CN107446054B - 一种生物质基纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents

一种生物质基纳米粒子及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种离子快速检测的生物质基纳米粒子及其制备方法，所述生物质基纳米粒子由羧基纤维素纳米晶接枝荧光分子得到。本发明可直接用于铜离子浓度检测分析，不必调节测试液pH和温度，可在现场快速检测，检测下限0.1ppm，可直接检测人体饮用水和工厂排放污水是否符合国家标准，与传统方法比具有灵敏、无毒、环境友好、相容性好、成本低、工艺简单等优点。

Description

一种生物质基纳米粒子及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种生物质基纳米粒子及其制备方法和应用。
背景技术
铜是人体必需的微量元素之一，其在中枢神经系统中具有重要作用，但是过量的铜离子浓度的摄入会导致氧化应激和很多严重的神经退行性疾病，如缅克斯综合症、肌萎缩性脊髓侧索硬化症等。作为一种不可生物降解的重金属，Cu2+易积聚在人类和动物的重要器官，对生物和环境产生严重影响。我国对人类饮用水和工业废水中铜离子浓度(Ⅰ级标准)都有严格的标准，不得超过0.5μg/mL，所以铜离子的检测特别重要。常用的铜检测方法有原子吸收光谱仪、离子色谱法、电感藕合等离子体质谱等，尽管这些方法准确、灵敏，但存在仪器价格昂贵、处理过程繁琐、分析时间长、药品成本高等不足。因此，发展灵敏、高效、低廉、方便、快捷的铜离子检测技术非常有必要。
本发明将羧基纤维素纳米晶接枝荧光分子，优化荧光强度，使其在铜离子检测传感中更灵敏，可直接用于铜离子检测分析，不必调节检测液pH值和温度，并且可检测铜离子浓度范围广，具有方便快捷灵敏的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种生物质基纳米粒子及其制备方法和应用，采用该物质基纳米粒子检测水体中铜离子浓度灵敏度高、方便快捷。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种生物质基纳米粒子，所述生物质基纳米粒子由羧基纤维素纳米晶接枝荧光分子得到。
按上述方案，所述羧基纤维素纳米晶的羧基含量为0.1-3mmol/g。
按上述方案，所述荧光分子为5-氨基荧光素、7-氨基-4-甲基香豆素、7-羟基-4-甲基香豆素中的一种或几种；所述生物质基纳米粒子的荧光分子接枝量为0.01-0.6mmol/g。
本发明还提供上述生物质基纳米粒子的制备方法，其步骤如下：
1)将羧基纤维素纳米晶与溶剂混合，经超声分散得到羧基纤维素纳米晶混合液；
2)将催化剂预先溶解于溶剂中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到步骤1)所得羧基纤维素纳米晶混合液中，经预反应得到反应液；
3)将荧光分子加入到步骤2)所得反应液中进行接枝反应，随后经离心分离、洗涤、干燥得到淡黄色粉末状的生物质基纳米粒子。
按上述方案，步骤1)和步骤2)所述溶剂相同，为水、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或两种；步骤1)所述羧基纤维素纳米晶混合液的质量浓度为0.1-10％。
按上述方案，步骤2)所述催化剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺混合物(EDC/NHS)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/4-二甲氨基吡啶混合物(EDC/DMAP)、4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐(DMTMM)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)中的一种；所述催化剂与羧基纤维素纳米晶的质量比为0.2-10：1。
按上述方案，步骤2)所述预反应条件为：18-50℃下反应10-60min。
按上述方案，步骤3)所述荧光分子用量为羧基纤维素纳米晶质量的0.5-20倍。
按上述方案，步骤3)所述接枝反应条件为：避光条件下，于18-50℃反应1-48h。
上述生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，具体方法如下：
1)绘制生物质基纳米粒子对铜离子的浓度-荧光强度比值曲线，步骤如下：
①配制一组不同浓度的铜离子水溶液，浓度范围为0.1-3200μg/mL，每组含5个以上体积为5-20mL的铜离子水溶液样品；
②向步骤①所得铜离子水溶液样品中均加入1-20mg生物质基纳米粒子，于18-50℃下磁力搅拌0.5-48h，得到反应液；
③将②中所得反应液进行荧光光谱分析，测试440nm处与390nm处的荧光强度比值(F440/F390)，作出生物质基纳米粒子对铜离子的浓度-荧光强度比值曲线；
2)取5-20mL含铜离子的水体，向其中加入1-20mg生物质基纳米粒子，测试其荧光强度比值，对应步骤1)所得浓度-荧光强度比值曲线即可得出水体中铜离子浓度。
羧基化纤维素纳米晶因其优异的机械性能、生物相容性，良好的分散性和界面相容性，以及纳米级尺寸，高比表面积，丰富的活性羟基，可再生，可生物降解和易于处理而在环境科学、纳米复合材料、生物医学、化妆品领域受到广泛关注。
羧基纤维素纳米晶与荧光分子通过酰胺键结合形成荧光纤维素纳米晶，并在荧光光谱390nm处有相应的荧光峰。将荧光纤维素纳米晶加入Cu2+溶液中，会与Cu2+发生螯合作用，故可将Cu2+“锁进”荧光纤维素纳米晶中。因Cu2+具有吸电子能力，可吸收荧光纤维素纳米晶中酰胺键上的孤对电子，使酰胺键对具有荧光效应的电子云产生的作用力减弱，故在390nm处的荧光强度降低，而在440nm处出现新的荧光峰，且其强度随着铜离子浓度的增加而增强。根据两处荧光强度变化程度不同，用440nm处的荧光强度与390nm处荧光强度的比值表示其荧光灵敏度，进而可得出荧光灵敏度与Cu2+浓度的拟合关系图。
本发明的有益效果在于：1、本发明所提出的制备工艺简便易操作，所使用的纤维素原料价廉物丰，整个制备过程对环境无污染，合成步骤简单，易于提纯且收率较高，不需要昂贵的设备；2、本发明可直接用于铜离子检测分析，不必调节测试液pH和温度，可在现场快速检测。在低铜离子浓度下，其传感效应随铜离子浓度增加而线性增强，可直接用于不同铜离子浓度检测；3、本发明的F-EOCN铜离子检测灵敏，检测下限为0.1ppm，可快速准确检测出人体饮用水和工厂排放污水是否符合国家标准，在环境检测、生物标记、纳米复合材料等领域具有巨大应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的荧光多羧基纤维素纳米晶的透射电镜图；
图2为实施例6所制备的荧光单羧基纤维素纳米晶的透射电镜图；
图3为实施例1-6所制备的表面不同羧基含量的荧光多羧基纤维素纳米晶(F-EOCN/2～F-EOCN/40)和荧光单羧基纤维素纳米晶体(F-TOCN)的荧光发射光谱；
图4为实施例7不同Cu2+浓度溶液下F-EOCN/2悬浮液的荧光发射光谱曲线；
图5为实施例8不同Cu2+浓度溶液下F-TOCN悬浮液的荧光发射光谱曲线；
图6为F-ECON/2和F-TOCN的荧光发射光谱440nm处与390nm处的荧光强度比值与水溶液中Cu2+浓度之间的拟合直线；
图7为F-ECON/2和F-TOCN的荧光发射光谱440nm处与390nm处的荧光强度比值与水溶液中Cu2+浓度之间的拟合曲线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种生物质基纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：
(1)将0.005g的多羧基纤维素纳米晶(EOCN，羧基含量1mmol/g)加入5mL水中，超声分散10min，然后在室温下搅拌至充分混合得到混合液；
(2)将0.02g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺混合物(EDC/NHS，质量比1：1)预先溶解在5mL水中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到混合液中，于18℃下反应60min得到反应液；
(3)然后将0.0025g 5-氨基荧光素加入到反应液中于18℃避光反应48h，反应结束后离心，倒掉上层液，将沉淀产品经N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、丙酮依次离心洗涤后，再将沉淀产品冷冻干燥，即得到淡黄色粉末状荧光多羧基纤维素纳米晶(记为F-EOCN/2)，即生物质基纳米粒子。
经测试，本实施例制备的生物质基纳米粒子上接枝的荧光分子量为0.2mmol/g。
如图1所示为本实施例制备的荧光多羧基纤维素纳米晶的透射电镜图，由图可见其微观结构为针棒状，长度为50-250nm，粒径为5-25nm。
实施例2
一种生物质基纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：
(1)将0.15g多羧基纤维素纳米晶(羧基含量0.1mmol/g)加入15mL水中，超声分散15min，然后在室温下搅拌至充分混合得到混合液；
(2)将0.03g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/4-二甲氨基吡啶混合物(EDC/DMAP，质量比1：1)预先溶解在20mL水中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到分散均匀的混合液中，于25℃下反应30min得到反应液；
(3)然后将0.3g 7-氨基-4-甲基香豆素加入到反应液中于25℃避光反应24h，反应结束后离心，倒掉上层液，将沉淀产品经N,N-二甲基甲酰胺、甲醇依次离心洗涤后，再将沉淀产品冷冻干燥，即得到淡黄色粉末状荧光多羧基纤维素纳米晶(记为F-EOCN/4)，即生物质基纳米粒子。
经测试，本实施例制备的生物质基纳米粒子上接枝的荧光分子量为0.01mmol/g。
实施例3
一种生物质基纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：
(1)将0.2g多羧基纤维素纳米晶(羧基含量3mmol/g)加入2mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声分散30min，然后在室温下搅拌至充分混合得到混合液；
(2)将2g 4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐(DMTMM)预先溶解在40mL N,N-二甲基甲酰胺中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到混合液中，于50℃下反应10min得到反应液；
(3)然后将2g 7-氨基-4-甲基香豆素加入到反应液中于25℃避光反应24h，反应结束后离心，倒掉上层液，将沉淀产品经N,N-二甲基甲酰胺、甲醇依次离心洗涤后，再将沉淀产品冷冻干燥，即得到淡黄色粉末状荧光多羧基纤维素纳米晶(记为F-EOCN/10)，即生物质基纳米粒子。
经测试，本实施例制备的生物质基纳米粒子上接枝的荧光分子量为0.4mmol/g。
实施例4
一种生物质基纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：
(1)将2.45g多羧基纤维素纳米晶(羧基含量2mmol/g)加入35mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声分散25min，然后在室温下搅拌至充分混合得到混合液；
(2)将1g 4-二甲氨基吡啶(DMAP)预先溶解在45mL N,N-二甲基甲酰胺中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到混合液中，于33℃下反应20min得到反应液；
(3)然后将3g 7-羟基-4甲基香豆素加入到反应液中于33℃避光反应12h，反应结束后离心，倒掉上层液，将沉淀产品经丙酮、甲醇离心洗涤后，再将沉淀产品冷冻干燥，即得到淡黄色粉末状荧光多羧基纤维素纳米晶(记为F-EOCN/20)，即生物质基纳米粒子。
经测试，本实施例制备的生物质基纳米粒子上接枝的荧光分子量为0.6mmol/g。
实施例5
一种生物质基纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g多羧基纤维素纳米晶(羧基含量0.5mmol/g)加入50mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声分散20min，然后在室温下搅拌至充分混合得到混合液；
(2)将4.5g 4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐(DMTMM)预先溶解在50mL N,N-二甲基甲酰胺中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到混合液中，于50℃下反应10min得到反应液；
(3)然后将20g 5-氨基荧光素加入到反应液中于50℃避光反应1h，待反应结束后离心，倒掉上层液，将沉淀产品经N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、丙酮离心洗涤后，再将沉淀产品冷冻干燥，即得到淡黄色粉末状荧光多羧基纤维素纳米晶(记为F-EOCN/40)，即生物质基纳米粒子。
经测试，本实施例制备的生物质基纳米粒子上接枝的荧光分子量为0.1mmol/g。
实施例6
一种生物质基纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：
(1)将0.25g的单羧基纤维素纳米晶(TOCN，羧基含量1.5mmol/g)加入25mLN,N-二甲基甲酰胺中，超声分散30min，然后在室温下搅拌至充分混合得到混合液；
(2)将0.5g 4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐(DMTMM)预先溶解在20mL N,N-二甲基甲酰胺中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到混合液中，于25℃下反应30min得到反应液；
(3)然后将0.25g 7-氨基-4-甲基香豆素加入到反应液中于25℃避光反应24h，反应结束后离心，倒掉上层液，将沉淀产品依次经N,N-二甲基甲酰胺、甲醇离心洗涤后，再将沉淀产品冷冻干燥，即得到淡黄色粉末状荧光单羧基纤维素纳米晶(记为F-TOCN)，即生物质基纳米粒子。
经测试，本实施例制备的生物质基纳米粒子上接枝的荧光分子量为0.1mmol/g。
如图2所示为本实施例制备的荧光单羧基纤维素纳米晶的透射电镜图，由图可见其微观结构为针棒状，尺寸长为50-250nm，粒径为5-25nm。
图3为实施例1-6所制备的表面不同羧基含量的荧光多羧基纤维素纳米晶(F-EOCN/2～F-EOCN/40)和荧光单羧基纤维素纳米晶体(F-TOCN)的荧光发射光谱，由图3可看出在390nm左右F-EOCN/2的荧光强度最强，F-TOCN的荧光强度次之，F-EOCN/4、F-EOCN/10、F-EOCN/20和F-EOCN/40的荧光强度相近，但与F-EOCN/2的相比，荧光强度下降明显。
本发明制得的生物质基的纳米粒子—荧光纤维素纳米晶，进行铜离子快速灵敏检测的方法，具体实施例如下：
实施例7
采用实施例1所制备的生物质基纳米粒子进行铜离子快速灵敏检测，具体方法如下：
(1)分别配制1μg/mL、16μg/mL、48μg/mL、80μg/mL、160μg/mL、320μg/mL、800μg/mL、1600μg/mL和3200μg/mL的Cu2+水溶液样品，并以水为空白样，每个样品体积为10mL；
(2)向步骤(1)所得每个样品中加入15mg荧光纤维素纳米晶(F-EOCN/2)，于25℃、磁力搅拌下反应0.5h；
(3)然后取5-10mL反应后的溶液，进行荧光光谱分析，作出440nm处与390nm处荧光强度比值与铜离子浓度的拟合曲线图。
本实施例中F-EOCN/2在不同铜离子浓度溶液下的荧光发射光谱变化情况见图4，由图可以看出，在390nm左右处，F-EOCN/2的荧光强度随Cu2+浓度的升高而降低。F-EOCN/2的荧光光谱变化情况与水溶液中Cu2+浓度之间的相关性见图6和图7，由图6可以看出，在Cu2+浓度为1-160μg/mL范围内，Cu2+浓度与荧光强度比值(F440/F390)呈直线相关性，拟合直线斜率为0.0049，拟合优度R2为0.9787，拟合效果较好。由图7可以看出，在Cu2+浓度为160-3200μg/mL范围内，Cu2+浓度与荧光强度比值呈对数相关性，拟合直线斜率为-0.173，R2为0.9773，拟合效果较好。
取10mL含铜离子的水体，向其中加入15mg荧光生物质基纳米粒子，搅拌测试其荧光强度比值为0.9869，然后将得到的荧光强度值带入上述所得荧光强度比值与铜离子浓度的拟合直线图，算出该水体所含铜离子浓度约为1.2μg/mL。
实施例8
采用实施例6所制备的生物质基纳米粒子进行铜离子快速灵敏检测，具体方法如下：
(1)分别配制1μg/mL、14μg/mL、42μg/mL、70μg/mL、100μg/mL、140μg/mL、280μg/mL、700μg/mL和1400μg/mL的Cu2+水溶液样品，并以水为空白样，每个样品体积为10mL；
(2)向步骤(1)所得每个样品中加入15mg荧光纤维素纳米晶(F-TOCN)，于50℃、磁力搅拌下反应12h；
(3)然后取5～10mL反应后的溶液，进行荧光光谱分析，作出440nm处与390nm处荧光强度比值与铜离子浓度的拟合曲线，对比F-EOCN和F-TOCN对铜离子传感的灵敏性。
本实施例中F-TOCN在不同铜离子浓度溶液下的荧光发射光谱变化情况见图5，由图可以看出，在390nm左右处，F-TOCN的荧光强度随Cu2+浓度的升高而降低。F-TOCN的荧光光谱变化情况与水溶液中Cu2+浓度之间的相关性见图6和图7，由图6可以看出，在Cu2+浓度为1-140μg/mL范围内，Cu2+浓度与荧光强度比值呈直线相关性，拟合直线斜率为0.0029，R2为0.9908，拟合效果较好。由图7可以看出，在Cu2+浓度为140-2800μg/mL范围内，Cu2+浓度与荧光强度呈对数相关性，拟合直线斜率为-0.046，R2为0.9818，拟合效果较好。
综合分析实验结果及图3-7，可以看出，本发明实施例1所制备的荧光纤维素纳米晶F-EOCN/2荧光强度最强。在对低铜离子浓度的传感检测中，荧光纤维素纳米晶表面的检测位点对铜离子吸附未达到饱和，故未造成荧光猝灭，其传感效应随铜离子浓度增加而线性增强，并且F-EOCN/2的荧光效应与铜离子浓度之间的线性直线的斜率远大于实施例6所制备的荧光纤维素纳米晶F-TOCN对应的数值，表明F-EOCN/2在铜离子传感检测中更灵敏；在高铜离子浓度的传感检测中，荧光纤维素纳米晶表面的检测位点对铜离子吸附随着铜离子浓度升高而逐渐达到饱和至铜离子过量，故出现荧光猝灭，其荧光强度效应随铜离子浓度增加而呈负对数趋势下降(表明猝灭效应增强)，但在此过程中F-EOCN/2的下降斜率绝对值仍大于F-TOCN的，表明其传感效应仍然比F-TOCN灵敏，并且此过程中F-EOCN/2颜色变化明显，通过观察其颜色可在现场快速检测。本发明所提供的生物质基纳米粒子可直接用于铜离子检测分析，不必调节测试液pH和温度，可直接用于不同铜离子浓度检测。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于，所述生物质基纳米粒子由羧基纤维素纳米晶接枝荧光分子得到，所述荧光分子为5-氨基荧光素、7-氨基-4-甲基香豆素中的一种或两种；
具体检测方法如下：
1）绘制生物质基纳米粒子对铜离子的浓度-荧光强度比值曲线，步骤如下：
①配制一组不同浓度的铜离子水溶液，浓度范围为0.1-3200µg/mL，每组含5个以上体积为5-20mL的铜离子水溶液样品；
②向步骤①所得铜离子水溶液样品中均加入1-20mg生物质基纳米粒子，于18-50℃下磁力搅拌0.5-48h，得到反应液；
③ 将②中所得反应液进行荧光光谱分析，测试440nm处与390nm处的荧光强度比值，作出生物质基纳米粒子对铜离子的浓度-荧光强度比值曲线；
2）取5-20mL含铜离子的水体，向其中加入1-20mg生物质基纳米粒子，测试其荧光强度比值，对应步骤1）所得浓度-荧光强度比值曲线即可得出水体中铜离子浓度。
2.根据权利要求1所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于：所述羧基纤维素纳米晶的羧基含量为0.1-3mmol/g。
3.根据权利要求1所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于：所述生物质基纳米粒子的荧光分子接枝量为0.01-0.6mmol/g。
4.根据权利要求1所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于，所述的生物质基纳米粒子的制备方法步骤如下：
1）将羧基纤维素纳米晶与溶剂混合，经超声分散得到羧基纤维素纳米晶混合液；
2）将催化剂预先溶解于溶剂中得到催化剂溶液，然后将催化剂溶液逐滴加入到步骤1）所得羧基纤维素纳米晶混合液中，经预反应得到反应液；
3）将荧光分子加入到步骤2）所得反应液中进行接枝反应，随后经离心分离、洗涤、干燥得到淡黄色粉末状的生物质基纳米粒子。
5.根据权利要求4所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于步骤1）和步骤2）所述溶剂相同，为水、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或两种；步骤1）所述羧基纤维素纳米晶混合液的质量浓度为0.1-10%。
6.根据权利要求4所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于步骤2）所述催化剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺混合物、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/4-二甲氨基吡啶混合物、4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐、4-二甲氨基吡啶中的一种；所述催化剂与羧基纤维素纳米晶的质量比为0.2-10：1。
7.根据权利要求4所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于步骤2）所述预反应条件为：18-50℃下反应10-60min。
8.根据权利要求4所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于步骤3）所述荧光分子用量为羧基纤维素纳米晶质量的0.5-20倍。
9.根据权利要求4所述的生物质基纳米粒子在铜离子检测方面的应用，其特征在于步骤3）所述接枝反应条件为：避光条件下，于18-50℃反应1-48h。
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