CN112760096B - 一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法及应用，以不同配体修饰的碲化镉量子点为传感元件，利用荧光信号差异的互补特性构建了荧光传感器阵列。该传感器能对己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸5种有机羧酸进行准确地定性判别与定量分析，并被广泛用于富含有机羧酸样品的在线识别监测。本发明基于四种不同配体修饰的碲化镉量子点开发的量子点传感阵列对有机酸的识别与定量分析能力强；响应速度快。相比于传统以多种有机染料组建的阵列传感器，该阵列传感具有操作简便、成本低廉、快速高效且容易实现在线可视化检测。该荧光传感器对其他富含有机羧酸的多组分复杂样品(如白酒)的鉴别具有实际的应用价值。

Description

一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法及 应用

技术领域

本发明涉及金属量子点传感阵列，具体涉及一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法及应用，能用于己酸、乙酸、乳酸、丁酸和庚酸的定性定量分析。属于纳米技术与食品检测领域。

背景技术

食品中有机酸是一类重要的风味物质，食品中的有机酸主要来源于食品原材料、发酵过程产生以及生产加工过程中的添加，其中有机酸的种类与含量对食品的风味于功效具有很大的影响。例如有机酸作为白酒最重要的味感剂，在各种白酒中都起着举足轻重的作用。酒中的短链有机酸主要有乙酸、乳酸、丁酸、庚酸及己酸，乙酸具有帮助消化、杀菌抗病毒，降血脂等功效；乳酸是人体必需的有机酸，能防止细胞老化，同时具有杀菌抗病毒等作用；丁酸具有抑制肿瘤细胞的生长与繁殖等作用。酸的种类及其比例对白酒的酒体和风格具有决定性作用。因此对食品中有机酸的种类与含量进行判别分析对食品品质检测具有重要意义。传统对食品中有机酸的检测多数为色谱法，仪器检测方法对复杂机制中有机酸的识别能力强，检测灵敏度高等优点，但仪器方法存在操作复杂，成本高等局限性。因此亟需开发一种快速、准确、高效的食品中有机酸检测方法。

光学传感器阵列是一种基于多通道颜色或荧光变化对复杂混合物进行识别的简单而快速的方法。荧光和比色化学传感器阵列由于具有响应范围广、灵敏度高等特点，与传统的单点响应模式相比，阵列传感提供了更丰富的响应信号，提高了检测的特异性，因此可以用于食品这种多组分复杂体系的检测。与传统有机荧光染料分子相比，量子点具有光学稳定性好、量子产率高、荧光寿命长等优良的光电特性，在生物化学传感领域得到了广泛的研究。通过调节纳米粒子的组成、尺寸和表面配体结构，容易实现量子点不同的光电特性，这为构建传感器阵列提供了一种扩展策略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于四种不同配体修饰的碲化镉量子点组建量子点荧光传感阵列的设计方法，该阵列制作简便，并能用于5种不同的有机羧酸的定性判别与定量分析。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法，具体步骤如下：

(1)将氯化镉和含巯基的配体溶于超纯水中(氯化镉：配体的摩尔质量比为1：1)，在室温下搅拌15分钟。根据不同的配体用氢氧化钠溶液或者盐酸溶液将pH调节至不同值(N-乙酰-L-半胱氨酸、巯基乙酸、谷胱甘肽、巯基乙胺配体分别为9.70,11.00,10.00,5.50)，在氮气氛围下搅拌15分钟。加入亚碲酸钠，氯化镉：亚碲酸钠的摩尔质量比为1：0.2，再加入硼氢化钠，氯化镉：硼氢化钠的摩尔质量比为3：4，通氮气搅拌10分钟。最后将搅拌后的溶液放入100℃油浴中搅拌反应至量子点溶液荧光呈现橙黄色或黄绿色。冷却至室温，量子点溶液与无水乙醇以体积比1:3加入乙醇，静置30分钟后，8000rpm转速下离心15分钟后洗涤，将沉淀溶于无水乙醇，重复三次离心纯化后冷藏备用，三次无水乙醇用量相同。

(2)用乙醇配置0.1mmol/L-0.8mmol/L的己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸五种有机酸，取10μL配置好的有机酸样品在加入990μL稀释100倍的量子点溶液后，量子点溶液处于荧光猝灭的状态，混匀静置10分钟后测量其荧光强度。不同有机酸的加入使得量子点荧光强度不同程度地降低。分别测试记录不同量子点与不同有机酸响应的光谱数据，每个样品平行测量6次，并且每次采集3组荧光光谱数据。

(3)以不同的量子点作为传感元件，建立多通道荧光传阵列感器。

进一步地，所述步骤(2)中荧光光谱测定条件均为发射波长测量范围为500-650nm，激发波长为340nm，激发波长和发射波长的狭缝为10nm。

进一步地，所述阵列传感器中每个通道中的量子点浓度均相同。

本发明还提供了一种基于碲化镉量子点荧光阵列传感器在己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸的定性判别与定量分析方面的应用。

进一步地，所述己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸的浓度范围为10μmol/L-80μmol/L。

进一步地，将阵列传感器的每一个通道中平行添加待测样品进行反应，反应后，在激发波长为340nm的条件下测量荧光强度，实现对有机酸样品种类的判别，通过偏最小二乘回归法，对荧光全光谱进行分析，从而对五种酸进行定量分析。

进一步地，每一个反应中平行添加有机酸样品进行反应的条件为室温反应10分钟。

与现有传感方法相比，本发明的所述的方法的优点和有益效果是：

本发明开发的水溶性量子点合成过程简便，制作成本低廉。基于四种不同配体修饰的碲化镉量子点开发的量子点传感阵列对有机酸的识别与定量分析能力强；响应速度快。相比于传统以多种有机染料组建的阵列传感器，该阵列传感具有操作简便、成本低廉、快速高效且容易实现在线可视化检测。该荧光传感器对其他富含有机羧酸的多组分复杂样品(如白酒)的鉴别具有实际的应用价值。

附图说明

图1为本发明基于碲化镉量子点传感阵列的设计及其应用的方法流程图。

图2为量子点阵列对5种不同有机酸线性判别分析图。

图3(A)-图3(E)为基于PLSR模型中酸和量子点的响应荧光光谱的实际酸浓度和预测酸浓度的相关图。(A)己酸；(B)乳酸；(C)乙酸；(D)丁酸；(E)庚酸。

图4为不同量子点和30种白酒的响应得到的荧光响应模式F/F0(F0和F分别为白酒加入前后量子点溶液的荧光强度)。

图5为量子点传感器阵列的可变信息提取过程示意图。

图6为量子点阵列对12种不同香型代表性白酒产品线性判别分析图。

图7(A)和7(B)为量子点阵列对30种品牌白酒产品的线性判别分析图，(图7(B)为图7(A)中B部分的放大图像)。

图8为量子点阵列对3种不同泸州老窖窖龄酒产品线性判别分析图。

图9为量子点阵列对6种不同年份的泸州老窖白酒产品线性判别分析图。

具体实施方式

下面申请人将结合具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明，但本发明并不限制于以上实施例。下面以不同商业白酒(不同香型、品牌、品质、年份)鉴别为实施例，结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

实施例：

实施例中所使用的化学试剂和溶剂均为分析纯。所述搅拌采用磁力搅拌器搅拌方式。所述传感阵列每列的量子点浓度均相同，其浓度由量子点产率决定。荧光光谱测定条件均为发射波长500-650nm，激发波长为340nm，在荧光分光度的检测条件为激发电压400V，激发波长和发射波长的狭缝为10nm，测试在1×1cm比色皿中完成。

本发明旨在开发一种基于量子点传感阵列快速准确识别商业白酒的方法，包括以下实施步骤，如图1所示。

(1)不同配体修饰的碲化镉量子点的制备：

将氯化镉(0.1650g，0.9mmol)和巯基配体(0.9mmol)溶于300mL超纯水中，在室温下搅拌15分钟，后用1mol/L氢氧化钠溶液将溶液pH调节至对应值(N-乙酰-L-半胱氨酸、巯基乙酸、谷胱甘肽、巯基乙胺配体分别为9.70,11.00,10.00,5.50)，而后在氮气氛围下搅拌15分钟。采用稳定的亚碲酸钠为碲源，加入亚碲酸钠(0.0399g,0.18mmol)，再加入硼氢化钠(0.0540g,1.2mmol)，搅拌10分钟。最后将此溶液放入油浴中按照表1中的条件反应。冷却至室温，得到NAC@CdTe量子点荧光探针。不同的配体量子点溶液按照相同的摩尔质量比例(氯化镉：配体：亚碲酸钠＝1：1：0.2)，由表1的合成条件获得。

碲化镉量子点溶液的纯化：合成的量子点溶液冷却至室温，量子点溶液与无水乙醇以体积比1:3向量子点溶液加入乙醇，静置30分钟后，8000rpm转速下离心15分钟后洗涤，将沉淀溶于无水乙醇，重复三次离心纯化后4℃冷藏备用，三次无水乙醇用量相同。

表1 不同配体修饰的碲化镉量子点合成条件

QDs	NAC@CdTe	TGA@CdTe	MA@CdTe	GSH@CdTe
					pH	9.70	11.00	5.50	10.00
T/℃	100	100	100	90
					t/h	2	6	2	6
Apex/nm	586	550	562	577

(2)碲化镉量子点传感阵列的设计构建。以不同配体修饰水溶性碲化镉量子点为荧光传感元件，组建一个多通道阵列传感器。反应在常温下进行，具体的加样顺序为990uL稀释后的量子点溶液+10uL有机酸，乙醇作为对照。荧光光谱通过测试1×1cm比色皿中量子点溶液荧光强度获得。

上述基于量子点荧光猝灭的多通道阵列传感器用于鉴别有机酸样品等方面的应用，应用方法为：将该阵列传感器的每个通道平行添加有机酸样品进行反应，每一个通道中平行添加有机酸样品进行反应，反应的条件通常为室温混合反应10分钟(每一列为一种量子点溶液，每一行添加平行添加不同的有机酸)，测试空白量子点溶液的荧光强度与加入有机酸后量子点溶液的荧光强度。引入化学计量学线性判别分析(LDA)提取荧光光谱特征信息，实现对有机酸样品种类的判别。另外通过添加不同浓度的有机酸样品，测试获得其光谱信息后，实现对有机酸样品的准确判别(图2)，测试四种量子点与5种有机酸的响应。实验平行重复6次，每次记录三组荧光光谱数据，最后获得18组荧光光谱数据。刀切法交叉验证判别准确率为100％，见表2。借助偏最小二乘回归法，对所述荧光全光谱进行分析，从而对己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸5种酸进行定量分析，如图3(A)-图3(E)所示。所述待测样品中的5种有机酸的浓度均需要稀释到为10μmol/L-80μmol/L。

表2 5种有机酸刀切分类判别矩阵

所述量子点阵列传感器中每个通道的碲化镉量子点浓度均相同，其浓度由量子点荧光量子产率决定，荧光分光度的检测条件为激发电压400V，激发波长和发射波长的狭缝为10nm，测试在1×1cm比色皿中完成。此时量子点原始荧光强度约为1600-2000。

(3)不同白酒对4种量子点溶液的荧光响应测试：

有机酸是白酒最重要的味感剂，白酒中的短链有机酸主要有乙酸、己酸、乳酸、丁酸及庚酸等，酸的种类及其比例对白酒的酒体和风格具有决定性作用。通过步骤1获得的酸敏量子点，构建量子点荧光传感器阵列其用于白酒的测试识别。取10uL量子点溶液稀释100倍至各个量子点发射波长处荧光强度为1600至2000左右，此为原始荧光强度F0。白酒样品用52％酒精稀释10倍后作为测试样品，取10uL白酒测试样品加入至990uL稀释后的量子点溶液中混匀，10分钟后测试其荧光强度并记录光谱数据。依次加入不同的白酒，按照以上方法测试对应的荧光光谱。

然后按照同样的方法，测试另外三种量子点与白酒的响应。以上实验重复六次，每次记录三组荧光光谱数据，最后的光谱数据为18次数据的平均值。量子点溶液在加入不同白酒之后，荧光强度伴随着不同程度的降低。

以加入白酒后量子点的荧光强度(F)与各个量子点在发射波长处的原始荧光强度(F0)的比值为纵坐标，以不同的白酒为横坐标，得到不同量子点和30种白酒的响应得到的荧光响应模式，如图4所示，每个白酒样品都有一个独特的荧光标签。

本实施例中选取30种代表性商业白酒和6种年份酒为测试样品(表3和表4)。

表3 30种商业白酒样品的详细信息

表4 6种不同贮存年份白酒的详细情况

(3)量子点荧光传感阵列的构建：

基于不同配体的量子点与白酒的交叉反应和响应信息互补特性，以量子点作为传感元件，建立荧光传感器阵列，检测记录在加入不同白酒样品后各个通道量子点溶液的荧光强度，实验独立重复6次。

(4)不同香型、品牌、品质、年份白酒的识别：

将训练矩阵(4个量子点×样本数×18个重复)转换为标准分数，荧光峰值通过SYSTAT13.2用LDA进行分析。如图5所示，进一步分析量子点传感阵列矩阵数据得到相应的白酒产品线性判别分析图。图6为量子点阵列对不同香型白酒(浓香型、清香型、酱香型、兼香型、米香型、凤香型、芝麻香型、豉香型、特香型、药香型、老白干香型、馥郁香型)响应得到的线性判别分析图，横纵坐标表示因子贡献率。

表5 不同香型白酒刀切分类判别矩阵

如表5所示，阵列对不同香型白酒识别的判别正确率100％。图7(A)和图7(B)表示对不同品牌白酒(泸州老窖、水井坊、剑南春、五粮液、古井贡酒、洋河、汾酒、天佑德青稞、宝丰莲花尊、牛栏山二锅头、红星二锅头、江小白、茅台、郎酒、口子窖、白云边、桂林三花、西凤、景芝、玉冰烧、四特、董酒、老白干、酒鬼)分析得到的线性判别分析图，(图7(B)为图7(A)中B部分的放大图像)。

表6 不同品牌商业白酒刀切分类判别矩阵

如表6所示，白酒样品L12(洋河微分子)被误判到L11(洋河梦之蓝)中，其它刀切法交叉判别准确率均为100％，阵列识别不同品牌白酒获得的总判别准确率为99.8％。

表7 百年泸州老窖不同窖龄酒刀切分类判别矩阵

	LZ-30Y	LZ-60Y	LZ-90Y	准确率％
					LZ-30Y	18	0	0	100
LZ-60Y	0	18	0	100
					LZ-90Y	0	0	18	100
Total	18	18	18	100

量子点阵列识别不同品质(百年泸州老窖窖龄酒30年、60年、90年)白酒获得的线性判别分析图如图8所示，3种窖龄酒可以被很好的区分开，如表7所示，判别正确率为100％。

表8 泸州老窖不同年份酒刀切分类判别矩阵

	3Y	4Y	5Y	7Y	9Y	12Y	准确率％
								3Y	18	0	0	0	0	0	100
4Y	0	18	0	0	0	0	100
								5Y	0	0	18	0	0	0	100
7Y	0	0	0	18	0	0	100
								9Y	0	0	0	0	18	0	100
12Y	0	0	0	0	0	18	100
								总计	18	18	18	18	18	18	100

阵列识别不同品质不同年份白酒(泸州老窖年份酒3年、4年、5年、7年、9年、12年)的线性判别分析图如图9所示。不同储藏年份的白酒都能够按储藏时间被区分开，刀切法交叉判别正确率100％，见表8。以上说明本发明提供的荧光传感阵列能对中国白酒进行准确地判别分析。

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 (8)

1.一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）将氯化镉和含巯基的配体溶于超纯水中，其中氯化镉：配体的摩尔质量比为1：1，在室温下搅拌15分钟；根据不同的配体用氢氧化钠溶液或者盐酸溶液将pH调节至不同值，在氮气氛围下搅拌15分钟；加入亚碲酸钠，氯化镉：亚碲酸钠的摩尔质量比为1：0.2，再加入硼氢化钠，氯化镉：硼氢化钠的摩尔质量比为3：4，通氮气搅拌10分钟；最后将搅拌后的溶液放入100℃油浴中搅拌反应至量子点溶液荧光呈现橙黄色或黄绿色；冷却至室温，量子点溶液与无水乙醇以体积比1:3加入乙醇，静置30分钟后，8000 rpm转速下离心15分钟后洗涤，将沉淀溶于无水乙醇，重复三次离心纯化后冷藏备用，三次无水乙醇用量相同；

（2）用乙醇配置0.1 mmol/L-0.8 mmol/L的己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸五种有机酸，取10 μL配置好的有机酸样品在加入990 μL稀释100倍的量子点溶液后，量子点溶液处于荧光猝灭的状态，混匀静置10分钟后测量其荧光强度；不同有机酸的加入使得量子点荧光强度不同程度地降低；分别测试记录不同量子点与不同有机酸响应的光谱数据，每个样品平行测量6次，并且每次采集3组荧光光谱数据；

（3）以不同的量子点作为传感元件，建立多通道荧光传阵列感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法，其特征在于，所述配体选自N-乙酰-L-半胱氨酸、巯基乙酸、谷胱甘肽和巯基乙胺，pH分别为9.70, 11.00, 10.00, 5.50。

3.根据权利要求1所述的一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法，其特征在于，所述步骤（2）中荧光光谱测定条件均为发射波长测量范围为500-650 nm，激发波长为340 nm，激发波长和发射波长的狭缝为10 nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器的设计方法，其特征在于，所述阵列传感器中每个通道中的量子点浓度均相同。

5.一种基于权利要求1所述的方法设计的基于碲化镉量子点荧光猝灭阵列传感器在己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸的定性判别与定量分析方面的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述己酸、乙酸、乳酸、丁酸、庚酸的浓度范围为10 μmol/L-80 μmol/L。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，将阵列传感器的每一个通道中平行添加待测样品进行反应，反应后，在激发波长为340 nm的条件下测量荧光强度，实现对有机酸样品种类的判别，通过偏最小二乘回归法，对荧光全光谱进行分析，从而对五种酸进行定量分析。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，每一个反应中平行添加有机酸样品进行反应的条件为室温反应10分钟。

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