CN110125432B - 一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种荧光铜纳米团簇的制备方法和应用。荧光铜纳米团簇的制备：以体积份数计，室温下将1份浓度为0.05‑0.2 mol/L硝酸铜溶液和5‑20份浓度为0.05‑0.2 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于300‑700 W的微波炉中加热10‑20 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。本发明制备工艺简单、快速，具有廉价易得和荧光性能优良、生物相容性好等优点，所制得的铜纳米团簇水溶性好、稳定性好、无毒且荧光强度高，可应用于pH传感和苦味酸的检测。

Description

一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法及应用
技术领域
本发明属于荧光纳米材料技术领域，具体涉及一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法及应用，特别是在pH传感与苦味酸检测中的应用。
背景技术
近年来，随着化学与材料科学、电子信息技术等学科之间紧密联系以及现在社会、经济、政治的快速发展，纳米技术取得了巨大的进步，纳米材料在很多领域也具有了广泛的用途。因此，近十几年来，纳米材料的研究和应用已成为人们最关注的研究课题之一。金属纳米簇就是目前研究比较热的一类纳米材料，一般由几个到一百个金属原子构成，是一类具有离散能级水平的纳米粒子，在其导带中会出现类似分子的电子跃迁。由于其小尺寸效应，金属纳米簇在光学、电学、磁学和化学等方面均表现出很多独特的物理和化学性质，比如荧光效应好、热稳定性性高、水溶性好、生物相容性优良、毒性低等，因此在检测离子、小分子、蛋白质、pH传感、细胞标记与成像等很多领域都有广泛应用。金属纳米簇在传统有机金属化合物与晶体金属纳米粒子之间搭起了桥梁，进一步缩小了两大领域之间的距离，是一种很有潜力的纳米材料。目前研究较多的有金、银、铂、铜等金属纳米材料，铜纳米团簇作为金属纳米簇的一种，具有廉价易得、导电性好、催化和荧光性能优良、生物相容性好等优点，所以具有广阔的应用前景。Wang等报道制备得到由BSA稳定的红色荧光铜纳米团簇，但是该制备过程中加入了有剧毒且极不稳定的水合肼作还原剂。Wang等报道了以组氨酸为稳定剂，以温和还原性物质抗坏血酸为还原剂制备了铜纳米团簇。Yang等报道用半胱氨酸作稳定剂合成的铜纳米团簇合成过程所需反应时间长、温度高。Cui等也报道制备了半胱氨酸保护的铜纳米团簇，但其光学性质差且容易聚集。因此，寻找一种合适的配体并探索制备方法简单，且制备得光学性能良好、无毒副作用、水溶性好的铜纳米团簇，并研究其应用是很有必要的。
铜纳米团簇的制备对合成过程中的环境包括温度、是否添加还原剂等极其敏感，传统报道的制备铜纳米团簇的方法所需加热时间长（2小时至几十小时），或需要额外加入还原剂水合肼、硼氢化钠、抗坏血酸等。微波加热作为一种新兴的加热方式与传统的加热方式相比具有效率高、快速、均一、节能、环保，可以进行选择性加热等显著优点。微波加热机理是依靠介质材料自身损耗电磁能转化为热能，即微波在电磁场的作用下，介质材料中的极性分子从原来的随机分布状态转向按照电场的极性排列取向，随着交变电磁场的变化，导致介质分子的剧烈运动和相互摩擦而产生热量，使介质温度不断升高。微波加热技术的出现给可控合成水溶性铜纳米团簇提供了一种更为优异的加热手段。
众所周知，工农业等众多行业中所涉及的化学反应大多与pH值的变化息息相关，且生物体内的各种化学反应和生理过程都需要内环境pH值的稳定，因此发展一些对pH值的快速检测方法是十分必要的。然而，传统的pH值检测方法主要是酸碱滴定、电位滴定等，这些方法所需的仪器昂贵和操作复杂，干扰因素多，不能广泛的应用。此外，常见的pH荧光探针大体上包括金属纳米材料、有机染料和量子点三类。其中，有机染料和量子点多数都具有毒性。因此，若能制备出一种选择性强、灵敏度高、无毒、简便快速检测pH的金属荧光纳米探针极具发展潜力和吸引力。
苦味酸（2，4，6 －三硝基苯酚）简称PA，是一种呈黄色、无味、有剧毒的硝基芳香族化合物，主要用于烟花、炸药、燃料、农药、医药等。随着现代工业的发展，苦味酸被越来越多地排放到自然界中，对人体的眼睛、皮肤、呼吸道等有毒害作用。因此，检测苦味酸具有重要的意义。现如今，检测苦味酸的途径主要还是气相色谱法、高效液相色谱法等，这些方法需要大量的有机萃取剂，成本高，耗时长，前处理复杂且干扰能力差。因此，研究一种灵敏度高、成本低廉、响应时间短、操作简便的检测苦味酸的新方法极具现实意义。
发明内容
本发明提供一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法及应用，该工艺简单、快速，用于pH传感和水体系中苦味酸的检测。
一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法，包括步骤为：以体积份数计，室温下将1份浓度为0.05-0.2 mol/L硝酸铜溶液和5-20份浓度为0.05-0.2 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于300-700 W的微波炉中加热10-20 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。
所述硝酸铜溶液和组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0.1 mol/L，所述组氨酸水溶液的浓度优选为0.1 mol/L，所述加热微波功率优选为500 W，所述加热时间优选为15 min。
所述的绿色荧光铜纳米团簇在pH传感中的应用，检测方法为：将130 μL荧光铜纳米团簇溶液和2 mL不同pH值的Britton-Robison缓冲溶液混合于荧光比色皿中，以370 nm为激发波长，测定其荧光光谱，获得荧光强度与pH值的线性关系。
所述的绿色荧光铜纳米团簇在检测苦味酸中的应用，检测方法为：将130 μL荧光铜纳米团簇溶液加入1.5 mL pH 10.0的Britton-Robison缓冲溶液中，加入不同浓度的苦味酸标准溶液，以370 nm为激发波长，测定其荧光光谱，获得荧光强度与苦味酸浓度的线性关系，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苦味酸的浓度。
与现有技术相比，本发明的优点在于:（1）本发明采用微波加热，不仅提高了反应速率和产物纯度，而且还减少了环境污染。体系操作简单、反应条件温和、对环境友好，具有良好的重复性。（2）采取天然生物分子组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、水合肼等化学试剂的加入。（3）制备的绿色荧光金铜合金纳米簇对苦味酸具有高灵敏度，可将其用于构建检测苦味酸的化学传感体系，且检测手段简单，检测结果准确。
本发明提供一种简单、快速、绿色合成铜纳米团簇的新方法，原料仅需硝酸铜和组氨酸。在反应过程中，组氨酸既充当还原剂又充当保护剂，不需要添加额外试剂，合成的铜纳米团簇水溶性好、稳定性好、无毒且荧光强度高，在环境检测和生物检测方面具有潜在的应用价值，尤其是用于pH传感和水体系中苦味酸的检测。
附图说明
图1为实施例1荧光铜纳米团簇的紫外可见-吸收(a)、激发(b)、发射(c)光谱图；图2（A）为实施例1荧光铜纳米团簇在BR缓冲液不同pH下的荧光光谱图，（B）实施例1荧光铜纳米团簇对pH传感的工作曲线；图3（A）为实施例1荧光铜纳米团簇对苦味酸响应的荧光光谱图，图3（B）为实施例1荧光铜纳米团簇对苦味酸响应的工作曲线；图4为实施例1荧光铜纳米团簇同苦味酸及其它的实际样品中可能存在的潜在干扰物质作用后的荧光强度柱状图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明。下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实验过程中所有使用的玻璃器皿用王水清洗过再用蒸馏水漂洗后烘干备用。实验中采用稳态/瞬态荧光光谱仪（FLS 900）测定金铜合金纳米簇的荧光光谱及荧光量子产率。
实施例1：室温下将100 μL 0.1 mol/L硝酸铜溶液和1 mL 0.1 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于500 W的微波炉中加热15 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。该荧光铜纳米团簇的荧光发射峰在500 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现绿色荧光，量子产率为9.5 %。
实施例2：室温下将100 μL 0.2 mol/L硝酸铜溶液和0.5 mL 0.2 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于300 W的微波炉中加热20 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。该荧光铜纳米团簇的荧光发射峰在500 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现绿色荧光，量子产率为9.0 %。
实施例3：室温下将100 μL 0.05 mol/L硝酸铜溶液和2 mL 0.05 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于700 W的微波炉中加热10 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。该荧光铜纳米团簇的荧光发射峰在500 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现绿色荧光，量子产率为9.1 %。
实施例4：室温下将100 μL 0.07 mol/L硝酸铜溶液和0.7 mL 0.07 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于400 W的微波炉中加热13 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。该荧光铜纳米团簇的荧光发射峰在500 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现绿色荧光，量子产率为9.3 %。
实施例5：室温下将100 μL 0.15 mol/L硝酸铜溶液和1.5 mL 0.15 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于600 W的微波炉中加热15 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。该荧光铜纳米团簇的荧光发射峰在500 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现绿色荧光，量子产率为8.9 %。
实施例6：室温下将100 μL 0.18 mol/L硝酸铜溶液和1.8 mL 0.18 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于700 W的微波炉中加热15 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。该荧光铜纳米团簇的荧光发射峰在500 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现绿色荧光，量子产率为9.2 %。
对比例1：室温下将100 μL 0.1 mol/L硝酸铜溶液和1 mL 0.1 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，再加入8 mL二次水，30 min后，将1 mL 0.1 mol/L抗坏血酸加入上述混合液中，35 oC下持续搅拌6 h，然后，将反应混合物以12,000 rpm离心10 min，获取上清液，得到荧光铜纳米团簇溶液。该铜纳米团簇的荧光发射峰在450 nm附近，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现蓝色荧光，量子产率为3.3 %。
对比例1作为对比实施例，是以抗坏血酸作还原剂，组氨酸为稳定剂制备所得的铜纳米团簇，与实施例1进行对比，对比结果如表1。如表1所示，实施例1不加入任何其它还原剂，而对比例1是抗坏血酸作还原剂；实施例1采用的是微波加热，而对比例1采用的是普通加热。从对比结果来看，实施例1制备时间为15分钟，而对比例1的制备时间为6.5小时；实施例1的发射波长为500 nm，而对比例1的发射波长为450 nm；实施例1的荧光量子产率为9.5%，而对比例1的荧光量子产率3.3%。综合对比结果，本发明的制备方法简单，制备时间短，本发明制备所得铜纳米团簇的发射波长长，荧光量子产率高，为对比例1的近3倍。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实施例7：将实施例1制备的铜纳米团簇水溶液(130 μL)和2 mL pH=10.0的Britton-Robison（BR）缓冲溶液混合于荧光比色皿中，测定其紫外吸收光谱及荧光激发和发射光谱，如图1所示，该铜纳米团簇的最大荧光激发峰和发射峰分别在370 nm和 500 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现绿色荧光，量子产率为2.5 %。且该铜纳米团簇在保存5个月后荧光强度基本保持不变，有良好的光学稳定性。
实施例8：将实施例1制备的铜纳米团簇水溶液(130 μL)和2 mL不同pH值的Britton-Robison缓冲溶液混合于荧光比色皿中，在pH 5.00~10.00的范围里，铜纳米团簇的荧光强度随pH值的增大而变大；在pH=10.00时，其荧光强度值达到最大（图2A）。在BR缓冲液pH 5.00-10.00范围里，铜纳米团簇的荧光强度与pH值呈现出良好的线性关系，其线性相关系数R2为0.99719（图2B）。
实施例9：将实施例1制备的铜纳米团簇水溶液(130 μL)和1.5 mL pH 10.0的Britton-Robison缓冲溶液一起加入到荧光比色皿中，分别加入不同浓度的苦味酸标准溶液，以370 nm为激发波长，测定其荧光光谱。如图3 所示，随着苦味酸标准溶液浓度的增大，荧光铜纳米团簇的荧光逐渐被猝灭；苦味酸的浓度C与相对荧光强度F0 / F之间满足良好的线性关系: (F0 / F)=0.043484C6+0.78743（其中：F0表示没有加苦味酸的铜纳米团簇荧光强度，F表示加入苦味酸后的铜纳米团簇的荧光强度），线性相关系数为 R2=0.99817，检测限为1.26 nM，表明该发明制备的铜纳米团簇可应用于检测苦味酸。

Claims (8)

1.一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以体积份数计，室温下将1份浓度为0.05-0.2 mol/L硝酸铜溶液和5-20份浓度为0.05-0.2 mol/L组氨酸水溶液混合均匀，置于300-700 W的微波炉中加热10-20 min，反应产物用水溶解，得绿色荧光铜纳米团簇水溶液。
2.如权利要求1所述的一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法，其特征在于：所述硝酸铜溶液和组氨酸水溶液的体积份数比为1:10。
3.如权利要求1所述的一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法，其特征在于：所述硝酸铜溶液的浓度为 0.1 mol/L。
4.如权利要求1所述的一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法，其特征在于：所述组氨酸水溶液的浓度为0.1 mol/L。
5.如权利要求1所述的一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法，其特征在于：所述加热微波功率为500 W。
6.如权利要求1所述的一种绿色荧光铜纳米团簇的制备方法，其特征在于：所述加热时间为15 min。
7.如权利要求1所述方法制得的绿色荧光铜纳米团簇在pH传感中的应用。
8.如权利要求1所述方法制得的绿色荧光铜纳米团簇在苦味酸检测中的应用。
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