CN110982516B - 一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法及其应用。制备方法通过称取等质量的尿酸和对苯二酚溶于溶剂中，在室温下超声30 min使其完全溶解形成均一的白色溶液得混合溶液A，然后将混合溶液A装到聚四氟乙烯的高温反应釜中，在180℃下反应16.0 h，自然冷却至室温后，离心即制得光学性能优异的NFNCBs，离心清洗后的红色上清液在4℃下保存。与现有技术相比，本发明通过简单的一步溶剂热法成功制备半峰宽窄的NFNCBs，合成的NFNCBs光学稳定性好，且对Nim具有特异性反应从而实现对Nim超灵敏检测，该方法选择性较好。合成方法方便快捷，能够快速检测药物分子。

Description

一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及药物分子检测技术领域，具体涉及一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法及其应用。

背景技术

尼美舒利（Nim），一种典型的非甾体类解热止痛消炎药，对慢性类风湿关节炎、泌尿生殖系统炎症、耳鼻喉科疾病、牙口疾患及术后疼痛均有较好的疗效。Nim的pKa值为6.5对于胃耐受性非常重要，因为它避免了引起组织损伤的氢离子的向后扩散，而后者不会引起胃肠道溃疡，因此Nim被广泛应用于临床治疗。然而，长期或过量使用Nim会对儿童和成人造成严重的身体伤害，包括肝脏和中枢神经系统。因此，检测药物和生物样品分离中的Nim非常重要。因此，建立一种高选择、高灵敏以及简单有效的方法来检测Nim含量具有重要的意义。

选择合适的前驱体促使杂原子掺杂到特定构型的碳基纳米材料中被认为是调节性能的一种有效方法，能够有效的改善发光性能和对目标的传感选择性。因此，掺杂型荧光碳基纳米材料由于其优异的光学特性在细胞标记、活体成像、医疗诊断和环境分析检测等领域得到较为广泛的应用，它的出现有望在现代材料科学领域引发一轮革命，应用前景非常广阔。利用NFNCBs独特的光学特性与Nim药物分子的特异性结合，可以形成超灵敏传感平台用于对药物分子的检测。

目前，半峰宽窄、紫外发射掺杂型碳基荧光纳米材料的制备主要采用高温热解掺杂技术，所得产物量子产率低、抗漂白性差、目标物选择性差，从而严重影响对复杂体系中特定药物分子检测的选择性和灵敏度。

CN201910187890.4公开的一种近紫外碳基荧光探针及其制备方法和应用也是基于水热技术制备的一种近紫外发射的纳米探针（激发/发射:320/345 nm），经研究，本专利提及近紫外碳基荧光探针表面主要含有缺电子B基团，使其仅对富电子含硫目标物有识别作用，且该探针表面除具有缺电子B基团外，基本不含其它活性位点及表面可修饰位点，而且该材料的荧光量子产率相对较低、从材料的使用经济价值及应用前景考虑，有待进一步研发荧光性能及表面可修饰性好的紫外碳基纳米探针。根据文献调研得知在掺杂碳基纳米材料中氮元素含量提高以及减弱反应溶剂的极性可以有效的使其探针的发射波长蓝移和改善材料表面的负电性及活性位点种类，使其具有对特定药物分子更好的选择性和材料表面的可修饰性。

发明内容

针对紫外碳基荧光纳米材料的制备主要采用高温热解掺杂技术，所得产物量子产率低、抗漂白性差、活性位点少和选择性差，本发明提供了一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法及其应用。该方法通过简单的一步溶剂热法成功制备半峰宽窄富电子型的NFNCBs，由于高氮含量、活化苯环前驱体和弱极性有机溶剂的参与使其制备的荧光材料具有较高的量子产率和优异的光学性能。极大地拓展了荧光发射范围，有效扩展了荧光发光特性和表面活性位点类型，填补了紫外发射纳米探针的表面活性位点少及在缺电子型药物检测方面的空白，有效克服了通过简单方法合成碳基纳米探针在紫外区域活性位点少及在紫外区域的发射探针对缺电子型药物选择性差这两大技术难题，从而实现了缺电子型药物分子的高选择高灵敏检测。

一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法，包括以下步骤：

称取等质量的尿酸和对苯二酚溶于5 mL的溶剂中，在室温下超声30 min使其完全溶解形成均一的白色溶液得混合溶液A，然后将混合溶液A装到聚四氟乙烯的高温反应釜中，在180℃下反应16.0 h，自然冷却至室温后，离心即制得光学性能优异的NFNCBs，离心清洗后的红色上清液在4℃下保存。

作为改进的是，所述溶剂为弱极性的N，N-二甲基甲酰胺。

进一步改进的是，所述前驱体为高氮含量的尿酸和活化苯环的对苯二酚前驱体。

作为改进的是，步骤1中反应时间为16 h及离心所用转速为8000 rpm，离心时间20min。

作为改进的是，所述尿酸、对苯二酚及溶剂DMF的质量体积分别为0.11 g、0.11 g和5 mL。

上述制备的半峰宽窄的富电子型紫外碳基纳米带探针荧光检测Nim上的应用。

作为改进的是，所述应用的步骤如下：量取10.0 μL NFNCBs 置于2.0 mL的离心管中，依次加入50 µL 50 mM pH 6.0 PBS缓冲溶液，和不同浓度的Nim标准溶液，用二次水将其定容到500 µL静置反应30 min，在激发波长为300 nm、激发和发射狭缝宽分别为3 nm和3nm的条件下，测其NFNCBs最大荧光发射强度（λem = 327 nm）的变化，然后根据NFNCBs的荧光淬灭程度（[(FL₀-FL)/FL₀]）绘制标准曲线，测试待测样品时，根据测试待测样品的荧光淬灭程度与标准曲线对比，得到相应的待测样品浓度。

有益效果

与现有技术相比，本发明一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法及其应用，该方法通过简单的一步溶剂热法成功制备半峰宽窄富电子型的NFNCBs（激发/发射:300/327 nm），由于高氮含量、活化苯环前驱体和弱极性有机溶剂的参与使其制备的荧光材料具有较高的量子产率、较多的活性位点和优异的光学性能。极大地拓展了荧光发射范围，有效扩展了荧光发光特性和表面活性位点类型，有利于提高材料的可修饰性和碳基荧光材料对缺电子型药物分子检测的选择性和有效扩展了药物检测的应用范围，填补了紫外发射纳米探针的表面活性位点少及在缺电子型药物检测方面的空白，有效克服了通过简单方法合成碳基纳米探针在紫外区域活性位点少及在紫外区域的发射探针对缺电子型药物选择性差这两大技术难题，从而实现了缺电子型药物分子的高选择高灵敏检测。实验结果表明，结果表明，该半峰宽窄富电子型NFNCBs通过静电吸附作用对缺电子型Nim具有非常好的特异性作用，成功实现了其高灵敏度高选择性检测。同时通过红外表征可知该碳基纳米探针表面含有大量的氨基和羧基，使其可以通过化学反应在其表面进行活性位点修饰，有效拓展了紫外区域发射荧光探针的应用范围。该方法制备工艺简单、操作条件温和。

附图说明

图1 为NFNCBs的投射电镜图与元素分析图谱，其中，（A）的标尺为100nm，（B）的标尺为50nm，（C）的标尺为20nm，（D）为元素分析图谱;

图2 为NFNCBs的FT-IR图谱；

图3 为NFNCBs的相关光谱图，其中（A）为紫外荧光光谱图，a代表NFNCBs紫外图谱，b代表NFNCBs发射图谱，（B）为激发波长优化图；

图4 为不同前驱体和溶剂对NFNCBs荧光强度的影响；

图5 为NFNCBs光学稳定性的研究，其中，（A）为pH对NFNCBs光学稳定性的影响，（B）为离子强度对NFNCBs光学稳定性的影响；

图6 为NFNCBs荧光检测Nim，其中，（A）为不同浓度的Nim的荧光光谱图，（B）为NFNCBs相对荧光强度与Nim浓度的关系图；

图7 为NFNCBs传感器对不同离子的选择性情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述，本发明并不限于此。

实施例1

一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法，包括以下步骤：

溶剂热法制备NFNCBs纳米材料：称取0.11g尿酸和0.11g对苯二酚溶于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中并且在室温下超声30 min使其完全溶解形成均一的白色溶液，然后将上述混合溶液装到聚四氟乙烯的高温反应釜中，在180℃条件下反应16.0 h，自然冷却至室温后在转速为8000 rpm条件下离心20 min，即制得光学性能优异的NFNCBs，离心清洗后的红色上清液在4℃下保存。

结果如图1（A）、图1（B）与图1（C）所示，所得NFNCBs为腐蚀型钟乳石形貌，是由多条NFNCBs纳米带聚集而成。通过元素分析可知（图1（D）），该纳米带主要含有C、N、O三种元素。从红外光谱得知（图2），该碳基纳米带探针表面含有丰富的氨基和羰基等易于修饰基团，为该碳基纳米带表面修饰提供了前提。同时我们也对碳基纳米带的光学性能进行表征（图3），结果显示该碳基纳米带具有不随激发波长移动的紫外发射特性（λem =327nm）。

实施例2 不同前驱体和溶剂对NFNCBs荧光强度优化

参照实施例1的步骤，即在相同的实验条件下，称取相同质量的尿酸，分别加入相同质量的对苯二酚或邻苯二酚，分别溶于5 mL的DMF或者2.5 mL的水和2.5 mL乙醇的混合液且在室温下超声30 min。然后将上述混合溶液转移到聚四氟乙烯的高温反应釜中，在180℃条件下反应16.0 h后，自然冷却至室温后在转速为8000 rpm条件下离心20 min。在相同的条件下（λex=300 nm）测其荧光强度，选取荧光强度最强的一组混合物和溶剂为最佳前驱体和反应溶剂。

实验结果表明，对苯二酚的参与可以有效的改善碳基纳米带的荧光特性，主要由于对位羟基不容易形成分子内的氢键，使对位羟基较邻位羟基在高温高压条件想和尿酸作用生成更刚性的空间结构（图4）；而邻位羟基由于生成了分子内氢键减少了和尿酸作用使其荧光较弱。我们也对反应溶剂进行了优化，实验结果表明，采用弱极性的DMF作为反应溶剂，可以有效的提高纳米材料的荧光量子产率。这表明溶剂极性大小对荧光材料的量子产率有决定性作用。综上所述，羟基的相对位置和溶剂的种类对碳基荧光纳米材料的光学性质具有重要的影响。

实施例3 NFNCBs光学稳定性研究

量取10.0 μL NFNCBs置于2.0 mL的离心管中，分别调控溶液的pH在1-14，最后静置反应30 min后，在激发波长为300 nm、激发和发射狭缝宽分别为3 nm和3 nm的条件下，测其NFNCBs最大荧光发射强度（λem = 327 nm）的变化。实验结果表明（图5A）NFNCBs在较宽的溶液pH（4-11）范围内具有很好的光学稳定性，这主要是由于材料本身含有大量的氮元素和氧元素使其具有一定的缓冲能力。

量取10.0 μL NFNCBs置于2.0 mL的离心管中，加入浓度范围在0-0.5 M的NaCl溶液，最后静置反应30 min后，在激发波长为300 nm、激发和发射狭缝宽分别为3 nm和3 nm的条件下，测其NFNCBs最大荧光发射强度（λem = 327 nm）的变化。实验结果表明（图5B）NFNCBs在较高的离子强度环境中（0.5M）具有很好的光学稳定性，这主要是由于该纳米材料结构的光学稳定性决定的。

实施例4 NFNCBs荧光检测Nim

量取10.0 μL NFNCBs置于2.0 mL的离心管中，依次加入50 µL 50 mM pH 6.0 PBS缓冲溶液，和不同浓度的Nim标准溶液，用二次水将其定容到500 μL静置反应30 min，在激发波长为300 nm、激发和发射狭缝宽分别为3 nm和3 nm的条件下，测其NFNCBs最大荧光发射强度（λem = 327 nm）的变化。然后根据NFNCBs的荧光淬灭程度（[(FL₀-FL)/FL₀]）绘制标准曲线。实验结果表明NFNCBs对Nim检测的线性范围宽，检测限低（图6）。测试待测样品时，根据测试待测样品的荧光淬灭程度与标准曲线对比，得到相应的待测样品浓度。

实施例5 NFNCBs荧光检测Nim选择性研究

量取10.0 μL NFNCBs置于2.0 mL的离心管中，依次加入50 µL 50 mM pH 6.0 PBS缓冲溶液，和一定浓度的不同类型的干扰物质包括金属离子和生物小分子，用二次水将其定容到500 μL静置反应30 min，在激发波长为300 nm、激发和发射狭缝宽分别为3 nm和3nm的条件下，测其NFNCBs最大荧光发射强度（λem = 327 nm）的变化。实验结果显示基于NFNCBs对Nim具有很好的选择性（图7），以上结果表明，NFNCBs对Nim具有良好的灵敏度和选择性。

Claims (6)

1.一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：称取等质量的尿酸和对苯二酚溶于5 mL的溶剂中，在室温下超声30 min使其完全溶解形成均一的白色溶液得混合溶液A，然后将混合溶液A装到聚四氟乙烯的高温反应釜中，在180℃下反应16.0 h，自然冷却至室温后，离心即制得NFNCBs，离心清洗后的红色上清液在4℃下保存。

2.根据权利要求1所述的一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法，其特征在于，所述溶剂为弱极性的N，N-二甲基甲酰胺。

3.根据权利要求1所述的一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法，其特征在于，离心所用的转速为8000 rpm，离心时间20 min。

4.根据权利要求2所述的一种半峰宽窄的荧光碳基纳米带的制备方法，其特征在于，所述尿酸、对苯二酚及溶剂DMF的质量体积分别为0.11 g,0.11 g和5 mL。

5.基于权利要求1所述制备方法制备得到的半峰宽窄的荧光碳基纳米带荧光检测Nim的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，步骤如下：量取10.0 μL NFNCBs置于2.0mL的离心管中，依次加入50 µL、50 mM pH 6.0 PBS缓冲溶液，和不同浓度的Nim标准溶液，用二次水将其定容到500 µL静置反应30 min，在激发波长为300 nm、激发和发射狭缝宽分别为3nm和3nm的条件下，测其NFNCBs最大荧光发射强度的变化，然后根据NFNCBs的荧光淬灭程度 [(FL₀-FL)/FL₀]绘制标准曲线，测试待测样品时，根据测试待测样品的荧光淬灭程度与标准曲线对比，得到相应的待测样品浓度。

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