1.本发明属于材料领域，具体涉及一种纳米材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.目前的水相电化学发光(electrogenerated chemiluminescence，ecl)体系主要分为两类，第一类主要包括传统金属配合物体系和其他金属配合物改性的纳米体系；第二类为无机量子点或纳米材料体系。以上两类水相体系ecl发光材料尽管发展较早，技术较为成熟，但是因为材料富含金属元素，材料来源稀缺，而且有的还有金属毒性，因此在成本以及环保方面存在不足。相比之下，基于富碳结构组成的有机ecl发光体系，由于具有环保无毒、廉价易得、光电性质可调、且易于合成和功能化、生物相容性好等优点，得到人们的重视和发展。具有聚集诱导发光效应的有机小分子和高分子纳米材料也先后得到开发，特别是基于其在水相体系中的自聚集效应，使得它们成功运用到了水相ecl体系当中，获得较高发光效率。但是，当前不含贵金属的有机化合物或者聚合物，在水相ecl体系运用中仍旧面临发光效率不够高的共同问题。特别是现有的水相纯有机ecl检测体系，从发光机理上均属于荧光发光，根据自旋量子统计理论，在电激发条件下，单重态和三重态上激子的生成比率大约为25％：75％，无论是湮灭ecl途径，还是共反应剂ecl途径，在这些发光材料上复合产生的三重态激子均无法得到利用，因此其ecl发光效率的上限仅为25％。因此，现有的水相纯有机ecl检测体系均受限于共同的传统荧光物理属性，导致其ecl效率低，发展及应用前景受到限制。
3.现有的水相ecl材料主要存在四点不足：1)现有的水相ecl材料主要分为传统金属配合物体系、无机量子点或纳米材料体系，以及基于富碳结构的有机体系，尽管前两类水相体系ecl发光材料发展较早，较为成熟，但是材料富含金属元素，来源稀缺，而且有的还有金属毒性，在成本、环保性质等方面存在不足。2)根据现有的水相有机ecl发光机理来看，无论是湮灭ecl途径，还是共反应剂ecl途径，受限于发光物理机制，从自旋禁阻规则来看，这些发光材料在电氧化还原过程中，产生的三重态激子均无法得到利用(占到总激子数目的75％左右)，因此只有通过25％的单重态激子跃迁回基态发光，其ecl发光效率低。3)因为有机热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence，简称tadf)材料不溶于水，无法稳定的储存在水相中，因此在制备纳米粒子的过程中往往需要通过某种表面活性剂将其进行包裹，使得tadf纳米粒子能够稳定存在微乳液中，对于包裹剂的选择会直接影响到材料的ecl性能。4)虽然牛利等第一次报道了小分子tadf发光材料4czipn在depeg-peg2000包裹剂功能化下实现了tadf材料体系的水相ecl，但仍旧没有报道tadf材料的固态ecl在水相体系的生物传感应用，尽管具有十分重要的现实意义，然而目前仍旧处于空白状态。
4.热活化延迟荧光有机发光材料是新一代有机光电材料，当前已广泛应用于有机电致发光二极管领域。该类材料由于最低激发单重态与最低激发三重态之间的能隙非常小，因此可以通过环境的热激活使得三重态激子通过反向系间窜越回到单重态，进而实现
100％全部激子的有效利用。因此迫切需要从ecl基础和应用的方面出发，开发新型高效的水相有机ecl发光体系，以拓展水相ecl的应用范围和降低检测应用的成本。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种纳米材料；本发明的目的之二在于提供这种纳米材料的制备方法；本发明的目的之三在于提供这种纳米材料的应用；本发明的目的之四在于提供一种水相电化学发光传感器；本发明的目的之五在于提供一种多巴胺的检测方法。
6.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
7.本发明第一方面提供一种纳米材料，所述纳米材料包括内核和壳层；
8.所述内核包括热活化延迟荧光材料；所述壳层包括表面活性剂。
9.优选的，所述热活化延迟荧光材料为侧链含三嗪基团的共轭聚合物。
10.优选的，所述热活化延迟荧光材料为式(ⅰ)所示结构的化合物；
[0011][0012]
式(ⅰ)中，r1、r2分别独立选自取代或未取代的c2-c8的烷基；r3、r4分别独立选自取代或未取代的c4-c10的烷基；r5、r6分别独立选自取代或未取代的c1-c6的烷基；n为2～250的正整数。
[0013]
进一步优选的，所述热活化延迟荧光材料为式(ⅰ)所示结构的化合物；式(ⅰ)中，r1、r2分别独立选自c4-c8的烷基；r3、r4分别独立选自c6-c10的烷基；r5、r6分别独立选自c2-c6的烷基；n为2～200的正整数。
[0014]
再进一步优选的，所述热活化延迟荧光的结构式如下：
[0015]
n为2～200的正整数。
[0016]
优选的，所述表面活性剂包括聚苯乙烯马来酸酐、聚丁烯马来酸酐、聚苯乙烯磺
酸、聚苯乙烯丙烯酸中的至少一种；进一步优选的，所述表面活性剂包括聚苯乙烯马来酸酐、聚丁烯马来酸酐中的至少一种；更进一步优选的，所述表面活性剂为聚苯乙烯马来酸酐。
[0017]
优选的，所述聚苯乙烯马来酸酐的结构式如式(ⅱ)所示：
[0018][0019]
式(ⅱ)中，a、b分别为正整数。
[0020]
本发明第二方面提供根据本发明第一方面所述纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
[0021]
将热活化延迟荧光材料与表面活性剂混合反应，得到所述的纳米材料。
[0022]
优选的，所述的反应包括再沉淀法。
[0023]
优选的，所述再沉淀法包括以下步骤：
[0024]
将热活化延迟荧光材料与表面活性剂溶于良溶剂中，然后与不良溶剂混合，得到所述的纳米材料。
[0025]
优选的，所述热活化延迟荧光材料与良溶剂的质量体积比为1g：(1000-15000)ml；进一步优选的，所述热热活化延迟荧光材料与良溶剂的质量体积比为1g：(3000-10000)ml；再进一步优选的，所述热活化延迟荧光材料与良溶剂的质量体积比为1g：(5000-8000)ml。
[0026]
优选的，所述良溶剂与不良溶剂的体积比为1：(3-10)；进一步优选的，所述良溶剂与不良溶剂的体积比为1：(4-8)；再进一步优选的，所述良溶剂与不良溶剂的体积比为1：(4-6)。
[0027]
优选的，所述良溶剂包括四氢呋喃、乙醇、甲醇、丙酮、吡啶、哌啶中的至少一种；进一步优选的，所述良溶剂包括四氢呋喃、乙醇、吡啶、哌啶中的至少一种；更进一步优选的，所述良溶剂为四氢呋喃。
[0028]
优选的，所述不良溶剂为水。
[0029]
优选的，所述良溶剂混合溶液与不良溶剂混合后，还包括干燥除去良溶剂的步骤。
[0030]
优选的，所述干燥步骤的温度为40℃-70℃；进一步优选的，所述干燥步骤的温度为45℃-60℃。
[0031]
优选的，所述混合反应后还包括过滤的步骤。
[0032]
优选的，所述过滤的孔径为0.2μm-0.3μm；进一步优选的，所述过滤的孔径为0.2μm-0.25μm。
[0033]
本发明第三方面提供根据本发明第一方面所述纳米材料在生物传感领域中的应用。
[0034]
优选的，所述生物传感领域为多巴胺的检测领域。
[0035]
本发明第四方面提供一种水相电化学发光传感器，所述水相电化学发光传感器包括根据本发明第一方面所述的纳米材料。
[0036]
优选的，所述水相电化学发光传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0037]
将本发明第一方面所述纳米材料与有机溶剂混合后涂覆在电极表面，或将所述纳米材料与水混合，然后将电极置于水相电解池，得到所述的水相电化学发光传感器。
[0038]
优选的，所述电极为玻碳电极。
[0039]
优选的，所述电极涂覆纳米材料前还包括进行打磨处理的步骤。
[0040]
优选的，所述打磨处理的粉末为氧化铝粉末；进一步优选的，所述打磨处理的粉末为直径0.04μm-0.06μm的氧化铝粉末。
[0041]
优选的，所述有机溶剂包括酚类溶剂；进一步优选的，所述有机溶剂包括萘酚。
[0042]
优选的，所述纳米材料为纳米材料水相分散液；进一步优选的，所述纳米材料水相分散液浓度为30μg/ml-50μg/ml。
[0043]
优选的，所述有机溶剂与纳米材料水相分散液体积比为1：(10-30)；进一步优选的，所述有机溶剂与纳米材料水相分散液体积比为1：(15-25)。
[0044]
本发明第五方面提供一种多巴胺的检测方法，包括以下步骤：
[0045]
采用根据本发明第四方面提供的水相电化学发光传感器对含多巴胺的溶液进行检测。
[0046]
优选的，所述多巴胺溶液的浓度为10μmol/l～1000μmol/l；进一步优选的，所述多巴胺溶液的浓度为50μmol/l～500μmol/l。
[0047]
优选的，所述含多巴胺的溶液还含有还原剂。
[0048]
优选的，所述还原剂包括草酸、草酸盐、柠檬酸、维生素c中的至少一种；进一步优选的，所述还原剂为草酸盐。
[0049]
优选的，所述还原剂的浓度为0.02mol/l-0.06mol/l；进一步优选的，所述还原剂的浓度为0.03mol/l-0.05mol/l。
[0050]
优选的，所述含多巴胺的溶液还含有电解液。
[0051]
优选的，所述电解液为磷酸盐缓冲盐溶液；进一步优选的，所述磷酸盐缓冲盐溶液浓度为0.05mol/l-0.2mol/l。
[0052]
优选的，所述电化学发光传感器扫描电位范围为0v～3v；进一步优选的，所述电化学发光传感器扫描电位范围为0v～1.6v。
[0053]
优选的，所述电化学发光传感器扫描速率为0.2v/s-0.3v/s；进一步优选的，所述电化学发光传感器扫描速率为0.24v/s-0.26v/s。
[0054]
本发明的有益效果是：
[0055]
本发明提供的纳米材料为表面活性剂包裹热活化延迟荧光材料的纳米粒子，该纳米材料具有优异的电化学发光强度以及稳定的阳极电化学发光性能，其制备方法步骤简单，材料廉价易得，稳定性好；该纳米材料可广泛应用于水相电化学发光体系和生物传感领域。
[0056]
具体来说，本发明具有如下优点：
[0057]
1.本发明制备的水相tadf纳米粒子具有优异的发光强度以及稳定的阳极ecl性能，与常见的有机纳米粒子ecl体系相比，本发明基于热活化延迟荧光的光电化学机制，可以完全利用水相体系测试环境电激发条件，不存在自旋禁阻，产生的单重态和三重态激子全部参与发光，因此ecl发光效率显著提高，理论上该类型ecl效率可以达到100％，发光效率高。虽然先前的金属配合物类水溶性ecl发光材料(例如金属钌、铱、铂配合物等)ecl效率
较高，但是需要耗费价格昂贵的贵重金属，材料成本高且具有一定毒性，而本发明提供的热活化延迟荧光纳米材料不含有重金属和稀有金属，不仅ecl效率高，而且不含任何金属元素，材料廉价易得、且毒性低，化学稳定性好的tadf有机高分子材料。
[0058]
2.本发明提供的纳米材料的制备方法步骤简单，材料廉价易得，稳定性好，操作简便。
[0059]
3.本发明首次将tadf材料应用在水相ecl体系生物传感领域，特别是在对多巴胺检测过程中具有较高的灵敏度和较宽的线性范围，其检测范围可达50μmol/l～500μmol/l，检测浓度下限为16.67μmol/l。
附图说明
[0060]
图1为paptc纳米粒子制备方法示意图。
[0061]
图2为制备的“氧化-还原性”型共反应剂水相ecl器件的基本结构。
[0062]
图3为基于热活化延迟荧光材料纳米材料水相电化学发光的发光原理示意图。
[0063]
图4为实施例1中paptc纳米粒子的透射电镜图。
[0064]
图5为实施例1的paptc纳米粒子/na2c2o4体阳极电化学发光曲线图。
[0065]
图6为实施例1的paptc纳米粒子/na2c2o4体系电化学发光循环稳定性测试图。
[0066]
图7为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4阳极电化学发光体系构建的多巴胺传感器检测原理示意图。
[0067]
图8为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系加入不同浓度多巴胺的电化学发光强度变化图。
[0068]
图9为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系在含有100μmol/l多巴胺时的稳定性测试图。
[0069]
图10为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系电化学发光强度随多巴胺浓度变化的线性关系图。
[0070]
图11为三种主要生命物质对实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系电化学发光检测多巴胺的抗干扰性测试图。
具体实施方式
[0071]
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器末注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
[0072]
实施例1
[0073]
(1)paptc的制备：
[0074]
聚-3,6-咔唑-9,9-二己基-10-(4-(4,6-二叔丁基-1,3,5-三嗪-2-基)苯基)-9,10-二氢吖啶(poly-3,6-carbazole-9,9-dihexal-10-(4-(4,6-di-tert-butyl-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl)-9,10-dihydroacridine)简称paptc，其结构如下所示，其中，n为2～200间的整数，其具体的制备过程参照文献macromolecules 2016,49,11,4373-4377进行；
[0075][0076]
(2)纳米材料的制备：
[0077]
将200μg paptc和66μg聚苯乙烯马来酸酐试剂(psma)溶解在2ml四氢呋喃(thf)中，得到前驱液。在超声的辅助下，将2ml前驱液注入到10ml水中；之后通过50℃干燥以除去thf；使用0.22μm滤头过滤并定容，得到40μg/ml paptc纳米粒子分散液。图1为paptc纳米粒子制备方法示意图。
[0078]
(3)玻碳电极预处理：
[0079]
将玻碳电极依次用0.05μm氧化铝粉末打磨处理，再依次用超纯水、乙醇、超纯水进行超声清洗，氮气吹干电极表面。
[0080]
(4)纳米材料修饰的玻碳电极的制备：
[0081]
首先将200μl paptc纳米粒子和10μl萘酚混合超声5分钟，然后通过移液枪吸取20μl的paptc纳米粒子分散液滴于处理好的玻碳电极表面，随后将其置于红外灯下烘干，待其干燥成膜后即得到paptc纳米粒子修饰的工作电极，作为固态电化学发光传感器。
[0082]
所述涂覆方法采用本领域常见的涂覆方法，如滴涂、旋涂、刮涂等方法，能够使热活化延迟荧光纳米材料负载在工作电极上即可，也可以直接将所制得的水溶性纳米粒子溶液按任意优化比例稀释到水相ecl测试溶液当中，进行水相ecl测试。
[0083]
性能测试
[0084]
1、纳米材料修饰的电化学发光传感器的电化学发光强度测试
[0085]
图2为制备的“氧化-还原性”型共反应剂水相ecl器件的基本结构。以将水溶性tadf纳米材料直接负载在工作电极上的固态ecl水相测试为例，包括电解池1和电化学测试控制电源7。在电解池1内设置或盛有表面具有tadf纳米材料修饰层8的工作电极2、对电极3、参比电极4、溶剂水5、支持电解质6、“氧化-还原性”型共反应剂9，其中支持电解质、溶剂水和“氧化-还原性”型共反应剂互溶，形成水相电化学环境。上述ecl结构中的溶剂水、支持电解质、共反应剂、电化学测试控制电源的种类和驱动方式等均没有特殊要求，对于制备水相ecl的各项工序和图2中ecl构成元件的具体结构布局也没有特殊要求，采用行业内的一般操作即可。
[0086]
图3为基于热活化延迟荧光材料纳米材料水相电化学发光的发光原理示意图。图4为实施例1中paptc纳米粒子的透射电镜图。
[0087]
首先称取特定量的na2c2o4固体并将其溶于0.1mol/l的pbs(ph 7.45)溶液中，得到na2c2o4浓度为40mmol/l的pbs电解液，其中na2c2o4作为paptc纳米粒子电化学发光的阳极共反应剂，pbs溶液作为电解质溶液。采用三电极工作体系将所制备的paptc纳米粒子修饰的
玻碳电极作为工作电极，ag/agcl电极作为参比电极，铂丝电极为对电极，将三电极体系浸入到3ml的含有40mmol/l的na2c2o4的pbs溶液中。通过循环伏安电化学方式测试paptc纳米粒子/na2c2o4体系的电化学发光强度，扫描电位范围为0～1.6v，扫描速率为0.25v/s。图5为实施例1的paptc纳米粒子/na2c2o4体阳极电化学发光曲线图，图中a表示修饰电极、共应剂40mm na2c2o4以及pbs条件下的发光强度，图中b示修饰电极和pbs条件下的发光强度，图中c表示裸电极和pbs条件下的发光强度。进一步测试得到其稳定性曲线，图6为实施例1的paptc纳米粒子/na2c2o4体系电化学发光循环稳定性测试图。由图6可见，实施例1的paptc纳米粒子/na2c2o4体系具有优异的电化学发光稳定性。
[0088]
2、不同多巴胺浓度与电化学发光强度的关系测试
[0089]
图7为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4阳极电化学发光体系构建的多巴胺传感器检测原理示意图。其中，ret(resonant energy transfer)表示共振能量转移；gce(glassy carbon electrode)表示玻碳电极。
[0090]
含有不同浓度多巴胺的pbs电解液的配置：首先称取特定量的na2c2o4固体并将其溶于0.1mol/l的pbs溶液中，得到na2c2o4浓度为40mmol/l的pbs电解液，其中na2c2o4作为paptc纳米粒子电化学发光的共反应剂，pbs溶液作为电解质溶液。随后向其中加入不同量的多巴胺溶液，最终得到含有不同浓度多巴胺的na2c2o4+pbs溶液(0μmol/l，1μmol/l，5μmol/l，50μmol/l，100μmol/l，150μmol/l，200μmol/l，300μmol/l，400μmol/l，500μmol/l)。
[0091]
不同浓度多巴胺的电化学发光测试：得到稳定的电化学发光强度后，将三电极体系依次浸入到含有不同多巴胺浓度的na2c2o4+pbs溶液中，继续通过循环伏安电化学方式测试paptc纳米粒子/na2c2o4体系的电化学发光强度，扫描电位范围为0～1.6v，扫描速率为0.25v/s。图8为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系加入不同浓度多巴胺的电化学发光强度变化图。图中箭头所指为多巴胺浓度依次增加方向(0μmol/l，1μmol/l，5μmol/l，50μmol/l，100μmol/l，150μmol/l，200μmol/l，300μmol/l，400μmol/l，500μmol/l)，从图8可以看出，电化学发光强度随着多巴胺浓度升高而逐渐降低，表明该传感器具有较宽的多巴胺检测范围，检测范围可达50μmol/l-500μmol/l。图9为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系在含有100μmol/l多巴胺时的稳定性测试图。对含有多巴胺浓度为100μmol/l的电解液进行循环测试，经过10圈扫描循环后，其发光强度基本保持稳定，相对标准偏差(rsd)为0.16％，说明该传感器具有优异的稳定性。
[0092]
线性关系建立：以加入的多巴胺浓度c值的倒数为横坐标，以最初电化学发光强度i0与电化学发光强度i和最初电化学发光强度i0的差值δi的比值为纵坐标建立标准线性回归曲线，图10为实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系电化学发光强度随多巴胺浓度变化的线性关系图。其线性回归方程为：y＝393x+0.4899(相关系数r2＝0.997)，证明多巴胺的最低检测限可达16.6μmol/l。
[0093]
抗干扰性测试：抗干扰性测试是衡量一个传感器的重要性能指标，其决定了该传感器能否用于实际样品检测。本技术选择了3种最为通用的生命物质对所制备的传感器进行抗干扰性测试，其中干扰物质所使用的浓度为500μmol/l，待检测的多巴胺使用的浓度为500μmol/l，图11为三种主要生命物质对实施例1中paptc纳米粒子/na2c2o4体系电化学发光检测多巴胺的抗干扰性测试图。图11表明其它干扰物质对多巴胺检测的干扰很小。
[0094]
本发明提供的一种水溶性tadf纳米材料，该tadf纳米材料能够在水相体系中稳定
存在，并保持优异的荧光稳定性。本发明选择了聚苯乙烯马来酸酐作为阴离子型表面活性剂来包裹tadf纳米粒子使其具有优异的ecl稳定性。在电激发条件下产生的全部单重态和三重态激子可以通过tadf形式以实现ecl发光，ecl性能优异，发光效率高。
[0095]
上述实例为本发明较佳的实施方式，但发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。