CN112014365A - 一种基于功能纳米材料的荧光传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功能纳米材料的荧光传感器及其制备方法和应用，该传感器由氧掺石墨相氮化碳材料从堆叠结构修饰成量子点形成。本发明通过调节氧掺石墨相氮化碳的堆叠结构获得具有优异光学性能的量子点作为传感平台，由此增大的表面积有利于量子点通过π‑π相互作用非共价连接抗生素，该量子点的荧光强度可以被抗生素选择性淬灭或增强，制成功能纳米材料荧光传感器。本发明的荧光传感器，无需任何化学标记和荧光染料的添加，操作简便，灵敏度、可重复性以及稳定性都很高，可在复杂样品中实现特异性检测，具有良好的经济实用价值，有望应用于医疗、环境、食品及畜牧养殖业中抗生素的检测。
Description
技术领域
本发明属于分析检测，具体涉及基于功能纳米材料的荧光传感器及其制备方法以及用以检测抗生素的分析方法。
背景技术
每年约有大量抗生素用于饲料添加剂，75％的抗生素不被动物机体吸收而随动物粪便排出，导致畜禽养殖废水成为自然界水体环境中抗生素污染的主要来源。抗生素残留对人体健康有着十分严重的危害，包括“三致”(致癌、致畸、致突变)作用、人体对此类药物的长期暴露，通常不会造成急性中毒，而主要是引起慢性中毒。抗生素污染已被视为一类新型的重要的水体污染物而成为国际研究的前沿课题。
磺胺类药物为人工合成的抗菌药，用于临床已近50年，它具有抗菌谱较广、性质稳定、使用简便、生产时不耗用粮食等优点。磺胺间二甲氧嘧啶，常温下为一种白色或类白色结晶或结晶形粉末，几乎无味。不溶于水、氯仿，微溶于乙醇，可溶于丙酮，易溶于稀无机酸和强碱溶液。遇光易变质，色渐变深。磺胺间二甲氧嘧啶是一种长效磺胺原药，其抗菌谱与磺胺嘧啶相似，但抗菌作用较强，适用于菌痢、肠炎、扁桃体炎、泌尿道感染、蜂窝织炎、皮肤化脓感染等疾病，吸入粉尘，皮肤接触和不慎吞咽有害。对眼睛、呼吸道和皮肤有刺激作用。长期服用容易损伤肾功能及神经系统，磺胺药中毒。
因此，为了更好的了解抗生素对自然界水环境和人类健康的影响，建立一种灵敏、快速、高效、可靠定性定量检测方法是十分重要的。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于功能纳米材料的荧光传感器，可有效检测各种抗生素，克服现有抗生素分析检测灵敏度低，检测耗时，成本过高以及步骤繁琐的缺陷。
本发明还提供所述一种基于功能纳米材料的荧光传感器的制备方法和应用。
技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种基于功能纳米材料的荧光传感器，由氧掺石墨相氮化碳材料从堆叠结构修饰成量子点，再与去离子水混合形成。本发明将合成的氧掺石墨相氮化碳从块状堆叠结构修饰为量子点，该量子点具有优异荧光性能，可用来构造无标记荧光传感器。
其中，所述氧掺石墨相氮化碳材料经过加酸物质修饰为氧掺石墨相氮化碳量子点溶液。
本发明所述的基于功能纳米材料的荧光传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)合成量子点：将草酸和尿素称量后混合并溶于水中，搅拌均匀后水浴蒸干，蒸干得到的粉末高温处理，待降至室温后取出，水洗烘干得到粉末为g-C3N4-O；将g-C3N4-O粉末中加入浓酸，混合均匀，加热反应使瓶内悬浊液逐渐转变为溶胶，将反应得到溶胶加入去离子水中，并加入氯化铵，搅拌后，离心后取上清液得到g-C3N4-O量子点溶液；
(2)构造荧光传感器：
将量子点与去离子水按比例配置成母液A，置于具有一定pH值的缓冲液中构成传感体系，即为基于功能纳米材料的荧光传感器。
其中，步骤(1)所述蒸干得到的粉末放入陶瓷坩埚中升温至300-700℃并保持1-7h。
进一步地，步骤(1)述称取0～10g的g-C3N4-O粉末放于圆底烧瓶中，然后向其中加入1～20mL浓硫酸，混合均匀，70-90℃并搅拌1-2h使瓶内悬浊液逐渐转变为溶胶，将反应得到溶胶加入50～500mL水中，并加入5-10g氯化铵，搅拌数小时，离心后取上清液得到g-C3N4-O量子点溶液。其中氯化铵优选8.6g。
作为优选，步骤(2)所述量子点溶液与去离子水按体积比1:1-1:99混合，所述缓冲液为TBSM缓冲液。
本发明所述的基于功能纳米材料的荧光传感器在检测抗生素中的应用。
其中，所述检测为向荧光传感器加入抗生素溶液，在室温下孵育，然后转移至酶标板中，测定荧光强度。
其中，所述抗生素包括氨基糖苷类、酰胺醇类、磺胺类、喹诺酮类、四环素类中的一种或者多种，抗生素溶液浓度为0.001～100mM，加入体积为0.1～100ul，所述室温下孵育时间范围在30min以内，优选5-30min。
其中，所述检测为荧光检测，条件为：测定体系在320-480nm范围内处的荧光强度，激发波长为255nm，优选在375nm处的荧光强度。
本发明所述的一种基于功能纳米材料的荧光传感器检测抗生素的方法，具体包括如下步骤：
a)构建荧光传感器：将剥离为量子点的纳米材料溶液与去离子水按1:1-1:99的体积比混合，加入TBSM缓冲液，室温孵育构建荧光传感器或者传感体系；
b)向传感体系中加入不同体积或不同浓度的的抗生素溶液，在室温下孵育时间范围在30min以内；
c)转移至酶标板中，测每个样品的荧光强度。
上述步骤b)所述加入不同种类抗生素溶液，具体为设置了多种类型抗生素，分类出与氧掺石墨相氮化碳量子点无明显荧光响应效果的抗生素、有效淬灭量子点荧光强度的抗生素以及有效进一步增强量子点荧光强度的抗生素三大类。之后再设置多个体积不同的实验，其范围为0.1uL～100uL，探索三大类抗生素浓度各自与荧光强度的关系。上述步骤c)具体为：将样品在激发波长为255nm，测定375nm处的荧光值。
本发明将纳米材料修饰为量子点后具有优异的光学性能，并对抗生素表现出特异性响应，不同的抗生素可产生不同的荧光增强或淬灭效果，利用加入抗生素前后体系荧光信号的变化，实现对目标物的定性定量检测。
本发明利用氧掺石墨相氮化碳通过调节其结构获得一种具有优异光学性能的荧光量子点作为传感平台，表面通过π-π相互作用非共价连接加入的目标物抗生素，该量子点的荧光强度由此可以被抗生素选择性淬灭或增强，制成功能纳米材料荧光传感器。加入抗生素前后的荧光差距明显，且抗生素浓度与荧光强度之间具有一定的关系，进而可对目标物进行定量分析，同时由此提供了一种高灵敏度的抗生素检测新方法。能够克服现有分析检测方法灵敏度低，检测耗时，成本过高以及步骤繁琐的缺陷。
原理：本发明首先通过制备具有优异光学性能的氧掺石墨相氮化碳量子点，该量子点作为传感的平台，未加入目标物时，荧光强度高，加入目标物后，量子点和目标物相互作用，其荧光被淬灭或者增强，通过这种信号淬灭或者增强变化来实现对目标物的特异性检测。
本发明的传感器是一种信号衰减或者增强性型的荧光传感器，传感器可以实现信号转换，可以有效利用加入目标物前后的荧光信号变化，由此这种信号衰减或者增强模式的传感器用于检测抗生素。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明制备了一种简单、快速、灵敏的基于功能纳米材料的荧光传感器，能够快速检测磺胺类、氨基糖苷类、酰胺醇类、喹诺酮类、林可胺类、四环素类等多种抗生素，为今后抗生素的监管提供了方便。
2、荧光传感器无需任何化学标记和荧光染料的添加，操作简便，灵敏度、可重复性以及稳定性都很高，可在复杂样品中实现特异性检测，具有良好的经济实用价值，有望应用于医疗、环境、食品及畜牧养殖业中抗生素的检测。
3、荧光传感器材料制备成本低且不需使用大型精密仪器以及对样品的额外处理，方法简便，灵敏度高，在食品领域该检测方法能够有效的对日常食用产品进行快速检测，在环境领域则能短时间内检测出水样和土壤中的微量抗生素残留物质，另外在医疗及畜牧养殖业中也有着广泛的应用，是一种在复杂样品中能够保持稳定性和可重复性的高效检测方法
附图说明
图1是本发明合成的氧掺石墨相氮化碳纳米材料透射电镜图；
图2是本发明构建的检测抗生素体系，荧光强度随不同浓度抗生素变化的荧光光谱图。
图3是本发明构建的荧光传感器在长时间持续检测中得到的稳定荧光数值图(荧光强度不随时间变化的稳定数值图)。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行说明。
实施例中所述实验方法，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。
材料/试剂：各种类抗生素购买于麦克林试剂公司、生工试剂公司和阿拉丁试剂公司。
各缓冲液配方：
10×PBS(pH值7.4)：80mM Na2HPO4，20mM KH2PO4，1370mM NaCl，27mM KCl
20×SSC(pH值7.0)：300mM Sodium Citrate，3M NaCl
4×Tris-HCl(pH值6.8)：500mM Tris-HCl
20×TBS(pH值7.4)：500mM Tris-HCl，2800mM NaCl，60mM KCl
20×TBSM(pH值7.4)：500mM Tris-HCl，2800mM NaCl，60mM KCl，40mM MgCl2
实施例1
(1)制备g-C3N4-O量子点溶液：称取5g草酸和13g尿素混合放置烧杯中，加入25mL去离子水，搅拌均匀后在60℃恒温水浴下继续搅拌，待有结晶析出后将温度调至70℃搅拌直至蒸干。蒸干得到的粉末放入陶瓷坩埚中升温至550℃并保持300min。待降至室温后取出，水洗烘干得到g-C3N4-O粉末。
称取0.6g的g-C3N4-O粉末放于圆底烧瓶中，然后向其中加入7mL 98％硫酸，混合均匀，85℃并900rpm磁力搅拌1h，将反应得到溶胶加85mL水中，并加入8.6g氯化铵，搅拌2h，离心后取上清液得到g-C3N4-O量子点溶液。
(2)制备实验体系所需量子点母液A:按照量子点溶液与去离子水体积比为1：49配置成后续实验所用的量子点母液A。
(3)在74uL去离子水中依次加入2uL pH值为8.0的20×TBSM缓冲液、20uL母液A并混合均匀，构成传感体系。向传感体系中加入浓度为1mM抗生素溶液4μL，在室温下孵育时间范围在5min～30min。
(4)将溶液转移至酶标板中，加入目标物后通过荧光光谱检测界面对信号进行记录。
实施例2
由于荧光强度可能受到缓冲液的影响，现以各类缓冲液为自变量，探索最合适的缓冲液类型。
方法：离心管中在加入74uL去离子水、20μL母液A后分别加入2μL的10×PBS(500)、20×SSC、4×Tris-HCl、20×TBS、20×TBSM，再加入4uL浓度为1mM磺胺二甲氧嘧啶钠盐水溶液混合均匀后测定荧光强度。
结果：g-C3N4-O量子点与抗生素结合后，在20×TBSM缓冲溶液中的荧光变化最明显。
由于荧光强度可能受到缓冲液pH值的影响，现以缓冲液的不同pH值为自变量，探索最合适的缓冲液pH值。
方法：测定上述实验在体积为2μL的20×TBSM缓冲溶液用盐酸或者氢氧化钠调节pH为3、4、5、6、7、8、9、10条件下的荧光强度。
结果：20×TBSM缓冲溶液的pH为8时的荧光变化最明显。
由于荧光强度可能受到g-C3N4-O量子点与抗生素结合时间的影响，现以两者的结合时间为自变量，探索最合适的结合时间。
方法：在加入抗生素后的0min，10min,15min、30min、45min、60min、90min、120min测定荧光强度。
结果:g-C3N4-O量子点与抗生素4uL浓度为1mM磺胺二甲氧嘧啶钠盐溶液最适合的孵育时间为0min-30min。
探索不同抗生素含量与荧光强度的定性关系。
方法：控制变量，比较加入抗生素与不加时荧光强度的变化，若差距明显，则进一步探究其含量与荧光强度的定量关系。
没有加入目标物时，量子点荧光强度很高，当加入目标物后，量子点荧光强度得到明显衰减，说明该目标物可以有效淬灭量子点荧光。
探索不同抗生素含量与荧光强度的定量关系
方法：改变抗生素体积，设置体积范围在0-20uL，测不同条件下的荧光强度与抗生素含量(浓度为1mM磺胺二甲氧嘧啶钠盐水溶液)的关系。重复测量多次，确保结果的准确性。
结果：抗生素含量与荧光强度的关系成定量关系，可以高灵敏度检测到样品中抗生素的含量。
实施例3
本发明中的氧掺石墨相氮化碳量子点以荧光分光光度计的实际测量后，确定激发波长为255nm,发射光谱的范围为320-480nm。
本发明中不同种类抗生素对g-C3N4-O量子点的荧光响应效果各不相同，一部分种类抗生素如磺胺类、喹诺酮类能够有效淬灭g-C3N4-O量子点的荧光强度，一部分种类抗生素如氨基糖苷类能够有效增强g-C3N4-O量子点的荧光强度。
以下以磺胺二甲氧嘧啶钠盐溶液，为信号衰减模式测定本发明的荧光传感器的各个性能：
抗生素检测方法：
配制混合液1：在0.5mL离心管中依次加入78uL去离子水、2μL pH值为8.0的20×TBSM缓冲液、20uL的实施例1的量子点母液A混合均匀，室温孵育5min。
配制混合液2：在0.5mL离心管中依次加入74uL去离子水、2μL pH值为8.00的20×TBSM缓冲液、20uL的实施例1的量子点母液A、4uL浓度为1mM磺胺二甲氧嘧啶钠盐水溶液混合均匀，室温孵育5min。
荧光检测结果：利用酶标仪测定在激发波长为255nm，发射波长范围在320-480nm内测定混合液1和2的荧光强度，如图2所示，能够看出在375nm处有最大发射峰，且仅存在量子点时荧光强度很高，说明制备的额量子点荧光性能优异，而在发射波长范围内加入目标物磺胺二甲氧嘧啶钠盐溶液的混合液2荧光强度明显比未加目标物的混合液1要低，说明目标物磺胺二甲氧嘧啶钠盐溶液可以有效淬灭g-C3N4-O量子点的荧光，同时随着抗生素浓度的增加(0-100μM)荧光强度逐渐降低，实现本发明制备的荧光传感器的抗生素检测。
检测稳定性：
利用荧光分光光度计测量混合液1在连续一小时的荧光强度，激发波长选定255nm处，发射波长选定375nm，光电倍增管电压为600V，激发狭缝和发射狭缝宽度为10nm，扫描速度为2000nm min-1。
结果如图3所示，荧光强度在一个小时的连续测量时间内浮动不大，说明制备的量子点荧光性能稳定，所构造的荧光传感器稳定性高，同时也保证了后续实验的可重复性。
检测特异性：
取7个0.5ml离心管，每个离心管中依次加入74uL去离子水、2μL pH值为8.00的20×TBSM缓冲液、20uL量子点母液A后，再分别向7个离心管中加入4uL浓度为1mM的盐酸林可霉素、青霉素G钠盐、硫酸庆大霉素、盐酸四环素、妥布霉素、氯霉素和磺胺二甲氧嘧啶钠盐的水溶液，混合均匀，室温孵育5min。
荧光检测结果：利用酶标仪测定在激发波长为255nm，发射波长范围在350-450nm内测定样品荧光强度，在众多抗生素中只有磺胺二甲氧嘧啶钠盐可以明显淬灭量子点的荧光强度，说明本发明所构造的荧光传感器具有良好的选择性，具有在复杂水样中特异性检测磺胺二甲氧嘧啶抗生素的潜力。
磺胺二甲氧嘧啶定量检测：
在0.5mL离心管中依次加入74uL去离子水、2μL pH值为8.0的20×TBSM缓冲液、20uL量子点母液A后再分别加入4uL浓度为0.1mM、1mM、5mM、10mM、50mM、100mM磺胺二甲氧嘧啶钠盐水溶液混合均匀，室温孵育5min。
荧光检测结果：利用酶标仪测定在激发波长为255nm，发射波长范围在350-450nm内测定样品荧光强度，随着磺胺二甲氧嘧啶钠盐溶液浓度的不断增加，荧光强度不断降低，如图2所示，说明通过该荧光传感器可以对磺胺二甲氧嘧啶进行定量检测，检测范围较宽，灵敏度高，检测限低。
实施例4
(1)制备g-C3N4-O量子点溶液：称取5g草酸和13g尿素混合放置烧杯中，加入25mL去离子水，搅拌均匀后在60℃恒温水浴下继续搅拌，待有结晶析出后将温度调至70℃搅拌直至蒸干。蒸干得到的粉末放入陶瓷坩埚中升温至300℃并保持7h。待降至室温后取出，水洗烘干得到g-C3N4-O粉末。
称取0.1g的g-C3N4-O粉末放于圆底烧瓶中，然后向其中加入1mL浓硫酸，混合均匀，70℃并900rpm磁力搅拌2h，将反应得到溶胶加入50mL水中，并加入5g氯化铵，搅拌0.5小时，离心后取上清液得到g-C3N4-O量子点溶液。
(2)制备实验体系所需量子点母液A:按照量子点溶液与去离子水体积比为1：1配置成后续实验所用的量子点母液A。
(3)在74uL去离子水中依次加入2uL pH值为8.0的20×TBSM缓冲液、20uL母液A并混合均匀，构成传感体系。向传感体系中加入浓度为0.001mM抗生素溶液100μL，在室温下孵育时间范围在0min～30min。
(4)将溶液转移至酶标板中，加入目标物后通过荧光光谱检测界面对信号进行记录。
实施例5
(1)制备g-C3N4-O量子点溶液：称取5g草酸和13g尿素混合放置烧杯中，加入25mL去离子水，搅拌均匀后在60℃恒温水浴下继续搅拌，待有结晶析出后将温度调至70℃搅拌直至蒸干。蒸干得到的粉末放入陶瓷坩埚中升温至700℃并保持1h。待降至室温后取出，水洗烘干得到g-C3N4-O粉末。
称取10g的g-C3N4-O粉末放于圆底烧瓶中，然后向其中加入20mL浓硫酸，混合均匀，90℃并900rpm磁力搅拌1h，将反应得到溶胶加入500mL水中，并加入10g氯化铵，搅拌3小时，离心后取上清液得到g-C3N4-O量子点溶液。
(2)制备实验体系所需量子点母液A:按照量子点溶液与去离子水体积比为1：99配置成后续实验所用的量子点母液A。
(3)在74uL去离子水中依次加入2uL pH值为8.0的20×TBSM缓冲液、20uL母液A并混合均匀，构成传感体系。向传感体系中加入浓度为100mM抗生素溶液0.1μL，在室温下孵育时间范围在0min～30min。
(4)将溶液转移至酶标板中，加入目标物后通过荧光光谱检测界面对信号进行记录。
Claims (10)
1.一种基于功能纳米材料的荧光传感器，其特征在于，由氧掺石墨相氮化碳材料修饰成量子点，再与去离子水混合形成。
2.根基权利要求1所述的基于功能纳米材料的荧光传感器，其特征在于，所述氧掺石墨相氮化碳材料经过加酸物质修饰为氧掺石墨相氮化碳量子点溶液。
3.一种权利要求1所述的基于功能纳米材料的荧光传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将草酸和尿素溶于水中，搅拌混合均匀并搅拌蒸干，蒸干得到的粉末高温处理，待降至室温后取出，水洗烘干得到粉末为g-C3N4-O；将g-C3N4-O粉末中加入浓酸，混合均匀，加热反应使瓶内悬浊液逐渐转变为溶胶，将反应得到溶胶加入水中，并加入氯化铵，搅拌后，离心后取上清液得到g-C3N4-O量子点溶液；
(2)将量子点溶液与去离子水配置成母液A，加入缓冲液中构成基于功能纳米材料的荧光传感器。
4.根据权利要求3所述的基于功能纳米材料的荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述蒸干得到的粉末放入陶瓷坩埚中优选升温至300-700℃并保持1-7h。
5.根据权利要求3所述的基于功能纳米材料的荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)述称取0.1～10g的g-C3N4-O粉末放于圆底烧瓶中，然后向其中加入1～20mL浓硫酸，混合均匀，70-90℃加热并搅拌1-2h使瓶内悬浊液逐渐转变为溶胶，将反应得到溶胶加入50～500mL水中，并加入5-10g氯化铵，搅拌0.5-3小时，离心后取上清液得到g-C3N4-O量子点溶液。
6.根据权利要求3所述的基于功能纳米材料的荧光传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述量子点溶液与去离子水按体积比1:1-1:99混合，所述缓冲液为TBSM缓冲液。
7.一种权利要求1所述的基于功能纳米材料的荧光传感器在检测抗生素中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述检测为向荧光传感器加入抗生素溶液，在室温下孵育，然后转移至酶标板中，测定荧光强度。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述抗生素包括氨基糖苷类、酰胺醇类、磺胺类、喹诺酮类、四环素类中的一种或者多种，抗生素溶液浓度为0.001～100mM，加入体积为0.1～100ul，所述室温下孵育时间范围在30min以内。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述检测为荧光检测，条件为：测定体系在320-480nm范围内处的荧光强度，激发波长为255nm。
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