CN104062275B - 一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于MWCNTs‑QDs的纳米荧光仿生传感器及其制备方法，以MWCNTs‑QDs纳米复合材料为载体，BSA为模板分子，制备特异性识别BSA的纳米仿生传感器。制备：制备水溶性CdTe/CdS核壳结构量子点和PEI‑MWCNTs；然后将CdTe/CdS量子点负载到PEI‑MWCNTs表面得到MWCNTs‑QDs；以MWCNTs‑QDs为基体，利用sol‑gel反应在其表面修饰BSA印迹的分子印迹聚合物。本方法采用表面印迹的方式合成的纳米荧光传感器有效识别位点多，且接近表面，比表面积大，易于选择性识别模板分子。

Description

一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于仿生传感器及其制备领域，特别涉及一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器及其制备方法。
背景技术
分子印迹技术是根据自然界中抗原和抗体间特异性分子识别原理，采用人工方法制备对特定目标分子(印迹分子或称模板分子)具有特异选择性和亲和性聚合物的技术。基于分子印迹技术制备的分子印迹聚合物具有与模板分子相匹配的三维印迹孔穴结构即分子识别位点。最近十几年来，分子印迹技术特别是在合成技术、应用领域、理论研究等方面获得了突飞猛进的发展，分子印迹聚合物作为一种新型分子识别材料，其特有的构型预定性、特异识别性以及广泛实用性使其被广泛应用于色谱固定相、固相萃取、膜分离、免疫分析、信号传导、抗体模拟以及药物缓释等多个领域。
碳纳米管(carbon nanotube，CNT)作为一种重要而有代表性的纳米材料，近年来在纳米医学领域有着广泛的应用研究。超支化聚合物聚乙烯亚胺修饰碳纳米管不仅可以提高其分散性，还能引入一些活性官能团，从而降低其毒性，增加生物相容性等。除了单一的碳纳米管具有广泛的应用前景外，近年来以碳纳米管为载体负载量子点构建的新型荧光标识物也受到广泛的关注。量子点(Quantum dot,QD)是一种半径小于或接近于激子波尔半径的半导体纳米晶，能够被紫外区到红外区的任一波长的光激发，发射荧光，即具有光致发光的特性。与有机荧光染料相比，其激发光波长宽、发射光谱窄而对称、荧光稳定性好、量子产率高等一系列优异的光学性质。以亲水性化合物为修饰剂制备的量子点由于可以进行生物偶联因而被直接用于生物领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器及其制备方法，本发明与传统的分子印迹聚合物相比，采用表面印迹的方式合成的纳米荧光传感器有效识别位点多，且接近表面，比表面积大，易于选择性识别模板分子。
本发明的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器，以MWCNTs-QDs纳米复合材料为载体，BSA为模板分子，结合分子印迹技术的高选择性和MWCNTs-QDs的荧光特性制备特异性识别BSA的纳米仿生传感器。
本发明的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，包括：
(1)将镉源、稳定剂溶于双蒸水中，调节pH为8.5-9.5，然后在搅拌条件下通氮气20-30min，得到Cd2+前驱液；其中镉源、稳定剂、双蒸水的比例关系为0.125-0.25mmol：0.3-0.6mmol：100-200mL；
(2)将碲源加入上述Cd2+前驱液中，然后在100℃下，通氮气回流60-120min，提纯，复溶于双蒸水中，得到CdTe量子点溶液；其中Cd2+：稳定剂：碲源的摩尔浓度比为1-2：2.4-4.8：1-2；
(3)将镉源、硫代乙酰胺TAA、稳定剂溶于双蒸水中，调节pH为8.5-9.5，搅拌下通氮气30min，得到CdS包壳溶液，然后加入步骤(2)所得溶液，在100℃下通氮气回流60-120min，提纯，复溶于双蒸水中，得到CdTe/CdS核壳结构量子点溶液；其中镉源、TAA、稳定剂、双蒸水的比例关系为：0.125-0.25mmol：0.125-0.25mmol：0.6-1.2mmol：200ml；其中CdS包壳溶液中Cd2+：稳定剂：S2-的摩尔浓度比为1-2：4.8-9.6：1-2；
(4)将MWCNTs-COOH、催化剂加入溶剂中，超声3h，然后加入PEI，超声反应24h，透析，得到PEI-MWCNTs；其中MWCNTs-COOH、催化剂、溶剂、PEI的比例为0.1-0.2g：0.1-0.2g：10-20mL：0.15-0.3g；
(5)将CdTe/CdS核壳结构量子点、交联剂加入双蒸水中，超声3h，然后再加入PEI-MWCNTs，超声反应24h，透析，即得碳纳米管-碲化镉/硫化镉纳米复合材料MWCNTs-CdTe/CdS；其中CdTe/CdS核壳结构量子点、交联剂、PEI-MWCNTs的质量比为0.01-0.02：0.04-0.08：0.02-0.04；
(6)将牛血清蛋白BSA、MWCNTs-CdTe/CdS、氨丙基三乙氧基硅烷APTES混合，搅拌20-30min，加入正硅酸乙酯TEOS和氨水，室温条件下继续搅拌8-10h，离心洗涤，洗脱，即得MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器；其中牛血清蛋白BSA、MWCNTs-CdTe/CdS、APTES、TEOS、NH3·H2O的比例关系为10-20mg：10-20mg：40-80μL：60-120μL：100-200μL。
所述步骤(1)、(3)中镉源为CdCl2·2.5H2O；稳定剂为巯基丙酸MPA；调节pH所用试剂为1M NaOH。
所述步骤(2)中碲源为NaHTe。
所述碲源NaHTe的具体制备方法为：将0.75mmol NaBH4和0.375mmol Te粉加入12ml双蒸水中，60℃油浴中反应30-60min,反应所得到的溶液过0.22μm滤膜滤掉反应产生的沉淀从而得到较纯净的NaHTe溶液；其中Te粉含量为99.9％、规格为200目。
所述步骤(2)、(3)中提纯具体为：先浓缩至原体积的1/4，逐滴加入异丙醇再离心得到沉淀。
所述步骤(4)中催化剂为1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐EDC·HCl，溶剂为二甲基亚砜DMSO。
所述步骤(4)、(5)中透析所用透析液为0.2M NaH2PO4和0.2M Na2HPO4。
所述步骤(5)中交联剂为EDC·HCl/NHS，其中EDC·HCl、NHS质量比为0.02-0.04：0.02-0.04。
所述步骤(6)中牛血清蛋白BSA的分子量为67kDa，等电点pI＝4.9。
所述步骤(6)中氨水的质量体积百分浓度为25％。
所述步骤(6)中离心洗涤为离心去除上清，并用双蒸水多次洗涤以除去体系中为反应的单体。
所述步骤(6)中洗脱为用0.5％曲拉通X-100进行洗脱分子印迹聚合物中的模板蛋白，重复多次直到洗脱完全即洗脱液中在280nm处无紫外吸收。
本发明以碳纳米管-量子点(MWCNTs-QDs)纳米复合材料为基体，结合分子印迹技术和sol-gel技术在其表面制备对模板分子具有特异性识别作用的分子印迹聚合物。首先分别制备PEI修饰的MWCNTs和巯基丙酸MPA修饰的CdTe/CdS核壳结构量子点；然后以共价键将CdTe/CdS量子点负载到碳纳米管表面得到具有较强荧光发射的MWCNTs-QDs纳米复合材料；再以所制备的纳米复合材料为基体，通过sol-gel技术在其表面制备一层分子印迹聚合物。本方法制备的纳米荧光传感器结合了分子印迹聚合物对模板分子的高选择性，量子点稳定且优异的荧光性能和碳纳米管较高的传质效能。该荧光传感器对模板蛋白具有较高的选择性和灵敏性，并且这种选择性能很好地通过Stern-Volmer公式进行线性拟合，表明通过本方法能成功制备性能优异的纳米荧光仿生传感器。
有益效果
(1)本发明以MWCNTs-QDs纳米复合材料为载体，利用sol-gel反应在其表面修饰BSA印迹的分子印迹聚合物SiO2，结合了分子印迹聚合物的高选择性和MWCNTs-QDs荧光响应的高灵敏性；
(2)本发明与传统的分子印迹聚合物相比，采用表面印迹的方式合成的纳米荧光传感器有效识别位点多，且接近表面，比表面积大，易于选择性识别模板分子。
附图说明
图1为材料的透射电镜图片，其中A为实施例1的CdTe/CdS核壳结构量子点，B为实施例2的PEI-MWCNTs，C为实施例2的MWCNTs-QDs，D为实施例3的BSA印迹的纳米荧光材料；
图2为材料的荧光发射光谱，其中A为实施例1的CdTe/CdS量子点；B为实施例2的MWCNTs-QDs，C为实施例3的BSA印迹纳米荧光材料，D为实施例3的非印迹纳米材料；
图3为实施例4中BSA印迹纳米荧光材料对模板蛋白BSA的荧光响应；其中插图为Stern-Volmer拟合方程；
图4为实施例4中非印迹纳米荧光材料对模板蛋白BSA的荧光响应；其中插图为Stern-Volmer拟合方程。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)NaHTe溶液的制备：将0.75mmol NaBH4和0.375mmol Te粉加入12ml双蒸水中，60℃油浴中反应30-60min,反应所得到的溶液过0.22μm滤膜滤掉反应产生的沉淀从而得到较纯净的NaHTe溶液。
(2)MPA修饰的Cd2+前驱液的制备：将0.25mmol CdCl2·2.5H2O,52μL(0.6mmol)MPA溶于200mL双蒸水中，并用1M NaOH调pH为8.5，搅拌下通氮气30min得到MPA稳定剂修饰的Cd2+前驱液。
(3)CdTe量子点的制备：取4ml新制备的NaHTe加入到步骤(2)得到的Cd2+前驱液中，100℃下通氮气回流60min得到CdTe量子点溶液，将其浓缩至原体积的1/4，逐滴加入异丙醇再离心得到沉淀，将得到的沉淀复溶于一定体积的双蒸水中备用；其中Cd2+：稳定剂：S2-的摩尔浓度比为2：4.8：1。
(4)CdS包壳溶液的配制：将0.25mmol CdCl2·2.5H2O,0.25mmol TAA和1.2mmol MPA溶于200mL双蒸水中，用1M NaOH调pH为8.5，搅拌下通氮气30min得到CdS包壳溶液；其中CdS包壳溶液中Cd2+：稳定剂：S2-的摩尔浓度比为1：4.8：1。
(5)CdTe/CdS核壳结构量子点的制备：将实施例1步骤(3)得到的CdTe加入到CdS包壳溶液中，100℃下通氮气回流120min得到CdTe/CdS核壳结构量子点溶液，将其浓缩至原体积的1/4，逐滴加入异丙醇再离心得到沉淀，将得到的沉淀复溶于一定体积的双蒸水中备用。
(6)图1A所示为所获得的水溶性CdTe/CdS核壳结构量子点的透射电镜图片，从图中可以看出量子点大小均一，且粒径约为7-9nm。
(7)如图2A所示，所获得的水溶性CdTe/CdS核壳结构量子点荧光发射峰波长为569nm，且半峰宽较窄，说明粒径分布均匀。
实施例2
(1)将0.2g的MWCNTs-COOH,0.2g的EDC·HCl加入到20mL DMSO中超声反应3h，以活化碳纳米管上的羧基。
(2)向上述体系中加入0.3g的PEI，超声反应24h。
(3)利用透析除去体系中未反应的杂质即可得到PEI-MWCNTs。
(4)将0.02g的CdTe/CdS,0.04g的EDC·HCl，0.04g的NHS加入到20mL双蒸水中并超声反应3h，以活化量子点表面的羧基。
(5)再向上述体系中加入0.04g的PEI-MWCNTs，超声反应24h，使量子点表面的羧基和碳纳米管表面的氨基充分反应。
(6)利用透析法除去体系中未反应的化合物即可得到MWCNTs-CdTe/CdS。
(7)图1B为PEI-MWCNTs透射电镜图片，从B图中可以看出MWCNTs表面均匀包覆一层PEI，说明PEI能很好地通过共价键连接到碳纳米管表面。
(8)图1C为MWCNTs-QDs透射电镜图片，从图中可以看出CdTe/CdS量子点能很好的通过共价键负载到PEI-MWCNTs表面。
(9)如图2B所示，所获得的MWCNTs-QDs纳米复合材料具有较高的荧光强度，荧光发射峰波长为573nm。
实施例3
(1)将20mg模板蛋白BSA，20mg MWCNTs-QDs,80uL APTES和20mL双蒸水加入到反应容器中，并搅拌反应30min。
(2)继续向反应容器中加入120uL TEOS和200μL NH3·H2O((w/v)25％)，25℃下反应12h。
(3)将反应所得到的产物离心去除上清，并用双蒸水多次洗涤以除去体系中为反应的单体。然后用0.5％Tri洗脱分子印迹聚合物中的模板蛋白，重复多次直到洗脱完全(上清液在280nm处无紫外吸收)即可得到纳米荧光仿生传感器。
(4)非印迹的对照材料在制备时不加入模板蛋白BSA，其它操作与上述均相同。
(5)图1D为BSA印迹纳米材料透射电镜图片。
(6)如图2C所示，所制备的BSA印迹纳米材料具有较高的荧光强度，荧光发射峰波长为581nm。
(7)如图2D所示，所制备的BSA非印迹纳米材料荧光发射峰波长为580nm。
实施例4
(1)分别称取印迹和非印迹纳米材料20mg加入到20mL缓冲液中，超声20min使纳米材料均匀分散在缓冲液中。
(2)分别取一定体积的探针溶液和对照材料溶液于多个离心管中，再向其中加入一系列浓度的蛋白溶液，然后置于摇床中孵化一定时间后测不同溶液的荧光发射峰波长及强度。
(3)图3是BSA印迹的纳米荧光传感器对模板分子BSA的识别性能的荧光表征。从图中可以看出随着模板蛋白浓度升高，荧光探针的荧光强度逐渐被淬灭。淬灭过程可以很好地通过Stern-Volmer公式进行线性拟合，计算得到淬灭常数为0.5348。
(4)图4是非印迹的纳米荧光传感器对模板分子BSA的识别性能的荧光表征。从图中可以看出随着模板蛋白浓度升高，荧光探针的荧光强度被淬灭。通过Stern-Volmer公式线性拟合后得到淬灭常数为0.1281，远小于印迹材料的淬灭常数0.5348，说明印迹后的纳米材料对模板蛋白具有良好的识别行为，并且识别过程可以通过荧光强度变化来描述。

Claims (8)

1.一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，包括：
(1)将镉源、稳定剂溶于双蒸水中，调节pH为8.5-9.5，然后在搅拌条件下通氮气20-30min，得到Cd2+前驱液；其中镉源、稳定剂、双蒸水的比例关系为0.125-0.25mmol：0.3-0.6mmol：100-200mL；其中稳定剂为巯基丙酸MPA；
(2)将碲源加入上述Cd2+前驱液中，然后在100℃下，通氮气回流60-120min，提纯，复溶于双蒸水中，得到CdTe量子点溶液；其中Cd2+：稳定剂：碲源的摩尔浓度比为1-2：2.4-4.8：1-2；
(3)将镉源、硫代乙酰胺TAA、稳定剂溶于双蒸水中，调节pH为8.5-9.5，搅拌下通氮气30min，得到CdS包壳溶液，然后加入步骤(2)所得溶液，在100℃下通氮气回流60-120min，提纯，复溶于双蒸水中，得到CdTe/CdS核壳结构量子点溶液；其中镉源、TAA、稳定剂、双蒸水的比例关系为：0.125-0.25mmol：0.125-0.25mmol：0.6-1.2mmol：200ml；其中CdS包壳溶液中Cd2+：稳定剂：S2-的摩尔浓度比为1-2：4.8-9.6：1-2；其中稳定剂为巯基丙酸MPA；
(4)将MWCNTs-COOH、催化剂加入溶剂中，超声3h，然后加入PEI，超声反应24h，透析，得到PEI-MWCNTs；其中MWCNTs-COOH、催化剂、溶剂、PEI的比例为0.1-0.2g：0.1-0.2g：10-20mL：0.15-0.3g；其中催化剂为1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐EDC·HCl；
(5)将CdTe/CdS核壳结构量子点、交联剂加入双蒸水中，超声3h，然后再加入PEI-MWCNTs，超声反应24h，透析，即得碳纳米管-碲化镉/硫化镉纳米复合材料MWCNTs-CdTe/CdS；其中CdTe/CdS核壳结构量子点、交联剂、PEI-MWCNTs的质量比为0.01-0.02：0.04-0.08：0.02-0.04；其中交联剂为EDC·HCl/NHS，其中EDC·HCl、NHS质量比为0.02-0.04：0.02-0.04；
(6)将牛血清蛋白BSA、MWCNTs-CdTe/CdS、氨丙基三乙氧基硅烷APTES混合，搅拌20-30min，加入正硅酸乙酯TEOS和氨水，室温条件下继续搅拌8-10h，离心洗涤，洗脱，即得MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器；其中牛血清蛋白BSA、MWCNTs-CdTe/CdS、APTES、TEOS、NH3·H2O的比例关系为10-20mg：10-20mg：40-80μL：60-120μL：100-200μL。
2.根据权利要求1所述的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)、(3)中镉源为CdCl2·2.5H2O；调节pH所用试剂为1M NaOH。
3.根据权利要求1所述的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中碲源为NaHTe。
4.根据权利要求1所述的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)、(3)中提纯具体为：先浓缩至原体积的1/4，逐滴加入异丙醇再离心得到沉淀。
5.根据权利要求1所述的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中溶剂为二甲基亚砜DMSO。
6.根据权利要求1所述的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中牛血清蛋白BSA的分子量为67kDa，等电点pI＝4.9。
7.根据权利要求1所述的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中氨水的质量体积百分浓度为25％。
8.根据权利要求1所述的一种基于MWCNTs-QDs的纳米荧光仿生传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中洗脱为用0.5％曲拉通X-100进行洗脱至洗脱液中在280nm处无紫外吸收。
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