,LOD为0.5 nM。CDs/Fe3O4@MIPs和CDs/Fe3O4@NIPs的印迹因子(IF)为3.6。上述结果表明:结合了分子印迹技术的复合物材料可以显著提高对TNP的灵敏性和选择性。猝灭机制的考察表明TNP对复合物材料的猝灭属于静态猝灭。选择性实验中TNP对复合物材料的荧光猝灭程度大于TNP的其他类似物及金属离子,表明复合物材料对TNP的检测具有良好的选择性。最后,将CDs/Fe3O4@MIPs用于三种实际水样中TNP的分析检测,其回收率为89.4%-108.5%。该结果表明制备的复合物材料可有效用于实际样本中TNP的分析。(3)各类表征表明成功制备了基于以1,3,5-三(对甲酰基苯基)苯和4,4’’-二氨基-对-三联苯为单体,以Fe3O4为磁性来源的MCOFs。形貌学分析结果表明:MCOFs为较均匀的球形结构。BET结果表明:MCOFs具有较高的比表面积(123.51 m2?g-1),孔径分布均匀(平均粒径为3.12 nm)。VSM和稳定性实验结果显示其具有较好的磁性(36.8 emu?g-1)及良好的热稳定性和化学稳定性。采用静态吸附实验对该材料的吸附模型进行了研究,结果表明:该材料对所研究的氟喹诺酮类药物具有较好的吸附能力(对左氧氟沙星、培氟沙星、环丙沙星、洛美沙星、恩诺沙星和加替沙星的饱和吸附量分别为41.8、58.5、27.5、48.9、48.3、69.9 mg?g-1)。此外,通过结果分析发现材料吸附行为符合Freundlich吸附模型。动态吸附实验表明:该材料具有较快的动力学吸附性能。接着,将该材料用作MSPE的吸附剂并用于氟喹诺酮类药物的富集。MSPE优化条件为:MCOFs的量为14 mg;萃取时间为60 min;溶液pH值为6.0;洗脱溶液为含有1%氨水的甲醇;洗脱溶液中氨水的含量为1%;洗脱时间为20min;洗脱次数为3次。最后,MSPE用于血液、牛奶、猪肉中氟喹诺酮类药物分析时发现该材料显示出较高的回收率(78.65-103.52%),且可重复性和稳定性好。上述结果表明:制备的MCOFs可选择性地用于各种对象中氟喹诺酮类药物的富集,具有较好的应用前景。(4)以2,3,5,6-四氟对苯二甲醛和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯为单体制备了MCOFs;以MCOFs作支撑材料和吸附剂,将MIPs用作选择性吸附剂(TNP为模板分子),将CDs用作荧光检测的元件制备了MCOFs@MIPs@CDs复合材料。各类表征结果表明:MCOFs和MCOFs@MIPs@CDs复合物材料均成功制备。静态吸附实验表明所制备的MCOFs对TNP具有较好的吸附性能(166.85mg?g-1);动态吸附实验显示MCOFs对TNP的饱和吸附时间约为30 min。MCOFs@MIPs@CDs复合物材料具有良好的荧光性能及稳定性,其在最优的检测条件下,对TNP表现出较好的灵敏性,LOD为100 pM,IF为8.4,检测时间相较于MCOFs更短(1 min内)。选择性实验结果进一步证明了MCOFs@MIPs@CDs对TNP的高选择性。通过对复合物材料荧光寿命、紫外光谱以及不同温度下猝灭速率常数的考察,发现TNP对该复合物材料的猝灭属于静态猝灭。最后,MCOFs@MIPs@CDs复合物材料可以快速、准确地检测和监测实际水样中的TNP(回收率为88.73%-103.43%)。结论:(1)以桂花为前驱体,通过绿色水热法制备的发蓝光CDs可以作为直接检测Fe3+和间接检测AA的有效荧光传感器。所制备的CDs毒性低、生物相容性好,在生物成像甚至疾病领域有着巨大的应用前景。为后续CDs在药物分析领域的应用奠定了基础。(2)以CDs、Fe3O4为共核,以MIPs为特异性识别位点构建的新型磁性荧光复合材料(CDs/Fe3O4@MIPs)具有球形和均匀的核-壳结构,并具有较好的磁性、荧光性质以及选择性。成功将CDs和MIPs进行了有效结合,复合物材料可用于药物分析领域中TNP的高灵敏性和选择性地分离和检测。(3)具有较高比表面积以及良好吸附性能的磁性COFs成功用作MPSE的吸附剂,可用于氟喹诺酮类药物的富集与分析。基于MCOFs的MSPE结合HPLC-DAD,在痕量药物的快速、准确地富集与检测中有巨大的应用潜力。新型的具有较好吸附性能的MCOFs的制备为后续建立基于荧光-MCOFs材料的复合物材料奠定了基础。(4)基于荧光CDs、MIPs和MCOFs的复合物材料的制备,大大提高了检测TNP的选择性和灵敏性,缩短了检测时间。该复合物材料的制备及相关研究结果可为药物分析中其他痕量药物的检测提供参考,也有利于药物分析领域中荧光分析法的进一步发展。
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