CN106855514A - 一种应用于检测多巴胺和Al3+,细胞成像以及逻辑门操作的碳点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过一步简单的水热法制备出的荧光碳纳米点(CNDs)并且量子产率能达到9.9％。这种碳点能够作为一种有效的荧光探针去灵敏地、选择性地检测多巴胺和Al³⁺离子，检测极限分别为0.78μM和3.29μM，并表现出了很好的水溶性，很高的光学稳定性以及较低的生物毒性等优点。该荧光探针能被应用于各种分子层次的逻辑门实验，而且它将在以后的逻辑门实验中展示出更好的适应性。尤其是，这种新颖的荧光探针已被顺利地用于检测真实样品中的多巴胺和Al³⁺离子。综上实验结果表明这种新碳点在便携式传感装置中将会有很大潜力。

Description

一种应用于检测多巴胺和Al3+，细胞成像以及逻辑门操作的 碳点

技术领域：

本发明属于化学领域中利用荧光碳纳米点对多巴胺和Al³⁺的检测和逻辑门操作的应用。

背景技术：

多巴胺是一种在大脑中很重要的神经传递素，由神经细胞释放然后传递信号至其他神经细胞。但是大脑中不正常水平的多巴胺是与一些疾病相关联的，例如帕金森病和老年痴呆症。另一方面，像Al³⁺这样的金属离子在很多生命活动中，比如在人体的微量元素方面，扮演着至关重要的角色。很多研究已经表明，过量的Al³⁺摄入会导致肾功能衰竭，骨质疏松以及神经障碍。因此，检测多巴胺和Al³⁺在控制生物体和环境系统中的浓度方面是至关重要的。到目前为止，包括液相色谱法，化学发光，毛细管电泳以及荧光技术等多种方法已经被用于多巴胺的测定。然而，这些方法中的大多数都会受到时间长，花费高以及需要复杂的仪器的限制。比如对Al³⁺的检测，传统的检测方法像火焰原子吸收法，电感耦合等离子体原子发射光谱法等都很昂贵、复杂和不方便快速的在线传感。

荧光探针作为一种有效的传感器已经被广泛的应用于检测污染物。荧光探针能够产生明显的荧光信号变化用于物质的定性和定量分析。虽然以半导体为基础制作的量子点(QDs)已经被作为一种有效的荧光探针来使用，但是它的潜在的高毒性以及较差的生物相容性限制了其应用。荧光碳纳米点(CDs)，作为另一种纳米颗粒，具有很高的水溶性，很强的化学惰性，易于功能化以及很好的生物相容性等优点。因此，这种碳点(CDs)主要被应用在生物成像，光电器件，医疗诊断，光催化和传感器方面。然而，这些方法中的大多数都仅仅能检测一种物质。已公开的关于检测多巴胺和Al³⁺的这种荧光探针几乎没有。

基于以上考虑，我们合成了一种制备方法简单、成本较低的碳点(CNDs)作为荧光探针。这种碳点(CNDs)在检测多巴胺和Al³⁺离子的过程中表现出了高效率、高灵敏性、光稳定性等优点。更重要的是，已合成的这种碳点(CNDs)展示出了对多巴胺和Al³⁺很高的选择性和敏感性，检测限分别达到了0.0078μM和0.0329μM。目前这种方法已经成功的应用于对人体尿液和血清样品中的多巴胺的检测以及对环境水样中的Al³⁺的检测。由于这些独特的性质，用这种碳点(CNDs)还可以进行逻辑门操作。

发明内容：

本发明改进了现有检测方法毒性高，生物相容性差，水溶性不好并且只能检测一种物质的缺点，实现了利用荧光碳点对多巴胺和Al³⁺的双重检测，并利用这种性质进行逻辑门的构造。

本发明利用这种荧光碳点(CNDs)和多巴胺结合之后发生电子转移导致荧光碳点的荧光猝灭从而实现了对多巴胺的检测。用不同浓度的多巴胺测得不同荧光强度的数据可得到方程F₀/F-1＝0.2328+0.0979c，其中F₀为不加入多巴胺时的荧光强度，F为多巴胺浓度为c时的荧光强度，相关系数为0.9943。多巴胺浓度范围在20μM到80μM。从而推算出对于多巴胺的检测限为0.0078μM。

本发明利用上述中的碳点多巴胺的结合物，CNDs-多巴胺，实现对Al³⁺的检测。检测机理为：在CNDs-多巴胺中加入Al³⁺后，Al³⁺会和多巴胺进行结合，从而释放出了具有荧光性质的碳点(CNDs)，导致荧光的恢复，进而可以利用荧光强度的改变实现对Al³⁺的检测。通过对荧光强度和Al³⁺浓度之间的关系数据，得到方程F₀/F-1＝-0.0058-0.0069c，其中F₀为不含有Al³⁺时的荧光强度，F为Al³⁺浓度为c时的荧光强度，相关系数为0.9928。从而推算出对于Al³⁺的检测限为0.0329μM。

利用上述性质，构建了一种以多巴胺和Al³⁺为基础的逻辑门，通过多巴胺和Al³⁺对荧光强度的影响来实现对输出信号的控制。

本发明对上述检测过程中的干扰性因素进行了深入研究，包括温度，pH值，稳定时间以及离子强度对碳点(CNDs)荧光强度的影响。干扰性测试是在磷酸盐缓冲溶液中进行。测试结果表明温度对荧光强度几乎没有影响，对pH值的测试中我们发现，在强酸(pH＜6)或者强碱(pH＞10)下，碳点(CNDs)的荧光发生猝灭，且pH值为7.0时有最高的荧光发射强度，这个pH值和生物体内的环境很相似，这表明了这种碳点(CNDs)可以在生物学领域应用。稳定时间测试结果显示：这种碳点在空气中暴露30天之后依然保持着很强的荧光强度。离子强度测试显示：KCl对结果的影响也很小，这说明这种碳点(CNDs)可以在实际检测中有很好的应用。

附图说明

图1是本发明的碳点(CNDs)的结构表征。

图2(a)是本发明的碳点(CNDs)对多巴胺的敏感性研究及浓度的检测：横坐标为波长(nm)，纵坐标为荧光强度；图2(b)是碳点(CNDs)对多巴胺的选择性测试。

图3(a)(b)是本发明的碳点(CNDs)对Al³⁺的敏感性研究及浓度的检测；图3(c)是不含多巴胺的碳点对Al³⁺的敏感性测试；图3(d)是碳点(CNDs)对Al³⁺选择性的测试。

图4是本发明的碳点(CNDs)受温度、pH值、放置时间及碳点的浓度对荧光强度影响的测试。

图5是本发明的碳点(CNDs)构建逻辑门操作的原理示意图。

具体实施方式

参照附图1-5对本发明做进一步的说明

实施例1

本发明的碳点(CNDs)的合成：将1.92g无水柠檬酸和6.81g4，7，10-三氧-1，13-十三烷二胺溶解在20ml蒸馏水中，然后转移至50ml的高压釜中，在200℃下加热5h。当反应釜冷却至室温时我们得到了透明的褐色溶液，之后我们加入氢氧化钠去调节上述溶液的pH值到14。接着进行旋转蒸发得到固体，然后再溶解到乙醇里，不溶物将会通过离心除去，留下上清液。最后，上清液进一步由透析袋(Mw＝3000)放在蒸馏水中透析4天。最后，纯的碳点(CNDs)将由旋转蒸发得到。

本发明的碳点(CNDs)的表征：用透射电子显微镜(TEM)来得到碳点(CNDs)的结构。图1a表示碳点(CNDs)在水溶液中高度分散并且平均直径在3.9nm。我们也可以清晰地看到，碳点(CNDs)是呈球形的。用傅立叶变换红外线分光镜(FT-IR)来进一步研究碳点(CNDs)表面的功能基团以及化学组成(如图1b)。在3430cm^-1，3228cm^-1，1656cm^-1和1114cm^-1处出现的峰刚好和-OH，-NH₂，C＝O，C-O的一致。由此我们可以推断碳点(CNDs)表面-NH₂和-COOH这两个亲水基团。这些亲水基团加强了碳点(CNDs)的水溶性，也使得碳点(CNDs)在水溶液中的检测应用进一步扩大了。1400cm^-1处的峰来自于-NHCO-，这表明在制备碳点(CNDs)时发生了酰化反应。

另外，X射线光电子能谱分析(XPS)用来研究碳点表面总成分以及表面元素分析(如图1c所示)。透析后显示X光电子能谱图显示了三个峰，分别在285eV，400eV和532eV，分别表示C1s，N1s和O1s。碳点C1s的高分辨率表明了由于C-C，C-N和C＝O的结合能，分别在285eV，286eV，288eV出现峰值(如图1d所示)。N1s谱图显示有两个峰在400eV左右，分别表示C-N-C和N-H(如图1e所示)。O1s谱图分成三个峰，相当于C＝O，C-OH和C-O-C基团(如图1f所示)。结果与傅立叶变换红外光谱图一致。

实施例2

本发明中使用的碳点(CNDs)对多巴胺敏感性、选择性以及浓度的检测。

(a)把多巴胺按照浓度从0μM to 200μM逐渐加入到碳点(CNDs)溶液中，检测荧光强度的变化以及不同多巴胺浓度(20μM到80μM)和荧光猝灭效率F0/F-1之间的线性关系。结果表明随着多巴胺的加入，荧光强度逐渐减少，说明这种碳点(CNDs)对于多巴胺的敏感性很好并且具有很低的检测限0.0078μM。

(b)不同物质对荧光猝灭的影响对照。A.空白样品B.邻苯二酚C.对苯二酚D.间苯二酚E.二联酚F.5-甲基-3-苯二酚G.多巴胺。测试表明本发明中使用的碳点(CNDs) 对多巴胺选择性很好。

实施例3

本发明中使用的碳点(CNDs)对Al³⁺敏感性、选择性以及浓度的检测。

(a)在含有1mM的多巴胺的碳点(CNDs)溶液中逐渐加入Al³⁺(浓度从0μM到200μM)观察到荧光强度明显升高，表明了碳点(CNDs)-多巴胺体系对Al³⁺的敏感性很好。

(b)荧光猝灭效率和Al³⁺浓度的线性关系，其中Al³⁺浓度范围在4μM to 40μM之间符合很好的线性关系。推算出具有较低的检测限0.0329μM。

(c)不含多巴胺的碳点溶液对Al³⁺的敏感性测试。结果显示不含多巴胺的碳点对Al³⁺的敏感性很差，荧光强度变化很小。

(d)碳点对Al³⁺的选择性测试。通过加入不同金属离子观察荧光强度的变化。其中1：CNDs-多巴胺2：Co²⁺；3：Ba²⁺；4：Zn²⁺；5：Ce³⁺；6：Al³⁺；7：Ni²⁺；8：Cr³⁺；9：Hg²⁺；10：Mn²⁺；11：Cu^{3 +}；12：Ag⁺；13：La³⁺；14：Na⁺；15：Ca²⁺；16：Mg²⁺；17：Pb²⁺；18：K⁺；19：Pd²⁺；20：Fe³⁺；21：Cd²⁺.结果显示Al³⁺对荧光强度影响最大，表明这种碳点对Al³⁺有很好的选择性。

实施例4

温度、pH值、放置时间及碳点的浓度对荧光强度影响的测试。

(a)不同温度与荧光强度之间的关系表明，温度对荧光强度影响很小。

(b)pH值与荧光强度的关系曲线表明：在pH为7的时候荧光强度最高，由于生物体内环境的pH值约为7左右，所以可以利用这种性质在生物领域进行应用。

(c)时间与荧光强度变化曲线说明了：在30天以内荧光强度下降的很少，依然保持着较高的荧光强度

(d)不同的KCl浓度和荧光强度的关系曲线说明了：在0-2M的KCl浓度变化区间内荧光强度改变量很小。这种优点对实际应用中有很大的帮助。

实施例5

本发明用于真实样品检测：为了测试碳点(CNDs)检测多巴胺的可行性，我们在生物流体里检测。我们选用人类尿液和血清来作为真实样品来检测该探针对多巴胺的检测。事先准备好的碳点和多巴胺加入到稀释50倍的尿液和血清中，基于线性关系(如图4a所示)，得到了多巴胺的检测结果。总结于表1中，得到的数据都一致表明了该碳点(CNDs)能检测多巴胺。实验结果表明真实样品中的有机或者无机物质并没有影响到多巴胺的检测，确认了这种先进的探针检测实际样品中多巴胺的可行性。

表1 Determination of dopamine in human urine and serum samples(n＝3)

Al³⁺离子与碳点(CNDs)-多巴胺体系之间的特异性结合表明或许我们可以直接运用该体系来检测实际样品中的Al³⁺离子。所以我们取了自然界中的水(湖水和自来水)来测试。如表2可知，我们得到了满意的结果。很显然，自然界水中的成分并没有影响Al³⁺离子的检测，暗示着该探针有着很大的潜能去检测复杂样品中的Al³⁺离子。

表2 Determination of Al³⁺in lake water and tap water samples(n＝3).

实施例6

本发明中的碳点(CNDs)构建逻辑门的原理示意图。

输入信号：含有多巴胺或者Al³⁺，值为1，否则为0 输出信号：荧光恢复，值为1，荧光猝灭值为0(激发波长为423nm)

只有碳点(CNDs)时，多巴胺＝0 Al³⁺＝0 有荧光＝1

碳点(CNDs)多巴胺体系中，多巴胺＝1 Al³⁺＝0 荧光猝灭＝0

碳点(CNDs)和Al³⁺体系中 多巴胺＝0 Al³⁺＝1 有荧光＝1

碳点(CNDs)多巴胺、Al³⁺体系中 多巴胺＝1 Al³⁺＝1 荧光恢复＝1

根据此原理可以构建可操作的逻辑门。

Claims (3)

1.以柠檬酸和4，7，10-三氧-1，13-十三烷二胺作为原料，通过一步水热法得到的碳点CNDs在检测多巴胺方面的应用。

2.如权利要求1所述碳点CNDs-多巴胺体系在检测Al³⁺方面的应用。

3.如权利要求1所述碳点(CNDs)在分子水平构建逻辑门方面的应用。