CN112525873B - 一种用于检测微囊藻毒素-lr的荧光化学传感器及制备方法 - Google Patents

一种用于检测微囊藻毒素-lr的荧光化学传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于检测微囊藻毒素‑LR的荧光化学传感器及制备方法;所述荧光化学传感器由氮/磷共掺杂碳点和铁离子共同作用体系构建而成,所述传感器为On‑Off‑On型荧光化学传感器。本发明还涉及荧光化学传感器的制备方法。本发明中铁离子的加入能够与碳点表面的磷酸根基团通过形成Fe‑O‑P结合,导致碳点荧光猝灭。本发明中氮/磷共掺杂碳点的合成步骤和微囊藻毒素的检测过程都是根据绿色化学原理进行的,没有复杂的后期表面修饰,通过构建On‑Off‑On的荧光传感体系,可达到高灵敏、选择性检测微囊藻毒素‑LR的目的。

Description

一种用于检测微囊藻毒素-LR的荧光化学传感器及制备方法
技术领域
本发明属于材料科学与工程和环境分析化学领域;尤其涉及一种用于检测微囊藻毒素-LR的荧光化学传感器及制备方法。
背景技术
微囊藻毒素是一种具有较强致癌作用的肝细胞毒素,在众多蓝藻毒素中毒性最强。微囊藻毒素可以抑制肝细胞蛋白磷酸酶活性,诱导细胞角蛋白磷酸化,从而导致动物肝功能衰竭。藻毒素释放到水体中,直接危害水生动植物,并可通过食物链在较高级生物体内富集,严重危害人类健康。微囊藻毒素(Microcystins,MCs)有80余种亚型,其中含亮氨酸(L)和精氨酸(R)的微囊藻毒素-LR(MC-LR)分布最为广泛,毒性最强,是目前研究最为广泛的一种。世界卫生组织(WHO)于1998年规定在饮用水中MC-LR的最低检测浓度为1μg/L。因此,发展一种灵敏、快速、高效地检测痕量MC-LR的方法是十分必要的。
常见的MC-LR分析方法,主要包括:高效液相色谱法、液相色谱-质谱法等色谱方法和酶联免疫法、生物法等其他方法。色谱法能够给出准确的分析,但一般耗时较长,且需要复杂的样品前处理和专业的人员操作。生物或酶联免疫的方法相对前面方法较为简单,但对试剂种类要求较高,存在着成本高、易变性、受复杂基体干扰影响较大等缺点。而荧光分析方法以其特异性强、灵敏度高、操作简单、耗时较短等优点在化学传感和生物分析等领域获得快速发展。目前大多数的微囊藻毒素检测荧光传感器多基于适配体构建,但适配体方法在荧光体系中大多存在着成本昂贵、特异性设计苛刻、孵育时间长等问题。因此,设计快速、高灵敏检测微囊藻毒素的荧光化学传感器方法备受关注。选择新兴的荧光纳米材料碳点作为荧光检测信号,利用其制备简单、价格低廉、高效低毒、生物相容好且荧光性能高等优势,将构建荧光化学传感器快速定量检测微囊藻毒素成为一种可能。
发明内容
本发明的目的是提供了一种用于检测微囊藻毒素-LR的荧光化学传感器及制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种用于检测微囊藻毒素-LR的荧光化学传感器,由氮/磷共掺杂碳点和铁离子共同作用体系构建而成,所述传感器为On-Off-On型荧光化学传感器。
优选地,所述荧光化学传感器以氮/磷共掺杂碳点为荧光信号,其中碳点为三磷酸腺苷经水热法制备得到。
优选地,所述氮/磷共掺杂碳点和铁离子共同作用体系构建而成的具体步骤为:将一定浓度的铁离子加入氮/磷共掺杂碳点中,形成碳点-铁离子体系。
本发明还涉及前述的用于检测微囊藻毒素-LR的荧光化学传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将三磷酸腺苷溶于水中,转移到高压反应釜中,水热法在210-230℃条件下,加热5-7h,经水相滤膜过滤,得到氮/磷共掺杂碳点;
步骤2,将氮/磷共掺杂碳点稀释,加入铁离子,形成碳点-铁离子体系,构建On-Off-On型荧光化学传感器。
优选地,步骤1中,具体步骤如下:称取0.5-1.5g三磷酸腺苷溶于25-35mL水中,转移到聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中,在210-230℃条件下,加热5-7h,冷却至室温,经过0.22μm水相滤膜过滤,得到氮/磷共掺杂碳点。
优选地,步骤2中,具体步骤如下:将45-55μL的氮/磷共掺杂碳点稀释在25-35mL超纯水中;所述稀释碳点90-110μL与5-15μL的45-55mmol/L铁离子溶液在850-900μL pH 4-6溶液中混合,构建On-Off-On型荧光化学传感器。
本发明利用无毒的三磷酸腺苷(ATP)为绿色前驱体,采用水热法合成氮/磷共掺杂碳点(N/P CDs),作为荧光信号源,通过荧光仪(即荧光分光光度计)测定溶液的荧光光谱和给出荧光强度,利用荧光强度的变化与微囊藻毒素-LR浓度存在对应关系,从而进行定量检测。
本发明中铁离子的加入能够与碳点表面的磷酸根基团通过形成Fe-O-P结合,导致碳点荧光猝灭。当进行微囊藻毒素-LR检测时,藻毒素内部的空腔结构具有大量的如羧基、酰胺基等官能团能够作为金属配位位点与铁离子进行配位结合,破坏铁离子与碳点之间的结合,进而使碳点荧光恢复。本发明中氮/磷共掺杂碳点的合成步骤和微囊藻毒素的检测过程都是根据绿色化学原理进行的,没有复杂的后期表面修饰,通过构建On-Off-On的荧光传感体系,可达到高灵敏、选择性检测微囊藻毒素-LR的目的。
本发明具有以下优点:
(1)本发明所涉及的基于绿色、环保碳点的On-Off-On型荧光化学传感器,用于微囊藻毒素-LR的高灵敏度和高选择性快速检测。
(2)本发明以碳点为荧光信号源,利用铁离子对碳点荧光猝灭而待测物微囊藻毒素-LR通过与铁离子络合使得荧光强度恢复的原理,创造性地构建了On-Off-On型荧光化学传感器,用于高灵敏度、选择性检测微囊藻毒素。
(3)本发明中不需要复杂的功能化修饰和过多化学试剂、有机溶剂的消耗,具有生态友好、低成本、快速便捷、特异性高等优势,本发明用于复杂实际水样中微囊藻毒素-LR的分析检测,加标回收率可达到95%以上。
附图说明
图1为本发明实施例所涉及的On-Off-On型荧光化学传感器的制备过程示意图;
图2为本发明实施例涉及的氮/磷共掺杂碳点的X-射线光电子能谱图(XPS):(A)XPS总光谱,(B)C 1s XPS光谱,(C)N 1s XPS光谱,和(D)P 2p XPS光谱;
图3为本发明实施例涉及的On-Off-On型荧光化学传感器,在不同铁离子用量下检测微囊藻毒素-LR的荧光强度变化图;
图4为本发明实施例涉及的On-Off-On型荧光化学传感器,随着微囊藻毒素-LR加入量的增加其荧光发射峰强度的变化图;
图5为本发明实施例涉及的On-Off-On型荧光化学传感器,相对于不同藻毒素干扰物选择性实验图;(A)微囊藻毒素-LR和其他干扰物的浓度为1μg/L;(B)微囊藻毒素-LR的浓度为1μg/L,其他干扰物浓度为100μg/L。
图6为本发明实施例涉及的On-Off-On型荧光化学传感器,相对于不同藻毒素干扰物选择性实验中所对应的各种物质的结构式;从A-J分别为:微囊藻毒素-LR、微囊藻毒素-RR、啶虫脒、L-苏氨酸、杀螺胺、呋虫胺、L-丙氨酸、L-精氨酸、L-亮氨酸、L-组氨酸。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是,以下的实施实例只是对本发明的进一步说明,但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例涉及一种用于检测微囊藻毒素-LR的On-Off-On型荧光化学传感器的制备方法,见图1所示,步骤如下:
步骤1,氮/磷共掺杂碳点(N/P CDs)的制备:称取1g三磷酸腺苷(ATP)溶于30mL水中,然后转移到聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中,在220℃条件下加热6h,冷却至室温后经过0.22μm水相滤膜过滤,得到氮/磷共掺杂碳点;
将制得的氮/磷共掺杂碳点平行3份,分别取相同体积的1mL碳点溶液加入已称重的1.5mL离心管中,烘干后再称得质量;通过计算3份平行样品的前后质量差与体积的比值,其平均值为碳点溶液的原浓度,浓度为32.3g/L。
步骤2,On-Off-On型荧光化学传感器的制备:取50μL氮/磷共掺杂碳点稀释在30mL超纯水中备用;取所述稀释碳点100μL与10μL的50mmol/L铁离子溶液在880μL pH 5溶液中混合,构建On-Off-On型荧光化学传感器(其中碳点浓度为5.38mg/L),检测时加入10μL待测液进行光谱测定。
实施例2
取制备的氮/磷共掺杂碳点经真空干燥后用X射线光电子能谱仪进行测定(参见图2A-D)。图2A可证明所合成碳点中含有N、P、O、C四种元素。C 1s的高分辨光谱(图2B)可以分解为3个峰分别为284.4eV(C-C/C=C),285.7eV(C-N)和287.5eV(C=O)。N 1s的高分辨率光谱(图2C)中398.9,400.1和401.3eV三个峰可分别对应N-H,N=C和N-C=C键。另外,P 2p的XPS图谱(图2D)则显示存在P-O(132.9eV)和P=O(133.7eV)基团。以上结果表明,氮/磷共掺杂碳点表面具有丰富的与铁离子相互作用的结合位点。
实施例3
取50μL氮/磷共掺杂碳点稀释在30mL超纯水中备用。配制浓度为10、20、30、50、60、80、100mmol/L的铁离子溶液。第一组每个样品取上述稀释碳点100μL与10μL的不同浓度铁离子溶液在880μL pH 5溶液中混合,之后加入10μL超纯水作为空白,混合摇匀,然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度。
第二组每个样品取上述稀释碳点100μL与10μL的不同浓度铁离子溶液在880μL pH5溶液中混合,之后分别加入10μL的0.1mg/L微囊藻毒素-LR溶液(即所测微囊藻毒素-LR浓度为1μg/L),混合摇匀一段时间,保持与第一组样品相同的测定条件,然后用荧光仪测定第二组每个样品的荧光强度(参见图3)。
如图3所示,对于On-Off-On型荧光化学传感器,在铁离子浓度小于0.5mmol/L时,加入微囊藻毒素-LR后的荧光恢复效率随铁离子浓度的增大而增大;当铁离子浓度大于0.5mmol/L时,荧光恢复效率会减小,实验结果表明,构建On-Off-On型荧光传感体系检测微囊藻毒素-LR中最佳的铁离子浓度为0.5mmol/L。
实施例4
将50μL氮/磷共掺杂碳点稀释在30mL超纯水中备用。取稀释后氮/磷共掺杂碳点100μL(碳点最终浓度为5.38mg/L)与10μL的0.5mmol/L铁离子溶液在880μL pH 5溶液中混合,之后分别加入10μL一系列不同浓度的微囊藻毒素-LR溶液(微囊藻毒素-LR的最终浓度分别为0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.5、2、2.5、3μg/L),混合摇匀一段时间,然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度。
如图4所示,随着微囊藻毒素-LR浓度的增大,氮/磷共掺杂碳点发射峰的强度逐渐增强。利用荧光强度恢复变化与微囊藻毒素-LR浓度之间建立线性关系,根据待测溶液的荧光强度变化,可实现对微囊藻毒素-LR的高灵敏度检测。
实施例5
将50μL氮/磷共掺杂碳点稀释在30mL超纯水中备用。取稀释后氮/磷共掺杂碳点100μL(碳点最终浓度为5.38mg/L)与10μL的0.5mmol/L铁离子溶液在880μL pH 5溶液中混合,之后分别加入10μL浓度为0.1mg/L微囊藻毒素-RR溶液(最终浓度为1μg/L),以及浓度为0.1mg/L或10mg/L的啶虫脒、杀螺胺、呋虫胺、L-苏氨酸、L-丙氨酸、L-精氨酸、L-亮氨酸和L-组氨酸溶液(最终浓度为1μg/L或100μg/L),混合摇匀一段时间,然后用荧光仪测定每个样品的荧光强度。
如图5所示,本发明实施例涉及的On-Off-On型荧光化学传感器,相对于不同藻毒素干扰物选择性实验图;(A)微囊藻毒素-LR和其他干扰物的浓度为1μg/L;(B)微囊藻毒素-LR的浓度为1μg/L,其他干扰物浓度为100μg/L。图5中所涉及物质从A-J分别为:微囊藻毒素-LR、微囊藻毒素-RR、啶虫脒、L-苏氨酸、杀螺胺、呋虫胺、L-丙氨酸、L-精氨酸、L-亮氨酸、L-组氨酸,上述物质的结构式见图6所示。
在图5中,待测物微囊藻毒素-LR对传感器的荧光增强效果最佳,其次是微囊藻毒素-RR同时远远高于其他毒素和氨基酸。由于微囊藻毒素-RR和微囊藻毒素-LR的化学结构相似,微囊藻毒素-RR的荧光恢复程度也较高,这一现象也可以证明微囊藻毒素-LR的空腔结构在荧光恢复过程中起着关键性作用。相比之下,其他毒素、氨基酸等干扰化合物即使在其浓度高出100倍的情况下荧光强度均没有明显变化(图5B)。以上结果证明了所制备的荧光化学传感器对微囊藻毒素-LR检测具有良好的选择性。
本发明利用无毒的三磷酸腺苷(ATP)为绿色前驱体,采用水热法合成氮/磷共掺杂碳点(N/P CDs),作为荧光信号源,通过荧光仪(即荧光分光光度计)测定溶液的荧光光谱和给出荧光强度,利用荧光强度的变化与微囊藻毒素-LR浓度存在对应关系,从而进行定量检测。
本发明中铁离子的加入能够与碳点表面的磷酸根基团通过形成Fe-O-P结合,导致碳点荧光猝灭。当进行微囊藻毒素-LR检测时,藻毒素内部的空腔结构具有大量的如羧基、酰胺基等官能团能够作为金属配位位点与铁离子进行配位结合,破坏铁离子与碳点之间的结合,进而使碳点荧光恢复。本发明中氮/磷共掺杂碳点的合成步骤和微囊藻毒素的检测过程都是根据绿色化学原理进行的,没有复杂的后期表面修饰,通过构建On-Off-On的荧光传感体系,可达到高灵敏、选择性检测微囊藻毒素-LR的目的。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:(1)本发明所涉及的基于绿色、环保碳点的On-Off-On型荧光化学传感器,用于微囊藻毒素-LR的高灵敏度和高选择性快速检测。(2)本发明以碳点为荧光信号源,利用铁离子对碳点荧光猝灭而待测物微囊藻毒素-LR通过与铁离子络合使得荧光强度恢复的原理,创造性地构建了On-Off-On型荧光化学传感器,用于高灵敏度、选择性检测微囊藻毒素。(3)本发明中不需要复杂的功能化修饰和过多化学试剂、有机溶剂的消耗,具有生态友好、低成本、快速便捷、特异性高等优势,本发明用于复杂实际水样中微囊藻毒素-LR的分析检测,加标回收率可达到95%以上。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质。

Claims (1)

1.一种用于检测微囊藻毒素-LR的荧光化学传感器,其特征在于,由氮/磷共掺杂碳点和铁离子共同作用体系构建而成,所述传感器为On-Off-On型荧光化学传感器;
所述荧光化学传感器以氮/磷共掺杂碳点为荧光信号,其中碳点为三磷酸腺苷经水热法制备得到;
所述氮/磷共掺杂碳点和铁离子共同作用体系构建而成的具体步骤为:将一定浓度的铁离子加入氮/磷共掺杂碳点中,形成碳点-铁离子体系;
所述用于检测微囊藻毒素-LR的荧光化学传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将三磷酸腺苷溶于水中,转移到高压反应釜中,利用水热法在210-230℃条件下,加热5-7h,经水相滤膜过滤,得到氮/磷共掺杂碳点;
步骤2,将氮/磷共掺杂碳点稀释,加入铁离子,形成碳点-铁离子体系,构建On-Off-On型荧光化学传感器;
步骤1中,具体步骤如下:称取0.5-1.5g三磷酸腺苷溶于25-35mL水中,转移到聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中,在210-230℃条件下,加热5-7h,冷却至室温,经过0.22μm水相滤膜过滤,得到氮/磷共掺杂碳点;
步骤2中,具体步骤如下:将45-55μL的氮/磷共掺杂碳点稀释在25-35mL超纯水中;所述稀释碳点90-110μL与5-15μL的45-55mmol/L铁离子溶液在850-900μL pH 4-6溶液中混合,构建On-Off-On型荧光化学传感器。
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