CN108467732A

CN108467732A - 一种荧光二硫化钼量子点及其制备方法和应用

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Publication number: CN108467732A
Application number: CN201810166068.5A
Authority: CN
Inventors: 易涛; 钟亚平
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2018-08-31
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: CN108467732B

Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，具体为一种荧光二硫化钼量子点及其制备方法和应用。本发明以四硫代钼酸铵为前体小分子，甲醛为还原剂，在氢氧化钠的存在下，采用水热法或溶剂热法一步合成二硫化钼量子点；所得二硫化钼量子点的直径在5 nm以下，其荧光激发波长为360 nm~486nm，荧光发射波长为456nm~560 nm。该荧光二硫化钼量子点可用于检测三价铁离子、三磷酸腺苷、抗坏血酸以及构建IMPLICATION逻辑门。本发明提供的荧光二硫化钼量子点具有合成条件简单，性能稳定，价格便宜等特点，将其用于检测铁离子、三磷酸腺苷和抗坏血酸时，检测过程简单，选择性高，灵敏性高，同时以MoS₂ QDs为平台开发的IMPLICATION逻辑门在多重分析物检测方面的应用潜力。

Description

一种荧光二硫化钼量子点及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种二硫化钼量子点及其制备方法，以及在检测三价铁离子、三磷酸腺苷、抗坏血酸以及逻辑门操作中的应用。

背景技术

荧光法作为以发光强度为检测信号的可视化技术，具有操作简单、分辨率高、造价低廉和可连续性实时监测等优势。目前用于传感检测的荧光探针主要集中于无机纳米材料和有机染料。有机染料由于容易光漂白以及染料小分子具有的生物毒性而应用受限。现今研究较热的二硫化钼量子点（MoS₂QDs）作为一种新型的过渡金属二硫化物量子点材料，被广泛应用于电池、催化、生物成像和生物医学等领域。由于量子限域效应，MoS₂QDs表现出独特的光致发光、光化学稳定性和单激发/多发射以及依赖尺寸的荧光发射等光学性质，有望成为一种新型高效的纳米荧光试剂。然而已经报道的合成方法常涉及高功率的超声处理，或危险昂贵的化学品（如正丁基锂，锂、钠等碱金属），因此，开发一种简便的MoS₂QDs的合成方法并将其应用于传感研究是非常有意义的。

铁是一种广泛存在的环境元素，也是人体必需的微量元素之一，它是许多酶的金属中心，参与氧气的输送和人体的造血功能。但是，铁摄入过多会导致体内三价铁离子（Fe³ ⁺）含量较多，造成氧化和抗氧化的失衡，从而破坏DNA并诱发其突变。三磷酸腺苷（ATP）被认为是生物体的能量“货币”，在细胞内的代谢过程中起着非常关键的作用。ATP水平异常与恶性肿瘤，低血糖，帕金森病等多种疾病密切相关。抗坏血酸（AA）在胶原蛋白和激素的合成，自由基的清除，氨基酸代谢和毛细血管通透性的降低以增强免疫力等许多生化过程中都起着重要的作用。AA的缺乏可能诱导脂质、DNA和蛋白质的氧化性损伤。因此，发展可靠、灵敏、简便的Fe³⁺、ATP和AA的测定方法，特别是能同时应用于检测其中两种物质的方法具有重要意义。

鉴于以上考虑，本发明合成了一种制备方法简单、成本较低的二硫化钼量子点并用于检测Fe³⁺、ATP和AA，同时构建了IMPLICATION逻辑门。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种简单易行的荧光二硫化钼量子点及其制备方法，并用于检测Fe³⁺、ATP和AA，同时构建IMPLICATION逻辑门。

本发明提供的用于检测三价铁离子、三磷酸腺苷、抗坏血酸以及逻辑门操作的荧光二硫化钼量子点，其制备的具体步骤如下：

以四硫代钼酸铵（(NH₄)₂MoS₄）为前体小分子，甲醛（HCHO）为还原剂，在氢氧化钠（NaOH）的存在下采用水热法或溶剂热法，一步合成二硫化钼量子点；

其中，所用溶剂为水、甲醇、乙醇或乙二醇等；以溶剂的总体积为标准，四硫代钼酸铵的最终浓度为0.5–10 mM，甲醛的最终浓度为1–8 M，氢氧化钠的最终浓度为10–220 mM；加热温度为160–220 ℃，加热时间为1–20 h。

本发明制备得到的二硫化钼量子点，其直径在5 nm以下，其荧光激发波长为360nm~486nm，荧光发射波长为456nm~560 nm。

本发明制备得到的二硫化钼量子点可用于检测三价铁离子（Fe³⁺）、三磷酸腺苷（ATP）、抗坏血酸（AA）以及构建IMPLICATION逻辑门。其中：

检测Fe³⁺：将不同浓度的三价铁离子（Fe³⁺）加入到二硫化钼量子点中性缓冲溶液中，混合孵育一段时间后用荧光分光光度计记录溶液的荧光强度, 根据荧光强度的不同，建立线性关系，得到检测Fe³⁺的标准工作曲线；

检测ATP：向二硫化钼量子点中性缓冲液中加入一定浓度的Fe³⁺，待反应平稳后加入不同浓度的ATP，混合孵育一段时间后用荧光分光光度计记录溶液的荧光强度，根据荧光强度的不同，建立线性关系，得到检测ATP的标准工作曲线；

检测AA：向二硫化钼量子点中性缓冲液中加入不同浓度的AA，孵育一段时间后加入一定浓度的Fe³⁺，混合孵育一段时间后用荧光分光光度计记录溶液的荧光强度，根据荧光强度的不同，建立线性关系，得到检测AA的标准工作曲线；

构建IMPLICATION逻辑门：基于MoS₂ QDs的荧光分子开关的IMPLICATION逻辑门，其输入信号1为Fe³⁺，输入信号2为ATP/AA，输出信号为二硫化钼量子点的荧光。

在检测Fe³⁺中，共孵育时间为2~20 min。

在检测ATP中，Fe³⁺的浓度为300–500 µM。

在检测AA中，Fe³⁺的浓度为300–500 µM。

本发明检测三价铁离子、三磷酸腺苷、抗坏血酸的原理具体如下：

（1）测定Fe³⁺的原理

Fe³⁺和二硫化钼量子点表面之间存在电子转移，因此可以导致二硫化钼量子点的荧光淬灭；

（2）测定ATP的原理

ATP和Fe³⁺具有一定的螯合能力，当向已经被Fe³⁺淬灭的二硫化钼量子点溶液中加入ATP时，ATP会夺取量子点表面的Fe³⁺，从而使二硫化钼量子点的荧光恢复；

（3）测定AA的原理

AA具有一定的还原能力，当向含有AA的二硫化钼量子点溶液中加入Fe³⁺时，AA可以将Fe³⁺还原为Fe²⁺，而Fe²⁺不会淬灭量子点的荧光，因此可以用来间接检测AA。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明通过一步水热法或溶剂热法合成了二硫化钼量子点，避免了自上而下方法中使用N–甲基吡咯烷酮（NMP）, 碱金属（Li, Na, K）以及正丁基锂等对环境污染较大的有机溶剂和高成本的化学品，在环保的同时降低了制备成本；

（2）本发明利用ATP和Fe³⁺之间的螯合作用，以及AA可以将Fe³⁺还原为Fe²⁺的性质成功利用荧光二硫化钼量子点实现了对目标物的检测，同时构建了IMPLICATION逻辑门。

本发明提供的荧光二硫化钼量子点具有合成条件简单，性能稳定，价格便宜等特点；将其用于检测铁离子、三磷酸腺苷和抗坏血酸时，具有检测过程简单，选择性高，灵敏性高等优势，同时以MoS₂ QDs为平台开发的IMPLICATION逻辑门显示了此传感器在多重分析物检测方面的应用潜力。

附图说明

图1：二硫化钼量子点的最佳荧光激发光谱图（左）和荧光发射光谱图（右）。

图2：二硫化钼量子点激发依赖的荧光性质。

图3：二硫化钼量子点的紫外吸收光谱图。

图4：二硫化钼量子点的透射电子显微镜图。

图5 ：二硫化钼量子点对Fe³⁺响应的荧光–时间依赖图。

图6：二硫化钼量子点对不同浓度Fe³⁺响应的荧光光谱图。

图7：Fe³⁺浓度与荧光猝灭程度的关系。

图8：Fe³⁺浓度与和荧光淬灭程度的线性拟合图。

图9 ：二硫化钼量子点检测Fe³⁺时对阳离子的选择性。其中，从a到j分别是空白、Fe³⁺、Fe²⁺、K⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、Zn²⁺、Ag⁺。

图10 ：二硫化钼量子点检测Fe³⁺时对阴离子的选择性。其中，从a到j分别是空白、Fe³⁺、SO₄ ^2–、SiO₃ ^2–、I^–、CO₃ ^2–、ClO₄ ^–、Ac^–、HCO₃ ^–、NO₂ ^–。

图11：二硫化钼量子点检测AA的可行性探讨。其中，a为MoS₂ QDs，b为MoS₂ QDs +180 µM AA，c为MoS₂ QDs + 350 µM Fe³⁺，d为MoS₂ QDs + 180 µM AA + 350 µM Fe³⁺。

图12：二硫化钼量子点对不同浓度AA响应的荧光光谱图。

图13：AA浓度与荧光猝灭程度的关系。

图14：AA浓度与和荧光淬灭程度的线性拟合图。

图15：二硫化钼量子点对不同浓度ATP响应的荧光光谱图。

图16：ATP浓度与荧光猝灭程度的关系。

图17：0–30 µM浓度的ATP与和荧光淬灭程度的线性拟合图。

图18：30–140 µM浓度的ATP与和荧光淬灭程度的线性拟合图。

图19：基于二硫化钼量子点构建的输出逻辑门操作。

具体实施方式

下面用过具体实施例对本发明作进一步说明，本发明的保护内容不限于以下实例。在不背离发明构思的范围下，本领域研究人员能够想到的变化都包括在本发明中。

实施例1 制备二硫化钼量子点

将1mM的(NH₄)₂MoS₄、1.3 M的HCHO和10 mM的NaOH 溶于超纯水中，置于反应釜中200℃反应3 h。得到的溶液用1000 KDa的透析袋室温透析24 h后于冰箱中4℃保存。如图1和图2所示，合成的MoS₂ QDs的最佳荧光激发和发射波长分别是400 nm、506nm，并且具有发光可调谐的性质，在360 nm到500 nm 光激发下均可发荧光。二硫化钼量子点的紫外吸收峰在265nm左右（图3），尺寸分布较为均一且平均粒径在5 nm以下（图4）。

实施例2 制备二硫化钼量子点

将3mM的(NH₄)₂MoS₄、3.0 M的HCHO和100mM的NaOH 溶于甲醇中，置于反应釜中200℃反应3 h。得到的溶液用1000 KDa的透析袋室温透析24 h后于冰箱中4℃保存。

实施例3 制备二硫化钼量子点

将3mM的(NH₄)₂MoS₄、3.0 M的HCHO和200mM的NaOH 溶于乙二醇中，置于反应釜中200℃反应5 h。得到的溶液用1000 KDa的透析袋室温透析24 h后于冰箱中4℃保存。

实施例4 Fe³⁺的检测

为了研究检测Fe³⁺的可行性，我们用荧光分光光度计进行了验证。首先，我们探讨了检测Fe³⁺的最佳孵育时间。将浓度为250 µM的Fe³⁺加入到二硫化钼量子点中性缓冲液（Tris–HCl，10 mM， pH = 7.2）中，用荧光分光光度计记录不同时间下400 nm波长激发下溶液的荧光强度。由图5可以看到，反应非常快速，5 min 后反应达到平稳，因此选择5 min作为最佳孵育时间。其次，我们对检测Fe³⁺的线性范围进行了探讨。配制相同体积的一系列不同浓度的Fe³⁺溶液加入到含有二硫化钼量子点中性缓冲液（Tris–HCl，10 mM， pH = 7.2）中；用荧光光度计记录400 nm激发波长下，反应体系在506 nm发射峰处的荧光强度。从图6和图7可以看到，随着Fe³⁺浓度的增强，溶液的荧光强度逐渐降低，当Fe³⁺浓度达到350 µM以后，溶液的荧光强度基本保持不变。并以Fe³⁺浓度为横坐标，506 nm处反应体系的荧光强度的变化值F₀–F为纵坐标，拟合得到Fe³⁺标准曲线，实现对Fe³⁺浓度的荧光检测。如图8所示，二硫化钼量子点检测Fe³⁺在0–200 µM范围内呈良好的线性关系（Y = 55.90 X – 270, R²= 0.9880, X单位为µM）。

实施例5 Fe³⁺检测的选择性

选择性是评价生物传感器性能的重要指标。因此，我们选用了常见的阳离子和阴离子来评价该方法的选择性。在实验操作过程中，用0.5 mM的上述阳离子和阴离子代替0.35 mM的Fe³⁺，其余测试条件同实施例4，测定了体系在400 nm光激发下506 nm处的荧光强度。如图9和图10所示，和Fe³⁺相比，上述物质对体系的荧光强度的影响基本可以忽略不计，因此，说明该发明对Fe³⁺具有良好的选择性。

实施例6 AA的检测

为了检测AA的可行性，我们用荧光分光光度计进行了验证。首先，设置了对照实验来验证检测AA的可行性。从图11可以看出，当AA存在时，Fe³⁺对MoS₂ QDs荧光的猝灭能力被抑制，而单独的AA对MoS₂ QDs荧光强度的影响可以忽略不计，因此本发明提出的检测AA的方法是可行的。其次，对检测Fe³⁺的线性范围进行了探讨。检测AA的标准工作曲线的具体过程如下：将不同浓度的AA加入到二硫化钼量子点中性缓冲液中（Tris–HCl，10 mM， pH = 7.2），然后加入350 µM的Fe³⁺，室温孵育5min后用荧光光度计记录400 nm激发波长下，反应体系在506nm发射峰处的荧光强度。从图12和图13可以看到，随着AA浓度的增强，MoS₂ QDs被淬灭的荧光逐渐恢复。以AA浓度为横坐标，506 nm处反应体系的荧光强度的变化值F₀–F为纵坐标，拟合得到AA标准曲线实现对AA浓度的荧光检测。如图14所示，二硫化钼量子点检测AA在0–160µM范围内呈良好的线性关系（Y = 99.06 X + 108.8，R²= 0.9981, X单位为µM）。

实施例7 ATP的检测

为了研究检测ATP的可行性，我们用荧光分光光度计进行了验证。检测ATP的标准工作曲线的具体过程如下：将350 µM的Fe³⁺加入到含有二硫化钼量子点中性缓冲液中（Tris–HCl，10 mM， pH = 7.2），室温孵育5min后加入不同浓度的ATP溶液，用荧光光度计记录400nm激发波长下，反应体系在506 nm发射峰处的荧光强度。从图15和图16可以看到，随着ATP浓度的增强，MoS₂ QDs被淬灭的荧光逐渐恢复，当ATP浓度达到400 µM以后，溶液的荧光强度不再增加。以ATP浓度为横坐标，506 nm处反应体系的荧光强度的变化值F₀–F为纵坐标，拟合得到ATP标准曲线，实现对ATP浓度的荧光检测。如图17和图18所示，二硫化钼量子点检测ATP具有两个线性浓度范围，（1）0–30 µM（Y = 141.9 X + 10650，R²=0.9995, X单位为µM）和（2）30–140 µM（Y = 64X + 12730，R²=0.9946, X单位为µM）。

实施例8 IMPLICATION逻辑门的构建

基于以上实施例4、6和7，以MoS₂ QDs为平台开发了IMPLICATION逻辑门，以显示此传感器用于多重分析物检测的潜力。在此IMPLICATION逻辑门中，输入信号Input 1为Fe³⁺，输入信号Input 2为ATP/AA，输出信号Output为二硫化钼量子点的荧光。当含有输入信号时定义为1，当不含有输入信号时定义为0；当含有输出信号时定义为1，当不含有输出信号时定义为0。由表1可以看到，仅在存在输入1和不存在输入2的情况下，荧光猝灭显着，输出信号为“0”。该IMPLICATION逻辑门可以用于反映猝灭剂和目标分析物间的相对浓度。

表1：基于二硫化钼量子点构建的IMPLICATION逻辑门真值表。

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Claims

1.一种荧光二硫化钼量子点的制备方法，其特征在于，以四硫代钼酸铵：(NH₄)₂MoS₄为前体小分子，甲醛为还原剂，在氢氧化钠的存在下，采用水热法或溶剂热法一步合成二硫化钼量子点；四硫代钼酸铵的浓度为0.5-10 mM，甲醛的浓度为1.0-8.0 M，氢氧化钠的浓度为10-220 mM，溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙二醇，加热温度为160-220 ℃，加热时间为1-20 h；

所得二硫化钼量子点的直径在5 nm以下，其荧光激发波长为360 nm~486nm，荧光发射波长为456nm~560 nm。

2.一种由如权利要求1所述制备方法得到的荧光二硫化钼量子点。

3.如权利要求2所述的荧光二硫化钼量子点在检测三价铁离子Fe³⁺、三磷酸腺苷ATP、抗坏血酸AA以及构建IMPLICATION逻辑门中的应用，其特征在于：

检测Fe³⁺：将不同浓度的三价铁离子Fe³⁺加入到二硫化钼量子点中性缓冲溶液中，共孵育一段时间，然后用荧光分光光度计记录溶液的荧光强度, 根据荧光强度的不同，建立线性关系，得到检测Fe³⁺的标准工作曲线；

检测ATP：向二硫化钼量子点中性缓冲液中加入一定浓度的Fe³⁺，待反应平稳后加入不同浓度的ATP，共孵育一段时间，然后用荧光分光光度计记录溶液的荧光强度，根据荧光强度的不同，建立线性关系，得到检测ATP的标准工作曲线；

检测AA：向二硫化钼量子点中性缓冲液中加入不同浓度的AA，孵育一段时间，然后加入一定浓度的Fe³⁺，共孵育一段时间，然后用荧光分光光度计记录溶液的荧光强度，根据荧光强度的不同，建立线性关系，得到检测AA的标准工作曲线；

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，在检测Fe³⁺中，共孵育时间为2~20 min；在检测ATP中，Fe³⁺的浓度为300–500 µM；在检测AA中，Fe³⁺的浓度为300–500 µM。