CN107632000B - 水杨酸掺杂二氧化硅铁离子荧光传感器、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器、制备方法及其应用，其制备方法按以下步骤进行：(1)在反应容器中加入水杨酸和无水乙醇，室温氮气氛下搅拌；(2)加入3‑氨丙基三乙氧基硅烷和正硅酸四乙酯，继续搅拌；(3)加入质量分数为25％的氨水和水的混合溶液，通入氮气确保除尽氧气，然后将反应容器密封，并搅拌；(4)离心收集产物，用无水乙醇清洗多次，真空干燥，得到的白色粉末即为水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子。本发明将有机小分子的荧光探针与无机基质相结合，可改善有机小分子探针的水溶性、光稳定性和生物毒性，且可回收使用，能极大拓展荧光传感器的应用范围。

Description

水杨酸掺杂二氧化硅铁离子荧光传感器、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及材料制备和检测技术领域，特别是涉及水杨酸掺杂二氧化硅Fe³⁺荧光传感器的制备方法。

背景技术

铁元素是人体中很重要的一种微量元素。人体血液中的血红蛋白就是铁的配合物，它具有固定和输送氧的功能，还能参与许多酶反应。但是如果铁元素过量或不足对人体都是有害的，会引起各种生理紊乱。因此，对生物体铁含量的检测显得非常重要。

传统的分析检测铁离子的方法有电化学法、分光光度法(UV)、原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，存在着选择性差、灵敏度低、仪器造价昂贵以及预处理复杂等诸多缺点。基于上述问题，研究人员发明了基于有机小分子的荧光探针来检测金属离子。这些荧光探针灵敏度高、选择性好、成本低廉、响应速度快、可实时测定，但是多数有机小分子探针不是水溶性探针，在水相中的量子产率极低，容易被氧化漂白，其本身具有一定毒性且不能将其分离或除去。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中检测Fe³⁺灵敏度低、选择性差、仪器造价昂贵、操作复杂等缺陷，同时为了改善有机小分子探针的水溶性、光稳定性和生物毒性，提供了一种可重复使用的水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，将有机小分子的荧光探针与无机基质相结合，能极大拓展荧光传感器的应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

(1)在反应容器中加入水杨酸和无水乙醇，室温氮气氛下搅拌；

(2)加入3-氨丙基三乙氧基硅烷和正硅酸四乙酯，继续搅拌；

(3)加入质量分数为25％的氨水和水的混合溶液，通入氮气确保除尽氧气，然后将反应容器密封，并搅拌；

(4)离心收集产物，用无水乙醇清洗多次，真空干燥，得到的白色粉末即为水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子。

本发明利用溶胶凝胶法，选择水杨酸(SA)作为荧光发光体和Fe³⁺识别单元，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为功能单体和正硅酸四乙酯(TEOS)为交联剂，一步合成了具有高亮度和稳定性的水杨酸掺杂二氧化硅纳米粒子(SASP)。二氧化硅纳米粒子的三维网状结构既能防止内部水杨酸的泄露或者外部物质对包覆水杨酸的污染，但又不妨碍水杨酸对Fe³⁺的特异性结合，因此被包覆的水杨酸的化学活性能够得到很好的保护。

进一步地，所述步骤(1)中水杨酸和无水乙醇的质量体积比为(50～120mg):35mL。

进一步地，所述步骤(1)中所述室温氮气氛下搅拌的时间为15～45min。

进一步地，所述步骤(2)中的3-氨丙基三乙氧基硅烷和正硅酸四乙酯的体积比为1:(2.5～5.5)，继续搅拌的时间为20～60min。

进一步地，所述步骤(3)中氨水和水的体积比为80～150:860，通氮气除氧的时间为30～60min，搅拌时间为12～30h。

进一步地，所述步骤(4)中所述用无水乙醇清洗的次数为5次；所述真空干燥的温度为30～55℃，真空干燥时间为8～15h。

本发明还提供一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器，其特征在于，按照上述的制备方法得到。

本发明还提供所述的水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的应用，用于对水样中的Fe³⁺进行分析检测。

本发明的水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器、制备方法及其应用，具有以下有益效果：

(1)本发明将有机小分子的荧光探针与无机基质相结合，改善了有机小分子探针的水溶性、光稳定性和生物毒性的缺点，而且可回收使用，能极大拓展荧光传感器的应用范围；

(2)有机物掺杂二氧化硅纳米粒子是将有机分子通过化学键或单纯的物理作用包覆或镶嵌到二氧化硅中。本发明以水杨酸作为荧光发光体和Fe³⁺识别单元，利用溶胶凝胶法常温下一步合成了水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子SASP，方法条件温和，步骤简单易行，易于规模化制备；

(3)本发明中水杨酸通过和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)间形成酰胺键被包覆到二氧化硅中，一方面通过外壳材料的包被可以避免外界环境因素对纳米粒子中荧光分子的漂白作用，克服了现有技术常用的荧光分子探针存在易于光漂白的缺点，相比传统标记法其光学稳定性有了明显提高；另一方面由于每个二氧化硅纳米粒子里包含有成百上千个水杨酸分子，可以起到信号放大的作用，可使生物分析法的灵敏度较之传统方法提高许多倍；

(4)二氧化硅无毒，具有良好的生物相容性，易与各种生物分子通过多种方式偶联，不会对生理活动造成危害，因此相比其它纳米粒子在生物细胞成像方面更具有优势，水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子不仅具有好的光学稳定性，且具有较好生物相容性，可以用来高灵敏度、高选择性检测水中的Fe³⁺；

(5)Fe³⁺与SASP结合的可逆性以及可循环使用性，在实际应用中可以在一定程度上降低生产成本，使该材料有望作为生物体内或环境中检测并分离Fe³⁺的新材料。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1中(a)和(b)分别是实施例4制备的3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰的二氧化硅(SP)的透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)图，(c)是实施例1制备的水杨酸掺杂二氧化硅纳米粒子(SASP)的扫描电镜(SEM)图；

图2是实施例4制备的SP(a)和实施例1制备的SASP(b)的红外光谱图，其中Wavenumber代表波数，单位是cm^-1；

图3是实施例4制备的SP(a)和实施例1制备的SASP(b)的热重分析曲线以及一阶导数热重曲线，其中Weight(％)代表重量百分比，Deriv.Weight(％/℃)代表对重量百分比取一阶导数；

图4是SASP的水溶液加入19种金属离子后的荧光光谱图，其中Wavelength代表波长；

图5是SASP的水溶液中不同金属离子对SASP检测Fe³⁺荧光的干扰；

图6是交替调节pH为4.0和10.0时SASP-Fe³⁺体系的荧光强度变化曲线，其中Cyclenumber是指循环的次数；

图7是SASP的溶液中加入不同浓度Fe³⁺后的荧光光谱图，内嵌图是荧光强度随着Fe³⁺浓度的变化曲线，其中Wavelength代表波长；

图8是log(I-174.7)与Fe³⁺浓度之间的线性关系图，其中I代表荧光强度。

具体实施方式

下面将对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员熟知的常规手段。

实施例1

本实施例中，水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，按以下步骤进行：

(1)在50mL圆底烧瓶中加入100mg水杨酸(SA)和35mL无水乙醇，室温氮气氛下搅拌20min；

(2)接着继续加入310μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和1.4mL正硅酸四乙酯(TEOS)，继续搅拌30min；

(3)然后加入120μL质量分数为25％的NH₃·H₂O和860μL水组成的混合溶液，通氮气30min以除尽氧气，然后将烧瓶密封，过夜搅拌24h；

(4)通过离心收集产物，用5mL无水乙醇清洗5次，最后在50℃下真空干燥12h，得到的白色粉末即为水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒(SASP)。

实施例2

本实施例中，水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，按以下步骤进行：

(1)在50mL圆底烧瓶中加入50mg水杨酸(SA)和35mL无水乙醇，室温氮气氛下搅拌15min；

(2)接着继续加入310μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和775μL正硅酸四乙酯(TEOS)，继续搅拌20min；

(3)然后加入80μL质量分数为25％的NH₃·H₂O和860μL水组成的混合溶液，通氮气45min以除尽氧气，然后将烧瓶密封，搅拌12h；

(4)通过离心收集产物，用5mL无水乙醇清洗5次，最后在30℃下真空干燥15h，得到的白色粉末即为水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒(SASP)。

实施例3

本实施例中，水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，按以下步骤进行：

(1)在50mL圆底烧瓶中加入120mg水杨酸(SA)和35mL无水乙醇，室温氮气氛下搅拌45min；

(2)接着继续加入310μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和1.7mL正硅酸四乙酯(TEOS)，继续搅拌60min；

(3)然后加入150μL质量分数为25％的NH₃·H₂O和860μL水组成的混合溶液，通氮气60min以除尽氧气，然后将烧瓶密封，搅拌30h；

(4)通过离心收集产物，用5mL无水乙醇清洗5次，最后在55℃下真空干燥8h，得到的白色粉末即为水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒(SASP)。

实施例4

为了计算水杨酸在二氧化硅上的固载量，本实施例对3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰的二氧化硅(SP)进行制备，除了不加SA外，其它过程与实施例1中的SASP的制备过程相同。

实施例5

对实施例1制备的SASP和实施例4制备的SP分别进行扫描电镜、红外光谱表征及热重分析，结果如下：

图1为实施例1制备的SASP和实施例4制备的SP的电镜图。如图所示，所制备的SP大小均一，成规则的球状，粒径约为120nm。但是，当SP被水杨酸修饰后，水杨酸被交联到二氧化硅的三维网状结构中，最后得到的杂化纳米材料呈现不规则的形状，颗粒的尺寸为100～400nm。

图2为实施例1制备的SASP和实施例4制备的SP的红外光谱图。从图中可以看出SASP和SP在460cm^-1，790cm^-1和1050cm^-1处均观察到明显的红外吸收，分别对应Si-O-Si的面内弯曲振动峰、Si-O的对称和反对称伸缩振动峰，证明载体SiO₂的存在。b图相对于a图在位于1547cm^-1的N-H面内弯曲振动吸收峰消失，而在1387cm^-1处出现了强烈的C-N伸缩振动峰，1630cm^-1为C＝O伸缩振动峰，这是因为水杨酸的羧基和APTES的氨基脱去一分子水形成了酰胺键。此外，在1593cm^-1，1487cm^-1和1460cm^-1处出现了芳香环的特征吸收峰。以上结果表明SA已被成功掺杂到SiO₂纳米粒子中。

图3为实施例1制备的SASP和实施例4制备的SP的热重分析曲线。通过SASP和SP失重的对比最终计算机出水杨酸的掺杂量为4.7％。

本发明实施例6～9中识别和光学检测性能评价按照下述方法进行：将适量SASP水溶液和一定浓度的金属离子溶液加入到10mL离心管中，混匀后静置8min，用荧光光谱仪测试溶液的荧光强度，选择常见的金属离子作为对比，参与SASP的选择性研究；进一步做金属离子竞争性实验，测试SASP检测Fe³⁺的抗干扰性；通过交替调节pH值研究SASP和Fe³⁺在水溶液中的可逆性；对Fe³⁺进行荧光滴定实验，并建立起检测Fe³⁺的荧光分析方法。

实施例6

将实施例1制备的SASP配制成8.0μg/mL的水溶液(pH＝4.0)，金属离子(Al³⁺,Fe³⁺,Cr³⁺,Ca²⁺,Zn²⁺,Pb²⁺,Hg²⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Cd²⁺,Cu²⁺,Ni²⁺,Mn²⁺,Ba²⁺,Mg²⁺,Li⁺,K⁺,Na⁺和Ag⁺)配制成0.01mol/L的储备液。各取5mL 8.0μg/mL SASP溶液于20个离心管中，一个作为空白对照，另外19个分别加入10μL 0.01mol/L 19种金属离子储备液，金属离子最终浓度为2×10^-5mol/L，混匀后静置8min，在最佳激发波长293nm激发下记录340～550nm范围内各样品的荧光发射光谱。所有操作都在室温下进行。如图4所示，相对于未加离子时空白样的荧光值，Fe³⁺的加入使得荧光发生了明显的猝灭。而加入Al³⁺后，虽然波长有一些蓝移，但是荧光强度并没有发生变化。而其它金属离子的加入对荧光的影响可以忽略不计。这说明SASP作为检测Fe³⁺体系具有很好的选择性。

实施例7

各取5mL实施例6配制的8.0μg/mL SASP溶液(pH＝4.0)于18个离心管中，分别加入10μL 0.01mol/L的不同其他金属离子(Al³⁺,Cr³⁺,Ca²⁺,Zn²⁺,Pb²⁺,Hg²⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Cd²⁺,Cu²⁺,Ni²⁺,Mn²⁺,Ba²⁺,Mg²⁺,Li⁺,K⁺,Na⁺和Ag⁺)溶液，混匀后静置8min，在最佳激发波长293nm激发下记录340～550nm范围内各样品的荧光发射光谱。在上述离子存在的情况下，再分别加入10μL 0.01mol/L的Fe³⁺溶液。同样混匀后静置8min，在最佳激发波长293nm激发下记录340～550nm范围内各样品的荧光发射光谱。所有操作都在室温下进行。结果如图5所示，图中的白色柱表明，其他干扰离子的加入对SASP的荧光强度并没有影响。黑色柱表明在含有干扰离子的SASP溶液中加入Fe³⁺后，荧光发生明显淬灭。以上结果表明，在有这些干扰离子存在的情况下，并不会对Fe³⁺的检测造成影响，说明该方法的抗干扰性较好。

实施例8

取100mL实施例6配制的8.0μg/mL SASP溶液(pH＝4.0)，向其中加入200μL0.01mol/L Fe³⁺溶液，Fe³⁺最终浓度为2×10^-5mol/L，混匀后静置8min。然后通过分别加入1.0mol/L NaOH和1.0mol/L HCl调节溶液的pH。在最佳激发波长293nm激发下记录340～550nm范围内各不同pH样品的荧光发射光谱。pH为4.0时，SASP-Fe³⁺体系荧光很弱，当pH调节为10.0时，Fe³⁺发生强烈水解，从SASP-Fe³⁺体系中全都解离出来，荧光恢复到只存在SASP的情况。如此循环五次，可得到的荧光开关效果如图6所示，这些结果表明通过调节pH能使SASP荧光完全恢复，表明该过程是一个完全可逆的过程。

实施例9

分别取5mL实施例6配制的8.0μg/mL SASP溶液(pH＝4.0)于23个离心管中，向其中分别加入不同浓度Fe³⁺(0mol/L,2.0×10^-7mol/L,4.0×10^-7mol/L,6.0×10^-7mol/L,8.0×10^-7mol/L,1.0×10^-6mol/L,2.0×10^-6mol/L,4.0×10^-6mol/L,6.0×10^-6mol/L,8.0×10^{- 6}mol/L,1.0×10^-5mol/L,1.2×10^-5mol/L,1.4×10^-5mol/L,1.6×10^-5mol/L,1.8×10^-5mol/L,2.0×10^-5mol/L,3.0×10^-5mol/L,4.0×10^-5mol/L,5.0×10^-5mol/L,6.0×10^-5mol/L,7.0×10^-5mol/L,8.0×10^-5mol/L,9.0×10^-5mol/L)，混匀后静置8min，在最佳激发波长293nm激发下记录340～550nm范围内各样品的荧光发射光谱。如图7所示，当只有SASP存在时，在波长为408nm处观察到一个很强的荧光发射峰，而当Fe³⁺浓度逐渐增大时，408nm处的荧光逐渐减弱，到最后荧光完全猝灭。将408nm处溶液的荧光强度与相应的Fe³⁺浓度绘制成曲线，曲线方程为：y＝174.7+6099exp(-x/21.05)，相关系数为R＝0.9995。由图8可知，随着Fe³⁺的不断加入，log(I-174.7)与Fe³⁺浓度呈线性减小的关系。其线性范围为2.0×10^-7mol/L到9.0×10^-5mol/L，线性回归方程为：y＝-0.02010x+3.785，其线性相关系数R＝0.9993，根据公式LOD＝3S/k计算得到最低检出限为2.5×10^-8mol/L。实验结果表明，传感器SASP用于测定水溶液中的Fe³⁺有良好的线性关系，灵敏度高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

(1)在反应容器中加入水杨酸和无水乙醇，室温氮气氛下搅拌；

(2)加入3-氨丙基三乙氧基硅烷和正硅酸四乙酯，继续搅拌；

(3)加入质量分数为25％的氨水和水的混合溶液，通入氮气确保除尽氧气，然后将反应容器密封，并搅拌；

(4)离心收集产物，用无水乙醇清洗多次，真空干燥，得到的白色粉末即为水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中水杨酸和无水乙醇的质量体积比为(50～120mg):35mL。

3.根据权利要求1所述的一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述室温氮气氛下搅拌的时间为15～45min。

4.根据权利要求1所述的一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的3-氨丙基三乙氧基硅烷和正硅酸四乙酯的体积比为1:(2.5～5.5)，继续搅拌的时间为20～60min。

5.根据权利要求1所述的一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中氨水和水的体积比为80～150:860，通氮气除氧的时间为30～60min，搅拌时间为12～30h。

6.根据权利要求1所述的一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述用无水乙醇清洗的次数为5次；所述真空干燥的温度为30～55℃，真空干燥时间为8～15h。

7.一种水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器，其特征在于，按照权利要求1～6任一所述的制备方法得到。

8.权利要求7所述的水杨酸掺杂的二氧化硅纳米粒子Fe³⁺荧光传感器用于对水样中的Fe³⁺进行分析检测。