CN106883847B - 一种近红外二区荧光量子点探针及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近红外二区荧光量子点探针，以及该探针的制备方法和在镉离子含量检测中的应用。该探针以银的无机盐和正十二烷硫醇作为银源和硫源，在氨水形成的碱性环境下，利用水热合成的方法制成油溶性的硫化银量子点，然后使用巯基乙酸对制备的中间产物进行表面官能团改性，获得水溶性的硫化银量子点，透析以除去未反应的小分子，得到硫化银量子点储备溶液，即荧光探针。该荧光探针对镉离子具有良好的选择性和灵敏度，对镉离子监测的检测限达到600nM。同时，对镉离子含量的检测还具有成本低廉、操作简单、检测快速、能够有效避免自发荧光背景的干扰等优点。

Description

一种近红外二区荧光量子点探针及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及化学领域，尤其涉及一种近红外二区荧光量子点探针，还涉及该探针的制备方法，以及该探针在重金属检测领域中的应用。

背景技术

镉广泛存在于生产和生活环境中，是一种对动物和人类健康危害严重的重金属元素。研究表明，镉是人类和动物肺癌的肯定致癌物，也能诱发前列腺癌和睾丸肿瘤，被国际癌症研究机构归为第一类致癌物质。环境中的镉主要来源于空气沉积和施用磷肥及其他有机物，而电镀、印刷等制造业的废水对于区域性的环境污染极其严重。环境中的镉污染通过农作物或其他途径进入食物链，并通过富集作用进入人体。近年来，中国国内关于镉大米的报道屡见不鲜，对人体的健康状态产生了极大地危害。提出一种速度快、成本低、抗干扰能力强并具有特异性检测镉离子的方法显得极其重要。

目前，国内外检测镉离子的方法主要包括紫外-分光广度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子质谱法、阳极溶出伏安法、免疫检测法和荧光分光光度法。其中，荧光分光光度法是指利用能发射特定波长的荧光物质与某些离子特异性结合后而改变自身荧光强度的特性，对特异性离子进行定性或定量分析的方法。因其具有检测限低、灵敏度高及操作简单等特点，受到了国内外学者的广泛关注和研究。

量子点是指一类在三维尺度上都小于激发波尔半径的材料，由于其特殊的尺寸效应，具有优异的光学特性，是一类重要的荧光物质。相较于传统的有机荧光物质，其具有荧光强度强、抗光漂白能力高等特点。近红外二区是指波长位于1000-1700nm的光波区段，具有该波段荧光特性的物质较少，因此对自然界中的一些自发荧光背景具有较强的抗干扰能力。目前关于镉离子监测的荧光探针的波长范围多处于1000nm以下，容易受到环境中的荧光物质的干扰而影响其检测效果，开发近红外二区的镉离子荧光探针具有重要的现实意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种表面官能团修饰后的硫化银量子点探针，以及该探针的制备和应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案之一是：一种近红外二区荧光量子点探针的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)制备硫化银量子点：配制银盐的水溶液，向所述水溶液中滴加氨水直至产生的沉淀完全消失，然后加入正十二烷硫醇，于150-250℃水热反应1-3h，即得；

(2)改性处理：向水热反应所得反应液中加入巯基乙酸，超声处理，所得溶液即为所述近红外二区荧光量子点探针。

步骤(1)中，所述银盐指的是含有银离子的无机盐，如硝酸银，氯化银，硫酸银中的一种或几种，本发明优选采用硝酸银作为银盐。采用步骤(1)的操作方法能够获得油溶性的硫化银量子点。

优选地，所述水溶液中银离子的浓度为0.1-0.5mol/L，进一步优选为0.2-0.3mol/L。

优选地，所述银盐中银离子和正十二烷硫醇的摩尔比为1：(1～10)。

优选地，所述水热反应的条件为于200℃反应2h。

步骤(2)的作用是利用巯基乙酸对步骤(1)制备得到的硫化银量子点表面进行改性，以获得水溶性的硫化银量子点。

优选地，所述巯基乙酸与正十二烷硫醇的摩尔比为(1～10):1。

优选地，所述超声的频率为30-50kHz，功率为100-200W。

优选地，所述超声的时间为1-3h。

在一种具体的实施方式中，可采用如下条件进行改性处理：设置超声仪器的频率为40kHz，功率为150W，在此条件下超声1-3h。

优选地，步骤(2)的体系中还添加有超纯水，所述超纯水的体积用量为巯基乙酸的3-6倍。在一种具体的实施方式中，可以向步骤(1)所得的反应液中加入体积比为5:1的超纯水和巯基乙酸，然后再进行超声反应。

为了进一步确保探针的性能，所述制备方法还包括对步骤(2)所得的溶液进行后处理的步骤，所述后处理具体为：过滤步骤(2)所得的溶液，然后透析所得滤液除去未反应的小分子，即得所述探针。本发明所述的探针为液体形态。

优选地，所述过滤采用孔径200-250nm的滤膜，如采用220nm的滤膜。

优选地，所述透析采用MWCO截留分子量为80-120Da的透析袋，例如采用100Da的透析袋，透析操作为本领域技术人员知晓，本发明不做进一步说明。

作为本发明的较佳的近红外二区荧光量子点探针的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)制备油溶性硫化银量子点：配制浓度为0.1-0.5mol/L的银盐的水溶液，向所述水溶液中滴加氨水直至产生的沉淀完全消失，然后加入相当于所述银盐中银离子1-10倍摩尔量的正十二烷硫醇，于150-250℃水热反应1-3h，即得油溶性的硫化银量子点；

(2)制备水溶性硫化银量子点：向水热反应所得反应液中加入相当于正十二烷硫醇1-10倍摩尔量的巯基乙酸，超声处理1-3h，即得水溶性硫化银量子点；

(3)制备探针：过滤步骤(2)所得的溶液，然后透析所得滤液除去未反应的小分子，即得所述探针。

作为本发明的更佳的近红外二区荧光量子点探针的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)制备油溶性硫化银量子点：配制浓度为0.2-0.3mol/L的硝酸银水溶液，向所述水溶液中滴加氨水直至产生的沉淀完全消失，然后加入相当于所述硝酸银中银离子1-10倍摩尔量的正十二烷硫醇，于180-220℃水热反应1-3h，即得油溶性的硫化银量子点；

(2)制备水溶性硫化银量子点：向水热反应所得反应液中加入相当于正十二烷硫醇1-10倍摩尔量的巯基乙酸，于30-50kHz频率，100-200W功率超声条件下处理1-3h，即得水溶性硫化银量子点；

(3)制备探针：采用孔径200-250nm的滤膜过滤步骤(2)所得的溶液，然后采用MWCO截留分子量为80-120Da的透析袋透析所得滤液，即得所述探针。

本发明的技术方案之二是：一种近红外二区荧光量子点探针，该探针是采用上述任意一种方法制备得到的。

本发明所述的探针具有近红外二区的荧光特性，发射峰峰值为1000-1300nm，拥有较大的斯托克斯位移，能够有效避免环境中自发荧光所造成的背景噪声。经研究发现，将上述探针应用于重金属检测时，镉离子对探针的荧光强度有显著的增强效果，而其他金属离子如钾离子、钠离子、镁离子、镍离子、二价铜离子、三价铁离子、二价铁离子、银离子等对探针的荧光产生抑制作用或无明显影响(具体可参考图5)。进一步研究发现，本发明的探针对镉离子具有突出的选择性的原因主要在于在检测过程中发生了探针表面的钝化效应(具体可参考图1)，即镉离子在硫化银量子点的表面形成了硫醇盐复合物，减少了量子点的表面缺陷，使得非辐射跃迁相对减少，从而使得探针的荧光强度得到了显著的增强。荧光光谱图可参考图2，从图2可以看出，随着镉离子浓度的增加，近红外二区荧光强度增强。

因此，本发明的技术方案之三是：上述任意一种所述的近红外二区荧光量子点探针在镉离子含量检测中的应用。

为了更好的实现溶液中镉离子浓度的精准检测，本发明的技术方案之四是：一种利用近红外二区荧光量子点探针检测镉离子含量的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)配制溶液：配制不同浓度的镉离子水溶液，备用；

(2)绘制标准工作曲线：测试探针的荧光强度I₀，以及分别向所述探针中加入不同浓度的镉离子水溶液后所得混合溶液的荧光强度I，以镉离子浓度为横坐标，相对荧光强度I/I₀为纵坐标绘制标准工作曲线；

(3)检测未知样品：测试将所述未知样品加入到探针中所得混合溶液的荧光强度，并计算得到未知样品相对于探针的相对荧光强度，将所述相对荧光强度带入标准工作曲线中，计算得到未知样品中的镉离子浓度。

其中，可采用本领域公知的红外荧光测试系统测定荧光强度。优选地，测试时，设定仪器的激发波波长为460-500nm，检测发射波波长为1000-1300nm。例如，设定激发波波长为480nm，检测发射波波长为1100nm。

研究发现，待测样品溶液(包括所述已知样品和待测样品)的pH值对最终的荧光强度有显著影响，控制待测样品溶液的pH为4-11时，荧光强度增强明显(具体可参考图4)。具体应用时，可调节待测样品的pH值为一个固定的点值，如6，7.4，10等。

优选地，检测时，控制所述混合溶液中硫化银量子点的浓度为0.1-10mM，此浓度下，具有较明显的荧光增强效果，检测结果更加精准。

为了测试的方便进行，在具体测试时，可分别将探针溶液、用于绘制标准工作曲线的不同浓度的镉离子水溶液、镉离子浓度未知的溶液的pH值调整为相同的数值，然后将它们混合后，即得到特定pH值的待测样品溶液，可直接用于检测。

例如，在一种具体的实施方式中，将探针溶液和pH值7.4的Tris-HCl缓冲溶液按照1：(10-20)的比例混合均匀，得到探针检测体系；利用pH值7.4的Tris-HCl缓冲溶液配制用于绘制标准工作曲线的不同浓度的镉离子水溶液等。

上述检测方法简便，易于操作，重现性好，且该探针对镉离子的灵敏度较高，检测限为600nM，在镉离子检测领域具有非常好的应用前景。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，即得本发明各较佳实例。

本发明涉及到的原料和试剂均可市购获得。

附图说明

图1为利用本发明荧光探针检测镉离子的机理图；

图2为实验例1中不同镉离子浓度对探针荧光强度的影响图；

图3为实验例1中镉离子浓度与相对荧光增强强度的数值关系图；

图4为实验例2不同pH下镉离子对探针荧光强度的影响图；

图5为实验例3金属离子与荧光强度的变化结果比较图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中涉及的操作如无特殊说明，均为本领域常规技术操作。

实施例1

一种近红外二区荧光量子点探针的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备硫化银量子点：将5mmol AgNO₃溶解于20ml去离子水中形成无色透明的溶液，随后向其中逐滴加入浓氨水直至生成的棕色沉淀完全消失，然后将所得溶液转移至反应釜中后，加入3ml正十二烷硫醇，并置于200℃的烘箱中反应2h，即得；

(2)表面改性：向步骤(1)所得的反应产物中加入25ml超纯水和5ml巯基乙酸后，置于超声发生器中处理1h，其中超声的频率为40kHz，功率为150W；

(3)透析：将步骤(2)所得产物通过孔径为220nm的过滤器进行过滤，并利用MWCO截留分子量为100DA的透析袋隔夜透析以除去未反应的小分子，即得所述近红外二区荧光量子点探针(又称硫化银量子点储备溶液)。

实施例2

一种利用近红外二区荧光量子点探针检测镉离子含量的方法，所述近红外二区荧光量子点探针指的是实施例1制备得到的探针，所述方法包括如下步骤：

(1)配制硫化银量子点检测体系：按照标准方法配置pH＝7.4的Tris-HCl缓冲溶液，以硫化银量子点储备溶液和Tris-HCl缓冲溶液体积比例为1:14配置成硫化银量子点检测体系。

(2)配制标准溶液：利用pH＝7.4的Tris-HCl缓冲溶液配制浓度分别为1.5×10^-4、3×10^-4、4.5×10^-4、6×10^-4、7.5×10^-4、9×10^-4、10.5×10^-4、12×10^-4M的氯化镉溶液，即得标准溶液；

(3)配制已知待测溶液：向石英比色皿中依次加入100μL浓度为1.5×10^-4、3×10^-4、4.5×10^-4、6×10^-4、7.5×10^-4、9×10^-4、10.5×10^-4、12×10^-4M氯化镉溶液，并添加硫化银量子点检测体系到3mL，混合均匀即得已知待测溶液；同时，以3mL纯硫化银量子点检测体系作为对照组。

(4)绘制标准工作曲线：采用红外荧光测试系统分别测试所述已知待测溶液的荧光强度(I)和对照组的荧光强度(I₀)，选择激发波波长480nm，检测发射波波长为1100nm。绘制各个标准溶液的相对荧光强度(I/I₀)随镉离子浓度的变化曲线，并对其进行拟合，得到拟合曲线公式：y＝0.113526x+0.90444。

(5)对浓度未知的待测样品进行检测：利用Tris及HCl调节未知浓度的氯化镉溶液至pH＝7.4，利用移液枪将100μL该氯化镉溶液转移到石英比色皿中，然后添加2.9ml硫化银量子点检测体系。放入红外荧光测试系统检测其荧光强度。选择激发波波长480nm，检测发射波波长为1100nm。计算待测氯化镉溶液的相对荧光强度，根据步骤(4)中所得到的线性关系曲线，计算检测的镉离子的浓度为12.3×10^-6M。

实验例1准确性和检出限考察

(1)配制硫化银量子点检测体系：按照标准方法配置pH＝7.4的Tris-HCl缓冲溶液，以硫化银量子点储备溶液和Tris-HCl缓冲溶液体积比例为1:14配置成硫化银量子点检测体系。

(2)利用pH＝7.4的Tris-HCl缓冲溶液配制浓度分别为3×10^-3、3×10^-4M的氯化镉溶液。向石英比色皿中依次加入100μL、80μL、60μL、40μL、30μL、20μL浓度为3×10^-3M、100μL、80μL、60μL、40μL、20μL浓度为3×10^-4M的氯化镉溶液，并添加硫化银量子点检测体系到3mL，以3mL纯硫化银量子点检测体系作为对照组。将两者混合均匀后放入红外荧光测试系统检测其荧光强度。选择激发波波长480nm，检测发射波波长为1100nm。

(3)计算每个样品相对荧光强度的平均值和方差，绘制相对荧光强度随镉离子浓度的变化曲线，如图3所示。相对荧光强度与镉离子浓度具有良好的线性关系，R²＝0.99。基于3σ/slope所计算出的荧光探针对镉离子的检测限为600nM。

实验例2 pH值对探针的影响

(1)以实施例1的硫化银量子点储备溶液和超纯水比例为1:14配置成硫化银量子点检测体系。利用浓HCl和NaOH溶液调节检测体系的pH值分别为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。

(2)利用超纯水配制浓度分别为3×10^-3M的氯化镉溶液，并利用浓HCl和NaOH溶液调节其pH值分别为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。向石英比色皿中依次加100μL不同pH值的氯化镉溶液，并添加相对应pH值的硫化银量子点检测体系到3mL，以3mL同pH值下的纯硫化银量子点检测体系作为对照组。将两者混合均匀后放入红外荧光测试系统检测其荧光强度。选择激发波波长480nm，检测发射波波长为1100nm。

(3)绘制加入镉离子前后荧光强度对应pH值的柱状图，如图4所示。可见硫化银量子点的荧光增强强度与pH值相关。

实验例3利用探针检测不同金属离子

(1)配制硫化银量子点检测体系：按照标准方法配置pH＝7.4的Tris-HCl缓冲溶液，以硫化银量子点储备溶液和Tris-HCl缓冲溶液体积比例为1:14配置成硫化银量子点检测体系。

(2)利用Tris-HCl缓冲液配制浓度均为3×10^-3M的KCl、NaCl、MgCl₂、NiCl₂、CuCl₂、FeCl₃、FeCl₂、CaCl₂、AgCl及CdCl₂溶液，然后分别将100μl含有不同金属离子的溶液依次加入到石英比色皿中，并添加硫化银量子点检测体系到3mL，以3mL纯硫化银量子点检测体系作为对照组，放入红外荧光测试系统检测其荧光强度。选择激发波波长480nm，检测发射波波长为1100nm。

(3)绘制不同金属离子溶液荧光强度的柱形图，如图5所示，可以看出，除了镉离子对探针的荧光强度有显著增强效果外，其他金属离子对探针的荧光产生抑制作用或无明显影响。说明本发明的硫化银荧光量子点探针具有很高的离子选择性。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.近红外二区荧光量子点探针在镉离子含量检测中的应用，其特征在于，所述近红外二区荧光量子点探针的制备方法包括如下步骤：

(1)制备硫化银量子点：配制银盐的水溶液，向所述水溶液中滴加氨水直至产生的沉淀完全消失，然后加入正十二烷硫醇，于150-250℃水热反应1-3h，即得；

(2)改性处理：向水热反应所得反应液中加入巯基乙酸，超声处理，所得溶液即为所述近红外二区荧光量子点探针。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(1)中，所述水溶液中银离子的浓度为0.1-0.5mol/L；和/或，所述银盐中银离子和正十二烷硫醇的摩尔比为：1：(1～10)。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述巯基乙酸与正十二烷硫醇的摩尔比为(1～10)：1。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述超声的频率为30-50kHz，功率为100-200W。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述超声的时间为1-3h。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：还包括过滤步骤(2)所得反应液，透析所得滤液以除去未反应的小分子的步骤。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述过滤采用孔径200-250nm的滤膜；和/或，所述透析采用MWCO截留分子量为80-120Da的透析袋。

8.一种利用近红外二区荧光量子点探针检测镉离子含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)配制溶液：配制不同浓度的镉离子水溶液，备用；

(2)绘制标准工作曲线：测试探针的荧光强度I₀，以及分别向所述探针中加入不同浓度的镉离子水溶液后所得混合溶液的荧光强度I，以镉离子浓度为横坐标，相对荧光强度I/I₀为纵坐标绘制标准工作曲线；

(3)检测未知样品：测试将所述未知样品加入到探针中所得混合溶液的荧光强度，并计算得到未知样品相对于探针的相对荧光强度，将所述相对荧光强度带入标准工作曲线中，计算得到未知样品中的镉离子浓度；

所述近红外二区荧光量子点探针的制备方法包括如下步骤：

(1)制备硫化银量子点：配制银盐的水溶液，向所述水溶液中滴加氨水直至产生的沉淀完全消失，然后加入正十二烷硫醇，于150-250℃水热反应1-3h，即得；

(2)改性处理：向水热反应所得反应液中加入巯基乙酸，超声处理，所得溶液即为所述近红外二区荧光量子点探针。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中硫化银量子点的浓度为0.1-10mM。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：测试荧光强度时，设定仪器的激发波波长为460-500nm，检测发射波波长为1000-1300nm。