CN110243791A - 一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，本发明首先制备了一种具有良好发光性质以及卤素交换性质的钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)，同时基于材料本身具有的荧光特性及卤素交换特性将其作为传感检测材料，对汗液中氯离子进行检测。本发明充分利用了CsPbBr₃PNCs中Br^‑与水相中Cl^‑异相条件下的卤素交换作用、明显的波长移动以及可视化传感特性，结合荧光光谱技术灵敏度高、检测方面等优点，提供一种方便简便、无需样品前处理条件、易于推广使用的汗液中氯离子测定方法。

Description

一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法

技术领域

本发明涉及一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法。

背景技术

汗液是血清的过滤液，含有电解质(K⁺、Na⁺、Cl^-)和代谢产物(尿素、乳酸等)等，其成分鉴定以及含量测定可用于人体疾病的预测和诊疗评价，因此其中的物质含量检测受到人们的关注。

汗液中的Cl^-检测一直作为遗传病囊肿性纤维化(Cystic fibrosis)评定的金标准，基于这个标准，科研工作者开发了一系列可用于汗液中Cl^-检测的分析方法。当前，常见的Cl^-检测方法主要有高效液相色谱法、离子色谱法、电化学方法、双对端注射毛细管电泳法、荧光法和比色即时检测法等。

荧光法是比较成熟的Cl^-检测方法，其核心是Cl^-荧光传感材料的开发。科研人员制备诸如生物降解的发光聚合物等发光材料并与多种仪器联用，用于汗液中Cl^-的即时检测，显示出良好的应用前景。这类直接基于强度的荧光检测方法简单易行，但存在背景干扰等因素。为了提高方法的准确度，往往需要在荧光体系中引入参比，构建比率型荧光检测方法，然而这些比率型荧光传感体系的构建往往相对复杂，因此，发展新型的Cl^-荧光传感材料，并创建高效、准确的氯离子传感体系对于汗液中Cl^-的快速检测具有重要意义。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，CsPbBr₃PNCs具有良好的发光性质和卤素交换性质，CsPbBr₃PNCs亦可与Cl^-进行卤素交换后，生成对应的CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs，光谱发生对应的蓝移，且表现出明显的绿色-蓝绿-蓝色颜色变化，从而可以实现对目标化合物的选择性以及高灵敏度分析。

为实现上述技术效果，

一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，包括如下步骤：

S10：制备钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)作为荧光传感材料；

S20：通过CsPbBr₃PNCs中Br^-与水相中Cl^-异相条件下的卤素交换作用，以明显的波长移动以及可视化传感特性传感氯离子；

S30：以可视化荧光光谱技术检测汗液中氯离子。

进一步的，所述钙钛矿纳米晶体的制备步骤包括：

A：0.01g-0.02g Cs₂CO₃、0.03g-0.04g PbSTR、0.07g-0.084g TBB混合搅拌；

B：加入含有5mL ODE和0.75mL OAm的25mL三颈瓶中；

C：2000-2500rpm下剧烈搅拌；

D：在空气中直接加热到150℃-180℃；

E：自然冷却，得到初步产品；

F：所述初产品用乙酸乙酯和正己烷混合溶剂洗涤纯化，取其底部产品分散在正己烷溶剂中备用。

钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)材料是一类与卤素物质具有高效交换作用的荧光材料，具有稳定的发光特性，合成方法简便，将其作为传感材料，不仅可以方便制取，更可以达到氯离子的高效便捷传感。本申请制备得到的钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)材料的发射波长为514nm。

储存在正己烷有机溶液中的CsPbBr₃PNCs中的Br^-与水溶液中的Cl^-进行交换以形成CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs，CsPbBr₃PNCs最大荧光发射波长(激发波长365nm)从514nm蓝移到473nm，在365nm紫外灯照射下，其对应的外观颜色从CsPbBr₃PNCs的绿色向CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs的蓝色变化，对应的带边吸收亦出现蓝移。

即使用该钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)材料在与卤素离子交换时会有明显的波长移动及颜色变化特性，具有便捷的传感特性以及可视化的检测效果，从而适用于荧光光谱及可视化的便携分析。

进一步的，所述S10中，钙钛矿纳米晶体材料为立方晶型结构材料。

进一步的，所述钙钛矿纳米晶体材料在经过卤素交换前后产物始终保持着钙钛矿立方晶型结构；在卤素交换之前钙钛矿纳米晶体的粒径在8-20nm左右；在卤素交换之后钙钛矿纳米晶体的粒径变大，增大到90-120nm左右。

进一步的，所述S20包括：

S21：将待测样品直接移入到自制的CsPbBr₃PNCs溶液中；

S22：加入稀硫酸溶液调节pH、温度，并在搅拌；

S23：选择特定的激发波长，并在紫外灯下观察荧光变色情况。

或者，所述S20包括：

S21：将1-10μL汗液直接移入到自制的CsPbBr₃PNCs溶液中；

S22：加入1-10μL的0.1-0.5M的稀硫酸溶液调节pH、温度，并在0-1500rpm下搅拌1-10分钟；

S23：在激发波长为365nm的紫外灯下观察荧光变色情况。

在本申请传感条件下的卤素交换过程包括水-油异相交换、波长移动、CsPbBr₃PNCs颜色变化、CsPbBr₃PNCs材料粒径大小变化、CsPbBr₃PNCs晶体结构转换，卤素交换完成后，取经过卤素交换的CsPbBr₃PNCs溶液，滴加在玻璃片表面，之后直接采用365nm紫外灯照射，进行颜色观察鉴定，即对分析物进行可视化检测。

所述卤素交换过程，具有如下优点：

1)交换迅速，易于实现实时快速检测。

2)水-油异相交换，可以与水溶液中的待测物质实现检测。

3)波长移动，在进行卤素交换时会伴随着波长移动，从而改变材料的晶型结构，进而CsPbBr₃PNCs材料的外观发光特性改变。

4)可视化传感，在365nm紫外灯照射下，其对应的外观颜色从CsPbBr₃PNCs的绿色向CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs的蓝色变化，对应的带边吸收亦出现蓝移，有利于实现可视化传感并与荧光光谱法联用技术的推广应用。

进一步的，所述S30包括S31：采集CsPbBr₃PNCs卤素交换前后的荧光光谱。

进一步的，采用可视化检测以及波长移动辨别方法测定CsPbBr₃PNCs卤素交换前后的荧光光谱以及观察365nm紫外灯下荧光变色情况过程。

由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明结合了CsPbBr₃PNCs材料具有的卤素交换特性、波长转移特性及紫外光照射下的可视化检测特性，以异相条件下CsPbBr₃PNCs中的Br^-与水溶液中的Cl^-进行交换以形成CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs为依托，检测汗液中的氯离子，通过CsPbBr₃PNCs最大荧光发射波长的蓝移，在紫外灯照射下对其进行可视化检测。本申请具有快速、操作简便、灵敏度高、重现性好、选择性高以及易于推广的优点，适用于汗液中氯离子的测定。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

其中：

图1(a)是CsPbBr₃PNCs与Cl^-卤素交换示意图；

图1(b)是CsPbBr₃PNCs卤素交换前后吸收及发射荧光变化情况示意图；

图1(c)是CsPbBr₃PNCs卤素交换前后XRD变化情况示意图，a为卤素交换前，b为卤素交换后；

图2是CsPbBr3PNCs卤素交换前后TEM形貌变化情况示意图，d为卤素交换前，e为卤素交换后；

图3是pH值对CsPbBr₃PNCs与Cl^-(60mM NaCl)卤素交换的影响的示意图；

图4是磁力搅拌转速对CsPbBr₃PNCs与Cl^-卤素交换的影响的示意图；

图5是反应时间对CsPbBr₃PNCs与Cl^-卤素交换的影响的示意图；

图6是基于CsPbBr₃PNCs与Cl^-卤素交换对汗液中Cl^-荧光可视化传感的方法选择性探讨；从左到右浓度(水相)依次为60mM NaCl、50μM NaF、50μM NaBr、70nM NaI、10mM K₂SO₄、100μM MgSO₄、10mM Ca(NO₃)₂、10μM Fe(NO₃)₃、500μM Na₃PO₄ 12H₂O、5mM Na₂CO₃、100μMMgSO₄、5mM NaHCO₃、50μM NaH₂PO₄、10mM尿素、5mM氨水、200μM葡萄糖、1mM精氨酸和15mM乳酸。

图7(a)是0-130mM不同浓度Cl^-光谱移动情况及其365nm UV灯下激发的荧光照片；

图7(b)0-130mM范围内基于荧光波长Cl^-传感响应的工作曲线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

制备钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)，步骤为：将5mL ODE,0.75mL OAm,0.016gCs₂CO₃和0.0387g PbSTR，0.071g TBB依次加入到25mL三颈瓶中，在2500rpm下剧烈搅拌，并在空气中直接加热到160℃，最后自然冷却。

所得到初产品用乙酸乙酯和正己烷混合溶剂(V乙酸乙酯/V正己烷＝3:1)洗涤，转速10000rpm，离心时间10min，洗涤纯化三次，均取其底部产品，弃其上清液，并将最终得到的产品分散在正己烷溶剂中备用。

取1mL上述CsPbBr₃PNCs溶液，加入5μL不同浓度的NaCl水溶液(10-130mM)，然后加入5μL 0.1M H₂SO4稀硫酸溶液。1500rpm下搅拌5min后，选择激发波长365nm，F-7100荧光仪采集CsPbBr₃PNCs卤素交换前后的荧光光谱，并在365nm紫外灯下观察荧光变色情况。

为了观察钙钛矿纳米晶体(CsPbBr3PNCs)在与卤素交换前后的形貌结构XRD衍射以及波长移动情况，实验对合成的钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)以及经过卤素交换后的钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)进行了表征。

请参阅图1a CsPbBr₃PNCs与Cl^-卤素交换示意图及图1b CsPbBr₃PNCs卤素交换前后吸收及发射荧光变化情况，该氯离子卤素交换的波长移动以及颜色变化情况如下：

CsPbBr₃PNCs有机相可以和60mM NaCl水溶液在磁力搅拌下(pH＝1)进行快速卤素交换，CsPbBr₃PNCs中的Br-与NaCl水溶液中的Cl^-进行交换以形成CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs，CsPbBr₃PNCs最大荧光发射波长(激发波长365nm)从514nm蓝移到473nm，在365nm紫外灯照射下，其对应的外观颜色从CsPbBr₃PNCs的绿色向CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs的蓝色变化，对应的带边吸收亦出现蓝移。

图1c为合成的钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)在经过卤素交换前后的XRD变化情况，在卤素交换后钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)仍能保持钙钛矿结构(打*处)，但在Cl^-交换后2θ峰均出现蓝移，这是由于水的引入导致其晶体结构部分破坏，粒径变大引起的。图2a和图2b分别为钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃PNCs)在经过卤素交换前后的形貌TEM图，可以明显观察到粒径变大，但产物还是保持着钙钛矿立方晶型结构。

实施例二

为了获得最佳传感性能，实验对反应条件溶剂pH、搅拌速度和反应温度时的影响进行了考察，并以CsPbBr₃PNCs加入60mM NaCl反应后波长移动情况进行上述的条件优化。

实验探讨了pH对传感体系的影响。

实验结果如图3所示，实验发现，在磁力搅拌下，只有介质pH＝1时，水相中的Cl^-方能和分散在正己烷中的CsPbBr₃PNCs进行卤素交换，而其他pH值条件下均难以进行有效卤素交换。造成该现象的原因可能是Cl^-在强酸性条件下质子化形成HCl，有助于其扩散至正己烷溶液中，进而与CsPbBr₃PNCs进行快速卤素交换，其他pH下Cl-难以有效转换为HCl，故难以发生卤素交换反应。

其次，实验还考察了搅拌速度对反应的影响。

当固定反应时间为5min时，如图4所示，随着转速的增加，水-油两相卤素交换速度不断提升，故对应的Δλ不断增大，1500rpm达到最大，此时磁力搅拌已达极限，故实验选用1500rpm作为最佳转速。随后，考察了不同反应时间对卤素交换的影响，实验发现1500rpm磁力搅拌下，反应时间为5min时，卤素反应基本完全(图5)，故选用5min为最佳反应时间。

实施例三

为了考察该方法的选择性，实际样品分析前还进行了干扰实验。

实验分别选取汗液中常见的物质或相似物如NaF、NaBr、NaI、K₂SO₄、MgSO₄、Ca(NO₃)₂、Fe(NO₃)₃、Na₃PO₄、Na₂CO₃、MgSO₄、NaHCO₃、NaH₂PO₄、尿素、氨水、葡萄糖、精氨酸和乳酸等进行干扰实验。干扰实验如实施例一所述进行干扰物质的传感检测。

干扰实验所得的结果如图5所示。基于CsPbBr₃PNCs与Cl^-卤素交换实现对汗液中Cl^-荧光可视化传感具有良好的选择性，其原因有以下两大方面：(1)汗液中的主要成分以NaCl为主(平均水平为23mM左右)，均高于其他成分；(2)卤素交换的专一性。虽然乳酸的浓度与Cl^-浓度相近，但由于乳酸的半径较大，二者交换所需的能量更大，特别是室温下反应时，很难进行。因此，基于CsPbBr₃PNCs与Cl-异相卤素交换可实现对汗液中Cl^-具有良好的选择性响应。

实施例四

为了考察该方法的可视化检测特性及线性范围，实验分别用该方法对10mM至130mM的氯离子进行检测，检测方法如实施例2所述。

如图6所示，随着氯离子浓度的增加，CsPbBr₃PNCs荧光发射波长不断蓝移，在365nm LED激发下，其荧光颜色对应发生绿色-蓝绿色-蓝色变化，因而可通过荧光颜色变化实现对汗液中Cl^-浓度的快速判断。所得荧光光谱图的线性关系如图6图7所示，氯离子浓度在10mM至130mM的范围内呈良好幂指数关系，工作曲线方程为Δλ＝4.7527C_Cl-^0.5288，检测限为3mM。

实施例五

实验利用所建立的体系，对实际样品进行检测。

取3名男生不同时间段篮球运动后的汗液，对汗液中Cl^-浓度进行直接检测，结果如表1所示。从结果数据可知，本方法具有较好的回收率(96％-108％)和精密度，说明基于CsPbBr₃PNCs异相卤素交换实现对汗液中Cl^-荧光传感方法可行，有望成为一种快速、简便检测汗液中Cl^-的新手段，为纤维化囊肿的快速诊断提供潜在可能。

表1基于卤素交换的CsPbBr₃PNCs对汗液中的Cl-浓度检测

由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明结合了CsPbBr₃PNCs材料具有的卤素交换特性、波长转移特性及紫外光照射下的可视化检测特性，以异相条件下CsPbBr₃PNCs中的Br^-与水溶液中的Cl^-进行交换以形成CsPbCl_xBr_3-x(x≤3)PNCs为依托，检测汗液中的氯离子，通过CsPbBr₃PNCs最大荧光发射波长的蓝移，在紫外灯照射下对其进行可视化检测。本申请具有快速、操作简便、灵敏度高、重现性好、选择性高以及易于推广的优点，适用于汗液中氯离子的测定。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：制备钙钛矿纳米晶体(CsPbBr₃ PNCs)作为荧光传感材料；

S20：通过CsPbBr₃ PNCs中Br^-与水相中Cl^-异相条件下的卤素交换作用，以明显的波长移动以及可视化传感特性传感氯离子；

S30：以可视化荧光光谱技术检测汗液中氯离子。

2.根据权利要求1所述的一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，所述S10中，所述钙钛矿纳米晶体(CsPbBr3 PNCs)的制备步骤包括：

A：0.01g-0.02g Cs₂CO₃、0.03g-0.04g PbSTR、0.07g-0.084g TBB混合搅拌；

B：加入5mL ODE和0.75mL OAm；

C：2000-2500rpm下剧烈搅拌；

D：在空气中直接加热到150-180℃；

E：自然冷却，得到初步产品；

F：所述初产品用乙酸乙酯和正己烷混合溶剂洗涤纯化，取其底部产品分散在正己烷溶剂中备用。

3.根据权利要求1所述的一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，所述S10中，钙钛矿纳米晶体材料为立方晶型结构材料。

4.根据权利要求3所述的一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，所述钙钛矿纳米晶体材料在经过卤素交换前后产物始终保持着钙钛矿立方晶型结构；在卤素交换之前钙钛矿纳米晶体的粒径在8-20nm；在卤素交换之后钙钛矿纳米晶体的粒径变大，增大到90-120nm左右。

5.根据权利要求3所述的一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，所述S20包括：

S21：将待测样品直接移入到自制的CsPbBr₃ PNCs溶液中；

S22：加入稀硫酸溶液调节pH、温度，并在搅拌；

S23：选择特定的激发波长，并在紫外灯下观察荧光变色情况。

6.根据权利要求3所述的一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，所述S20包括：

S21：将1-10μL汗液直接移入到自制的CsPbBr₃ PNCs溶液中；

S22：加入1-10μL的0.1-0.5M的稀硫酸溶液调节pH、温度，并在0-1500rpm下搅拌1-10分钟；

S23：在激发波长为365nm的紫外灯下观察荧光变色情况。

7.根据权利要求6所述的一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，所述S30包括S31：采集CsPbBr₃ PNCs卤素交换前后的荧光光谱。

8.根据权利要求6所述的一种可视化传感检测汗液中氯离子的方法，其特征在于，采用可视化检测以及波长移动辨别方法测定CsPbBr₃ PNCs卤素交换前后的荧光光谱以及观察365nm紫外灯下荧光变色情况过程。