CN112747833A - 基于贵金属纳米粒子的温度传感器及其制备方法 - Google Patents

基于贵金属纳米粒子的温度传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于贵金属纳米粒子的温度传感器及其制备方法。其中所述温度传感器包括表面修饰有第一DNA链段的贵金属纳米粒子，与所述第一DNA链段互补的第二DNA链段、醇溶剂及盐溶液。本发明的温度传感器具有极好的生物兼容性、温度响应性及测温灵敏性，可应用于疾病诊断、药物输送等多个方面。

Description

基于贵金属纳米粒子的温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及基于纳米粒子的温度传感器的技术领域。
背景技术
目前的温度传感器大都依赖温敏性材料，这些材料往往对人体有一定的危害性，而在这方面做出改进的一些温度传感器在进行温度测定时又多需要借助其他仪器，极大地限制了温度传感器的实际应用。
如中国专利CN106010509公开了一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器，其通过在发荧光的硅纳米粒子表面经共价键修饰具有温度响应性的异硫氰酸罗丹明B的方式制得了一种可随着温度变化产生不同荧光反应的硅纳米复合材料，随着温度升高，其复合材料中异硫氰酸罗丹明B的荧光逐渐下降，进一步地，通过测定异硫氰酸罗丹明B和荧光硅的荧光强度，并计算两者比值与温度之间的关系，建立标准曲线，实现了温度的测定和传感。
通过上述方法制得的材料在进行温度传感时，需要对被测物进行荧光检测，过程复杂、设备要求高。同时，其用于反应温度情况的特征荧光很容易受到自然光的干扰，产生淬灭，导致传感器失效。此外，和大多数现有技术中的其他基于纳米粒子的温度传感器类似，其只有固定的温度响应区间，且测量温度范围较大(20-60℃之间)，温度调控精准性较差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有良好的生物相容性、可通过直接的比色观察实现温度测定而不需要特殊仪器辅助的温度传感器。
本发明的目的还在于提出上述温度传感器的制备方法。
基于以上目的，本发明首先提供了如下的技术方案：
基于贵金属纳米粒子的温度传感器，其包括：表面修饰有第一DNA链段的贵金属纳米粒子，与所述第一DNA链段互补的第二DNA链段、醇溶剂及盐溶液，其中，所述第一DNA链段与所述贵金属纳米粒子的物质的量的比为1000-5000:1，所述第二DNA链段的物质的量为第一DNA链段的物质的量的1-2.4倍。
上述方案中，所述互补是指具有互补的碱基序列且碱基数目完全相同的两个DNA链段之间的关系。
根据本发明的一些具体实施方式，所述温度传感器还包括固定凝胶。
其中，所述固定凝胶是指可将温度传感器中的全部成分进行粘合固定的凝胶。
根据本发明的一些具体实施方式，所述固定凝胶选自琼脂糖凝胶。
根据本发明的一些具体实施方式，所述盐溶液选自氯化钠和/或硝酸钠的水溶液中的一种或多种。
优选的，所述氯化钠和/或硝酸钠的水溶液的浓度为0.833M。
可以理解的是，该优选方案中的浓度数值为不含有定量时产生的误差值的中心数值，即在具体实施中因定量误差产生的略偏离该数值的浓度范围也应包含在本方案的保护范围内。
根据本发明的一些具体实施方式，所述贵金属纳米粒子选自金的纳米粒子中的一种或多种。
其中，所述纳米粒子可以为多种形貌的纳米粒子，如棒状、球状等。
根据本发明的一些具体实施方式，所述醇溶剂选自乙醇和/或异丙醇。
本发明进一步公开了上述温度传感器的一种制备方法，其包括：
获得表面修饰有第一DNA链段的贵金属纳米粒子的分散液；
将所述第二DNA链段、所述醇溶剂及所述盐溶液加入所述分散液中，得到所述温度传感器；
其中，所述第二DNA链段的物质的量为第一DNA链段的物质的量的1-2.4倍。
上述方案所述分散液是指的可使纳米粒子在其中均匀分散的溶液。
根据本发明的一些具体实施方式，所述贵金属纳米粒子的制备包括：
通过含有十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的第一氯金酸(HAuCl4)水溶液与冰硼氢化钠反应合成种子液；
将硝酸银加入含有十六烷基三甲基溴化铵的第二氯金酸水溶液中，并加入抗坏血酸，得到生长液；
向所述生长液中加入所述种子液，静置反应得到棒状金纳米粒子；
其中，所述第二氯金酸水溶液的浓度为所述第一氯金酸水溶液浓度的1.5-2.5倍。
其中，HAuCl4水溶液浓度优选为0.00050M，CTAB水溶液优选为0.20M，两者的体积比优选为1:1。
如，进一步的，所述贵金属纳米粒子的制备包括：
第一步：合成种子液：
将5.0mL、0.00050M的HAuCl4水溶液加入到5mL、0.20M的CTAB水溶液中，搅拌后加入0.60mL、0.010M的冰NaBH4水溶液，继续搅拌2min后停止，并保持在25℃，得到种子液。
第二步：配制生长液：
在25℃下，将1.5mL、0.0040M的AgNO3水溶液加入到50mL、0.20M的CTAB水溶液中，并继续加入50mL、0.0010M的HAuCl4水溶液，搅拌后加入700μL、0.0788M的抗坏血酸水溶液，得到生长液。
第三步：金纳米棒的生长：
在30℃下，向所述生长液中加入120μL所述种子液，混匀后静置生长6h，即可得到金纳米棒溶液。
根据本发明的一些具体实施方式，所述贵金属纳米粒子的制备包括：
向氯金酸水溶液中加入柠檬酸钠，在沸腾状态下反应后得到球状金纳米粒子。
其中氯金酸水溶液的浓度优选为1wt％，柠檬酸钠的浓度优选为1wt％。
如，进一步的，所述贵金属纳米粒子的制备包括：
将1mL 1g/mL的氯金酸水溶液加入95mL超纯水中搅拌并加热至微沸，其后加入4mL1g/mL的柠檬酸钠水溶液并保持沸腾，当溶液颜色变为红色后，继续加热5-20min后停止加热，保持搅拌至溶液降至室温，得到金纳米球溶液。
根据本发明的一些具体实施方式，所述表面修饰有第一DNA链段的贵金属纳米粒子的分散液的制备包括：
将过量的带有巯基修饰的第一DNA链段加入到贵金属纳米粒子溶液中进行反应；
向反应后的溶液中加入所述盐溶液进行老化反应，并对老化反应后的混合液进行离心与复溶，即得到所述分散液。
其中，所述盐溶液的浓度优选为300mM。
根据本发明的一些具体实施方式，所述醇溶剂的体积为混合体系总体积的0-40％。
本发明进一步公开了上述温度传感器和/或由上述制备方法制得的温度传感器的一种应用方法，为将其应用于25-55℃内不同温度区间的精确灵敏响应中。
本发明具备以下有益效果：
本发明中修饰有DNA链段的贵金属纳米粒子的溶液呈现出一种肉眼可观察的基础颜色，其后加入互补DNA(com-DNA)，在一定的盐浓度下，基础颜色发生变化使溶液呈现新的颜色，其后在一定温度下，在醇溶剂的作用下，互补的DNA双链发生解链，使溶液恢复基础颜色，该过程可直观地通过比色确定温度范围，不需借助其他特殊设备，且可通过改变醇溶剂的含量调节传感器响应温度区间。
如在本发明的一些具体实施方式中，通过在金纳米棒表面修饰上DNA后形成DNA-AuNR溶液得到基础的蓝绿色，加入与这个表面DNA完全互补的DNA(com-DNA)后，形成dsDNA-AuNR溶液，其在一定的盐浓度下，溶液颜色从蓝绿色变为灰白色，加入醇溶剂后，在一定温度下，互补的双链重新解链，那么溶液则重新恢复为蓝绿色，温度降低后，DNA链重新聚和，溶液再次呈现灰白色，在该过程中，溶液颜色的变化和温度的变化具有直接明确的关联，可得到准确的温度影响。
类似的，在本发明的一些具体实施方式中获得以金纳米球为基础的传感器溶液体系，其溶液颜色会从分散时的红色转变为团聚后的紫色。
在现有技术中，15个碱基以上的DNA的解链需要的温度通常在50℃以上，且一条设计好的双链DNA只具有固定的解链温度，因此只能在一个较高的温度以上出现颜色突变，而不能在一个较低的温度区间内进行有变化的显色。本发明通过加入醇溶剂及盐溶液，在不需要复杂配体分子的修饰下，有效地解决了该问题，实现了对DNA双链解链的温度的调控，使其可应用于精确的温度传感中。
本发明的传感器可随机调控不同的温度响应区间，在20-60℃之间测温时可精确至1℃的差别。
本发明的温度传感器具有极好的生物兼容性，可应用于疾病诊断、药物输送等多个方面。
本发明的温度传感器中醇的含量越高，响应温度越低，因此可在不改变热响应分子的前提下，通过调整醇的含量调节传感器响应温度区间，灵敏性高，可用于开发新型温度计。
附图说明
图1为本发明实施例1中不同醇含量对双链DNA解链温度的影响示意图。
图2为本发明实施例2中表面修饰DNA的金纳米粒子的的反应过程示意图。
图3为本发明实施例2中com-DNA加入量与纳米粒子团聚速率关系图。
图4为本发明实施例2中不同氯化钠溶液浓度下的吸收光谱对比图。
图5为本发明实施例2中不同硝酸钠溶液浓度下的吸收光谱对比图。
图6为本发明实施例2中金纳米棒构建的温度传感器分散状态下的透射电镜图。
图7为本发明实施例2中金纳米棒构建的温度传感器分散状态下的透射电镜图。
图8为本发明实施例2中传感器溶液体系的温度响应变化示意图。
图9为本发明实施例2中传感器溶液体系升温中的温度响应光谱变化图。
图10为本发明实施例2中传感器溶液体系降温中的温度响应光谱变化图。
图11为本发明实施例2中传感器溶液体系的温度响应稳定性示意图。
图12为本发明实施例3中金纳米球构建的温度传感器分散状态下的透射电镜图。
图13为本发明实施例3中金纳米球构建的温度传感器团聚状态下的透射电镜图。
图14为本发明实施例4中对比溶液体系的吸收光谱变化图。
图15为本发明实施例5中传感器溶液体系升温中的温度响应光谱变化图。
图16为本发明实施例5中传感器溶液体系降温中的温度响应光谱变化图。
图17为本发明实施例5中传感器溶液体系的温度响应稳定性示意图。
图18为本发明实施例6中传感器溶液体系的温度响应光谱变化图。
图19为本发明实施例7中凝胶温度传感器的温度响应光谱变化图。
图20为本发明实施例8中凝胶温度传感器的温度响应光谱变化图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
实施例1
测定双链DNA在不同比例醇溶剂中的Tm值：
配置1.5μM的DNA双链分别溶于体积百分比为0、5％、10％、20％、30％、40％的乙醇或异丙醇溶液中，通过RT-qPCR测定溶液中双链DNA的Tm值，所得结果如附图1所示，可以看出，随着乙醇/异丙醇含量的增加，DNA双链的Tm值逐渐降低，并可估计到，当体系中含有25％的异丙醇时，双链的Tm值降低至约35℃左右，则以含有25％异丙醇的传感器溶液体系进行温度调控，所得到的传感器应可在30-35℃范围内对温度进行响应。
实施例2
通过以下步骤制备传感器溶液体系：
(1)合成金纳米棒：
第一步：合成种子液：将5.0mL、0.00050M的HAuCl4加入到5mL、0.20M的CTAB中同时搅拌，加快搅拌速度后迅速加入0.60mL、0.010M的冰NaBH4，溶液变成棕黄色，继续剧烈搅拌种子溶液2min后停止搅拌并保持在25℃。
第二步：配制生长溶液：在25℃下，将1.5mL、0.0040M的AgNO3溶液加入到50mL、0.20M的CTAB中，向混合溶液中加入50mL、0.0010M的HAuCl4，并温和搅拌，随后加入700μL、0.0788M的抗坏血酸，此时溶液颜色由深黄色渐变为无色。
第三步：金纳米棒的生长：在30℃下，向生长液中加入120μL种子液，混匀后静置生长6h，即可得到金纳米棒溶液。
(2)金纳米棒表面修饰DNA：
将过量的带有巯基修饰的DNA加入到金纳米棒溶液中，其中巯基修饰的DNA与金纳米棒粒子的物质的量之比为1000-5000:1，反应8-12h，其后加入300mM氯化钠溶液进行老化反应8-12h，将得到的混合液进行离心，除去上清溶液后加入去离子水复溶，得到表面带有DNA的金纳米粒子溶液，其反应过程如附图2所示,表明带有巯基修饰的DNA通过金硫键结合在了纳米粒子表面。
(3)将浓度为修饰在纳米粒子表面的DNA的浓度的0.01eq(倍)、0.1eq、1eq、1.7eq、2.4eq的com-DNA加入到金纳米粒子溶液中，结果如附图3所示，可以看出，在添加量为1eq以上时，团聚速率达到最大，因此优选1eq的添加量。
(4)在(3)的体系中，分别添加0M、0.238M、0.455M、0.833M、1.428M的氯化钠或硝酸钠,观察其光谱变化及微观情况，其中光谱结果分别如附图4、5所示，由附图4可以看出，在氯化钠含量为0.833M时，光谱强度降低最大，即团聚最明显，且与加1.428M时一致。由附图5可以看出，在硝酸钠含量也是在0.833M时，光谱强度降低最大，因此盐溶液浓度优选为0.833M。微观情况中，金纳棒球构建的温度传感器分散状态如图6所示，团聚后金纳米棒构建的温度传感器的电镜图如图7所示。
(5)向步骤(4)得到的混合液中加入体积百分比为25％的异丙醇，混合均匀，得到传感器溶液体系。
所得传感器溶液体系对温度的响应如附图8所示，当温度降低时，金纳米粒子表面的DNA杂交结合，使得金纳米粒聚集在一起，溶液颜色呈现灰白色，当温度升高时，金纳米粒子表面的DNA解链，使得金纳米粒子重新分散在溶液中，溶液颜色恢复至蓝绿色。
所得到的传感器溶液体系可在30-35℃范围内对温度进行响应，具体响应情况如附图9-11所示。其中，由附图9可以看出，当温度逐渐从30℃升高至35℃时，光谱强度逐渐升高，溶液颜色由灰白色逐渐变为蓝绿色；由附图10可以看出，当温度从35℃逐渐降温至30℃时，光谱强度逐渐降低，溶液颜色由蓝绿色逐渐变为灰白色。对反应体系温度响应稳定性进行验证，即将体系在30℃下保持5min后测定其光谱，随后升温至35℃保持5min后测定其光谱，如此多次往复循环测定其光谱变化，结果如附图11所示，可以看出，金纳米棒构建的温度响应传感器也可在30℃和35℃下稳定响应温度20次以上，由此说明由金纳米棒构建的温度响应传感器该反应体系具有良好的温度响应稳定性。
实施例3
通过与实施例2相同的过程制备传感器溶液体系，所不同之处仅在于步骤(1)为如下的合成金纳米球过程：
将1g氯金酸溶于100mL超纯水得到的氯金酸水溶液，取1mL加入到95mL超纯水中搅拌并加热至微沸，其后加入4mL由1g柠檬酸钠溶于100mL超纯水得到的1wt％的柠檬酸钠溶液，并保持沸腾，当溶液颜色变为红色后，继续加热5-20min后停止加热，保持搅拌至溶液降至室温，得到金纳米球溶液。金纳米球构建的温度传感器分散状态如图12所示，团聚后金纳米球构建的温度传感器的电镜图如图13。
实施例4
通过与实施例2相同的过程但未加入醇得到的混合体系作为对比溶液体系。将该对比溶液体系在30-35℃下进行吸收光谱对比，其结果如附图14所示，可以看出在没有醇存在的体系中，即使温度始终保持在35℃，660nm处的吸收峰逐渐消失且光谱强度逐渐下降，即并未随着温度升高至35℃而使峰值恢复。
实施例5
通过实施例2的过程制备的金纳米棒传感器溶液体系，调整反应体系中异丙醇的体积百分含量为10％，在35-40℃下对所得传感器溶液体系进行吸光光谱测定，其结果如附图15-16所示。由图附图15可以看出，当温度逐渐从35℃升高至40℃时，光谱强度逐渐升高，溶液颜色由灰白色逐渐变为蓝绿色；附图16而当温度从40℃逐渐降温至35℃时，光谱强度逐渐降低，溶液颜色由蓝绿色逐渐变为灰白色。对反应体系温度响应稳定性进行验证，结果如附图17所示，结果表明金纳米棒构建的温度响应传感器也可在35℃和40℃下稳定响应温度20次以上，由此说明由金纳米棒构建的温度响应传感器该反应体系具有良好的温度响应稳定性。
实施例6
通过实施例3的过程制备传感器溶液体系，调整反应体系中异丙醇的体积百分含量为10％，在35-40℃下对所得传感器溶液体系进行吸光光谱测定，其结果如附图18所示，随着温度从35℃降低至30℃，光谱峰值逐渐从525nm处偏移至550nm处，伴随着光谱强度的降低；随着温度从30℃升高至35℃，光谱峰值逐渐从550nm处偏移至525nm处，并伴随着光谱强度的升高。结果表明含有10％异丙醇的金纳米球温度响应传感器可达到与金纳米棒温度响应传感器一样的效果，可在35℃和40℃下稳定响应，且伴随着溶液颜色红和紫的变化，具有良好的温度响应稳定性。
实施例7
构建固体凝胶温度传感器：
配置4wt％的琼脂糖凝胶，即称取4g琼脂糖粉溶于100mL的超纯水中，微波加热溶解后放置于45℃水浴，待用。
将通过实施例2的过程、调整其中的醇为体积百分含量为25％的异丙醇制备得到的传感器溶液体系与所得4wt％的琼脂糖凝胶液按体积比1：1在45℃下混合均匀，冷却得到固体温度传感器。
在30-35℃下，测试固体传感器的吸收光谱，如附图19所示，可以看出在30℃和35℃下仍产生了明显的光谱偏移，且伴随着固体颜色红和紫的变化，说明构建的固体温度传感器仍可灵敏的响应温度的变化。
实施例8
通过实施例6的过程制备固体温度传感器，调整其中的传感器溶液体系中的异丙醇为乙醇，同样与4wt％的琼脂糖凝胶混合固定。
在30-35℃下，测试固体传感器的吸收光谱，如附图20所示，可以看出在30℃和35℃下仍产生了明显的光谱偏移，且伴随着固体颜色红和紫的变化，说明构建的固体温度传感器仍可灵敏的响应温度的变化。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于贵金属纳米粒子的温度传感器，其特征在于：其包括表面修饰有第一DNA链段的贵金属纳米粒子，与所述第一DNA链段互补的第二DNA链段、醇溶剂及盐溶液，其中，所述第一DNA链段与所述贵金属纳米粒子的物质的量的比为1000-5000:1，所述第二DNA链段的物质的量为第一DNA链段的物质的量的1-2.4倍。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：其还包括固定凝胶，所述固定凝胶选自琼脂糖凝胶。
3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述盐溶液选自氯化钠和/或硝酸钠的水溶液中的一种或多种；和/或所述贵金属纳米粒子选自金的不同形貌的纳米粒子中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于：所述氯化钠和/或硝酸钠的水溶液的浓度为0.833M。
5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述醇溶剂选自乙醇和/或异丙醇。
6.权利要求1-5中任一项所述的温度传感器的制备方法，其特征在于：包括：
获得表面修饰有第一DNA链段的贵金属纳米粒子的分散液；
将所述第二DNA链段、所述醇溶剂及所述盐溶液加入所述分散液中，得到所述温度传感器；
其中，所述第二DNA链段的物质的量为第一DNA链段的物质的量的1-2.4倍。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述贵金属纳米粒子的制备包括：
通过含有十六烷基三甲基溴化铵的第一氯金酸水溶液与冰硼氢化钠反应合成种子液；
将硝酸银加入含有十六烷基三甲基溴化铵的第二氯金酸水溶液中，并加入抗坏血酸，得到生长液；
向所述生长液中加入所述种子液，静置反应得到棒状金纳米粒子；
其中，所述第二氯金酸水溶液的浓度为所述第一氯金酸水溶液浓度的1.5-2.5倍；
或，所述贵金属纳米粒子的制备包括：
向氯金酸水溶液中加入柠檬酸钠，在沸腾状态下反应后得到球状金纳米粒子。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述表面修饰有第一DNA链段的贵金属纳米粒子的分散液的获得包括：
通过氯金酸溶液与柠檬酸钠溶液反应得到金纳米粒子溶液；
将过量的带有巯基修饰的DNA链段加入到所述金纳米粒子溶液中进行反应；
向反应后的溶液中加入所述盐溶液进行老化反应，并对老化反应后的混合液进行离心与复溶，即得到所述分散液。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述氯金酸溶液的体积与所述柠檬酸钠溶液的体积的比为1:3-5；和/或所述巯基修饰的DNA链段与所述金纳米粒子的物质的量之比100-10000:1；和/或所述醇溶剂的体积为传感器溶液体系总体积的0-40％。
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