毕业论文 荧光性双层膜的制备及其在超痕量汞离子检测中的应用.doc

学士学位论文毕业论文（科学研究报告）题目：荧光性双层膜的制备及其在汞离子检测中的应用院系：材料科学与工程学院专业：环境工程专升本届别：学号：姓名：指导老师：教授教务处二零零五年六月制学士学位论文目录一前言.5二实验部分.62.1实验仪器与试剂.62.1.1仪器.62.1.2试剂.62.2实验内容.72.2.1自组装膜的制备.72.2.1.1组装机理.72.2.1.2Cys/Au的制备.72.2.1.3HOX/Cys/Au自组装膜的制备.72.2.28-羟基喹啉铝（8-羟基喹啉汞）的合成.82.2.3Al(OX)3/Cys/Au的制备.82.2.4自组装膜荧光光谱测定.82.2.5电化学实验.92.2.6膜的结构表征.9三结果与讨论.93.18-羟基喹啉和8-羟基喹啉铝溶液溶剂、激发波长和pH的选择.93.1.1溶剂的选择.93.1.28-羟基喹啉和8-羟基喹啉铝溶液的激发波长的选择.103.1.38-羟基喹啉和8-羟基喹啉铝溶液pH值的选择.103.2自组装膜优化条件的选择.113.2.1.1半胱胺酸在金表面上自组装的电化学表征.113.2.1.2组装DL半胱氨酸浓度的选择.123.2.1.3组装DL半胱氨酸时间的选择.123.2.1.4组装DL半胱氨酸pH值的选择.133.2.2Cys/Au电极酸化时间和浓度的选择.133.2.38羟基喹琳荧光物质及其金属螯合物的组装.133.2.3.1确定荧光物质的激发波长.133.2.3.2浸泡时间与荧光物质浓度的选择.143.2.3.3pH值的选择.143.3自组装双层膜的荧光光谱.153.4自组装膜的表征.163.4.1电极荧光光谱表征.163.4.2膜的结构表征.163.58羟基喹啉铝、8羟基喹啉溶液及自组装膜稳定性能的比较.173.5.1溶液荧光强度的比较.173.5.2稳定性的比较.173.6Hg2+的荧光传感分析.183.6.1汞离子的荧光传感的分析特性.18四结论.20五参考文献.21学士学位论文AbstractSelf-assembledmonolayer(SAMs)canbedesignedaccordingtoourdemandinmolecularlevel，Ithasmanymeritswhichdontexitinothermethods.NowSAMshasbeenextensiveappliedinelectroanalyticalchemistry.Butitisfewreportedaboutitsapplicationinfluorescenceanalysis.Fluorescenceanalysisisanimportantandeffectivespectrumanalysis，IfwecancombinecombineSAMstechnologywithfluorescenceanalyticalmethodanddevelopanotherinterfacefluorescenceanalyticalmethod，Itwaseffectiveindiminishingthesamplevolumewithaviewofon-chipanalysis，thereforehaspromisingprospectsinfluorescenceanalysisandchemicalsensor.Thefluorescenceintensityof8-hydroxyquinolineislow，inordertoimproveitsfluorescenceintensity,inthispaperwesynthesizedfluorescencereagent8-hydroxyquinolinealuminum(Al(OX)3,Itisaverysignificantelectroluminscentmaterialandhasattractedgreatedattentionbothfromfundamentalandpotentialapplicationpointofview.Inthisexperiment,Theself-assembledbilayermembraneAl(OX)3/Cys/AuwasfabricatedviaelectrostaticactionwithDL-cysteine(Cys)monolayersongold,surface.inordertocharacterizeditsstructure,wemakeuseofcyclicvoltammetry(CV)incombinationwithX-rayPhotoelectronspectra(XPS).Itwasfoundthattheself-assembledbilayermembraneAl(OX)3/Cys/AuhasgoodselectivityforHg2+,soitcanbeappliedtothedetectionofmercuryion.Moreover,wefoundthatfluorescentsignalofAl(OX)3/Cys/AucanbequenchedbyHg2+.Keyword:fluorescenceself-assembledbilayermembrane8-hydroxyquinolinemercuryion学士学位论文荧光性双层膜的制备及其在超痕量汞离子检测中的应用摘要：通过Au-S键作用将DL-半胱氨酸自组装在金表面上，利用荧光分子8-羟基喹啉(HOX)中-OH-与Cys中-NH3+之间的静电吸引作用组装成双层膜HOX/Cys/Au。在此基础上以8-羟基喹啉和氯化铝为原料，合成荧光特性更好的8-羟基喹啉铝(Al(OX)3),并制备荧光物质双层膜Al(OX)3/Cys/Au，荧光光谱实验表明Al(OX)3/Cys/Au荧光强度和稳定性较HOX/Cys/Au好。用制备的Al(OX)3/Cys/Au双层膜测定超痕量汞离子，具有较好的稳定性和灵敏度。关键词：荧光，自组装双层膜，8-羟基喹啉,汞离子一前言自组装膜(Self-assembledmonolayers，SAMs)是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面，热力学稳定、能量最低的有序膜，由于它具有易制备、稳定性好以及可预先设计等特点，已有大量的文献报道和综述1-3。但是在单层膜上修饰带有荧光基团的物质，从而可以进行荧光传感分析的研究较少。这主要是由于金对其表面的荧光团易产生荧光猝灭，从而限制了自组装膜技术在荧光分析的应用4-5。如果能把这两种分析手段结合，利用自组装技术（SAM）通过调节底液pH值来控制SAMs的带电状况，在SAMs表面静电吸附上有荧光基团的荧光物质而制成荧光性双层膜，该自组装膜在荧光传感将具有良好的应用前景6。由于金表面无自然氧化膜，稳定性好，而且与二硫化合物或硫醇形成的自组装膜体系具有良好的稳定性，因而以金-硫体系为基础的自组装体系往往成为研究的首选体系7。半胱氨酸分子中含有巯基，易于通过形成Au-S键吸附于金电极表面，借此可将半胱氨酸引入金表面制成修饰电极。8-羟基喹啉作为一种性能优异的螯合剂、萃取剂和金属离子指示剂，可用于溶剂萃取、吸光度分析、荧光分析等8-9。8-羟基喹啉为荧光效率较低的物质。但它与金属离子尤其是铝离子螯合之后，荧光效率大大提高9-12，易于提纯且性质比较稳定13-15。同时作为一种含氮化合物，8-羟基喹啉铝是重金属离子的良好配体16，对汞离子具有良好的选择性，可用于重金属汞离子的检测。学士学位论文本论文以8-羟基喹啉和氯化铝为原料，合成荧光特性更好的8-羟基喹啉铝(Al(OX)3)。在研究比较8-羟基喹啉和8-羟基喹啉铝荧光性质的基础上，通过控制溶液pH调整其存在形式，利用荧光物质与半胱氨酸的静电作用将其间接组装在单层膜Cys/Au上，制备荧光物质双层膜Al(OX)3/Cys/Au，有效抑制了荧光物质直接接触金表面而引起的荧光猝灭。成功地观察到了Al(OX)3/Cys/Au自组装膜/溶液界面的强荧光，并采用电化学、荧光光谱，电子能谱和扫描电镜等方法表征自组装膜。同时利用金属离子会与8-羟基喹啉铝发生作用而产生荧光猝灭的原理,将自组装膜技术应用于荧光分析，构筑一新型可再生式荧光传感和超分子识别体系。在实验中讨论了组装电极的各种优化条件.确定了先用DL-半胱胺酸溶液浸泡3小时，再用HCl溶液酸化，最后浸泡有一定pH值的荧光物质溶液的方法,制成Al(OX)3/Cys/Au电极。实验结果表明用这种修饰电极测定汞离子具有较高的灵敏度。二实验部分2.1实验仪器与试剂2.1.1仪器荧光分光光度计F4500（日本Hitachi）电化学综合分析仪BAS-100B(美国BAS)S-3500扫描电镜（日本Hitachi）OX-702电子能谱仪（英国Oxford公司）Milli-Q基础型(美国Millipore公司)纯化水系统.2.1.2试剂8-羟基喹啉铝（自合成，参考17）8-羟基喹啉(上海曹阳中学化工厂)DL-半胱胺酸(上海曹阳中学化工厂)实验用水为Milli-Q基础型（美国Millipore公司）纯化水系统提供,所用试剂均为分析纯以上。学士学位论文2.2实验内容2.2.1自组装膜的制备2.2.1.1组装机理通过Au-S键作用，在金电极表面组装上DL-半胱氨酸，接着酸化后，再利用静电吸引组装上8羟基喹啉。反应式如下：图1HOX/Cys/Au双层膜的组装过程2.2.1.2Cys/Au的制备先将自制的金片表面用石英砂打磨，然后用Al2O3粉末抛光成镜面后，用二次水冲洗，并超声波清洗两次，每次5分钟，接着在1mol/LH2SO4中用循环伏安法扫描10圈至稳定（三电极体系：Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对比电极，金电极为工作电极），电位扫描范围为0.5V1.5V。经预处理后的金电极用二次水冲洗后浸泡在pH5.7的0.01mol/LDL半胱氨酸溶液中3小时。取出后再用二次水冲洗以除去电极周围吸附物,氮气吹干后即得Cys/Au。2.2.1.3HOX/Cys/Au自组装膜的制备将Cys/Au浸泡于0.5mol/L的HCl中酸化30min，使其表面带正电荷，于pH=10浓度为10-3mol/L的8羟基喹啉溶液中浸泡约1小时，取出用二次水冲洗后用氮气吹干，储存于阴暗处。SH-CH2-CH-COOHS-CH2-CH-COONH2NH2S-CH2-CH-COOHNH3COOHS-CH2-CH-NH3COOHS-CH2-CH-NH3NOON+Cys酸化H.+HOX+-AuAuAuAupH=5.7pH=910.学士学位论文2.2.28-羟基喹啉铝（8-羟基喹啉汞）的合成将5mmolAlCl3·6H2O(HgCl2)加入到10ml体积比为1:1的乙醇水混合液中,再将15mmolHOX加入40ml95乙醇溶液中,微热搅拌至溶解，两种溶液混合后，于60下边搅拌边滴加5mol/L氨水至PH=910,继续搅拌10min，静置，抽滤，分别以95乙醇和蒸馏水各洗涤3次，60下真空干燥，产物为黄色晶体。反应式如下：图28-羟基喹啉铝合成反应式2.2.3Al(OX)3/Cys/Au的制备8-羟基喹啉是荧光效率低的物质，但螯合后的8-羟基喹啉铝荧光效率大大提高，是制备荧光性自组装膜的良好材料。其组装机理如下：图3Al(OX)3/Cys/Au双层膜的组装过程2.2.4自组装膜荧光光谱测定将自组装膜用二次水冲洗并用氮气吹干后，在荧光分光光度计SH-CH2-CH-COOHS-CH2-CH-COONH2NH2S-CH2-CH-COOHNH3COOHS-CH2-CH-NH3COOHS-CH2-CH-NH3Al(OX)3NOAlNOONOAlNOOpH=5.7AuAu+AuAuCysH+-pH=910酸化333KNOAlNONOAl3+NOHH2ONOAlNOOHNOAlNOOpH=910+3学士学位论文F-4500上测绘校正荧光光谱。150W的氙灯为激发光源，将膜置于1cm×1cm的石英比色皿中，用固定架调整膜与荧光分光光度计的入射光成50º，以保证最大限度接受荧光信号而干扰最小。激发和发射狭缝均为5nm。经实验结果表明，HOX/Cys/Au的最佳激发波长为ex=270nm，引入Al3+后，形成的Al(OX)3/Cys/Au的最佳激发波长为388nm。2.2.5电化学实验将预处理过的金片分别浸泡0.1，0.05，0.01，0.001mol/LDL-半胱氨酸溶液，在电化学综合分析仪BAS-100B上进行电化学实验，分别以裸Au、Cys/Au和HOX/Cys/Au为工作电极，置于0.5mol/L的KOH底液（先通N2约10min），进行循环伏安扫描(0+1.2V)，以选择Cys/Au膜的优化条件。2.2.6膜的结构表征用扫描电镜电子能谱仪(OX-702)对Cys/Au、HOX/Cys/Au和Hg(OX)2/Cys/Au进行膜结构表征，电压20keV，电流0.2nA，在液氮保护下测定。三结果与讨论3.18-羟基喹啉和8-羟基喹啉铝溶液溶剂、激发波长和pH的选择3.1.1溶剂的选择8-羟基喹啉可溶于多种有机溶剂，考虑到乙醇本身无毒性，且不会影响到8羟基喹啉的荧光性质，因此实验中选用乙醇作为8羟基喹啉的溶剂。Al(OX)3不溶于水和乙醇，但能溶于三氯甲烷、丙酮、环己烷等有机溶剂。据有关文献17报道，Al(OX)3的荧光量子效率主要受溶剂分子结构和溶剂溶液粘度的影响。在芳烃化合物溶剂中，Al(OX)3的荧光量子效率都比较低。而在氯代烃溶剂中，三氯甲烷Al(OX)3的荧光量子效率较大多数有机溶剂来的高。因此选用三氯甲烷作为Al(OX)3溶剂。学士学位论文3.1.28-羟基喹啉和8-羟基喹啉铝溶液的激发波长的选择取10-4mol/L8-羟基喹啉溶液进行荧光光谱测定，确定其最佳激发波长。如图4所示：当激发波长为270nm时，8-羟基喹啉荧光峰最高，即荧光性最强，当激发波长高于或低于270nm，荧光峰不断下降，因此实验中采用ex=270nm为8-羟基喹啉的激发波长。由文献17可知：8-羟基喹啉铝的激发波长为388nm。因此实验中分别采用270nm作为8-羟基喹啉的激发波长和388nm作为8-羟基喹啉铝的激发波长。图4不同激发波长8-羟基喹啉乙醇溶液的荧光光谱图3.1.38-羟基喹啉和8-羟基喹啉铝溶液pH值的选择考虑到溶液pH值的改变可能会对荧光强度产生影响，因此通过控制pH值以获得最佳荧光效果。实验中配制了不同pH值的浓度为10-4mol/L8-羟基喹啉溶液并测其荧光。实验结果表明：8-羟基喹啉乙醇溶液在不同pH的溶液中荧光强度相差不是太大，8-羟基喹啉铝三氯甲烷溶液在酸性下不稳定，易分解，由于构建组装的要求，需把荧光物质阴离子化使其带上负电荷。因此在配制荧光物质的溶液时把pH调到910左右。在pH=910作用下带负电荷，有利于通过静电吸引组装于Cys/Au表面。因此实验中将8-羟基喹啉溶液和8-羟基喹啉铝溶液pH调到910左右。3504004505001020304050(4)(3)(2)(1)(1)ex=270nm(2)ex=280nm(3)ex=290nm(4)ex=320nmFlourscenceintensity(a.u.)Wavelength(nm)