CN106706607A - 高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针及其制备方法 - Google Patents

高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针及其制备方法。本发明所述电致化学发光金纳米团簇探针是以功能化金纳米团簇材料为前驱体，采用化学还原法制备得到。上述电致化学发光金纳米团簇探针修饰在电极上，以过硫酸根离子为共反应剂，具有良好的电致化学发光性能。本发明具有工艺简单、重现性好、探针电致化学发光信号强而稳定，且发光效率高等特点。本发明所制得的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针将在医药、化学、生物和环境等领域具有较好的应用前景。

Description

高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针及其制备方法
技术领域
本发明公开一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针及其制备方法，属于纳米技术领域。
背景技术
电致化学发光是基于电化学方法，通过待测样品中的某些物质在电化学反应后生成不稳定的激发态，当处于激发态的中间物质返回基态的时候所产生的光辐射。电致化学发光由于其设备简单、重现性好，而且高灵敏度和选择性，还可进行原位检测等优点，已在医学、化学、生命科学和环境科学等领域广泛应用。近年来，灵敏度高、生物相容性好的电化学发光体用于生物分析和医学检测受到研究者们的广泛关注。
金纳米团簇是由几个到大约一百个金原子组成的一种新型的荧光纳米材料，其直径通常小于2 nm，接近电子的费米波长，连续态密度分解成离散的能级，具有与普通纳米粒子不同的性质，如光学性质、电学性质和化学性质。与传统的有机染料相比，具有灵敏度高、光稳定性强和生物相容性好等优点。作为荧光纳米标记材料，与其它量子点材料相比也有较为突出的优点，例如较低的毒性和超小的尺寸，使其在生物标记和生物成像研究中具有很好的应用前景。尽管如此，将金纳米团簇作为电化学发光探针，用于电致化学发光传感研究报道还很少。因此，研究和制备高电化学发光效率的金纳米团簇探针可显著拓展电致化学发光传感器在材料科学和生命科学领域的应用。
本发明提供了一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针及其制备方法。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是金纳米团簇探针采用化学还原法对金纳米团簇材料进行还原得到，金纳米团簇探针具有良好的电致化学发光性能。
所述金纳米团簇材料为功能化修饰金纳米团簇，所述功能化修饰金纳米团簇采用N-乙酰化-L-半胱氨酸-金纳米团簇，谷胱甘肽-金纳米团簇或牛血清白蛋白-金纳米团簇。
所述的一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是将金纳米团簇材料在还原剂硼氢化钠存在的条件下进行还原得到。
所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是金纳米团簇探针修饰在玻碳电极上，并将其作为工作电极，以过硫酸钾为共反应剂，进行电致化学发光测试，能产生显著增强的电致化学发光信号。
所述的谷胱甘肽-金纳米团簇的合成步骤如下：将浓度为0.002~0.01 mol/L氯金酸溶液与浓度为0.001~0.01 mol/L的谷胱甘肽溶液混合，混合均匀后置于30~70 ℃恒温水浴中恒温反应12~24小时，反应结束后将反应液透析纯化，得到谷胱甘肽-金纳米团簇水溶液，冷冻干燥后可得到谷胱甘肽-金纳米团簇材料粉末。
所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是电致化学发光信号由以下方法采集：将玻碳电极用Al2O3粉末抛光至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液，无水乙醇，去离子水中超声清洗，N2吹干；将金纳米团簇探针修饰在处理好的玻碳电极表面，得到金纳米团簇探针修饰玻碳电极；采用三电极体系进行测试，以金纳米团簇探针修饰玻碳电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，缓冲溶液为磷酸盐缓冲液或Tris-HCl缓冲溶液，所用电解质为KCl或KNO3，将上述电极插入含有共反应剂过硫酸钾的缓冲溶液中，施加一定的扫描电压，光电倍增管高压设置为600 V~800 V，工作电极表面产生电致化学发光辐射。
所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是连续电化学扫描24段以上电致化学发光信号保持不变。
所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是相对电化学发光效率为4.11%。
本发明所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针的制备方法，其特征是将金纳米团簇溶液与还原剂硼氢化钠溶液在一定条件下反应得到电致化学发光金纳米团簇探针，或将金纳米团簇修饰玻碳电极浸泡在还原剂硼氢化钠溶液中反应得到电致化学发光金纳米团簇探针。
所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针的制备方法，其特征是将金纳米团簇修饰玻碳电极浸泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液中反应5分钟~1小时得到电致化学发光金纳米团簇探针。
具体地说，本发明采用以下技术方案：
（一）N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇的制备
N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇合成步骤如下：将浓度为0.1~0.8 mol/L的氢氧化钠与浓度为0.01~0.1 g/L氯金酸溶液加入到浓度为0.02~0.18 mol/L的N-乙酰-L-半胱氨酸溶液中，混匀后置于20~70 ℃恒温水浴恒温反应0~3.5小时。待反应结束后透析纯化处理，得到N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇水溶液，冷冻干燥后可得到N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇材料粉末。
（二）谷胱甘肽-金纳米团簇的制备
谷胱甘肽-金纳米团簇合成步骤如下：将浓度为0.002~0.01 mol/L氯金酸溶液与浓度为0.001~0.01 mol/L的谷胱甘肽溶液混合，混合均匀后置于30~70 ℃恒温水浴中恒温反应12~24小时。反应结束后将反应液透析纯化，得到谷胱甘肽-金纳米团簇水溶液，冷冻干燥后可得到谷胱甘肽-金纳米团簇材料粉末。
（三）金纳米团簇修饰电极的制备
将玻碳电极依次用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末抛光至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液（1:1），无水乙醇，去离子水中超声清洗3分钟，氮气吹干。取5 μL金纳米团簇水溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，即得金纳米团簇修饰玻碳电极。
（四）电致化学发光金纳米团簇探针的制备
将金纳米团簇溶液与0.1 mol/L硼氢化钠溶液反应5分钟~1小时，离心清洗，得到电致化学发光金纳米团簇探针。或将金纳米团簇修饰玻碳电极泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液反应5分钟~1小时，得到电致化学发光金纳米团簇探针修饰玻碳电极。
（五）金纳米团簇探针电致化学发光信号的产生和检测
采用三电极体系进行测试，以金纳米团簇或金纳米团簇探针修饰玻碳电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将上述电极插入含有共反应剂的缓冲溶液中，采用阶跃脉冲法，初始电位为0 V，相对应脉冲时间为10 s，终止电位为-2 V，相对应脉冲时间为1 s。光电倍增管高压设置为600 V ~ 800 V，检测工作电极表面产生的电致化学发光信号，采用化学还原法制备的金纳米团簇探针其电致化学发光信号显著增强。
本发明的优点是：
（1）本发明采用简单的化学还原法，以功能化修饰金纳米团簇为前驱体，制备高性能电致化学发光金纳米团簇探针，该制备方法简便易行，且重现性好。
（2）本发明所得到的电致化学发光金纳米团簇探针具有发光强度大，电致化学发光效率高，生物相容性好等特点。
附图说明
图1 为N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇的X射线光电子能谱图。
图2为以N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇为前驱体制备的电致化学发光金纳米团簇探针的X射线光电子能谱图。
图3为N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极的电致化学发光-时间曲线图。
图4为以N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇为前驱体制备的电致化学发光金纳米团簇探针修饰玻碳电极的电致化学发光-时间曲线图。
图5为以N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇为前驱体制备的电致化学发光金纳米团簇探针修饰玻碳电极连续扫描所得的电化学发光强度图。
图6为谷胱甘肽-金纳米团簇修饰玻碳电极的电致化学发光-时间曲线图。
图7为以谷胱甘肽-金纳米团簇为前驱体制备的电致化学发光金纳米团簇探针修饰玻碳电极的电致化学发光-时间曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述，本发明并不限于此。
实施例1
往4 mL浓度为0.08 mol/L的N-乙酰-L-半胱氨酸溶液中加入0.6 mL浓度为0.5 mol/L的氢氧化钠与0.4 mL浓度为20 mg/mL氯金酸溶液，混匀后置于37 ℃恒温水槽中孵育3小时。反应结束后的反应液用截留分子为3500的透析袋进行透析纯化处理，得到N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇水溶液。将直径3 mm的玻碳电极用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末依次抛光，打磨，至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液（浓硝酸与水体积比为1:1），无水乙醇，去离子水中超声清洗3分钟，氮气吹干。取5 μL N-乙酰-L-半胱氨酸保护的金纳米团簇溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，得N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极。将上述电极进行X射线光电子能谱测定，在83.94 eV和84.47 eV出现Au(0)和Au(I)的4f峰（见图1）。
实施例2
往4 mL浓度为0.08 mol/L的N-乙酰-L-半胱氨酸溶液中加入0.6 mL浓度为0.5 mol/L的氢氧化钠与0.4 mL浓度为20 mg/mL氯金酸溶液，混匀后置于37 ℃恒温水槽中孵育3小时。反应结束后的反应液用截留分子为3500的透析袋进行透析纯化处理，得到N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇水溶液。将直径3 mm的玻碳电极用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末依次抛光，打磨，至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液（浓硝酸与水体积比为1:1），无水乙醇，去离子水中超声清洗3分钟，氮气吹干。取5 μL N-乙酰-L-半胱氨酸保护的金纳米团簇溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，得N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极。将上述N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰于可拆卸玻碳电极表面，并将该电极浸泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液中反应5分钟，得到化学还原金纳米团簇探针修饰电极。将上述金纳米团簇探针修饰电极进行X射线光电子能谱测定，在84.03 eV出现Au(0)的4f峰（见图2），表明化学还原法可将一价金完全还原成零价金。
实施例3
往4 mL浓度为0.08 mol/L的N-乙酰-L-半胱氨酸溶液中加入0.6 mL浓度为0.5 mol/L的氢氧化钠与0.4 mL浓度为20 mg/mL氯金酸溶液，混匀后置于37 ℃恒温水槽中孵育3小时。反应结束后的反应液用截留分子为3500的透析袋进行透析纯化处理，得到N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇水溶液。将直径3 mm的玻碳电极用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末依次抛光，打磨，至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液（浓硝酸与水体积比为1:1），无水乙醇，去离子水中超声清洗3分钟，氮气吹干。取5 μL N-乙酰-L-半胱氨酸保护的金纳米团簇溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，得N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极。将上述电极插入含有0.1 mol/L过硫酸钾和0.1 mol/L KCl的0.1 mol/L pH 7.4磷酸盐缓冲溶液中。采用阶跃脉冲法，初始电位为0 V，脉冲时间为10 s，终止电位为-2 V，脉冲时间为1 s。光电倍增管高压设置为700 V，检测工作电极表面产生的电致化学发光信号，得到较弱的电化学发光信号（见图3）。
实施例4
往4 mL浓度为0.08 mol/L的N-乙酰-L-半胱氨酸溶液中加入0.6 mL浓度为0.5 mol/L的氢氧化钠与0.4 mL浓度为20 mg/mL氯金酸溶液，混匀后置于37 ℃恒温水槽中孵育3小时。反应结束后的反应液用截留分子为3500的透析袋进行透析纯化处理，得到N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇水溶液。将直径3mm的玻碳电极用1.0 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末依次抛光，打磨，至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液（浓硝酸与水体积比为1:1），无水乙醇，去离子水中超声清洗3分钟，氮气吹干。取5 μL N-乙酰-L-半胱氨酸保护的金纳米团簇溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，得N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极。将N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液反应5分钟，得到金纳米团簇探针修饰电极。将上述金纳米团簇探针修饰电极插入含有0.1 mol/L过硫酸钾和0.1 mol/L KCl的0.1 mol/L pH 7.4 磷酸盐缓冲溶液中。采用阶跃脉冲法，初始电位为0 V，脉冲时间为10 s，终止电位为-2 V，脉冲时间为1 s。光电倍增管高压设置为700V，检测工作电极表面产生的电致化学发光信号，其信号约为N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰电极发光强度的30倍（见图4）。
实施例5
往4 mL浓度为0.08 mol/L的N-乙酰-L-半胱氨酸溶液中加入0.6 mL浓度为0.5 mol/L的氢氧化钠与0.4 mL浓度为20 mg/mL氯金酸溶液，混匀后置于37 ℃恒温水槽中孵育3小时。反应结束后的反应液用截留分子为3500的透析袋进行透析纯化处理，得到N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇水溶液。取5 μL N-乙酰-L-半胱氨酸保护的金纳米团簇溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，得N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极。将N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液反应5分钟，得到金纳米团簇探针修饰电极。将制备的金纳米团簇探针修饰玻碳电极插入含有0.1 mol/L 过硫酸钾和0.1 mol/L KCl的0.1 M pH 7.4 磷酸盐缓冲溶液中。采用阶跃脉冲法，初始电位为0V，脉冲时间为10 s，终止电位为-2 V，脉冲时间为1 s。光电倍增管高压设置为700 V，连续扫描24段，记录电致化学发光信号，其电致化学发光信号保持不变（见图5）。
实施例6
将N-乙酰-L-半胱氨酸-金纳米团簇修饰玻碳电极泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液反应5分钟，得到金纳米团簇探针修饰电极。将制备的金纳米团簇探针修饰玻碳电极插入含有0.1mol/L过硫酸钾和0.1 mol/L KCl的0.1 mol/L pH 7.4 磷酸盐缓冲溶液中。采用循环伏安法，施加0 V ~ -2.0 V的线性扫描电压，扫描速度为0.2 V/s，光电倍增管高压设置为700V，检测工作电极表面产生的电致化学发光信号（I ），其产生的相应电量为Q f 。另外，将直径3 mm的玻碳电极用1.0 μm、0.3 μm，0.05 μm的Al2O3粉末依次抛光，打磨，至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液（1:1），无水乙醇，去离子水中超声清洗3分钟，N2吹干。采用三电极体系，以裸玻碳电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将裸玻碳电极插入含有1.0 mmol/L [Ru(bpy)3]2+和0.1 mol/L四丁基高氯酸铵的乙腈溶液中，施加-1.0 ~ -1.8 V的线性扫描电压，扫描速度为0.2 V/s，光电倍增管高压设置为700 V，检测工作电极表面产生的电致化学发光信号（I °）其产生的相应电量为Q° f 。由公式Φ ECL =Φ ° ECL (I Q° f /I ° Q f )计算出电化学还原法得到的金纳米团簇探针的电化学发光效率Φ ECL 为4.11%。
实施例7
将0.5 mL浓度为0.02 mol/L HAuCl4与0.15 mL浓度为0.1 mol/L的谷胱甘肽溶液的混合溶液于室温下加入到4.35 mL水中，混合均匀后置于70 ℃恒温水浴中恒温反应24小时。反应结束后将反应液透析纯化48小时，最后将制备好的谷胱甘肽-金纳米团簇溶液放置于4℃冰箱避光保存。取5 μL上述谷胱甘肽-金纳米团簇溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，制得谷胱甘肽-金纳米团簇修饰玻碳电极。将上述电极插入含有0.1 mol/L过硫酸钾和0.1 mol/L KCl的0.1 mol/L pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液中。采用阶跃脉冲法，初始电位为0 V，脉冲时间为10 s，终止电位为-2 V，脉冲时间为1 s。光电倍增管高压设置为700 V，检测工作电极表面产生的电致化学发光信号，得到较弱的电化学发光信号（见图6）。
实施例8
将0.5 mL浓度为0.02 mol/L的HAuCl4与0.15 mL浓度为0.1 mol/L的谷胱甘肽溶液的混合溶液于室温下加入到4.35 mL水中，混合均匀后置于70 ℃恒温水浴中恒温反应24小时。反应结束后将反应液透析纯化48小时，最后将制备好的谷胱甘肽-金纳米团簇溶液放置于4 ℃冰箱避光保存。取5 μL上述谷胱甘肽-金纳米团簇溶液滴加在处理好的玻碳电极表面，室温干燥，制得谷胱甘肽-金纳米团簇修饰玻碳电极。再将上述谷胱甘肽-金纳米团簇修饰电极泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液反应5分钟，得到金纳米团簇探针修饰电极。将上述金纳米团簇修饰玻碳电极插入含有0.1 mol/L过硫酸钾和0.1 mol/L KCl的0.1 mol/L pH7.4 磷酸盐缓冲溶液中。采用阶跃脉冲法，初始电位为0 V，脉冲时间为10 s，终止电位为-2V，脉冲时间为1 s。光电倍增管高压设置为700 V，检测工作电极表面产生的电致化学发光信号，其电致化学发光信号约为谷胱甘肽-金纳米团簇修饰电极发光强度的20倍（见图7）。
以上所述仅为本发明的典型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是金纳米团簇探针采用化学还原法对金纳米团簇材料进行还原得到，金纳米团簇探针具有良好的电致化学发光性能。
2.根据权利要求1所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是所述金纳米团簇材料为功能化修饰金纳米团簇，所述功能化修饰金纳米团簇采用N-乙酰化-L-半胱氨酸-金纳米团簇，谷胱甘肽-金纳米团簇或牛血清白蛋白-金纳米团簇。
3.根据权利要求1所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是将金纳米团簇材料在还原剂硼氢化钠存在的条件下进行还原得到。
4.根据权利要求1所述的一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是金纳米团簇探针修饰在玻碳电极上，并将其作为工作电极，以过硫酸钾为共反应剂，进行电致化学发光测试，能产生显著增强的电致化学发光信号。
5.根据权利要求2所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是所述的谷胱甘肽-金纳米团簇的合成步骤如下：将浓度为0.002~0.01 mol/L氯金酸溶液与浓度为0.001~0.01 mol/L的谷胱甘肽溶液混合，混合均匀后置于30~70 ℃恒温水浴中恒温反应12~24小时，反应结束后将反应液透析纯化，得到谷胱甘肽-金纳米团簇水溶液，冷冻干燥后可得到谷胱甘肽-金纳米团簇材料粉末。
6.根据权利要求4所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是电致化学发光信号由以下方法采集：将玻碳电极用Al2O3粉末抛光至光滑镜面，再依次放入HNO3溶液，无水乙醇，去离子水中超声清洗，N2吹干；将金纳米团簇探针修饰在处理好的玻碳电极表面，得到金纳米团簇探针修饰玻碳电极；采用三电极体系进行测试，以金纳米团簇探针修饰玻碳电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，缓冲溶液为磷酸盐缓冲液或Tris-HCl缓冲溶液，所用电解质为KCl或KNO3，将上述电极插入含有共反应剂过硫酸钾的缓冲溶液中，施加一定的扫描电压，光电倍增管高压设置为600 V~800 V，工作电极表面产生电致化学发光辐射。
7.根据权利要求5所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是连续电化学扫描24段以上电致化学发光信号保持不变。
8.根据权利要求5所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针，其特征是相对电化学发光效率为4.11%。
9.一种高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针的制备方法，其特征是将金纳米团簇溶液与还原剂硼氢化钠溶液在一定条件下反应得到电致化学发光金纳米团簇探针，或将金纳米团簇修饰玻碳电极浸泡在还原剂硼氢化钠溶液中反应得到电致化学发光金纳米团簇探针。
10.根据权利要求9所述的高量子产率电致化学发光金纳米团簇探针的制备方法，其特征是将金纳米团簇修饰玻碳电极浸泡在0.1 mol/L硼氢化钠溶液中反应5分钟~1小时得到电致化学发光金纳米团簇探针。
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