CN105199718A - 一种红色荧光金/铜纳米团簇合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红色荧光金/铜纳米团簇合金及其制备方法和应用。本发明是以鸡蛋白作为模板和稳定剂，以一定摩尔比例的金/铜，通过“一锅法”制得尺寸大小均匀、稳定性好、红色荧光的金/铜纳米团簇合金。该方法操作简单，原料广泛易得，成本较低，具有良好的重复性；此外，制得的红色荧光金/铜纳米团簇合金水溶性好、荧光稳定性强、具有双峰形结构，可应用于水体系中银离子的检测，也可用于生物细胞成像等。
Description
技术领域
本发明涉及荧光纳米材料技术领域，具体涉及到一种红色荧光金/铜纳米团簇合金及其制备方法，以及该纳米团簇合金在银离子检测中的应用。
背景技术
金属纳米团簇，是一种尺寸小于2nm的超小纳米粒子。它作为一类新型的荧光发光团，因其具有制备成本低廉、表面易修饰、水溶性良好、光学性质优良等优点，作为性能较好的荧光探针，而引起了广泛研究者的兴趣，同时也成为了纳米材料中重要的组成部分，并广泛应用于化学分析、生物成像、生物传感、催化等研究领域。
目前，大多数合成的是金、银、铜纳米团簇，而金属纳米团簇合金的制备及其应用较少，这将是一个很有潜力的研究应用方向。此外，在分析检测以及生物方面，红色荧光的金属纳米团簇更具有吸引力，因它可以避免一些生物体自身荧光的干扰。
生物大分子如多肽和蛋白质，具有良好的生物相容性，自身具备多种生物功能，易于实现金属纳米团簇的功能化，也常被用于合成荧光金属纳米团簇的优良模板。
文献(Protein-DirectedSynthesisofHighlyFluorescentGoldNanoclusters,J.P.Xie,Y.G.Zheng,andJ.Y.Ying,J.Am.Chem.Soc.,2009,131,888-889)，首次采用一种商业化的常见蛋白质--牛血清白蛋白，简单一步合成高发光的金纳米团簇(红色荧光)，其中牛血清白蛋白既作保护剂又具有还原作用；文献(Luminescent,bimetallicAuAgalloyquantumclustersinproteintemplates,J.S.Mohanty,P.L.Xavier,K.Chaudhari,M.S.Bootharaju,N.Goswami,S.K.Pal,andT.Pradeep,Nanoscale,2012,4,4255-4262)，用牛血清白蛋白(BSA)保护合成金/银纳米团簇合金，探索合成条件以及对合成样品进行表征；文献(Synthesisofbimetallicgold-silveralloynanoclustersbysimplemortargrinding,A.Murugadoss,N.Kai,andH.Sakurai,Nanoscale,2012,4,1280-1282),通过研磨的方法用壳聚糖作为保护剂合成金/银纳米团簇合金，作为催化剂应用于还原4-硝基酚。这些文献中报道的方法固然好，然而也有一些不足之处，比如：合成过程有点繁琐，成本较高，发光性能不好，单峰形等等。
发明内容
本发明目的在于提供一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，该方法操作简单，成本低，一步合成，反应条件温和，发光性能好，所得红色荧光金/铜纳米团簇合金呈现出双峰形结构，利用比率型探针可检测水体系中的银离子，能够避免生物体自身荧光的干扰。
为实现上述目的，本发明提供的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，是以鸡蛋白作为模板和稳定剂，以金/铜作为金属核，通过“一锅法”制备得到。
具体制备方法，步骤为：
(1)将鸡蛋白从新鲜鸡蛋中分离出来，通过冷冻干燥获取粉末状固体；
(2)将步骤(1)得到的鸡蛋白粉末固体加入水中，搅拌使其充分溶解，制得浓度为15～100mg/mL的鸡蛋白水溶液；
(3)向步骤(2)得到的鸡蛋白水溶液中加入浓度为10mmol/L的氯金酸溶液，继续搅拌使两者充分混匀；2分钟之后，向混合溶液中加入氢氧化钠溶液，调节溶液的pH值至11～12；
(4)继续搅拌，向步骤(3)得到的混合溶液中加入浓度为1～15mmol/L的硝酸铜溶液，搅拌使两者充分混匀；2分钟之后，向混合溶液中加入氢氧化钠溶液，至溶液呈淡黄色；
(5)继续搅拌，在温度为室温～95℃条件下继续搅拌反应1～14h；
(6)将步骤(5)得到的溶液经过离心、透析，最终得到红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液；
所述的鸡蛋白溶液、氯金酸溶液、硝酸铜溶液的体积比为0.6-4∶2∶0.3-5，优选体积比为2∶2∶1。
步骤(2)所述的鸡蛋白溶液的浓度为50mg/mL。
步骤(4)所述的硝酸铜溶液的浓度为3mmol/L。
步骤(3)、(4)所述的氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L。
步骤(5)所述的反应温度为55℃，最佳反应时间为12h。
所述步骤(6)中离心是以13000r/min转速离心10min。
所述步骤(6)中透析是用截留分子量为1000Da的透析袋透析12h。
本发明方法制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金应用于水体系中银离子的检测，也可用于生物细胞成像。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)以鸡蛋白为模板，原料广泛易得，绿色环保，制备方法简单，成本低廉；
(2)制得的红色荧光金/铜纳米团簇合金具有良好的红色发光性能，并呈现双峰形，而其中发射峰位置位于近红外处时，利用比率型荧光探针选择性检测水体系中的银离子，可以避免生物体自身荧光的干扰。本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金应用于水体系中银离子的检测。
(3)制得的红色荧光金/铜纳米团簇合金尺寸小、光稳定性强、毒副作用小、水溶性好，在化学传感、生物成像、生物标记等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备以及应用示意图
图2为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光-紫外组合图，其中内嵌入的照片分别是本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在日光灯(a)和波长为365nm紫外灯(b)照射下的照片
图3为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在不同pH值下荧光峰强度的变化
图4为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液随离子强度(氯化钠的浓度)的变化其荧光峰强度的变化
图5为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液(a)以及加入一定浓度银离子后(b)随时间的变化其荧光峰强度的变化
图6为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入不同金属离子时荧光峰强度的变化(a为线状图，b为柱状图)
图7为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入不同金属离子在日光灯(a)和波长为365nm紫外灯(b)照射下的照片
图8为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液随银离子浓度的变化其荧光峰强度的变化
图9为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液与银离子浓度之间的线性关系
具体实施方式
本发明是以鸡蛋白为模板，以一定摩尔比例的金/铜，通过“一锅法”制备红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液用于实际水样品中银离子的检测。下面通过实例对本发明作进一步说明。
实施例1
以鸡蛋白为模板的红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备：
(1)将0.50g鸡蛋白粉末加入到10mL去离子水中，超声溶解制得混合溶液；
(2)移取步骤(1)得到的混合溶液2.0mL(50mg/mL)加入到2.0mL10mmol/L的氯金酸溶液中，搅拌使两者充分混匀；
(3)向步骤(2)得到的混合溶液中加入0.2mL1mol/L氢氧化钠溶液，调节溶液的pH值至11～12；然后，在55℃条件下搅拌2min；
(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入1.0mL3mmol/L的硝酸铜溶液，55℃条件下搅拌2min；之后再加入10μL1mol/L氢氧化钠溶液，溶液变为淡黄色；之后，在55℃下继续搅拌反应12h；
(5)将步骤(4)得到的产物进行离心，用13000r/min转速离心10min，透析时用截留分子量为1000Da的透析袋透析12h，最终得到红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液。
红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备以及应用示意图见图1。
制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光-紫外组合图见图2，其中紫外图(左)说明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金颗粒较小；而荧光图(右)表明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金在固定激发波长为380nm条件下，发射峰位置分别在474.0nm,623.0nm左右，第二个峰位于近红外区域。
此外，制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液分别在日光灯和波长为365nm紫外灯照射下的照片见图2中内嵌的照片，其中a为红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在日光灯照射下的图片，颜色为棕色，b为波长为365nm紫外灯照射下的图片，颜色为红色。
实施例2
pH值对实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度的影响实验：
分别将0.1mL实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入到0.9mL不同pH值的磷酸缓冲溶液中，固定激发波长为380nm，在室温下进行荧光光谱检测，根据474.0nm,623.0nm左右的荧光峰强度的变化，作两个峰的荧光强度比值，检测pH值对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的影响。
pH值对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度(F623.0/474.0)的影响见图3：在380nm激发下，红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在pH为4.0-13.0的范围内，荧光峰强度(F623.0/474.0)先降低后增加，但整体变化不是很大，说明本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液对pH值变化不敏感。
实施例3
离子强度对实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度的影响实验：
分别将0.1mL实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入到0.9mL磷酸缓冲溶液(pH＝7.0)中，固定激发波长为380nm，加入不同浓度的氯化钠溶液(0～75mmol/L)，在室温下进行荧光光谱检测，根据474.0nm,623.0nm左右的荧光峰强度变化，作两个峰的荧光强度比值，检测离子强度对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的影响。
离子强度对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度(F623.0/474.0)的影响见图4：在380nm激发下，红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在不同浓度的氯化钠溶液(0～75mmol/L)范围内，荧光峰强度(F623.0/474.0)基本不变，说明本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液抗离子干扰性强。
实施例4
时间对实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液以及加入银离子后荧光峰强度的影响实验：
分别将0.1mL实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入到0.9mL磷酸缓冲溶液(pH＝7.0)中，固定激发波长为380nm，在室温下0-30min内进行荧光光谱检测，根据474.0nm,623.0nm左右的荧光峰强度变化，作两个峰的荧光强度比值，检测时间对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的影响；之后，依据上述条件，重新移取该溶液并加入银离子，在0.5-30min内检测时间对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度的影响。
时间对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液以及加入银离子后荧光峰强度(F623.0/474.0)的影响见图5：在380nm激发下，a为红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在0-30min范围内变化趋势，荧光峰强度(F623.0/474.0)基本不变，说明本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液很稳定；b为红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入银离子后在0.5-30min范围内变化趋势，其荧光峰强度变化不大，为了提高检测效率，缩短时间，故本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液用于检测银离子的时间设定为1min。
实施例5
各种金属离子对实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度的影响实验：
分别配制pH＝7.0的0.01mol/L的磷酸缓冲液和各种金属离子(K(NO3)2、Ca(NO3)2、NaNO3、Mg(NO3)2、Al(NO3)3、Zn(NO3)2、Fe(NO3)3、Cu(NO3)2、Hg(NO3)2、AgNO3、Cd(NO3)2、Co(NO3)2、Ni(NO3)2、Mn(NO3)2,浓度为100μmol/L)溶液；之后，将0.1mL实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入到0.9mL上述含不同金属离子的缓冲溶液中，固定激发波长为380nm，在室温下进行荧光光谱检测，根据474.0nm,623.0nm左右的荧光峰强度变化，作两个峰的荧光强度比值，检测各种金属离子对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的影响。此外，将上述溶液分别置于日光灯和波长为365nm紫外灯下，观察颜色变化。
各种金属离子对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度(F623.0/474.0)的影响见图6：在380nm激发下，a图为各种金属离子对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度(F623.0/474.0)的影响的线性图，b图为各种金属离子对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度(F623.0/474.0)的影响的柱状图；通过对图进行对比得出：汞离子和铜离子使样品的荧光强度淬灭，银离子反而使样品的荧光强度增强，其他离子的变化相对较小，说明本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液能够定性检测银离子。
含各种金属离子的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液分别在日光灯和波长为365nm紫外灯照射下的照片见图7：其中a为含各种金属离子的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在日光灯照射下的图片，含汞离子、铜离子的溶液颜色为淡棕色，含银离子的溶液呈深棕色，其他金属离子溶液的颜色为棕色；b为波长为365nm紫外灯照射下的图片，含汞离子、铜离子的溶液颜色为蓝色，含银离子的溶液呈橙黄色，其他金属离子溶液的颜色为红色。
实施例6
实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液对银离子检测的实验：
分别将0.1mL实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入到0.9mL磷酸缓冲溶液(pH＝7.0)中，固定激发波长为380nm，加入不同浓度的银离子(0.5～30μmol/L)，在室温下进行荧光光谱检测，根据474.0nm,623.0nm左右的荧光峰强度变化，作两个峰的荧光强度比值，检测银离子对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的影响。
银离子对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度的影响见图8：在380nm激发下，红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在加入不同浓度的银离子，其中：474.0nm处的荧光峰强度逐渐减小，然而，623.0nm处的荧光峰强度先减小，后发生峰位移至590nm处，之后在这个峰位置(590nm)上荧光峰强度逐渐增大；其中1～16分别是0,0.5,2.0,5.0,8.0,10.0,12.0,14.0,16.0,18.0,20.0,22.0,24.0,26.0,28.0,30μmol/L的银离子对红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液荧光峰强度影响的光谱图，说明本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液能够实现对银离子的检测。
此外，本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液的荧光峰强度(F590.0/474.0)的变化与银离子的浓度呈线性关系，如图9所示，其线性方程为F590.0/474.0＝0.0301[Ag+]+0.1345(R2＝0.9933)，检出限能达到0.31μmol/L。
实施例7
实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在实际水样中银离子检测应用的实验：
采用标准加入法用于实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液在实际水样中银离子检测应用的实验。用自来水和湖水作溶剂分别配制银离子储备液0.01mol/L。将0.1mL实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液加入到0.9mL磷酸缓冲溶液(pH＝7.0)，选取某些浓度梯度的银离子溶液，加入到上述体系中，固定激发波长为380nm，在室温下进行荧光光谱检测，并记录相应的荧光强度。
利用图9中的线性方程计算出实际样品中银离子的回收率。本实验中多组平行测定并计算自来水和湖水中银离子的回收率如表1所示，说明实施例1制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液能够用于实际水样中银离子的检测。
表1为本发明制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液用于实际水样品中银离子的检测
RSD:相对标准偏差。
Claims (10)
1.一种红色荧光金/铜纳米团簇合金，其特征在于，是以鸡蛋白作为模板和稳定剂，以金/铜作为金属核，通过“一锅法”制备得到。
2.如权利要求1所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其步骤为：
(1)将鸡蛋白从新鲜鸡蛋中分离出来，通过冷冻干燥获取粉末状固体；
(2)将步骤(1)得到的鸡蛋白粉末固体加入水中，搅拌使其充分溶解，制得浓度为15～100mg/mL的鸡蛋白水溶液；
(3)向步骤(2)得到的鸡蛋白水溶液中加入浓度为10mmol/L的氯金酸溶液，继续搅拌使两者充分混匀；2分钟之后，向混合溶液中加入氢氧化钠溶液，调节溶液的pH值至11～12；
(4)继续搅拌，向步骤(3)得到的混合溶液中加入浓度为1～15mmol/L的硝酸铜溶液，搅拌使两者充分混匀；2分钟之后，向混合溶液中加入氢氧化钠溶液，至溶液呈淡黄色；
(5)继续搅拌，在温度为室温～95℃条件下连续搅拌反应1～14h；
(6)将步骤(5)得到的溶液经过离心、透析，最终得到红色荧光金/铜纳米团簇合金溶液；
所述的鸡蛋白溶液、氯金酸溶液、硝酸铜溶液的体积比为0.6-4∶2∶0.3-5。
3.如权利要求2所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)所述的鸡蛋白溶液的浓度为50mg/mL。
4.如权利要求2所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)所述的硝酸铜溶液的浓度为3mmol/L。
5.如权利要求2所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)、(4)所述的氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L。
6.如权利要求2所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)所述的反应温度为55℃，最佳反应时间为12h。
7.如权利要求2所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中离心是以13000r/min转速离心10min。
8.如权利要求2所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中透析是用截留分子量为1000Da的透析袋透析12h。
9.如权利要求2所述的一种红色荧光金/铜纳米团簇合金的制备方法，其特征在于，所述的鸡蛋白溶液、氯金酸溶液、硝酸铜溶液的体积比为2∶2∶1。
10.如权利要求1或2所述方法制备的红色荧光金/铜纳米团簇合金应用于水体系中银离子的检测。
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