CN109655440A - 可视化检测Fe3+的荧光纸基传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器及其制备方法。首先制备氮掺杂石墨烯量子点(N‑GQDs：Nitrogen Doped Graphene Quantum Dots)荧光探针溶液，然后将N‑GQDs荧光探针固定到纸质介质上获得荧光纸基传感器。滴加不同浓度的Fe³⁺后，荧光纸基传感器能产生荧光强弱的变化，从而实现可视化检测。荧光探针溶液可以通过两种方法固定，浸泡法和喷墨法。浸泡法是将滤纸浸泡在N‑GQDs探针溶液中孵育来获得固态荧光探针；喷墨法是以N‑GQDs探针溶液为墨水，在证券纸上喷墨打印出荧光探针。两种荧光纸基传感器检测方便，响应速度快，在紫外光下即可实现肉眼检测Fe³⁺，适用于现场实时可视化检测，为水相中Fe³⁺的检测提供了有效途径。

Description

可视化检测Fe3+的荧光纸基传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及用于检测Fe³⁺的N-GQDs荧光探针溶液及其可视化荧光纸基传感器的制备方法和应用，特别是通过浸泡法和喷墨打印机法来固定N-GQDs荧光探针溶液，获得的两种检测Fe³⁺的荧光纸基传感器，其快速、灵敏、选择好，有望于应用在环境或人体中Fe³⁺的检测。

背景技术

铁是生命体所必需的一种微量元素，Fe³⁺在生物体内参与多种酶的构成，并在生物细胞内参与许多生化反应，可以说Fe³⁺在生物信号传导和物质运输等过程不可或缺。Fe³⁺的缺乏和过量会对生物体健康产生很大的影响。如果体内Fe³⁺不足则血红蛋白和肌红蛋白的合成会受影响，氧的运输受阻，乏力、免疫力降低及引起缺铁性贫血；如果体内Fe³⁺过量则会破坏血液中Fe³⁺平衡，并引起氧化性危害，破坏蛋白质、核酸和脂类，还可能引起严重疾病，包括癌症，肝炎以及胰腺，肝脏和心脏的功能障碍。除此之外，Fe³⁺也是环境水中重金属污染源之一。因此准确、快速地检测Fe³⁺在生物体内和环境中的浓度有着重要的意义。

目前检测Fe³⁺的技术中有很多都是荧光检测技术。杨文革等人(中国专利申请号：201610554440.0)制备了一种罗丹明酰肼衍生物作为荧光探针化合物用于检测水溶液中的三价Fe3+。施国跃等人(中国专利申请号：201610030712.7)设计合成了一种基于寡核苷酸链敏化的稀土铕离子构建的荧光探针用于检测Fe³⁺。但这些荧光检测存在制备过程复杂，成本较高或者制备过程中使用浓酸浓碱，不够环保的问题。黄珊等人(中国专利申请号：201410530779.8)、封伟等人(中国专利申请号：201510574790.9)分别报道过合成荧光N-GQDs和碳点来实现对Fe³⁺的快速灵敏检测。但由于溶液态的检测体系不易携带，不宜长期保存，每次检测时需要现配检测体系，使用不方便。魏国华等人(中国专利申请号：201010608547.1)提供了一类水溶性荧光探针对Fe³⁺快速检测，并可以采用涂覆方式制备检测纸基传感器和检测试剂盒。但涂覆方式的均匀性差，检测探针容易被水或有机溶剂冲掉或溶解掉，从而影响检测的准确性。

与传统的半导体量子点相比，GQDs具有低毒、生物相容性好且荧光稳定等优点，是一种新型的荧光探针。未经掺杂或钝化处理的GQDs其荧光量子产率通常都不高，因此，研究者们正在积极探寻高量子产率的GQDs合成方法，其中氮掺杂的GQDs较常见，量子产率也有很大的提高。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种环保、快速检测Fe³⁺的基于N-GQDs的荧光纸基传感器的制备方法以及应用。

可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器，包括纸质载体和沉积在纸质载体上的固态N-GQDs荧光探针。

可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的制备方法，基于N-GQDs荧光探针溶液，利用浸泡法制备，具体步骤如下，

首先制备N-GQDs荧光探针溶液：使用电子分析天平称量100mg的柠檬酸，放入小烧杯，注入去离子水得到50ml浓度为2mg/ml的柠檬酸溶液；待柠檬酸溶液充分溶解后转移到100ml聚四氟乙烯内胆，并加入2ml氨水，尽快盖上盖子，并将内胆置于反应釜，拧紧螺丝后放进真空干燥箱；设置反应条件为200℃，180min，时间到取出反应后浅黄色溶液超声20min，然后装入透析袋中透析24h；将得到的浅黄色溶液于避光处存放。

然后制备可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器：设计出6个10mm×5mm大小的长方形检测区，并用铅笔在滤纸纸基上描绘出检测区的草图，利用蜡笔在检测区以外区域进行涂蜡处理；经涂蜡处理的纸基在90℃干燥箱中加热5min，使蜡能熔化进入滤纸纤维形成疏水区；将上述纸基浸入N-GQDs荧光探针溶液中孵育30min，在纸基上附着探针溶液以获得荧光底物，取出纸基后用吹风机干燥；最后将干燥后的纸基剪成15mm×9mm大小的测试条用于检测。

进一步的，所述纸基为202型中速定量滤纸。

可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的制备方法，基于N-GQDs荧光探针溶液，利用喷墨法制备，具体步骤如下，

首先制备N-GQDs荧光探针溶液：使用电子分析天平称量100mg的柠檬酸，放入小烧杯，注入去离子水得到50ml浓度为2mg/ml的柠檬酸溶液；待柠檬酸溶液充分溶解后转移到100ml聚四氟乙烯内胆，并加入2ml氨水，尽快盖上盖子，并将内胆置于反应釜，拧紧螺丝后放进真空干燥箱；设置反应条件为200℃，180min，时间到取出反应后浅黄色溶液超声20min，然后装入透析袋中透析24h；将得到的浅黄色溶液于避光处存放。

然后制备可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器：在word文档中设计10mm×10mm的检测区图案；将惠普喷墨打印机联机，把N-GQDs荧光探针溶液注入清洗干净的墨盒中，用于荧光检测区的打印；通过喷墨打印机在纸质介质上打印检测区，打印过程重复10次，以此获得所述可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器。

进一步的，所述纸质介质为证券纸。

可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的应用，将待测样品溶液滴加到荧光纸基传感器，待纸基变干后，用365nm紫外灯照射荧光纸基传感器，观察其检测区荧光的变化来检测Fe³⁺。

本发明提供的可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的制备方法有两种，即浸泡法和喷墨法。浸泡法是将滤纸浸泡在N-GQDs(氮掺杂石墨烯量子点，Nitrogen Doped GrapheneQuantum Dots)探针溶液中孵育已获得荧光底物；喷墨法是以N-GQDs探针溶液为墨水，通过喷墨的方式在纸质介质上打印N-GQDs荧光探针得到能快速检测Fe³⁺的荧光纸基传感器。这两种荧光纸基传感器上的荧光探针均匀分布，并且在检测时不易被水或者其他有机溶剂溶解而使检测的准确性受影响，是一种高选择性、简单快速、环保、便携、能够可视化、能够实现现场检测的Fe³⁺的荧光纸基传感器。

本发明的优点和积极效果：

(1)通过氮掺杂来增强GQDs的荧光，所制得的N-GQDs有稳定的荧光性，同时具有良好的水溶性，方便应用于水相中的检测，且检测的过程不涉及复杂的样品预处理过程。

(2)以柠檬酸为碳源，氨水为氮源通过水热法合成所述荧光探针，制备简单，成本低，产生废弃物少。

(3)本发明首次将N-GQDs通过浸泡和喷墨的方式将其附着在纸质介质上，设计出可视化的Fe³⁺检测纸基传感器。具体来说是发明了一类能够可视化检测Fe³⁺的荧光检测纸基传感器及其制备方法。所制备的纸基传感器具有环保、便携、能够可视化、能够实现现场检测的优点。

(4)所制备的检测纸基传感器反应快速，滴加含有Fe³⁺的溶液可瞬间显色，干燥后纸基传感器的显色效果达到稳定。

(5)所制备的检测纸基传感器对Fe³⁺表现出良好的选择性，不受其他一些常见共存离子(K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Ag⁺、Co²⁺)的影响，具有高选择性。

(6)所制备的检测纸基传感器对Fe³⁺的检测可避免大型贵重仪器的使用，仅需要一个手持式紫外灯就可在现场进行可视化的实时检测，操作简单，快速便携，效果明显，肉眼检测的极限为50μmol/L。

附图说明

图1为实施例1中滴加不同浓度的Fe³⁺溶液后，喷墨法荧光纸基传感器在365nm紫外光下的效果图。

图2为实施例1中滴加不同浓度的Fe³⁺溶液后，喷墨法荧光纸基传感器的荧光光谱。

图3为实施例2中浸泡法制备的荧光纸基传感器对其它金属离子的选择性。

图4为实施例3中滴加不同浓度的Fe³⁺溶液后，喷墨法荧光纸基传感器在365nm紫外光下的效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

(1)称量100mg的柠檬酸，放入小烧杯，注入去离子水得到50ml浓度为2mg/ml的柠檬酸溶液；待柠檬酸溶液充分溶解后转移到100ml聚四氟乙烯内胆，并加入2ml氨水，尽快盖上盖子，将内胆放进反应釜后拧紧；设置真空干燥箱的温度为200℃，时间为180min，将反应釜放入反应；时间到取出浅黄色溶液超声20min，于去离子水中透析直到透析袋(3000Da)内外液系统达到稳定，用pH计测得酸碱度为中性；收集浅黄色的N-GQDs探针溶液，避光存放。

(2)浸泡法制备荧光纸基传感器：设计出6个10mm×5mm大小的长方形检测区，并用铅笔在滤纸纸基上描绘出检测区的草图，利用蜡笔在检测区以外区域进行涂蜡处理；经涂蜡处理的纸基在90℃干燥箱中加热5min，使蜡能熔化进入滤纸纤维形成疏水区；将上述纸基浸入N-GQDs荧光探针溶液中孵育30min，在纸基上附着探针溶液以获得荧光底物，取出纸基后用吹风机干燥；最后将干燥后的纸基剪成15mm×9mm大小的测试条用于检测。

(3)称取54mg的FeCl₆·6H₂O，溶于500mL去离子水中，配制成3000μmol/L的Fe³⁺标准储备溶液。

(4)取步骤(3)中适当体积的Fe³⁺标准溶液，用去离子水稀释适当的倍数，得到浓度为0,50,300,600,1000,2000μmol/L的Fe³⁺。

(5)取上述不同浓度Fe³⁺离子，滴加至浸泡法荧光纸基传感器，肉眼观察并测定数据。

(6)滴加不同浓度Fe³⁺离子后，浸泡法荧光纸基传感器在365nm紫外光下的效果图如图1所示。

(7)滴加不同浓度Fe³⁺离子后，浸泡法荧光纸基传感器的荧光发射曲线如图2所示。

实施例2

(1)荧光纸基传感器的制备如实施例1的步骤(1)和(2)。

(2)分别配制其它常见共存金属离子的标准储备溶液。

(3)分别取步骤(2)中适当体积的其它离子标准溶液，用去离子水稀释至适当倍数，得到浓度为2000μmol/L的其它离子溶液。

(4)将步骤(3)中其它离子分别滴加到所制备的荧光纸基传感器上。

(5)浸泡法制备的荧光纸基传感器对其它金属离子的选择性图，如图3所示。

实施例3

(1)探针溶液的制备如实施例1的步骤(1)。

(2)喷墨法制备荧光纸基传感器：在word文档中设计10mm×10mm的检测区图案；将惠普喷墨打印机联机，把N-GQDs荧光探针溶液注入清洗干净的墨盒中，用于荧光检测区的打印；通过喷墨打印机在纸质介质上打印检测区，打印过程重复10次，以此获得所述可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器。

(3)Fe³⁺标准储存液的配制如实施例1的步骤(3)。

(4)取步骤(3)中适当体积的Fe³⁺标准溶液，用去离子水稀释适当的倍数，得到浓度为50,150,300,600,1000,2000μmol/L的Fe³⁺。

(5)取上述不同浓度Fe³⁺离子，滴加至喷墨法荧光纸基传感器。

(6)滴加不同浓度Fe³⁺离子后，喷墨法荧光纸基传感器在365nm紫外光下的效果图如图4所示。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器，其特征在于：包括纸质载体和沉积在纸质载体上的固态N-GQDs荧光探针。

2.一种权利要求1所述可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的制备方法，其特征在于：基于N-GQDs荧光探针溶液，利用浸泡法制备，具体步骤如下，

首先制备N-GQDs荧光探针溶液：将柠檬酸放入小烧杯中，注入去离子水得到浓度为2mg/ml的柠檬酸溶液；待柠檬酸溶液充分溶解后转移到聚四氟乙烯内胆，并加入氨水，尽快盖上盖子，并将内胆置于反应釜，拧紧螺丝后放进真空干燥箱；设置反应条件为200℃，180min，时间到了之后取出反应后浅黄色溶液超声20min，然后装入透析袋中透析24h；将得到的浅黄色溶液于避光处存放；

然后制备可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器：设计长方形检测区，并用铅笔在滤纸纸基上描绘出检测区的草图，利用蜡笔在检测区以外区域进行涂蜡处理；经涂蜡处理的纸基在90℃干燥箱中加热5min，使蜡能熔化进入滤纸纤维形成疏水区；将上述纸基浸入N-GQDs荧光探针溶液中孵育30min，在纸基上附着探针溶液以获得荧光底物，取出纸基后进行干燥；最后将干燥后的纸基作为测试条用于检测。

3.如权利要求2可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的制备方法，其特征在于：所述纸基为202型中速定量滤纸。

4.一种权利要求1所述可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的制备方法，其特征在于：基于N-GQDs荧光探针溶液，利用喷墨法制备，具体步骤如下，

首先制备N-GQDs荧光探针溶液：将柠檬酸放入小烧杯中，注入去离子水得到浓度为2mg/ml的柠檬酸溶液；待柠檬酸溶液充分溶解后转移到聚四氟乙烯内胆，并加入氨水，尽快盖上盖子，并将内胆置于反应釜，拧紧螺丝后放进真空干燥箱；设置反应条件为200℃，180min，时间到了之后取出反应后浅黄色溶液超声20min，然后装入透析袋中透析24h；将得到的浅黄色溶液于避光处存放；

然后制备可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器：设计检测区图案，将喷墨打印机联机，把N-GQDs荧光探针溶液注入清洗干净的墨盒中，用于荧光检测区的打印；通过喷墨打印机在纸质介质上打印检测区，打印过程重复若干次，以此获得可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器。

5.如权利要求4所述可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的制备方法，其特征在于：所述纸质介质为证券纸。

6.一种权利要求1所述的可视化检测Fe³⁺的荧光纸基传感器的应用，其特征在于：该荧光纸基传感器可用于检测溶液中的Fe³⁺，具体实现为：将待测样品溶液滴加到荧光纸基传感器，待纸基变干后，用365nm紫外灯照射荧光纸基传感器，观察其检测区荧光的变化来检测Fe³⁺。