CN109810694B

CN109810694B - 一种水溶性铜纳米荧光探针及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN109810694B
Application number: CN201910062540.5A
Authority: CN
Inventors: 张彦; 张雨婷; 高鹏飞; 李天栋; 张国梅; 董川
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: CN109810694A

Abstract

本发明属于荧光纳米材料技术领域，提供一种操作简单、条件温和、量子产率为0.44％的红色荧光铜纳米团簇及其制备方法；所制备的红色荧光铜纳米团簇合成方法简单，可避免生物体自身荧光的干扰，对Ag⁺离子具有高灵敏度，可用于构建检测Ag⁺离子的传感体系。室温下以N‑乙酰基‑L‑半胱氨酸为保护剂和还原剂，硝酸铜溶液作为基体通过超声法制备而成荧光铜纳米团簇溶液。避免了常用的还原剂硼氢化钠、抗坏血酸及表面活性剂等的加入，该制备方法操作简单易行、条件温和、环境友好；而且制备的铜纳米团簇水溶性好、量子产率高、毒性低，可应用于高灵敏、高选择性的识别检测Ag⁺离子，且检测过程简便、快速，检测结果准确。

Description

一种水溶性铜纳米荧光探针及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于荧光纳米材料技术领域，具体涉及一种水溶性铜纳米荧光探针及其制备方法与应用，特别是在Ag⁺离子检测中的应用。

背景技术

通过超声法合成纳米簇是形成纳米颗粒的有效方法，这是因为超声通过独特的反应方式形成高强度声波，反应过程为在溶液中的形成、生长和内爆塌陷气泡。这样的过程通过绝热压缩或冲击波产生瞬态高温高压的局部热点。这个环境可以给能量丰富和动力学快速的物质提供生长平台，促进化学反应。超声化学的优势包括四个方面：（1）易操作，绿色无害;（2）反应速度快；（3）反应条件可控;（4）具有制备均匀形状和窄尺寸分布的纳米颗粒的能力。而另一方面，声化学合成需要模板或封端剂以防止纳米团簇（NCs）聚集成大的纳米颗粒。

目前，已经采用许多方法来检测Ag⁺离子，例如电感耦合等离子体检测器，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），荧光各向异性测定，基于量子点的测定，原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）。虽然这些技术能够高灵敏度地选择性的检测Ag⁺离子，但它们都需要复杂的样品制备以及操作熟练的实验人员，这制约了日常的使用。荧光法与吸收光谱法相比，荧光法具有更高的选择性和灵敏度，使测定时所需要样品量大大减少。分析灵敏度可达微克/升级，与原子吸收谱法相近，但光谱干扰少；荧光检测器与液相色谱仪联用，可对有机污染物进行定量分析，如水和废水统一监测方法中多环芳烃的测定及纸层荧光分析法测BaP等。荧光化学传感器的合成和发展对于过渡重金属离子的检测有着重要的意义，并且由于其在生物和环境的重要性从而推动了荧光化学传感器的发展。

检测过渡金属离子Ag⁺离子具有重要意义。定期食用Ag⁺离子可引起贫血，生长迟缓，心脏扩大和动物退化性变化。而银离子的过量摄入和长期积累会导致眼睛和皮肤中出现不溶性沉淀物，也会使巯基酶的正常功能失活。但是高浓度的Ag⁺离子识别对基于¹¹¹Ag放射免疫治疗至关重要，此外还可用于摄影行业。所以从废水中回收Ag⁺离子显得尤为重要。但是Ag+仅具有中等的配位能力，这就使其很难与其他化学性质相似的金属离子分离。因此，高选择性和高灵敏性的化学传感器用于水溶液中检测Ag⁺离子的要求很高。然而，大多数先前报道的用于此目的的化学传感器具有许多不足之处，如检测限差，合成程序繁琐，其他过渡金属离子干扰，响应时间长，使用有机溶剂。因此，开发测定水介质中痕量Ag⁺离子高灵敏和高选择性的方法对于环境保护和人类健康都具有相当重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种水溶性铜纳米荧光探针及其制备方法与应用，合成方法简单、反应条件温和，所制备的红色荧光铜纳米团簇对Ag⁺离子具有高灵敏度和选择性，可用于构建检测Ag⁺离子的传感体系。

本发明采用的技术方案是：一种水溶性铜纳米荧光探针，所述水溶性荧光铜纳米团簇是在室温下以N-乙酰基-L-半胱氨酸为保护剂和还原剂，硝酸铜溶液作为基体，通过超声法制备而成荧光铜纳米团簇溶液。

制备所述的水溶性铜纳米荧光探针的方法，具体步骤为：以体积份数计，室温下将1份浓度为10-80 mmol/L硝酸铜溶液和1 - 20份浓度为0.01 - 0.08 mol/L的N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合，使用1 mol/L的NaOH将pH调节至4.00 - 8.50，在70 - 370 W下超声5- 30 min，得到红色水溶性荧光铜纳米团簇溶液。

所述硝酸铜溶液和N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液的体积份数比优选为1:10。所述硝酸铜溶液的浓度优选为40mmol/l，所述N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液的浓度优选为0.04mol/l，所述硝酸铜溶液与N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液优选pH为6.5，硝酸铜溶液与N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合后超声优选170 W，硝酸铜溶液与N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合后超声优选15 min。

所述的红色荧光铜纳米团簇在检测Ag⁺离子中的应用，检测方法为：荧光铜纳米团簇溶液100μL和pH为6.5浓度为0.03 mol/L的PBS缓冲液1 mL加入到荧光比色皿中，加入不同浓度的Ag⁺离子标准溶液，以338 nm为激发波长，测定其荧光光谱，获得荧光强度与Ag⁺离子浓度的线性关系，然后加入待检测样品，通过荧光强度的变化定量检测待测样品中Ag⁺离子的浓度。

从文献中，我们了解到在用于Ag⁺离子识别的配体中非常需要硫（作为软路易斯碱）的存在。考虑到上述事实，并作为我们正在进行的化学传感器设计和合成研究的一部分，我们在此合成了一种新的N-乙酰基-L-半胱氨酸保护合成的Cu NCs传感器，用于灵敏地选择性检测来自水溶液中的Ag⁺离子。

与现有技术相比，本发明的优点在于:（1）本发明使用超声合成法其中合成方法容易，绿色和无危害;反应速度快;反应条件可控;具有制备均匀形状和窄尺寸分布的纳米颗粒的能力。（2）声化学合成需要模板或封端剂以防止纳米团簇（NCs）聚集成大的纳米颗粒。采取天然生物分子N-乙酰基-L-半胱氨酸为还原剂及配体保护剂，绿色环保、成本低廉，避免了常用的还原剂硼氢化钠、抗坏血酸及表面活性剂等化学试剂的加入。（3）制备的红色荧光铜纳米团簇平均粒径小于2 nm，尺寸小具有良好的抗光漂白性。（4）制备的红色荧光铜纳米团簇对Ag⁺离子具有高灵敏度，可将其用于构建检测Ag⁺离子的化学传感体系，且检测手段简单，检测结果准确。

附图说明

图1为实施例3所制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）在紫外灯下图片；图2为实施例3所制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）的紫外、荧光光谱图，图中：a为紫外-可见吸收光谱图，b和c分别为荧光激发和发射光谱图；图3为实施例3所制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）对Ag⁺离子响应的猝灭图；图4为实施例3所制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）铜纳米团簇溶液的荧光强度取对数的变化值Ag⁺离子浓度变化值之间的线性关系，其线性范围为1.64×10^-10 — 1.16×10^-8 mol/L。图5为实施例7所制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）对与环境相关的无机金属离子的响应。如图所示Ag+可以诱导荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）的荧光强度降低，其他金属离子PL强度没有明显变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是以N-乙酰基-L-半胱氨酸为配体，在室温下，通过超声将硝酸铜还原，制备得荧光铜纳米团簇溶液，并用于Ag⁺离子的检测。下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明。

实施例1：将200 μL 10 mmol/L硝酸铜溶液和200 μL 0.01 mol/L N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合摇匀，用1 mol/L NaOH调节pH至4.00。将反应混合物以70W的功率超声5min后得到荧光铜纳米团簇。该铜纳米团簇的荧光发射峰在620 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.15 %。

实施例2：将200 μL 30 mmol/L硝酸铜溶液和1000 μL 0.02 mol/L N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合摇匀，用1 mol/L NaOH调节pH至5.00。将反应混合物以170W的功率超声10min后得到荧光铜纳米团簇。该铜纳米团簇的荧光发射峰在620 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.18 %。

实施例3：将200 μL 40 mmol/L硝酸铜溶液和2000 μL 0.04 mol/L N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合摇匀，用1 mol/L NaOH调节pH至6.50。将反应混合物以170W的功率超声15min后得到荧光铜纳米团簇。该铜纳米团簇的荧光发射峰在620 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.44 %。

该铜纳米团簇的最大荧光激发峰和发射峰分别在338 nm和 620 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.44%，如图1所示。把铜纳米团簇储备液 (100 μL) 和1mL的磷酸缓冲液(PBS, pH= 6.5 0.03 mol/L) 一起加入到荧光比色皿中，测定其紫外吸收光谱及荧光激发和发射光谱如图2所示。考察Ag⁺对该铜纳米团簇的猝灭，在荧光光谱仪中以338 nm为激发波长，检测其猝灭图，如图3所示。其中铜纳米簇以338nm为激发波长，铜纳米团簇（NAC@CuNCs）溶液的荧光强度取对数的变化值Ag⁺离子浓度变化值之间的线性关系，如图4所示。荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）对与环境相关的无机金属离子的响应，如图5所示。

实施例4：将200 μL 60 mmol/L硝酸铜溶液和3000 μL 0.05 mol/L N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合摇匀，用1 mol/L NaOH调节pH至7.50。将反应混合物以270W的功率超声25min后得到荧光铜纳米团簇。该铜纳米团簇的荧光发射峰在620 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.23 %。

实施例5：将200 μL 80 mmol/L硝酸铜溶液和4000 μL 0.08 mol/L N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合摇匀，用1 mol/L NaOH调节pH至8.50。将反应混合物以370W的功率超声30min后得到荧光铜纳米团簇。该铜纳米团簇的荧光发射峰在620 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.11 %。

实施例6：将实施例3制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）储备液 (100μL) 和1 mL的磷酸缓冲液(PBS, pH=6.5, 0.03 mol/L) 一起加入到荧光比色皿中，分别加入不同浓度的Ag+离子标准溶液（10^-8 mol/L 10 μL, 10^-7 mol/L 40 μL,, 10^-7 mol/L 80 μL 10^-6mol/L 10 μL），以338 nm为激发波长，测定其荧光光谱。如图3所示，随着Ag⁺离子标准溶液浓度的增大，荧光铜纳米团簇的荧光逐渐被猝灭；如图4所示，取对数后的荧光强度变化值与Ag⁺离子浓度呈线性关系，图中荧光强度的变化以logF表示，其中F表示Ag⁺离子存在下铜纳米团簇的荧光强度，其线性范围为1.64×10^-10 — 1.16×10^-8 mol/L（Y = -0.0564 X+4.8092 ，线性系数R² = 0.99016）。Ag⁺离子的检测限为7.76×10^-11mol/L。该荧光铜纳米团簇可应用于废水、癌症治疗、人体中Ag⁺离子含量的检测。

实施例7：将实施例3制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）储备液 (100 μL) 和1mL的磷酸缓冲液(PBS, pH=6.5, 0.03 mol/L) 一起加入到荧光比色皿中，以338 nm为激发波长，测定与环境相关的无机金属离子（K+, Zn2+, Pb2+, Mn2+, Mg2+, Hg2+, Fe3+, Ba2+, Na+, Cu2+, Al3+, Li+, NH4+, I-, Cl-, ClO3-, NO2-, SCN-, HSO4-, CO32-,SO32-, MnO4-, Cr2O42-, S2O32-, NO3-）的荧光光谱。如图5所示，Ag+可以诱导Cu NCs的荧光强度降低，其他金属离子荧光强度没有明显变化。

实施例8：将实施例3制备的荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）储备液 (100 μL) 和1mL的磷酸缓冲液(PBS, pH=6.5, 0.03 mol/L) 一起加入到荧光比色皿中，分别加入0 μL、20 μL、40 μL、60 μL的水样（取自令德湖），以338 nm为激发波长，测定其荧光光谱。测定结果如表1所示，求出其相对标准偏差RSD分别为为0.128 %，0.276 %，0.337 %，0.249 %，由RSD可以知道精密度良好。根据国家标准委和卫生委联合发布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749 - 2006）饮用水中银离子含量不能超过0.05mg/l。此荧光铜纳米团簇（NAC@CuNCs）可以有效地在此范围内检测Ag+的含量。

表1

Claims

1.一种水溶性铜纳米荧光探针在检测Ag⁺离子中的应用，其特征在于：检测方法为：荧光铜纳米团簇溶液100 μL和pH 为6.5浓度为0.03 mol/L的磷酸缓冲液1 mL加入到荧光比色皿中，加入不同浓度的Ag⁺离子标准溶液，以338 nm为激发波长，测定其荧光光谱，获得荧光强度与Ag⁺离子浓度的线性关系，然后加入待检测样品，通过荧光强度的变化定量检测待测样品中Ag⁺离子的浓度；

所述荧光铜纳米团簇是在室温下以N-乙酰基-L-半胱氨酸为保护剂和还原剂，硝酸铜溶液作为基体，通过超声法制备而成荧光铜纳米团簇溶液；

制备方法具体步骤为：以体积份数计，室温下将1份浓度为10-80 mmol/L硝酸铜溶液和1-20份浓度为0.01-0.08 mol/L 的N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合，使用1 mol/L的NaOH将pH调节至4.00-8.50，在70 - 370 W下超声5-30 min，得到红色荧光铜纳米团簇溶液。

2.根据权利要求1所述的一种水溶性铜纳米荧光探针在检测Ag⁺离子中的应用，其特征在于：所述硝酸铜溶液和N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液的体积份数比为1:10。

3.根据权利要求1所述的一种水溶性铜纳米荧光探针在检测Ag⁺离子中的应用，其特征在于：所述硝酸铜溶液的浓度为40 mmol/L，所述N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液的浓度为0.04 mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种水溶性铜纳米荧光探针在检测Ag⁺离子中的应用，其特征在于：硝酸铜溶液与N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合后使用1 mol/L 的NaOH调节pH值为6.50。

5.根据权利要求1所述的一种水溶性铜纳米荧光探针在检测Ag⁺离子中的应用，其特征在于：硝酸铜溶液与N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合后使用170 W超声15min。