CN108535230B - 基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蛋壳膜反应平台红色荧光铜纳米团簇原位合成的方法及应用，该方法以蛋壳膜为反应平台，铜盐为金属前驱物，二硫苏糖醇为还原剂，原位合成了包埋在蛋壳膜内的荧光铜纳米团簇复合材料，结构记为Cu NCs/ESM，所制备的复合膜材料在紫外灯下整体发出很强的红色荧光。该合成方法简单、经济、易行，并成功应用于表面荧光图案化。此外，Cu NCs/ESM复合膜材料可作为银离子检测试纸，实现溶液中银离子的可视化检测。本方法所制备的荧光复合膜材料方便回收和循环利用，在传感、催化、光电器件、防伪、表面增强拉曼等领域有巨大的应用前景。

Description

基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法及应用

技术领域

本发明属于荧光金属纳米团簇的制备与应用领域，具体涉及一种基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法及应用。

背景技术

金属纳米团簇(NCs)一般由几个至几十个金属原子组成，具有类似分子的性质，如不连续的能级状态、与尺寸相关的荧光性等。作为一种新兴的荧光纳米材料，金属纳米团簇因其超小的尺寸、良好的生物相容性、独特的光学电学性质等，在传感、催化、生物成像、光电器件等领域有广泛的应用。然目前研究主要集中在荧光金、银两种贵金属纳米团簇，对其他种类的金属纳米团簇研究较少。由于贵金属的自然资源有限，近年来，关于减少贵金属的使用引起了越来越多的关注，科学家们正致力于用Cu、Ni、Fe等第一行过渡金属来取代Au、Ag、Pt、Pd等贵金属在各领域的应用。其中，铜纳米材料具有较高的导电、催化性能，性质类似于Au、Ag等贵金属，且廉价经济，应用广泛，但是采用传统方法制备的铜纳米材料尺寸较大，粒径不均，容易氧化，不稳定。目前，基于蛋白质、DNA等大分子的模板法已证明是合成荧光铜纳米团簇的有效方法，但是关于荧光铜纳米团簇的合成与性能研究仍具有很大的挑战与机遇。另一方面，已报道的金属纳米团簇的合成方法大多比较复杂、耗时，合成条件也较苛刻，而且几乎全是在均相溶液体系中合成，原始产物多具有尺寸异质性，进一步研究时，还需要纯化处理，这在很大程度上限制了荧光金属纳米团簇应用范围的拓展。因此，鉴于目前制备的铜纳米团簇多为液相，且发出的荧光多为短波长的蓝光，为拓展荧光铜纳米团簇的形态与应用，制备能够发出红色荧光的固相铜纳米团簇是很有意义的。但是，目前仅有的少许固态铜纳米团簇的报道其制备方法均较繁琐且不是采用的原位合成方法。蛋壳膜(ESM)作为禽蛋产品的副产物，资源丰富，是一种不溶于水的固态生物材料，具有微观的纤维网状结构，主要成分为蛋白质，占膜重90％左右，以ESM为反应平台，铜盐为金属前驱物，二硫苏糖醇为还原剂，原位合成包埋在蛋壳膜内的红色荧光铜纳米团簇复合材料(Cu NCs/ESM)，尚未见报道。同时，对所制备的Cu NCs/ESM复合膜材料在表面荧光图案化和离子检测试纸方面的应用进行研究也具有很大的创新性。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供一种简单易行、廉价经济、通用的固态整体荧光铜纳米团簇复合膜材料的原位合成方法，并研究其在表面荧光图案化和离子检测试纸方面的应用。本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法，所述的合成方法包括以下步骤：

(1)从新鲜的鸡蛋壳内揭下蛋壳膜，用去离子水将蛋壳膜冲洗干净，裁剪，浸泡在去离子水中，待用；

(2)取浸泡后的蛋壳膜置于可溶性铜盐水溶液中，室温下孵化作用一段时间；

(3)取出吸附了铜离子的蛋壳膜并将表面游离的铜离子冲洗干净后，置于二硫苏糖醇水溶液中，室温下静置反应3小时，即得到包埋在蛋壳膜内的荧光铜纳米团簇复合材料。

进一步，步骤(1)蛋壳膜裁剪的尺寸为：宽为0.9-1.1cm，长为1.9-2.1cm。

进一步，步骤(2)中蛋壳膜与可溶性铜盐水溶液的比例为1:0.9-1.2片/mL。

进一步，步骤(2)所述的可溶性铜盐的浓度为50mmol·L^-1。

进一步，步骤(2)所述的可溶性铜盐包括硫酸铜、醋酸铜、硝酸铜和氯化铜。

进一步，步骤(2)所述的孵化作用一段时间为5-120min。

进一步，步骤(3)制备的复合材料在日光下呈浅黄色，在365nm紫外灯下为红色荧光。

进一步，基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇复合材料作为检测试纸的应用，应用于银离子的可视化检测，具体操作如下：将步骤(3)制备的复合材料裁剪至尺寸大小相同，放置于1mL浓度为10μmol·L^-1的银离子溶液中，反应10-16h后，在紫外灯下观察，反应后的复合膜材料红色荧光明显减弱。

基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法的应用，该原位合成方法作为表面荧光图案化的应用，具体步骤如下：将一片浸泡后的蛋壳膜置于50mmol·L^-1的CuSO₄溶液中孵化30min，然后把结合了Cu²⁺的蛋壳膜取出并平铺到载玻片上，自然晾干，再用0.5mol·L^-1二硫苏糖醇溶液在晾干的膜上写字或绘图，即得到了红色荧光图案。

本发明的反应原理是基于蛋壳膜(ESM)是一种不溶于水的固态生物材料，主要成分为蛋白质，且具有微观的纤维网状结构，以ESM为反应平台，利用蛋壳膜富含的蛋白质为模板，可溶性铜盐为金属前驱物，室温下两者孵化作用后形成Cu²⁺/ESM，再以二硫苏糖醇为还原剂，原位还原合成了包埋在蛋壳膜内的红色荧光铜纳米团簇复合材料(Cu NCs/ESM)。同时，以DTT为“墨水”，本发明成功应用于表面荧光图案化。此外，根据溶液中银离子对膜上红色荧光的猝灭效应，CuNCs/ESM复合膜材料可作为银离子检测试纸，实现溶液中银离子的可视化检测。

本发明的有益效果：

(1)本发明的原位合成方法是以资源丰富，廉价易得的蛋壳膜为反应平台，利用蛋壳膜富含的蛋白质为模板，可溶性铜盐为金属前驱物，二硫苏糖醇为还原剂，室温下，原位合成包埋在蛋壳膜内的荧光铜纳米团簇复合材料(Cu NCs/ESM)，合成的铜纳米团簇覆盖并包埋在蛋壳膜内，且对蛋壳膜的微观纤维结构整体上没有影响；制备的荧光铜纳米团簇复合材料具有很好的耐盐性；

(2)所制备的Cu NCs/ESM复合膜材料在紫外灯下整体发射出很强红色的荧光，在水、乙酸乙酯、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、异丙醇、乙二醇、丙酮、二甲基亚砜(DMSO)、乙酸介质中荧光稳定性良好，壳膜自身的微观纤维结构整体上没有受到影响；

(3)该合成策略成功应用于表面荧光图案化，操作简单安全，具有防伪、表面印刷等实用价值；

(4)基于银离子对所制备的Cu NCs/ESM复合膜材料的荧光猝灭效应，可研制银离子检测试纸，实现溶液中银离子的可视化检测，检测成本廉价；

(5)本发明的合成方法具有新颖、简单、经济、易行、通用等特点，亦可以用来指导其他固相整体纳米材料的制备；

(6)所制备的固相整体纳米材料方便回收和循环利用，在催化、光电器件、表面增强拉曼等领域亦具有较为巨大的应用前景。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成反应示意图；

图2为ESM对照(I)和CuNCs/ESM产物(II)的荧光发射光谱图(激发波长为365nm)；

图3为Cu NCs/ESM产物的荧光显微镜示意图(标尺为20μm，激发波长为365nm)；

图4为CuNCs/ESM产物的X射线光电子能谱图；

图5为采用不同浓度的DTT原位合成的CuNCs/ESM产物在紫外灯下的示意图；

图6为不同孵化时间对CuNCs/ESM产物影响的研究示意图；

图7为CuNCs/ESM产物的耐盐性研究示意图；

图8为表面荧光图案化应用示意图；

图9为CuNCs/ESM产物作为检测试纸应用于银离子(A)和其他金属离子(B)的可视化检测示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明以蛋壳膜为反应平台，铜盐为金属前驱物，二硫苏糖醇为还原剂，原位合成了包埋在蛋壳膜内的荧光铜纳米团簇复合材料(Cu NCs/ESM)，并应用于表面荧光图案化和离子检测试纸方面。下面通过实施例结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成：

以蛋壳膜为反应平台，原位合成包埋在蛋壳膜内的荧光铜纳米团簇复合材料(CuNCs/ESM)的方法，反应如图1所示：

(1)从新鲜的鸡蛋壳内揭下蛋壳膜(ESM)，用去离子水将蛋壳膜冲洗干净，并裁剪至尺寸约为1cm*2cm)，浸泡在去离子水中，待用；

(2)取一片干净的ESM置于1mL 50mmol·L^-1的硫酸铜水溶液中，室温下孵化作用15min；

(3)取出吸附了铜离子的蛋壳膜(Cu²⁺/ESM)并将表面游离的铜离子冲洗干净后，置于1mL 0.5mol·L^-1的二硫苏糖醇(DTT)水溶液中，室温下静置反应3小时，即得到包埋了铜纳米团簇的块状整体复合膜材料(CuNCs/ESM)，该材料在日光下呈浅黄色，365nm紫外灯下整体发出很强的红色荧光，而蛋壳膜自身仅会发出蛋白质固有的蓝色荧光；

如图2所示：为ESM对照和Cu NCs/ESM产物在365nm紫外光激发下的荧光发射光谱，由图2可见，CuNCs/ESM产物在610nm处有形状对称的强荧光峰，这与365nm紫外灯下复合膜材料(Cu NCs/ESM)整体发出很强的红色荧光相一致，而ESM自身在该波段内没有荧光峰出现，这说明观察的红色荧光来自原位生成的铜纳米团簇；

如图3所示：为所制备的CuNCs/ESM产物在365nm紫外光激发下的荧光显微镜照片，由照片可见，荧光铜纳米团簇覆盖并包埋在蛋壳膜交织的纤维表面与内部，反应平台自的网状结构仍明显可见；该结果亦表明，蛋壳膜在作为模板原位控制与保护荧光铜纳米团簇生长的过程中，其自身的微观结构整体上没有受到影响，这也得益于荧光金属纳米团簇超小的尺寸效应。

如图4所示：为所制备的Cu NCs/ESM复合荧光膜的X射线光电子能谱(XPS)图，由图可知，在931.3eV和951.2eV结合能处有明显的XPS峰，对应于Cu(0)的Cu 2P_3/2和Cu 2P_1/2，在942eV处亦没有Cu²⁺的Cu 2p_3/2卫星峰存在，均说明包埋在蛋壳膜内的红色荧光铜纳米团簇中铜的价态基本为0价，与文献报道一致。

实施例2

可溶性铜盐种类对合成的影响：

(1)从新鲜的鸡蛋壳内揭下蛋壳膜(ESM)，用去离子水将蛋壳膜冲洗干净，并裁剪至适当尺寸，浸泡在去离子水中，待用；

(2)取四片干净的ESM分别置于1mL 50mmol·L^-1的硫酸铜、乙酸铜、硝酸铜、氯化铜的溶液中，室温下孵化作用15min；

(3)取出吸附了铜离子的蛋壳膜(Cu²⁺/ESM)并将表面游离的铜离子冲洗干净后，置于1mL 0.5mol·L^-1的二硫苏糖醇(DTT)水溶液中，室温下静置反应3小时，在365nm紫外灯照射下，采用不同的可溶性铜盐做前驱物原位合成的CuNCs/ESM产物在紫外灯下均发出很强的红色荧光。

实施例3

硫酸铜浓度对合成的影响：

(1)从新鲜的鸡蛋壳内揭下蛋壳膜(ESM)，用去离子水将蛋壳膜冲洗干净，并裁剪至适当尺寸，浸泡在去离子水中，待用；

(2)取八片干净的ESM分别置于1mL 0mmol·L^-1、0.5mmol·L^-1、1mmol·L^-1、5mmol·L^-1、10mmol·L^-1、20mmol·L^-1、50mmol·L^-1、80mmol·L^-1的硫酸铜水溶液中，室温下孵化作用15min；

(3)取出吸附了铜离子的蛋壳膜(Cu²⁺/ESM)并将表面游离的铜离子冲洗干净后，置于1mL 0.5mol·L^-1的二硫苏糖醇(DTT)水溶液中，室温下静置反应3小时，在365nm紫外灯照射下，当硫酸铜溶液浓度低于1mmol·L^-1时，合成的产物发出微弱的红色荧光，合成效果较差；当硫酸铜溶液浓度为5-80mmol·L^-1时，合成的CuNCs/ESM产物在紫外灯下均发出很强的红色荧光。

实施例4

二硫苏糖醇浓度对合成的影响：

(1)从新鲜的鸡蛋壳内揭下蛋壳膜(ESM)，用去离子水将蛋壳膜冲洗干净，并裁剪至适当尺寸，浸泡在去离子水中，待用；

(2)取十片干净的ESM分别置于1mL 50mmol·L^-1的硫酸铜水溶液中，室温下孵化作用15min；

(3)取出吸附了铜离子的蛋壳膜(Cu²⁺/ESM)并将表面游离的铜离子冲洗干净后，分别置于1mL 0mol·L^-1、5mmol·L^-1、10mmol·L^-1、20mmol·L^-1、50mmol·L^-1、100mmol·L^-1、200mmol·L^-1、500mmol·L^-1、800mmol·L^-1、1mol·L^-1的二硫苏糖醇(DTT)水溶液中，室温下静置反应3小时，在365nm紫外灯照射下，结果如图5所示，当DTT溶液浓度低于20mmol·L^-1时，无红色荧光铜纳米团簇生成，当DTT溶液浓度高于50mmol·L^-1时，合成的Cu NCs/ESM产物在紫外灯下均发出很强的红色荧光。

实施例5

孵化时间对合成的影响：

(1)从新鲜的鸡蛋壳内揭下蛋壳膜(ESM)，用去离子水将蛋壳膜冲洗干净，并裁剪至适当尺寸，浸泡在去离子水中，待用；

(2)取干净的ESM分别置于1mL 50mmol·L^-1的硫酸铜水溶液中，室温下分别考察孵化时间为0.1min、2min、5min、10min、15min、0.5h、1h、1.5h、2h的反应情况；

(3)取出吸附了铜离子的蛋壳膜(Cu²⁺/ESM)并将表面游离的铜离子冲洗干净后，置于1mL 0.5mol·L^-1的二硫苏糖醇(DTT)水溶液中，室温下静置反应3小时，在365nm紫外灯照射下，结果如图6所示：蛋壳膜与铜盐水溶液的孵化时间要求较为宽松，几分钟至2小时均可。

实施例6

Cu NCs/ESM产物的耐盐性考察：

将合成的Cu NCs/ESM剪成大小一致的膜，并分别放入1mL不同浓度的NaCl盐溶液中放置1h，拍摄其在紫外灯下的荧光照片，在365nm紫外灯照射下，如图7所示：在紫外灯下观察到的荧光强度基本一致，所合成的CuNCs/ESM复合材料有较好的耐盐性。

实施例7

本申请发明的原位合成方法可应用于表面荧光图案化，具体技术方案如下：

将一片洁净的蛋壳膜置于50mmol·L^-1的CuSO₄溶液中孵化30min，然后把结合了Cu²⁺的蛋壳膜取出并平铺到载玻片上，自然晾干，再用0.5mol·L^-1DTT溶液作为“墨水”在晾干的膜上写字，在365nm紫外灯照射下，如图8所示：即得到有红色荧光图案的表面，可见，该合成策略操作简单安全，具有防伪、表面印刷等实用价值。

实施例8

本申请发明合成的红色荧光铜纳米团簇复合材料(Cu NCs/ESM)可作为检测试纸，应用于银离子的可视化检测，具体技术方案如下：

室温下，将合成的复合膜材料裁剪至大小相同，并分别置于1mL浓度为0μmol·L^-1、10μmol·L^-1、25μmol·L^-1、50μmol·L^-1、100μmol·L^-1、250μmol·L^-1、500μmol·L^-1的银离子溶液中，浓度越高的银离子溶液会使膜上的红色荧光猝灭越快，反应过夜后，如图9(A)所示：在紫外灯下观察，10μmol·L^-1的银离子亦会使膜的红色荧光明显减弱；如图9(B)所示：其他的Na⁺、K⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Ba²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Al³⁺等金属离子对其红色荧光几乎无影响；可见，CuNCs/ESM检测试纸应用于银离子的可视化检测是可行的，该方法简单易行，成本低廉且具有较好的灵敏度和选择性。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法合成的复合材料作为检测试纸的应用，其特征在于：所述的合成方法包括以下步骤：

(1)从新鲜的鸡蛋壳内揭下蛋壳膜，用去离子水将蛋壳膜冲洗干净，裁剪，浸泡在去离子水中，待用；

(2)取浸泡后的蛋壳膜置于可溶性铜盐水溶液中，室温下孵化作用一段时间；

(3)取出吸附了铜离子的蛋壳膜并将表面游离的铜离子冲洗干净后，置于二硫苏糖醇水溶液中，室温下静置反应3小时，即得到包埋在蛋壳膜内的荧光铜纳米团簇复合材料；

步骤(3)制备的复合材料在日光下呈浅黄色，在365nm紫外灯下为红色荧光；

所述检测试纸应用于银离子的可视化检测，具体操作如下：将步骤(3)制备的复合材料裁剪至尺寸大小相同，放置于1mL浓度为10μmol·L^-1的银离子溶液中，反应10-16h后，在紫外灯下观察，反应后的复合膜材料红色荧光明显减弱；

该原位合成方法作为表面荧光图案化的应用，具体步骤如下：将一片浸泡后的蛋壳膜置于50mmol·L^-1的CuSO₄溶液中孵化30min，然后把结合了Cu²⁺的蛋壳膜取出并平铺到载玻片上，自然晾干，再用0.5mol·L^-1二硫苏糖醇溶液在晾干的膜上写字或绘图，即得到了红色荧光图案。

2.根据权利要求1所述的基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法合成的复合材料作为检测试纸的应用，其特征在于：步骤(1)蛋壳膜裁剪的尺寸为：宽为0.9-1.1cm，长为1.9-2.1cm。

3.根据权利要求1所述的基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法合成的复合材料作为检测试纸的应用，其特征在于：步骤(2)中蛋壳膜与可溶性铜盐水溶液的比例为1:0.9-1.2片/mL。

4.根据权利要求1所述的基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法合成的复合材料作为检测试纸的应用，其特征在于：步骤(2)所述的可溶性铜盐的浓度为50mmol·L^-1。

5.根据权利要求1所述的基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法合成的复合材料作为检测试纸的应用，其特征在于：步骤(2)所述的可溶性铜盐包括硫酸铜、醋酸铜、硝酸铜和氯化铜。

6.根据权利要求1所述的基于蛋壳膜平台红色荧光铜纳米团簇原位合成方法合成的复合材料作为检测试纸的应用，其特征在于：步骤(2)所述的孵化作用一段时间为5-120min。

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