CN108931512A

CN108931512A - 一种水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针及其制备方法和应用

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Publication number: CN108931512A
Application number: CN201810575018.2A
Authority: CN
Inventors: 胡小刚; 刘锦辉; 罗晓燕; 郑雪屏
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2018-12-04

Abstract

本发明提供一种水杨酸‑纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针，其制备方法包括以下步骤：S1：拌加热二水合柠檬酸三钠溶液、去离子水和1％氯金酸溶液，得到纳米金悬浮液；S2：混合无水乙醇、水杨酸和3‑氨丙基三乙氧基硅烷，加热搅拌得到交联溶液；S3：在步骤S2所得交联溶液中加入纳米金悬浮液和正硅酸四乙酯，继续加热搅拌；S4：再加入浓氨水和去离子水的混合溶液，继续加热搅拌；S5：离心收集步骤S4所得产物，并用无水乙醇进行洗涤，干燥后得到水杨酸‑纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针。本发明通过将纳米金和水杨酸分子包覆在二氧化硅纳米粒子内，具有荧光稳定性好、灵敏度高、生物相容性好、检测速度快、光强度高、检测限低等优点。

Description

一种水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料制备和检测技术领域，特别是涉及一种水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术

铁元素是人体中重要的微量元素。人体血液中的血红蛋白是铁的配合物，它具有固定和输送氧的功能，还能参与许多酶反应。铁元素过量或不足均对人体产生一定的危害，会引起各种生理紊乱如贫血症、帕金森综合症和阿尔茨海默病、癌症等。因此，对各类样品如生物体中铁含量的检测非常重要。

目前，测定铁元素的方法主要有紫外光谱法、原子吸收法等，然而这些方法存在操作繁琐、耗时较长、测试费用高等问题。相比之下，荧光光谱法，特别是其中的基于有机分子的荧光探针由于具有灵敏度高、试样用量少、仪器设备简单、操作简便、可实现原位实时在线及非破坏性检测等优点显示出越来越广阔的应用前景。但是这些多数荧光探针存在荧光强度低、检测限高、检测速度慢等问题，给实际应用带来极大的不便。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于，提供一种水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针的制备方法及该制备方法制得的荧光探针，该制备方法能够增强探针的荧光强度，降低检测限，加快金属检测速度，使用该制备方法制得的荧光探针光稳定性好、灵敏度高、生物相容性好、检测速度快、荧光强度高、检测限低。

本发明所述水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针，其制备方法包括以下步骤：

S1：拌加热二水合柠檬酸三钠溶液、去离子水和1％氯金酸溶液，得到纳米金悬浮液；

S2：混合无水乙醇、水杨酸和3-氨丙基三乙氧基硅烷，加热搅拌得到交联溶液；

S3：在步骤S2所得交联溶液中加入纳米金悬浮液和正硅酸四乙酯，继续加热搅拌；

S4：再加入浓氨水和去离子水的混合溶液，继续加热搅拌；

S5：离心收集步骤S4所得产物，并用无水乙醇进行洗涤，干燥后得到水杨酸-纳米金掺

杂二氧化硅纳米粒子荧光探针。

根据上述方法制得的水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针包括二氧化硅纳米粒子、水杨酸和纳米金，所述二氧化硅纳米粒子包覆所述水杨酸和纳米金。

相对于现有技术，本发明通过将纳米金和水杨酸分子包覆在二氧化硅纳米粒子内，具有光稳定性好、灵敏度高、生物相容性好、检测速度快、荧光强度高、检测限低等优点。

具体地，常用的荧光探针存在易于光漂白的缺点，而本发明通过二氧化硅纳米粒子的包被可以避免外界环境因素对作为荧光分子的水杨酸分子的漂白作用，明显提高了荧光探针的光学稳定性；且由于一个二氧化硅纳米粒子能够连接成百上千个水杨酸分子，提高了荧光探针的检测灵敏度。二氧化硅容易制备、无毒、生物相容性好、表面易于修饰不同官能团、易与各种生物分子通过多种方式偶联，因此二氧化硅作为荧光探针载体可提高荧光探针的生物相容性。二氧化硅纳米粒子具备三维网状结构，使得本发明所得水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针具有较大的比表面积和疏松的多孔结构，能够让目标物快速进入到水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针中结合水杨酸分子，实现快速检测。

纳米金表面的自由电子会在自身库仑力与外界电磁场的共同作用下形成集体振荡，当其振荡频率与外场的频率相同时，形成表面等离共振，该等离共振使纳米金表面附近的水杨酸的荧光强度显著增强。本发明掺杂具有荧光增强功能的纳米金，使得材料的荧光强度大大增强，从而降低检测限。

进一步，步骤S1所述水合柠檬酸三钠与氯金酸溶液的质量比为(5705～2853):1。

进一步，步骤S2所述水杨酸与3-氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为1:(0.3～20)。

进一步，步骤S3所述纳米金、正硅酸四乙酯与水杨酸的质量比为(1～10):(3～8):1。

进一步，步骤S4所述浓氨水与正硅酸四乙酯的体积比为(2～45):(1～30)。

本发明所述水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针可以用于对水样中的Fe³⁺进行分析检测。

附图说明

图1为水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)的透射电镜图；

图2为水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)、水杨酸掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SASP)和二氧化硅微球(SiO₂)的傅里叶变换红外光谱图；

图3为向水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)溶液中加入16种金属离子后的荧光强度谱图。

图4为向水杨酸掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SASP)溶液中加入16种金属离子后的荧光强度谱图；

图5为水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)与水杨酸掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SASP)的荧光强度对比图；

图6为向水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)溶液中加入不同浓度的Fe³⁺后的荧光光谱图；

图7和图8为水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)荧光强度与Fe³⁺浓度的关系图。

图9为水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)和水杨酸掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SASP)的热重分析对比图；

图10为水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)的氨水用量优化结果图；

图11为水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针(SA-SiO₂@Au)的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)用量优化结果图。

具体实施方式

本发明以水杨酸作为荧光发光体和Fe³⁺识别单元，以纳米金作为荧光增强剂，采用一步凝胶溶胶法将纳米金和水杨酸分子包覆在二氧化硅聚合物内，通过将纳米金和水杨酸分子包覆在二氧化硅纳米粒子内，具有光稳定性好、灵敏度高、生物相容性好、检测速度快、光强度高、检测限低等优点。以下通过具体实施例来详细说明本发明的技术方案。

制备荧光探针

本发明的水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针的制备方法包括以下步骤：

S1：拌加热二水合柠檬酸三钠溶液、去离子水和1％氯金酸溶液，得到纳米金悬浮液，所述水合柠檬酸三钠与氯金酸溶液的质量比为(5705～2853):1。

具体地，在100mL圆底烧瓶中加入11.41g/L二水合柠檬酸三钠溶液、去离子水，然后使用电热套进行加热，并在700rpm的条件下剧烈搅拌；待溶液稍微沸腾后用注射器快速加入1％氯金酸溶液，继续加热搅拌5min；然后停止加热，移开电热套，用机械搅拌以700rpm的速度继续搅拌，自然冷却到室温，得到纳米金悬浮液。最后用棕色样品瓶密封保存在冰箱中备用。

S2：混合无水乙醇、水杨酸和3-氨丙基三乙氧基硅烷，加热搅拌得到交联溶液；所述水杨酸与3-氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为1:(0.3～20)。

具体地，取水杨酸加入到一装有无水乙醇的100mL圆底烧瓶中，搅拌至其完全溶解。随后再加入3-氨丙基三乙氧基硅烷摇匀后，在机械搅拌条件下，以400r/min的搅拌速度反应30min，得到交联溶液。

S3：在步骤S2所得交联溶液中加入纳米金悬浮液和正硅酸四乙酯，继续加热搅拌；所述纳米金、正硅酸四乙酯与水杨酸的质量比为(1～10):(3～8):1。

具体地，将步骤S1所得纳米金悬浮液超声分散10min，然后移取超声分散后的纳米金悬浮液和正硅酸四乙酯到步骤S2所得交联溶液中，在30℃下以400r/min的转速搅拌10min。

S4：再加入浓氨水和去离子水的混合溶液，继续加热搅拌；所述浓氨水与正硅酸四乙酯的体积比为(2～45):(1～30)。

具体地，向步骤S3所得混合溶液中加入浓氨水和去离子水，在30℃下以400r/min的转速搅拌4h。

S5：离心收集步骤S4所得产物，并用无水乙醇进行洗涤，干燥后得到水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针。

具体地，向步骤S4所得混合物中加入无水乙醇，并以10000r/min的转速进行离心，以洗涤和收集产物。如此进行五遍后在30℃下真空干燥24h，得到水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针，标记为SA-SiO₂@Au。

作为对比，使用相同的方法制备不掺杂纳米金的水杨酸掺杂二氧化硅纳米粒子荧光探针，标记为SASP。

制备过程中各原料的用量如下表所示：

表征与测试结果

(1)请参阅图1，该图为SA-SiO₂@Au(实施例1)的透射电镜图。如图1所示，由于水杨酸和纳米金被交联、包覆在二氧化硅纳米粒子的三维网状结构中，最后得到的SA-SiO₂@Au呈现不规则的形状，粒径约为300nm。

请参阅图2，该图为SA-SiO₂@Au(实施例1)、SASP和二氧化硅微球(SiO₂)的傅里叶变换红外光谱图，其中曲线a表示SiO₂、曲线b表示SASP、曲线c表示SA-SiO₂@Au。从图2可以看出SA-SiO₂@Au、SASP和SiO₂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，说明在SA-SiO₂@Au和SASP中水杨酸分子已被成功掺杂到二氧化硅纳米粒子中。SA-SiO₂@Au和SASP在1387cm^-1处出现了强烈的C-N伸缩振动峰，在1630cm^-1出现了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，SA-SiO₂@Au和SASP在1593cm^-1，1487cm^-1和1460cm^-1处出现了芳香环的特征吸收峰。以上结果说明SA-SiO₂@Au和SASP中水杨酸分子已被成功掺杂到二氧化硅纳米粒子中。

(2)请同时参阅图3、图4和图5，图3为向0.9mL 8mg/L的SA-SiO₂@Au(实施例1)溶液中分别加入0.1mL浓度为1×10^-4mol/L Ca²⁺、Hg²⁺、Na⁺、Al³⁺、Ag⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、K⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Fe³⁺16种金属离子标准溶液得到的荧光强度谱图，图中“空白”组表示未加入任何金属离子的SA-SiO₂@Au溶液的荧光强度；图4为向0.9mL8mg/L的SASP溶液中分别加入0.1mL上述16种浓度为1×10^-4mol/L的金属离子标准溶液得到的荧光强度谱图，图中“空白”组表示未加入任何金属离子的SASP溶液的荧光强度；图5为SA-SiO₂@Au与SASP的荧光强度对比图。

图3反映，Ca²⁺、Hg²⁺、Na⁺、Al³⁺、Ag⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、K⁺、Cd²⁺等离子对SA-SiO₂@Au的荧光强度几乎没有影响，Fe²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺分别使SA-SiO₂@Au的荧光强度减弱了24％、20％、7％左右，而加入Fe³⁺后SA-SiO₂@Au的荧光强度减弱了91％左右。可见，Fe³⁺对SA-SiO₂@Au的荧光强度具有很大的影响，能够引起SA-SiO₂@Au的荧光猝灭，而其他金属离子对SA-SiO₂@Au的荧光强度几乎没有影响或者影响极小，说明SA-SiO₂@Au对Fe³⁺有很好的选择性。

图4反映，Ca²⁺、Hg²⁺、Na⁺、Al³⁺、Ag⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、K⁺、Cd²⁺等离子对SASP的荧光强度几乎没有影响，Fe²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺分别使SASP的荧光强度减弱了20％、10％、6％左右，而加入Fe³⁺后SASP的荧光强度减弱了89％左右。可见，Fe³⁺对SASP的荧光强度具有很大的影响，而其他金属离子对SASP的荧光强度几乎没有影响或者影响很小，说明SASP对Fe³⁺有很好的选择性。

图5反映，在相同浓度及检测条件下，掺杂有纳米金的SA-SiO₂@Au荧光强度显著强于未掺杂纳米金的SASP，通过计算发现SA-SiO₂@Au的荧光强度比SASP的荧光强度约增强了4倍。

综合图3、图4和图5可见，SA-SiO₂@Au与SASP对金属离子的选择性相近，但是SA-SiO₂@Au的荧光强度比SASP高了4倍左右，这主要是由于SA-SiO₂@Au中掺杂了纳米金，纳米金表面的自由电子会在自身库仑力与外界电磁场的共同作用下形成集体振荡，当其振荡频率与外场的频率相同时，形成表面等离共振，该等离共振使纳米金表面附近的水杨酸的荧光强度显著增强。

(3)请参阅图6，该图是向0.9mL 8mg/L的SA-SiO₂@Au(实施例1)溶液中分别加入系列浓度为0.2～100μmol/L的Fe³⁺溶液后得到的荧光谱图。图6反映，SA-SiO₂@Au的荧光强度随着Fe³⁺浓度地增加而呈规律性下降。请同时参阅图7和图8，图7和图8为Fe³⁺浓度与SA-SiO₂@Au荧光强度的关系曲线。根据图7可知，在2×10^-7～1×10^-5mol/L的Fe³⁺浓度范围内，SA-SiO₂@Au荧光强度随着Fe³⁺浓度的增加而减弱，且SA-SiO₂@Au荧光强度与Fe³⁺浓度呈现良好的线性关系，其线性回归方程为：y＝79792.32289x-0.00172，线性相关系数为R＝0.9953，最低检出限为2×10^-8mol/L，其中y表示加入Fe³⁺后荧光强度的减弱程度、x表示Fe³⁺浓度。根据图8可知，在1×10^-5～1×10^-4mol/L的Fe³⁺浓度范围内，SA-SiO₂@Au荧光强度随着Fe³⁺浓度的增加而逐渐减弱，二者之间的线性回归方程为：y＝3827.52025×e^{(-x/1.26191×10-5)}+118.1412，线性相关系数为R＝0.9963，其中y表示荧光强度、x表示Fe³⁺浓度。根据上述SA-SiO₂@Au荧光强度与Fe³⁺浓度的关系可以检验出实际水样中的Fe³⁺并确定其浓度。

(4)请参阅图9，该图是在氮气氛围下分别对SA-SiO₂@Au(实施例1)和SASP以15K/min的升温速度、800℃的终止温度进行热重测试得到的热重分析图谱，其中曲线1表示SA-SiO₂@Au，曲线2表示SASP。在20～400℃主要为水分挥发、氨丙基分解、水杨酸、分解为苯酚和二氧化碳的过程，SA-SiO₂@Au与SASP的失重率分别为13.60％和13.44％，可以看出SA-SiO₂@Au的失重率略低于SASP。由于苯酚的临界温度为419.2℃，所以在400～800℃阶段的失重主要为前阶段分解所得的苯酚的气化过程和二氧化硅中其它有机物分解，在这一阶段SA-SiO₂@Au与SASP的失重率分别为21.53％和18.48％，可见SA-SiO₂@Au的失重率远高于SASP，SA-SiO₂@Au失重更加明显。因此，掺杂纳米金颗粒后，由于Au-COOH键的作用，水杨酸的掺杂量明显增加，其增加量可达3.05％。

(5)请参阅图10和图11，二者分别是制备SA-SiO₂@Au时加入不同氨水(实施例2)和3-氨丙基三乙氧基硅烷(实施例3)用量的性能效果对比图。从图10可以看出，随着氨水用量的增加，SA-SiO₂@Au的荧光强度逐渐降低，但是加入Fe³⁺后的猝灭效率却呈现先增长后降低的趋势，当氨水用量为180μL时，SA-SiO₂@Au对Fe³⁺具有最佳的猝灭效率；同理，从图11可以直观地看出，当3-氨丙基三乙氧基硅烷用量为510μL时，SA-SiO₂@Au对Fe³⁺具有最佳的猝灭效率。

以上所述实施例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

1.一种水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S4：再加入浓氨水和去离子水的混合溶液，继续加热搅拌；

2.根据权利要求1所述水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤S1所述水合柠檬酸三钠与氯金酸溶液的质量比为(5705～2853):1。

3.根据权利要求2所述水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤S2所述水杨酸与3-氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为1:(0.3～20)。

4.根据权利要求3所述水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤S3所述纳米金、正硅酸四乙酯与水杨酸的质量比为(1～10):(3～8):1。

5.根据权利要求4所述水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤S4所述浓氨水与正硅酸四乙酯的体积比为(2～45):(1～30)。

6.一种水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针，其特征在于：按照权利要求1至5任意一项所述制备方法制得。

7.一种水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针，其特征在于：包括二氧化硅纳米粒子、水杨酸和纳米金，所述二氧化硅纳米粒子包覆所述水杨酸和纳米金。

8.权利要求6或7所述的水杨酸-纳米金掺杂二氧化硅粒子荧光探针用于对Fe³⁺进行分析检测。