CN111040757A - 一种检测铜离子的比率荧光探针制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测铜离子的比率荧光探针制备方法及其应用；所述方法具体为：首先，将乙二胺和柠檬酸通过一步水热法制得水溶性CQDs，将其作为参比荧光团。然后，通过回流法，控制反应中水合氯化镉、亚碲酸钠、谷胱甘肽、二水合柠檬酸三钠和硼氢化钠的摩尔比为1∶0.06∶1.02∶2.13∶8.28，合成GSH@CdTe QDs，将其作为该比率荧光探针的检测荧光团。最后，将CQDs和GSH@CdTe QDs直接混合在一起，制备成CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针。在最佳条件下，将制备的比率荧光探针基于荧光猝灭法对铜离子进行定量检测。本发明的比率荧光探针对铜离子的检测限低至0.35nM，在铜离子检测分析中具有很大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于荧光传感技术领域，具体涉及一种检测铜离子的比率荧光探针制备方法及其应用。
背景技术
铜是生物生长必需的微量元素，然而铜过量却会对生物体造成严重的损害。由于铜离子具有高蓄积性、易迁移性、持久性等特性，工业、农业中含铜废料的违规排放造成了水和土壤中的铜含量超标。目前重金属检测已经有了很多经典的方法，如原子吸收光谱法(AAS)，原子发射光谱法(AES)，冷原子荧光光谱法(CV-AFS)，电感耦合等离子体-质谱(ICPMS)和质谱(MS)等检测方法。这些方法具有灵敏度高、选择性好的优点，但是，不可忽视的是，这些检测方法不仅耗时耗力，还需要昂贵的仪器。因此，迫切需要寻找一种简便、快速、灵敏、低廉可现场检测铜离子的方法。
量子点纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应，表现出独特的力学、电学、磁学、光学和化学特性，基于纳米材料的传感器为特定目标的快速和低成本检测提供了一种极具吸引力的新型分析方式。然而，在基于量子点的荧光传感分析中，单一的荧光强度变化信号容易受到仪器的精度及稳定性、背景噪声和荧光探针浓度的干扰。比率荧光探针可同时测量两个荧光峰，通过两个良好分辨的发射峰处的荧光强度比，对环境的影响起到内置校正的自校准作用，可有效消除光源波动，背景吸收等外部干扰，成为研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于公开一种成本低、选择性和灵敏度高的比率荧光探针的制备方法，以及将制备的比率荧光探针用于铜离子检测。
本发明的技术方案如下：一种用于检测铜离子的CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针的制备方法，具体步骤如下：
1)合成碳量子点CQDs：将柠檬酸和乙二胺以质量体积比(g∶mL)为1∶1～3，于150℃～200℃下水热反应6～18h，将反应产物进行离心、透析得到CQDs，其中乙二胺和水的体积比为1∶20，然后用超纯水稀释104倍后于4℃冰箱中冷藏保存，备用；
2)合成谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点GSH@CdTe QDs：将水合氯化镉CdCl3·2.5H2O溶于100mL水中，在转速为1000rpm的磁力搅拌下加入二水合柠檬酸三钠，随后加入谷胱甘肽、亚碲酸钠和硼氢化钠，水合氯化镉、亚碲酸钠、谷胱甘肽、二水合柠檬酸三钠和硼氢化钠的摩尔比为1∶0.06∶1.02∶2.13∶8.28，在50℃～150℃下回流反应5～20h得到产物GSH@CdTeQDs，然后进行离心、透析，所得GSH@CdTe QDs用超纯水稀释10倍后于4℃冰箱中冷藏保存，备用；
3)制备CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针：取步骤1)和步骤2)所制备的CQDs和GSH@CdTe QDs按照体积比为1∶1～5直接混合在一起得到CQDs/GSH@CdTe QDs溶液，所述CQDs和GSH@CdTe QDs的总体积为900μL，最后向CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针中加入9100μL超纯水，置于4℃冰箱中冷藏保存。
进一步地，步骤1)所述水热反应温度为180℃，反应时间为6h，步骤1)和步骤2)所述的离心时间为15min，离心转速为4000rpm。
进一步地，步骤2)中回流温度优选为100℃，回流时间优选为12h。
进一步地，步骤3)所述制备比率荧光探针所取的CQDs与GSH@CdTe QDs的体积比为1∶1～3。
进一步地，步骤3)所述制备比率荧光探针的CQDs与GSH@CdTe QDs的体积比为4∶5。
进一步地，得到的CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针应用于水样中Cu2+的检测。
进一步地，具体检测方法为：在CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针中加入浓度为10mM的Tris-HCl缓冲溶液，所述CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针与Tris-HCl缓冲溶液的体积比为5∶4，然后加入不同浓度的含Cu2+的待测液，在340nm激发波长下，使用荧光分光光度计的Luminescence模式进行检测，记录390～660nm范围内的荧光发射光谱，得到荧光强度比值I602/I438与Cu2+浓度的关系。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
(1)本发明以蓝色荧光碳点为参比荧光团，以红色荧光GSH@CdTe QDs为检测荧光团，比率荧光探针可同时测量两个荧光峰，通过两个良好分辨的发射峰处的荧光强度比，对环境的影响起到内置校正的自校准作用，可有效消除光源波动，背景吸收等外部干扰。
(2)本发明的比率荧光探针只是将两种量子点简单混合即可制备，无需偶联或者用硅包裹，制备方法简单。
(3)本发明的比率荧光探针可视化效果优异、特异性强、灵敏度高、检测限低。
附图说明
图1为本发明制备的CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针的透射电镜图。
图2为GSH@CdTe QDs的紫外吸收图谱和CQDs荧光发射谱图(激发波长为340nm)。
图3为CQDs、GSH@CdTe QDs和CQDs/GSH@CdTe QDs的荧光发射光谱图(激发波长为340nm)。
图4为本发明制备的CQDs/GSH@CdTe QDs中加入不同浓度的Cu2+(0～10-7mol L-1)后的荧光猝灭光谱图。
图5为本发明制备的CQDs/GSH@CdTe QDs中加入不同浓度的Cu2+(0～10-7mol L-1)后荧光强度比值I602/I438与Cu2+浓度的关系图(I602为猝灭后GSH@CdTe QDs的荧光强度，I438为猝灭后CQDs的荧光强度)。
图6为本发明制备的CQDs/GSH@CdTe QDs对检测Cu2+的选择性结果图(其中Cu2+、Hg2 +、Ag+的浓度为1.0×10-7mol L-1，pb2+和Al3+的浓度为1.0×10-7mol L-1，其他离子浓度为1.0×10-5mol L-1)。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明提供的一种用于检测铜离子的碳量子点/谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针的制备方法，具体步骤如下：
1)合成碳量子点CQDs：将柠檬酸和乙二胺以质量体积比(g∶mL)为1∶1～3，于150℃～200℃下水热反应6～18h，所述水热反应温度优选为180℃，反应时间优选为6h，在离心时间为15min，离心转速为4000rpm的条件下，将反应产物进行离心、透析得到CQDs，其中乙二胺和水的体积比为1∶20，然后用超纯水稀释104倍后于4℃冰箱中冷藏保存，备用；
2)合成谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点GSH@CdTe QDs：将水合氯化镉CdCl3·2.5H2O溶于100mL水中，在转速为1000rpm的磁力搅拌下加入二水合柠檬酸三钠，随后加入谷胱甘肽、亚碲酸钠和硼氢化钠，水合氯化镉、亚碲酸钠、谷胱甘肽、二水合柠檬酸三钠和硼氢化钠的摩尔比为1∶0.06∶1.02∶2.13∶8.28，在50℃～150℃下回流反应5～20h得到产物GSH@CdTeQDs，回流温度优选为100℃，回流时间优选为12h，然后进行离心、透析，所得GSH@CdTe QDs用超纯水稀释10倍后于4℃冰箱中冷藏保存，备用；
3)制备CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针：取步骤1)和步骤2)所制备的CQDs和GSH@CdTe QDs按照体积比为1∶1～5直接混合在一起得到CQDs/GSH@CdTe QDs溶液，CQDs与GSH@CdTe QDs的体积比优选为1∶1～3，进一步更加优选为4∶5，所述CQDs和GSH@CdTe QDs的总体积为900μL，最后向CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针中加入9100μL超纯水，置于4℃冰箱中冷藏保存。
进一步地，得到的CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针应用于水样中Cu2+的检测；具体检测方法为：在CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针中加入浓度为10mM的Tris-HCl(三羟甲基氨基甲烷盐酸盐)缓冲溶液，所述CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针与Tris-HCl缓冲溶液的体积比为5∶4，然后加入不同浓度的含Cu2+的待测液，在340nm激发波长下，使用荧光分光光度计的发光(Luminescence)模式进行检测，记录390～660nm范围内的荧光发射光谱，得到荧光强度比值I602/I438与Cu2+浓度的关系。
本发明的检测原理为：在比率荧光探针CQDs/GSH@CdTe QDs检测Cu2+中，CQDs作为参比荧光团，GSH@CdTe QDs作为检测荧光团。GSH作为配体，在GSH@CdTe QDs检测Cu2+中起着关键的作用，GSH中的巯基和羧基对Cu2+有强亲和力，形成GSH-Cu2+络合物，GSH与Cu2+之间发生电荷转移，从而导致GSH@CdTe QDs荧光猝灭。
透射电镜表征
如图1所示，所制备的CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针的TEM图显示碳点和量子点混合之后组成的比率荧光探针呈聚集状态。
紫外和荧光光谱表征
如图2所示，GSH@CdTe QDs的紫外吸收谱图与CQDs的荧光发射谱图部分重叠，因此两种纳米材料之间存在FRET效应，此比率荧光探针中的两种量子点可以被同一个激发波长同时激发。
单量子点和比率荧光探针的荧光光谱图
如图3所示，CQDs和GSH@CdTe QDs单量子点在340nm的单波长激发下分别在438nm和602nm处出现最大发射带，而比率荧光探针在340nm的单波长激发下在438nm和602nm处显示出良好分辨的双发射带。
实施例1
本实施例提供了CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针的制备方法，具体步骤包括：
步骤1、合成碳量子点：将1mL乙二胺和500mg柠檬酸加入反应釜中，在180℃下的20ml水中水热反应6h，待产物冷却后在4000rpm下离心15min，然后取上清液，用0.22μm滤膜过滤，再将过滤后的溶液移入3500Da分子量的透析袋中透析24h，最后将纯化后的碳量子点稀释104倍后置于4℃冰箱中保存，备用。
步骤2、合成谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点：将0.2923g水合氯化镉CdCl3·2.5H2O溶于100mL水中，在转速为1000rpm的磁力搅拌下加入0.8g二水合柠檬酸三钠(C6HsNa3O7.2H2O)，随后加入0.4g谷胱甘肽(GSH)、0.0177g亚碲酸钠(Na2TeO3)和0.4g硼氢化钠(NaBH4)，在100℃下回流反应12h，将产物在4000rpm下离心15min，然后取上清液，用0.22μm滤膜过滤，再将过滤后的溶液移入3500Da分子量的透析袋中透析24h，最后将纯化后的GSH@CdTe QDs稀释10倍后置于4℃冰箱中保存，备用。
步骤3、制备CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针：取450μL CQDs和450μL GSH@CdTeQDs储备液与9100μL超纯水简单地混合在一起，得到CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针，将所得产物CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针置于4℃冰箱中冷藏保存。
实施例2
本实施例提供了CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针的制备方法，具体步骤包括：
步骤1、合成碳量子点：将0.5mL乙二胺和500mg柠檬酸加入反应釜中，在150℃下的10ml水中水热反应18h，待产物冷却在4000rpm下离心15min，然后取上清液，用0.22μm滤膜过滤，再将过滤后的溶液移入3500Da分子量的透析袋中透析24h，最后将纯化后的碳量子点稀释104倍后置于4℃冰箱中保存，备用。
步骤2、合成谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点：将0.1462g水合氯化镉CdCl3·2.5H2O溶于100mL水中，在转速为1000rpm的磁力搅拌下加入0.4g二水合柠檬酸三钠(C6HsNa3O7.2H2O)，随后加入0.2g谷胱甘肽(GSH)、0.0089g亚碲酸钠(Na2TeO3)和0.2g硼氢化钠(NaBH4)，在50℃下回流反应20h，将产物在4000rpm下离心15min，然后取上清液，用0.22μm滤膜过滤，再将过滤后的溶液移入3500Da分子量的透析袋中透析24h，最后将纯化后的GSH@CdTe QDs稀释10倍后置于4℃冰箱中保存，备用。
步骤3、制备CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针：取400μL CQDs和500μL GSH@CdTeQDs储备液与9100μL超纯水简单地混合在一起，得到CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针，将所得产物CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针置于4℃冰箱中冷藏保存。
实施例3
本实施例提供了CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针的制备方法，具体步骤包括：
步骤1、合成碳量子点：将1.5mL乙二胺和500mg柠檬酸加入反应釜中，在200μ下的30ml水中水热反应12h，待产物冷却后在4000rpm下离心15min，然后取上清液，用0.22μm滤膜过滤，再将过滤后的溶液移入3500Da分子量的透析袋中透析24h，最后将纯化后的碳量子点稀释104倍后置于4℃冰箱中保存，备用。
步骤2、合成谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点：将0.1462g水合氯化镉CdCl3·2.5H2O溶于100mL水中，在转速为1000rpm的磁力搅拌下加入0.4g二水合柠檬酸三钠(C6H5Na3O7.2H2O)，随后加入0.2g谷胱甘肽(GSH)、0.0089g亚碲酸钠(Na2TeO3)和0.2g硼氢化钠(NaBH4)，在150℃下回流反应5h，将产物在4000rpm下离心15min，然后取上清液，用0.22μm滤膜过滤，再将过滤后的溶液移入3500Da分子量的透析袋中透析24h，最后将纯化后的GSH@CdTe QDs稀释10倍后置于4℃冰箱中保存，备用。
步骤3、制备CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针：取150μL CQDs和750μL GSH-CdTeQDs储备液与9100μL H2O简单地混合在一起，得到CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针，将所得产物CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针置于4℃冰箱中冷藏保存。
实施例4
本实施例提供了CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针在Cu2+检测中的应用，具体检测方法如下：首先取实施例3所制得的比率荧光探针500μL加入石英比色皿中，然后加入400μL浓度为10mM的Tris-HCl缓冲溶液与比率荧光探针混合，再分别加入再分别加入10μL，20μL，30μL，40μL，50μL，60μL，70uL，80μL，90μL，100μL浓度为10-6M的Cu2+，最后用超纯水定容至1mL，最终检测体系中对应的Cu2+的浓度分别为10nM、20nM、30nM、40nM、50nM、60nM、70nM、80nM、90nM、100nM。用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，得到如图4所示的荧光曲线图。图中显示随着Cu2+浓度的增加，比率荧光探针中的参比荧光团CQDs的荧光强度保持不变，而检测荧光团GSH@CdTe QDs的荧光强度逐渐降低。绘制I602/I438为纵坐标，Cu2+浓度为横坐标的曲线，得到拟合公式为Y＝-0.0035X+0.6782的拟合曲线(I602为比率荧光探针中GSH@CdTe QDs对应的荧光强度，I438为比率荧光探针中CQDs所对应的荧光强度)，相关系数为0.998，线性范围为10～100nM，如图5所示。
根据检测限的计算公式LOD＝3δ/s(δ为空白信号的标准偏差，s表示校准曲线的斜率)，可以得出本发明上述检测方法对Cu2+的检测限低至0.35nM，相比于已有报道的比率荧光探针对Cu2+的检测效果，本发明的比率荧光探针在检测Cu2+方面具有较高的灵敏度，例如Li Wang等人制备了基于碳点和金纳米团簇的比率荧光探针用于检测pb2+和Cu2+，其中该比率荧光探针对Cu2+的检测限为0.15μM(Li Wang，Hai-Xia Cao，Yu-Sheng He，Chang-GangPan，Ting-Kai Sun a，Xin-Yang Zhang，Chuan-Yun Wang，Guo-Xi Liang，Sensors&Actuators：B.Chemical，2019，282，78-84)，其检测效果灵敏度低于本发明。
实施例5
本实施例提供了CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针检测Cu2+的选择性，具体检测方法如下：首先取实施例3所制得的比率荧光探针500μL加入石英比色皿中，然后加入400μL浓度为10mM的Tris-HCl缓冲溶液与比率荧光探针混合，再分别加入100μL浓度为10-4M的Ca2+、Fe2+、Fe3+、Na+、Mn2+、Ni3+、Co3+、Zn2+、Ba2+、K+、Mg2+、Cd2+水溶液和100μL浓度为10-5M的Al3+和Pb2+水溶液以及100μL浓度为10-6M的Hg2+、Ag+、Cu2+水溶液，用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，绘制以I602/I438为纵坐标，各种类金属离子为横坐标的柱状图，得到比率荧光探针检测Cu2+的选择性图，如图6所示，本发明所得CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针对Cu2+具有较高的特异性。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种检测铜离子的比率荧光探针制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)合成碳量子点CQDs：将柠檬酸和乙二胺以质量体积比(g∶mL)为1∶1～3，于150℃～200℃下水热反应6～18h，将反应产物进行离心、透析得到CQDs，其中乙二胺和水的体积比为1∶20，然后用超纯水稀释104倍后于4℃冰箱中冷藏保存，备用；
2)合成谷胱甘肽修饰的碲化镉量子点GSH@CdTe QDs：将水合氯化镉CdCl3·2.5H2O溶于100mL水中，在转速为1000rpm的磁力搅拌下加入二水合柠檬酸三钠，随后加入谷胱甘肽、亚碲酸钠和硼氢化钠，水合氯化镉、亚碲酸钠、谷胱甘肽、二水合柠檬酸三钠和硼氢化钠的摩尔比为1∶0.06∶1.02∶2.13∶8.28，在50℃～150℃下回流反应5～20h得到产物GSH@CdTeQDs，然后进行离心、透析，所得GSH@CdTe QDs用超纯水稀释10倍后于4℃冰箱中冷藏保存，备用；
3)制备CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针：取步骤1)和步骤2)所制备的CQDs和GSH@CdTe QDs按照体积比为1∶1～5直接混合在一起得到CQDs/GSH@CdTe QDs溶液，所述CQDs和GSH@CdTe QDs的总体积为900μL，最后向CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针中加入9100μL超纯水，置于4℃冰箱中冷藏保存。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述水热反应温度为180℃，反应时间为6h，步骤1)和步骤2)所述的离心时间为15min，离心转速为4000rpm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中回流温度优选为100℃，回流时间优选为12h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述制备比率荧光探针所取的CQDs与GSH@CdTe QDs的体积比为1∶1～3。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述制备比率荧光探针的CQDs与GSH@CdTe QDs的体积比为4∶5。
6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法的应用，其特征在于，得到的CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针应用于水样中Cu2+的检测。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，具体检测方法为：在CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针中加入浓度为10mM的Tris-HCl缓冲溶液，所述CQDs/GSH@CdTe QDs比率荧光探针与Tris-HCl缓冲溶液的体积比为5∶4，然后加入不同浓度的含Cu2+的待测液，在340nm激发波长下，使用荧光分光光度计的Luminescence模式进行检测，记录390～660nm范围内的荧光发射光谱，得到荧光强度比值I602/I438与Cu2+浓度的关系。
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