CN111398226A - 基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器及应用和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CdTe量子点识别糖类的多通道荧光传感器及制备方法和应用方法，使用双色CdTe量子点为传感单元，构建基于荧光颜色三原色和荧光强度的四通道传感器阵列，实现7种糖的快速识别检测，无需昂贵的仪器或者专业操作人员。无需合成多种不同配体修饰的传感单元，双色CdTe量子点的合成路线相同，仅加热时间不同；可提高糖类的分析效率和检测通量；构建了一类基于紫外光照射的传感器阵列，使用紫外光作为催化剂，传感器阵列的分辨率得到大幅度提高，此方法可拓宽到其他分析物的检测中去。
Description
技术领域
本发明涉及纳米传感器领域，尤其涉及一种紫外光引导的多通道荧光传感器阵列对多种糖类的同步识别方面。
背景技术
糖类是生物体的主要能源物质，糖摄入与代谢的异常通常会导致生物机能的紊乱，且糖作为细胞识别信息因子，在多种生命基本活动(如癌细胞的增殖、炎症等)中具有重要意义，生命体中糖类含量的变化，对许多疾病的产生具有重要指示意义，因此，实现多种糖类的识别检测，在生命科学等领域具有重要作用。目前糖的检测方法主要有质谱、色谱和电化学方法等，但是这些方法都往往需要复杂的前处理、昂贵的仪器或者专业的技术人员等必须条件，限制了其应用，发展一种有效的多种糖低成本快速同步识别的方法具有很重要的意义。
荧光传感器阵列是人工采取对哺乳动物嗅觉系统的模拟，根据多个传感单元对样品不同程度的荧光信号响应组成的指纹图谱，可以实现对不同物质的识别，每种目标物可以在阵列上产生其独特的“指纹图谱”，据此实现彼此之间的区分识别；此传感器阵列舍弃了传统的高特异性“钥匙-锁”结合模式，降低了对特异性传感单元的需求，极大地节约了检测成本和时间且可以对复杂样品进行检测。近年来，荧光传感器阵列已被广泛应用于糖类、蛋白质、血清及细胞等的识别检测中。荧光传感器阵列分辨力的提高主要依赖于增加传感单元数目，但该方法涉及到多种不同荧光材料的合成，会大幅度增加科研者的工作量，并且会使得阵列非常庞大。相比起来，如果增加每个传感单元的信号通道，或者使用同一过程合成不同性质的传感单元，则可简化传感器阵列的构建，推进传感器阵列的实用化和小型化。近年来，多种纳米材料或者有机化合物被科研者开发以用于多通道传感器阵列的构建中，但是总体来说，具有多维传感机理的材料仍然非常稀少，且往往涉及到复杂的合成过程，并且需要使用不同的仪器来对每种通道信号进行检测，这些都限制了多通道传感器阵列的发展。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器及其应用和应用方法，解决了传感器分辨力的提高依赖于增加传感单元数目并大幅度增加科研者的工作量的问题；同时，解决了多维传感机理的材料非常稀少、合成过程复杂、并且需要使用不同的仪器对每种通道信号进行检测的问题。
技术方案：本发明的基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器，所述多通道荧光传感器能够在紫外光照射的条件下发黄色荧光或绿色荧光。
上述的CdTe量子点识别糖类的多通道荧光传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在惰性气体保护的条件下，将碲粉和硼氢化钠(NaBH4)加入纯水中混匀并反应，直至溶液变清并呈淡粉色，得到碲氢化钠(NaHTe)溶液。
(2)将氯化镉(CdCl2·2.5H2O)和巯基乙酸(TGA)加入纯水中混均匀，并调节pH为9.0-9.4。通入惰性气体除去空气，反应并得到氯化镉-巯基乙酸(CdCl2-TGA)溶液；其中，pH优选9.2。
(3)在惰性气体的保护下将步骤(1)中得到的碲氢化钠(NaHTe)溶液加入步骤(2)中得到的氯化镉-巯基乙酸(CdCl2-TGA)溶液中并混匀，得橘黄色混合溶液。
(4)将混合液分若干份，分别于80-90℃的烘箱中加热85-95min和100-110min，冷却后分别得到发绿色荧光的CdTe量子点和发黄色荧光的CdTe量子点；其中，温度优选80℃，加热时间分别优选90min和105min。
其中，步骤(1)中，所述碲粉和硼氢化钠的质量比为1.2:1-1.4:1。优选1.276：1。
所述碲粉和硼氢化钠在纯水中的浓度分别为0.010-0.013g/ml和0.08-0.12g/ml。碲粉和硼氢化钠浓度优选0.01276g/ml和0.01g/ml。
其中，步骤(2)中，所述氯化镉和巯基乙酸的摩尔比为0.15:1-0.18:1。优选0.167:1。
所述氯化镉和巯基乙酸的在纯水中的浓度分别为0.0020-0.0025g/ml和2.0-2.2μL/ml。氯化镉和巯基乙酸浓度优选0.0023g/ml和2.1μL/ml。
采用氢氧化钠(NaOH)颗粒调节pH。
上述方法步骤中，所述惰性气体为高纯氮。
上述的基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器在识别生化物质方面的应用，所述多通道荧光传感器在紫外光的连续长时间照射下其荧光颜色及强度发生变化，不同生化物质与其结合可对其荧光颜色和强度的变化产生不同程度的干扰，据此实现不同生化物质的区分识别。
所述生化物质独立的包括糖类、蛋白质和重金属。
所述糖类包括D-甘露糖醇、D-(+)-木糖、L-(+)-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-(+)半乳糖、D-果糖和D-葡萄糖中的一种或几种。
上述的基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器识别生化物质的应用方法，包括以下步骤：
(1)取不同种类的生化物质，分别溶于纯水中配制成溶液；
(2)将发黄色和绿色荧光的CdTe量子点与步骤(1)中配制的各溶液分别混合，并使用312±10nm紫外灯照射20-30min，然后在同样波长下对其荧光颜色和强度进行观察记录，使用二次水代替糖溶液作为空白对照，
(3)通过观察不同生化物质对荧光颜色和强度产生的不同程度的干扰，实现了区分识别不同生化物质的目的。
所述紫外灯发射的紫外光波长为312±10nm。
所述紫外照射时间为20-30min。
所述生化物质独立的包括糖类、蛋白质和重金属。所述糖类包括包括D-甘露糖醇、D-(+)-木糖、L-(+)-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-(+)半乳糖、D-果糖和D-葡萄糖中的一种或几种。
上述的CdTe量子点多通道荧光传感器识别糖类的方法，包括以下步骤：
(1)取不同种类的糖，分别溶于纯水中配制成浓度为1.8-2.2mg/ml的糖溶液。其中，糖溶液浓度优选2.0mg/mL，并4℃储存备用。
(2)将发黄色和绿色荧光的CdTe量子点与步骤(1)中的各糖溶液分别混合，并使用312±10nm紫外灯照射20-30min，然后在同样波长下对其荧光颜色和强度进行观察记录，使用二次水代替糖溶液作为空白对照。
(3)使用Origin软件对荧光信号进行指纹图谱处理，并使用SPSS软件对荧光信号进行主成分分析(PCA)处理，进一步区分各糖类。
所述糖包括D-甘露糖醇、D-(+)-木糖、L-(+)-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-(+)半乳糖、D-果糖和D-葡萄糖中的一种或几种。
上述制备方法及应用方法步骤中，所述纯水均为超纯水。
有益效果：1、本发明使用双色CdTe量子点为传感单元，构建基于荧光颜色三原色(RGB)和荧光强度(I)的四通道传感器阵列，实现7种糖的快速识别检测，无需昂贵的仪器或者专业操作人员；2、无需合成多种不同配体修饰的传感单元，双色CdTe量子点的合成路线相同，仅加热时间不同；3、可提高糖类的分析效率和检测通量；4、构建了一类基于紫外光照射的传感器阵列，使用紫外光作为催化剂，传感器阵列的分辨率得到大幅度提高，此方法可拓宽到其他分析物的检测中去。
附图说明
图1是本发明的实施例2中不同时间紫外光照射下，7种糖分别与发黄色和绿色荧光的CdTe量子点混合后的荧光颜色信号变化图，上一列为黄色荧光的CdTe量子点传感器，下一列为绿色荧光的CdTe量子点传感器，其中，a:D-甘露糖醇，b：D-(+)-木糖，c：L-(+)-阿拉伯糖，d：D-甘露糖，e：D-(+)半乳糖，f：D-果糖，g：D-葡萄糖，h：空白对照；
图2是本发明的实施例2中不同时间紫外光照射下，7种糖分别与发黄色和绿色荧光的CdTe量子点混合后的荧光强度信号变化图，上一列为黄色荧光的CdTe量子点传感器，下一列为绿色荧光的CdTe量子点传感器，其中，a:D-甘露糖醇，b：D-(+)-木糖，c：L-(+)-阿拉伯糖，d：D-甘露糖，e：D-(+)半乳糖，f：D-果糖，g：D-葡萄糖，h：空白对照；
图3是本发明的实施例2中紫外光照射最优时间条件下，不同糖与发黄色和绿色荧光的CdTe量子点分别混合后的荧光信号响应图谱，或称“指纹图谱”，其中，a:D-甘露糖醇，b：D-(+)-木糖，c：L-(+)-阿拉伯糖，d：D-甘露糖，e：D-(+)半乳糖，f：D-果糖，g：D-葡萄糖。K代表糖-CdTe复合物的RG、GG、BG、IG、RY、GY、BY、IY，K0代表CdTe量子点的RG0、GG0、BG0、IG0、RY0、GY0、BY0、IY0，其中G和Y分别代表发绿色和黄色荧光的CdTe量子点；
图4是本发明的实施例2中紫外光照射最优时间条件下，基于主成分分析(PCA)处理的7种不同糖的区分结果图，置信区间为81.581％，其中，a:D-甘露糖醇，b：D-(+)-木糖，c：L-(+)-阿拉伯糖，d：D-甘露糖，e：D-(+)半乳糖，f：D-果糖，g：D-葡萄糖。
具体实施方式
下述实施例中所用实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所使用的试剂和耗材，如无特殊说明，都可从商业途径得到。
下述实施例中所用的荧光成像仪器为紫外凝胶生物成像系统(ChemiDocTMMP,Bio-rad,America)，文中所述的二次水为超纯水发生器提供的超纯水(Elix5+Millio-Q,Millipore,America)。所用烘箱为电热鼓风干燥箱(WGL-230B，天津市泰斯特仪器有限公司，中国)。
下述实施例中所用的发黄色和绿色荧光的CdTe量子点表面均包裹巯基乙酸，为水溶性。
下述实施例中发黄色和绿色荧光的CdTe量子点的合成需要用到的试剂信息：碲粉、氯化镉(CdCl2·2.5H2O)、巯基乙酸(TGA)均购于北京博扬宏达科技有限公司，氢氧化钠(NaOH)购于国药集团化学试剂有限公司，硼氢化钠(NaBH4)购于甘肃金博研生物科技有限公司，氮气(纯度为99.995％)购于苏州金宏气体股份有限公司。
下述实施例中所检测的7种糖的信息：D-甘露糖醇、D-(+)-木糖、L-(+)-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-(+)半乳糖、D-果糖、D-葡萄糖均购于北京欣科中晶生物有限公司(北京，中国)。
实施例1
发黄色和绿色荧光的CdTe量子点的合成，包括步骤：
(1)取10mL的超纯水置于三颈圆底烧瓶中，通入高纯氮除去空气，称取0.1276g碲粉和0.10g的硼氢化钠(NaBH4)，迅速混于超纯水中，在高纯氮保护下反应，直至溶液变清并呈现淡粉色，得碲氢化钠(NaHTe)溶液。
(2)而后取200mL的超纯水，置于三颈烧瓶中，加入0.4567g氯化镉(CdCl2·2.5H2O)，再加入420μL巯基乙酸(TGA)，用氢氧化钠(NaOH)颗粒调节pH为9.2，通入高纯氮除去空气，得氯化镉-巯基乙酸(CdCl2-TGA)溶液。
(3)高纯氮保护下，快速混合碲氢化钠(NaHTe)和氯化镉-巯基乙酸(CdCl2-TGA)溶液，得橘黄色混合溶液。
(4)将混合液于80℃的烘箱中分别加热90min冷却后得发绿色荧光的CdTe量子点，加热105min得发黄色荧光的CdTe量子点。
实施例2
发黄色和绿色荧光的CdTe量子点识别糖类的应用方法，包括步骤：
(1)糖溶液的配制
本实验中共选用了7种不同的糖作为识别对象，分别为：D-甘露糖醇、D-(+)-木糖、L-(+)-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-(+)半乳糖、D-果糖、D-葡萄糖。分别称取上述7种糖，分别溶于超纯水中，混匀，4℃储存备用，糖溶液的浓度均为2.0mg/mL。
(2)基于紫外光照射CdTe量子点而构建的传感器对7种糖进行区分识别
取一定比例的CdTe量子点溶液和糖溶液混匀，置于离心管中，使得最终CdTe量子点的浓度为1.2mM，糖的浓度为1.0mg/mL。用波长为312±10nm的紫外灯照射CdTe-糖混合液不同时间后(0min、10min、20min、30min和40min)，使用紫外凝胶成像系统在同一紫外波长下，对混合液的荧光强度进行采集，如图2所示，使用普通相机对荧光颜色进行采集，如图1所示。空白对照的设置为使用等量的超纯水代替糖溶液。选择效果最优的紫外光照射时间进行下一步实验，最优时间为20min和30min。
(3)多通道荧光数据的采集及处理
将步骤(2)中产生的不同信号采集记录后，使用Photoshop CS2软件对CdTe-糖混合液和空白对照的荧光颜色(R、G、B值)和强度数值(I值)进行采集，取每种CdTe-糖样品的信号与空白的信号比值(K/K0)进一步编辑。使用Origin 9.0对信号比值进行处理得到每种糖的指纹图谱，如图3所示，对7种糖进行分析，使用SPSS 22.0软件将所得到的信号比值进行主成分分析(PCA)处理，进一步区分7种糖，如图4所示。
Claims (7)
1.一种基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器，其特征在于：所述多通道荧光传感器能够在紫外光照射的条件下发黄色荧光或绿色荧光。
2.一种基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器在识别生化物质方面的应用，其特征在于：所述多通道荧光传感器在紫外光的照射下其荧光颜色发生变化，不同生化物质与其结合可对其荧光颜色的变化产生不同程度的干扰，据此实现不同生化物质的区分识别。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述生化物质独立的包括糖类、蛋白质和重金属。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述糖类包括D-甘露糖醇、D-(+)-木糖、L-(+)-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-(+)半乳糖、D-果糖和D-葡萄糖中的一种或几种。
5.一种基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器识别生化物质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取某种生化物质的若干种类，分别溶于纯水中配制成溶液；
(2)将发黄色和绿色荧光的CdTe量子点与步骤(1)中配制的各溶液分别混合，并使用312±10nm紫外灯照射20-30min，然后在同样波长下对其荧光颜色和强度进行观察记录，并使用二次水代替糖溶液作为空白对照，
(3)通过观察荧光颜色的变化及不同生化物质对荧光强度产生的不同程度的干扰，实现了区分识别不同生化物质的目的。
6.根据权利要求5所述的基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器识别生化物质的方法，其特征在于：所述紫外灯发射的紫外光波长为312±10nm。
7.根据权利要求5或6所述的基于紫外光照射的CdTe量子点多通道荧光传感器识别生化物质的方法，其特征在于：所述紫外灯照射时间为20-30min。
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