CN109794617A - 丝胶蛋白包裹的金纳米簇的制备及荧光探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种丝胶蛋白包裹的金纳米簇的制备方法，包括以下步骤：将金纳米粒子前驱体的水溶液和丝胶蛋白水溶液混匀，然后向其中滴加碱的水溶液调节溶液的pH值至11‑13，避光反应，反应完全后得到所述丝胶蛋白包裹的金纳米簇的溶液。本发明采用一步法制备了具有优异荧光反应的金纳米簇，对铅离子具有良好的选择性和灵敏度。

Description

丝胶蛋白包裹的金纳米簇的制备及荧光探针
技术领域
本发明涉及纳米技术领域，尤其涉及一种丝胶蛋白包裹的金纳米簇的制备及荧光探针。
背景技术
传统的荧光探针大多为有机染料、量子点、上转换纳米粒子和荧光蛋白等，但都存在一定的缺陷和不足。例如有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，给实际的研究工作带来了很多不便；另外有机染料光稳定性不太好，容易产生光致漂白现象，即由光激发引起发光物质分解而使荧光强度降低的现象。而量子点通常粒径较大，且大部分有一定的毒性；并且非特异性结合的量子点还会限制表面检测灵敏度，导致错误的信号。这些缺陷都限制了它们作为荧光探针的应用。
与传统的荧光探针相比，荧光金属纳米团簇具有可调光性、超细亚纳米尺寸、高选择性和高生物相容性等优点，可作为光学分子指标的替代材料，并且合成简单、对环境的危害也较小。所以近年来，金属纳米簇作为一种新型的荧光探针吸引了很多研究者的关注。
金属纳米簇(Metal Nanoclusters)是一类由几个到数百个金属原子构成的相对稳定的纳米结构，其尺寸接近于电子的费米(Fermi)波长，与大粒径的金属纳米颗粒相比具有更为优异的光学、化学和物理特性。其中，荧光金纳米簇(AuNCs)是金属纳米簇中稳定性最好的纳米材料之一，相关研究开展得最早，粒径一般在几纳米左右，具备优良的生物相容性、优越的光致发光以及优异的光稳定性，被广泛应用在各个科学领域。其中作为传统荧光体的重要替代品，其基于“关闭”和“打开”的检测机制，可以分为淬灭或增强荧光金纳米簇。目前，金纳米簇作为荧光探针已经成功应用于检测重金属离子。
作为金纳米簇的常用合成方法，模板法独具优势，其利用各种生物分子，如蛋白质、DNA、聚合物等作为合成配体也就是模板，包裹在纳米簇表面，同时兼具保护剂的作用以稳定金属纳米簇的结构和性质。因此，选择合适的模板合成金纳米簇非常重要。
生物大分子如蛋白质，具有丰富的螯合和功能基团，如氨基和羧基，尤其是巯基。这些基团与金属原子之间有特殊的亲和力，可以作为合成金属纳米簇的优良模板。但是，目前以蛋白质为模版合成的金纳米簇荧光探针通常需要的蛋白质量比较大，且制备得到的金纳米簇靶向性不强，而很多蛋白质价格比较昂贵，因此寻找一种方便易得、成本低廉的蛋白质模版具有十分重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种丝胶蛋白包裹的金纳米簇的制备及荧光探针，本发明采用一步法制备了具有优异荧光反应的金纳米簇，对铅离子(Pb2+)具有良好的选择性和灵敏度。
本发明的第一个目的是提供一种丝胶蛋白包裹的金纳米簇，包括多个纳米粒子，所述纳米粒子包括丝胶蛋白壳以及包裹在所述丝胶蛋白壳中的金纳米粒子，所述丝胶蛋白包裹的金纳米簇的粒径为2-5nm。
进一步地，丝胶蛋白包裹的金纳米簇中，丝胶蛋白(100kDa-150kDa)与金纳米粒子的摩尔比为1:(5-15)。
进一步地，丝胶蛋白包裹的金纳米簇在365nm紫外光的照射下呈现青绿色荧光，其最大激发波长和最大发射波长分别为380nm和480nm。
本发明的第二个目的是提供一种用于检测Pb2+的荧光探针，包括上述丝胶蛋白包裹的金纳米簇。
进一步地，用于检测Pb2+的荧光探针可检测到的Pb2+的浓度为0.01-10ppm。
进一步地，可将上述丝胶蛋白包裹的金纳米簇的水溶液用于检测Pb2+，丝胶蛋白包裹的金纳米簇的水溶液的浓度为0.02mg/mL-2mg/mL。优选地，丝胶蛋白包裹的金纳米簇的水溶液的浓度为1mg/mL-2mg/mL。
本发明的第三个目的是提供一种上述丝胶蛋白包裹的金纳米簇的制备方法，包括以下步骤：
将金纳米粒子前驱体的水溶液和丝胶蛋白水溶液混匀，然后向其中滴加碱的水溶液调节溶液的pH值至11-13，并在37℃-70℃下避光反应，反应完全后得到所述丝胶蛋白包裹的金纳米簇的溶液。
在蚕丝加工过程中，脱去的丝胶蛋白往往当作废液处理，对于丝胶蛋白的回收利用很少。丝胶蛋白占蚕丝量的20％～30％，丝胶蛋白由外到内由多种蛋白质组成，且丝胶蛋白链上有许多侧链较长的氨基酸，如精氨酸、赖氨酸、谷氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、酪氨酸等，其中大多数氨基酸具有强极性的侧基，如羟基、羧基和氨基等。
进一步地，金纳米粒子前驱体为四氯合金酸(HAuCl4)和/或氯金酸钾，所述金纳米粒子前驱体的水溶液的浓度为8-12mM。
进一步地，丝胶蛋白水溶液的浓度为40-60mg/mL。
进一步地，丝胶蛋白(100kDa-150kDa)与金纳米粒子前驱体中Au3+的摩尔比为1:(5-15)。
进一步地，碱为氢氧化钠(NaOH)、氨水(NH3·H2O)等。
进一步地，反应时间为14-16h。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明回收利用了通常蚕丝加工工程中作为废液处理的丝胶蛋白，将其应用到金纳米簇的制备中，成功实现了资源的回收利用，并且延续绿色合成路线，一步法合成以丝胶蛋白为模版的金纳米簇，其具有优异的荧光反应。
本发明利用丝胶蛋白为合成荧光金纳米簇的还原剂和保护剂，合成的荧光金纳米簇具有少见的青光区的发射波长，且粒径均一、荧光效果好、毒性低。
本发明的实验方法简单，操作方便，成本低廉，对环境无污染，解决了作为废液处理的丝胶蛋白的资源浪费的问题；也解决了传统荧光探针粒径不够小，光稳定性不够好，灵敏度不足，工艺复杂的问题。
此外，通过荧光淬灭机理本发明的金纳米簇可作为检测Pb2+的荧光探针，对Pb2+具有良好的选择性和较高的灵敏度。结合丝胶蛋白优异的生物相容性和荧光纳米金簇在检测和治疗方面的潜力，本发明的金纳米簇荧光探针在金属离子的检测，生物成像，治疗领域具有重要的意义和广阔的应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的丝胶@金纳米簇粉末的TEM表征结果；
图2是本发明实施例1制备的丝胶@金纳米簇溶液与纯丝素蛋白溶液的最大发射波长测试结果；
图3是本发明实施例1制备的不同浓度的丝胶@金纳米簇溶液在365nm的紫外灯下照射发光的照片；
图4是本发明实施例1制备的不同浓度的丝胶@金纳米簇溶液的荧光强度测试结果；
图5是本发明实施例2中丝胶@金纳米簇应用于重金属离子检测的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本发明的一种丝胶蛋白包裹的金纳米簇(以下简称丝胶@金纳米簇)的合成方法，包括以下步骤：
(1)配制50mg/mL的丝胶蛋白(Sericin)水溶液(100kDa-150kDa)，10mM的四氯合金酸(HAuCl4)水溶液和1M的氢氧化钠(NaOH)水溶液。
(2)将所配的丝胶蛋白水溶液、HAuCl4水溶液和NaOH水溶液置于37℃的恒温箱中20分钟。将预热后的HAuCl4水溶液加入丝胶蛋白水溶液中，以1:4的体积比充分混合均匀后，逐滴向混合溶液中加入NaOH水溶液，以调节溶液pH值为12，待三种溶液充分混合均匀后，在37℃的避光恒温箱中充分反应16小时，得到丝胶@金纳米簇的溶液。
将丝胶@金纳米簇溶液置于-20℃冰箱冷冻12小时后，移置-80℃的冷冻干燥机中冻干48小时以获得丝胶@金纳米簇粉末，置于4℃避光环境下保存。对以上获得的丝胶@金纳米簇粉末作TEM表征，结果如图1所示。
取以上制备的丝胶@金纳米簇粉末溶于水，分别配置浓度为0.02mg/mL、0.2mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL、1.5mg/mL和2mg/mL的丝胶@金纳米簇溶液。
应用RF-5301荧光分光光度计测定浓度为0.5mg/mL的丝胶@金纳米簇溶液的最大激发波长和最大发射波长，在300nm到800nm区间进行扫描，结果表明其最大激发波长和最大发射波长分别为380nm和480nm(图2)。与纯丝胶蛋白的荧光图谱对比可得所得荧光效果是由所制丝胶@金纳米簇产生。
取以上不同浓度的丝胶@金纳米簇的溶液，置于在365nm的紫外灯下照射，结果如图3所示，结果表明本发明的丝胶@金纳米簇的溶液在365nm的紫外灯下呈现强烈的青绿色荧光。图3中，从左到右，溶液浓度依次为0.02mg/mL、0.2mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL、1.5mg/mL和2mg/mL。
应用RF-5301荧光分光光度计测定溶液浓度与荧光强度的关系，结果如图4所示。结果表明，溶液浓度为1mg/mL-2mg/mL时，荧光强度较强。
实施例2
称量14等份实施例1制得的丝胶@金纳米簇粉末0.0075g，其中13份分别溶解于5mL的含有其中一种重金属阳离子(Co2+,Li+,K+,Sr2+,Ni2+,Cd2+,Na+,Hg2+,Zn2+,Cu2+,Ba2+,As3+或Pb2+)水溶液中，另一份溶于5mL超纯水中作为空白对比样，置于37℃恒温振荡箱中，转速200rpm，恒温振荡30mins，以充分有效反应。取丝胶@金纳米簇与重金属阳离子的反应溶液和对比样，使用RF-5301荧光分光光度计进行荧光强度的测定，结果如图5所示，结果表明Pb2+对丝胶@金纳米簇具有显著的荧光淬灭作用，该丝胶@金纳米簇对Pb2+具有单一的选择性和较高的灵敏度。此外，测得在0.01ppm-10ppm的Pb2+浓度范围内，Pb2+对丝胶@金纳米簇的荧光呈线性淬灭作用。
实施例3
按照实施例1的方法制备丝胶@金纳米簇，不同之处在于：
在步骤(1)中，配置40mg/mL的丝胶蛋白水溶液，8mM的氯金酸钾水溶液和1M的氨水溶液。
在步骤(2)中，在pH值为11、50℃条件下反应14h。
实施例4
按照实施例1的方法制备丝胶@金纳米簇，不同之处在于：在步骤(1)中，配置60mg/mL的丝胶蛋白(Sericin)水溶液，12mM的四氯合金酸(HAuCl4)水溶液和1M的氨水溶液。
在步骤(2)中，在pH值为13、70℃条件下反应14h。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种丝胶蛋白包裹的金纳米簇，其特征在于：包括多个纳米粒子，所述纳米粒子包括丝胶蛋白壳以及包裹在所述丝胶蛋白壳中的金纳米粒子，所述丝胶蛋白包裹的金纳米簇的粒径为2-5nm。
2.根据权利要求1所述的丝胶蛋白包裹的金纳米簇，其特征在于：所述丝胶蛋白包裹的金纳米簇中，丝胶蛋白与金纳米粒子的摩尔比为1:(5-15)。
3.一种用于检测Pb2+的荧光探针，其特征在于：包括权利要求1或2中的丝胶蛋白包裹的金纳米簇。
4.根据权利要求3所述的用于检测Pb2+的荧光探针，其特征在于：所述Pb2+的浓度为0.01-10ppm。
5.一种权利要求1或2中的丝胶蛋白包裹的金纳米簇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金纳米粒子前驱体的水溶液和丝胶蛋白水溶液混匀，然后向其中滴加碱的水溶液调节溶液的pH值至11-13，并在37℃-70℃下避光反应，反应完全后得到所述丝胶蛋白包裹的金纳米簇的溶液。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述金纳米粒子前驱体为四氯合金酸和/或氯金酸钾，所述金纳米粒子前驱体的水溶液的浓度为8-12mM。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述丝胶蛋白水溶液的浓度为40-60mg/mL。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述丝胶蛋白与金纳米粒子前驱体中Au3+的摩尔比为1:(5-15)。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述碱为氢氧化钠和/或氨水。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：反应时间为14-16h。
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