CN108226484B - 一种碳-金纳米团簇比率荧光传感器微球及其构建和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料科学与工程和环境分析化学领域，具体来说是一种二硫苏糖醇修饰的碳‑金纳米团簇比率荧光传感微球及其构建和对汞离子的高选择、高灵敏检测的应用。传感器利用新型荧光纳米材料碳‑金纳米团簇为荧光源，然后通过DTT在金纳米团簇表面上修饰巯基(‑SH),用巯基将汞离子吸引到团簇表面,由于汞离子(5d10)与金离子(5d10)之间存在作用力,可实现对汞离子的高选择性、高灵敏检测。本发明通过微波葡萄糖和金种子的混合溶液来制备具有双发射波长的碳‑金纳米团簇，简化了比率荧光传感器的构建过程，有效地避免了繁琐的荧光复合材料的制备过程。用于实际水样中汞离子的分析检测，加标回收率在90％以上。

Description

一种碳-金纳米团簇比率荧光传感器微球及其构建和应用
技术领域
本发明属于材料科学与工程和环境分析化学领域，具体来说是一种二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇比率荧光传感微球及其构建和对汞离子的高选择、高灵敏检测的应用。
背景技术
汞离子作为一种典型的重金属离子具有生物不可降解性和生物富集性，已经对人类身体健康和生态环境造成严重的威胁。汞离子的毒性主要来源于它与细胞中蛋白质和酶的巯基之间具有强大的吸引力，从而造成机体的功能紊乱。因此，发展一种灵敏、快速、高效地检测汞离子的方法是十分必要的。传统的汞离子分析方法主要包括原子吸收光谱法、原子荧光分光光度计法、电感耦合等离子体质谱法，虽然这些方法能够给出准确的分析，但一般耗时较长，且需要复杂的样品前处理和专业的人员操作。而荧光分析因其灵敏度高、操作简便、耗时较短等优点在化学检测和生物分析等领域获得快速发展。与单一荧光信号的传感器相比，比率荧光分析法是通过比较两峰荧光强度的变化作为判断物质含量的标准，在一定程度上可以消除环境中的干扰、提高测量的准确性，因此更加受到研究者们的青睐。
目前，常用的比率荧光传感的构建方法是通过引入参比物质来形成双发射的荧光复合材料。然而这种方式通常涉及化学修饰和化学反应等过程，使构建过程变得复杂和不可控。此外，繁琐的修饰过程可能引起荧光材料本身性质发生变化，不利于荧光材料的应用。随着对荧光材料的深入研究，一些制备双发射荧光波长材料的简单方法被越来越多地发展起来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇比率荧光传感及其构建方法和对Hg2+的灵敏性检测的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于二硫苏糖醇(DTT)修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球，比率荧光传感器微球为表面经二硫苏糖醇(DTT)修饰的碳-金纳米团簇；其中，比率荧光传感器微球粒径大小约为2-5nm，并没有引起碳-金纳米团簇的聚集。
所述比率荧光传感器微球以碳-金纳米团簇为荧光信号源，其中，碳-金纳米团簇以葡萄糖和金种子的混合溶液为基础，在微波条件下制备获得。其中，葡萄糖和金种子的用量限定为5-15mg：3-8mL，进而获得在在单一激发下具有两个发射峰分别处于466纳米和598纳米峰型的碳-金纳米团簇；使其进一步的修饰得比率荧光传感器微球。
一种基于二硫苏糖醇(DTT)修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球的构建方法，将二硫苏糖醇加入碳-金纳米团簇溶液，通过搅拌10-14小时，即可获得二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇。
所述碳-金纳米团簇以葡萄糖和金种子的混合溶液为基础，在微波条件下制备获得。
所述碳-金纳米团簇微球的制备：
1)还原型谷胱甘肽和三水合氯金酸混合后加入水，然后用电热套加热使其在60-80℃下回流2小时，得到微黄色的金种子溶液；
2)将步骤1)获得的金种子溶液中加入葡萄糖，然后放入家用微波炉内经中火微波(微波功率700W，额定电压220V，额定频率50Hz)7-10min，得到具有双发射波长的碳-金纳米团簇。
所述步骤a.碳-金纳米团簇的制备：
1)称取40-50mg还原型谷胱甘肽溶于1-3mL浓度为50mM的三水合氯金酸溶液中，然后加入45-50mL的的水，在70-80℃下加热回流2小时，得到微黄色的金种子溶液；
2)称取5-15mg的葡萄糖加入到4-6mL步骤1所制备的金种子溶液中，然后放入家用微波炉内经中火微波(微波功率700W，额定电压220V，额定频率50Hz)7-10min，得到具有双发射波长的碳-金纳米团簇。
进一步地说，将10-30μL的DTT加入1-3mL上述碳-金纳米团簇溶液，然后加入7-10mL水，在搅拌速度为每分钟160-200转的情况下，搅拌10-14小时后将所得到产物离心去除未反应的粒子，即可获得二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇。
一种基于于二硫苏糖醇(DTT)修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器的应用，所述二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球在检测汞离子中的应用。
本发明所具有的优点：
本发明是基于二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇比率荧光传感器用于汞离子的选择性识别和高灵敏检测。通过使用新型荧光纳米粒子碳-金纳米团簇作为双发射荧光信号源，有效避免了繁琐的化学修饰和化学反应过程，极大地简化了实验步骤并且缩短了反应时间。然后利用二硫苏糖醇在金纳米团簇表面上修饰巯基基团，通过巯基与汞之间的吸引力选择性识别汞离子，提高检测的灵敏度。由于汞离子与金离子间存在化学作用，所以金纳米团簇的荧光被猝灭，而碳点的荧光强度基本保持不变。随着汞离子浓度的增加，金纳米团簇被猝灭的量增大，因此可进行定量测定汞离子；并且，在紫外灯照射下，溶液颜色发生肉眼可识别的从橘红色过渡到蓝色的变化，从而能进行可视化检测汞离子。相比其他离子，该比率荧光传感器对汞离子有更高的选择性识别能力。将该传感器用于湖水和自来水中汞离子的分析检测，加标回收率均在90％以上。本发明具有高效识别、快速分析、易于操作等优点，其可以作为检测汞离子的有效手段，丰富了比率荧光传感器的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇的制备过程示意图。
图2为本发明实施例提供的透射电镜图：A、碳-金纳米团簇(C-AuNCs)，B、二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇(DTT/C-AuNCs)。
图3为本发明实施例提供的二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇在不同pH下吸附汞离子后的荧光强度变化与初始荧光强度的比值图。
图4为本发明实施例提供的二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇随着加入汞离子的量增加其荧光发射峰强度的变化图。
图5为本发明实施例提供的二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇对相同浓度不同离子选择性实验图。
图6为本发明实施例提供的碳-金纳米团簇的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的解释说明。
本发明比率传感器以还原型谷胱甘肽作为保护剂和还原剂制备金种子溶液，然后通过微波照射金种子和葡萄糖的混合液获得碳-金纳米团簇，其在单一激发下具有两个发射峰分别处于466纳米和598纳米。最后将碳-金纳米团簇与二硫苏糖醇混合，使金纳米团簇表面带有巯基。该构建方法操作比较简单，而且通过微波有效地缩短了反应时间。同时在制备双发射波长的碳-金纳米团簇时避免了繁琐的修饰过程。利用巯基与汞离子间强大的吸引力，碳-金纳米团簇可以有效地识别汞离子。将该传感器用于湖水和自来水这两种实际样品中汞离子的分析检测，加标回收率均可达到90％以上。
本发明采用二硫苏糖醇作为修饰剂用来将巯基引到金纳米团簇表面，用巯基将汞离子吸引到团簇表面，由于汞离子(5d10)与金离子(5d10)之间存在作用力，因此可达到灵敏性、选择性检测汞离子的目的，随着汞离子的加入，金纳米团簇的荧光可被选择性地猝灭，而碳点的荧光强度可基本保持不变。可达到灵敏性、选择性检测汞离子的目的。
该传感器利用新型荧光纳米材料碳-金纳米团簇为荧光源，然后通过DTT在金纳米团簇表面上修饰巯基(-SH),用于对汞离子的高选择性、高灵敏检测。在汞离子存在时，金纳米团簇的荧光可以被猝灭，而碳点的荧光强度基本保持不变。本发明通过微波葡萄糖和金种子的混合溶液来制备具有双发射波长的碳-金纳米团簇，简化了比率荧光传感器的构建过程，有效地避免了繁琐的荧光复合材料的制备过程。用于实际水样中汞离子的分析检测，加标回收率在90％以上。
实施例1
比率荧光传感器制备的流程参见图1：
a.碳-金纳米团簇的制备：称取46mg谷胱甘肽加入2mL浓度为50mM的三水合氯金酸溶液，再加入48mL的水，在70℃下回流2h，得到金种子溶液。然后称10mg葡萄糖溶于5mL上述制备的金种子溶液中，然后放入家用微波炉内经中火微波(微波功率700W，额定电压220V，额定频率50Hz)8min，，即可制得碳-金纳米团簇溶液。最后将其溶于5mL水中，待用(参见图2A以及图6)。
由图2A以及图6中可见，所得碳-金纳米团簇的粒径在2-5nm之间，两个发射峰分别处于466纳米和598纳米。
b.二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇的制备：取20μL浓度为4mM的DTT溶液加入到2mL上述制备的碳-金纳米团簇溶液中，然后加入8mL纯水进行稀释至10mL左右，在黑暗中搅拌12小时。得到的产物用离心机离心，去除未反应的粒子，即得比率荧光传感器二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇(参加图2B)
由图2B中可见，所得二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇的粒径在2-5nm之间。
实施例2
分别取10μL经超纯水稀释1000倍的上述实施例获得的碳-金纳米团簇和二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇溶液，将各稀释液分别分散在经过乙醇清洗的铜网上，干燥之后，将载有上述各稀释后物质的铜网用透射电镜进行观察(参见图2A-B)；如图2A所示，碳-金纳米团簇的粒径约为3nm，如图2B所示，二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇的粒径也约为3nm，说明二硫苏糖醇的修饰并不会引起碳-金纳米团簇的团聚或者形貌的改变。
实施例3
将制备的二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇(DTT/C-AuNCs)溶液用超声机超声分散后，平行3份，分别取相同体积的1mL DTT/C-AuNCs溶液加入已称重的1.5mL离心管中，烘干后再次进行称重。通过计算3份平行样品的前后质量差与体积的比值，得出DTT/C-AuNCs溶液的浓度为0.50mg/mL。
荧光光谱测定时取0.2mL的上述获得浓度为0.50mg/mL的DTT/C-AuNCs溶液，测量溶液总体积为0.5mL，即DTT/C-AuNCs的浓度为0.20mg/mL。
配制pH值为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5和9.0等一系列PBS缓冲溶液。具体做法是分别配制浓度为10mM的磷酸二氢钠和磷酸氢二钠溶液，然后在pH计的指示下，将磷酸二氢钠和磷酸氢二钠按不同的体积混合得到一系列不同pH值的PBS缓冲液。第一组每个样品取0.2mL的二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇(DTT/C-AuNCs)的溶液，再分别加入0.3mL一系列不同pH的PBS缓冲溶液，混合振荡，然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度。第二组每个样品取0.2mL的DTT/C-AuNCs的溶液和0.01mL浓度为25μM的汞离子溶液(即所测汞离子的浓度为0.5μM)，分别加入0.29mL上述配置的一系列不同pH的PBS缓冲溶液，混合振荡一段时间，保持与第一组样品相同的测定条件，然后用荧光仪测定第二组每个样品的荧光强度(参见图3)。
如图3所示，对于二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇(DTT/C-AuNCs)，在pH小于7.0时，荧光猝灭效率值随pH的增大而增大；当pH大于7.0时，随pH值的增大，荧光猝灭效率值会减小，实验结果表明，检测汞离子的最佳pH值为6.5。由于考虑到该传感器在实际样品中应用，所以pH值为7.0作为实验的最终选择。
实施例4
与实施例3中方法相似，测定二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇(DTT/C-AuNCs)的浓度为0.50mg/mL。而后，取上述浓度的DTT/C-AuNCs0.2mL和pH为7.0的PBS缓冲溶液的混合液0.29mL，将上述样品分别加入0.01mL一系列不同浓度的汞离子溶液(汞离子的最终浓度分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0μM)，混合振荡一段时间，然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度(参见图4)。
如图4所示，由于随着汞离子浓度的增大，位于598纳米处的金纳米团簇的发射峰强度变弱，而位于466纳米处的碳点的荧光强度基本保持不变，直接导致传感器的荧光颜色发生由初始的橘红色逐渐过渡到紫色，最终变成蓝色的变化，从而能够可视化检测汞离子。上述实验结果表明二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇对汞离子表现出很高的灵敏度。
实施例5
与上述方法相似，二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇(DTT/C-AuNCs)的浓度为0.50mg/mL，而后，取0.2mL上述浓度的DTT/C-AuNCs和0.29mL pH为7.0的PBS缓冲溶液的混合液，将上述获得样品分别加入0.01mL浓度为25μM的汞离子、钠离子、镉离子、锌离子、锰离子、钾离子、钴离子、铜离子、镍离子、铅离子、镁离子、铁离子、钙离子、钡离子、碘离子、氟离子、硫酸氢根离子、氰离子、醋酸根离子、磷酸二氢根离子溶液，即所测不同离子的浓度为0.5μM，混合振荡一段时间，然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度(参见图5)。
在荧光测定时，铜离子会对汞离子的检测造成一定的干扰，不过这种干扰可以用浓度为0.1mM的乙二胺四乙酸(EDTA)溶液消除。如图5所示，经过EDTA对铜离子的掩蔽后，除汞离子可以引起荧光强度比值的明显变化，其他离子对荧光强度的影响几乎可以忽略。这足以说明所制备的DTT/C-AuNCs可以用于对汞离子的选择性识别。

Claims (6)

1.一种基于二硫苏糖醇（DTT）修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球，其特征在于：比率荧光传感器微球为表面经二硫苏糖醇（DTT）修饰的碳-金纳米团簇；其中，比率荧光传感器微球粒径大小为2-5nm；
所述比率荧光传感器微球以碳-金纳米团簇为荧光信号源，其中，碳-金纳米团簇以葡萄糖和金种子的混合溶液为基础，在微波条件下制备获得。
2.一种权利要求1所述的基于二硫苏糖醇（DTT）修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球的构建方法，其特征在于：将二硫苏糖醇加入碳-金纳米团簇溶液，通过搅拌10-14小时，即可获得二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇。
3.按权利要求2所述的基于二硫苏糖醇（DTT）修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球的构建方法，其特征在于：
所述碳-金纳米团簇的制备：
1）还原型谷胱甘肽和三水合氯金酸混合后加入水，然后用电热套加热使其在60-80℃下回流2小时，得到微黄色的金种子溶液；
2）将步骤1）获得的金种子溶液中加入葡萄糖，然后放入家用微波炉内经中火微波7-10min，得到具有双发射波长的碳-金纳米团簇。
4.按权利要求3所述的基于二硫苏糖醇（DTT）修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球的构建方法，其特征在于：所述碳-金纳米团簇的制备：
1）称取40-50 mg还原型谷胱甘肽溶于1-3mL浓度为50mM的三水合氯金酸溶液中，然后加入45-50 mL的水，在70-80 ℃下加热回流2小时，得到微黄色的金种子溶液；
2）称取5-15mg的葡萄糖加入到4-6mL 步骤1所制备的金种子溶液中，然后放入家用微波炉内经中火微波7-10 min，得到具有双发射波长的碳-金纳米团簇。
5.按权利要求2-3任意一项所述的基于二硫苏糖醇（DTT）修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球的构建方法，其特征在于：将10-30 μL的DTT加入1-3 mL上述碳-金纳米团簇溶液，然后加入7-10 mL水，在搅拌速度为每分钟160-200转的情况下，搅拌10-14小时后将所得到产物离心去除未反应的粒子，即可获得二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇。
6.一种权利要求1所述的基于二硫苏糖醇（DTT）修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球的应用，其特征在于：所述二硫苏糖醇修饰的碳-金纳米团簇的比率荧光传感器微球在检测汞离子中的应用。
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