CN113218923B - 一种碳量子点比率荧光传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种碳量子点比率荧光传感器及其制备方法和应用，该传感器由以下方法制得：四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸溶解于超纯水，四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸的摩尔比介于1:250到1:5，随后将溶液加入到高压反应釜中进行水热反应，反应温度不低于180℃，时间不少于6小时，最后在纯水中透析去除未参与反应的碳源和氮源，既得碳量子点比率荧光传感器。本发明得到的碳量子点，具有良好的光稳定性和生物相容性，此外还具备良好的pH稳定性，适用于环境样本、饮用水以及生物样本中的铜离子检测，具有良好的应用前景。

Description

一种碳量子点比率荧光传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于比率荧光传感器领域，具体涉及一种铜离子检测用碳量子点比率荧光传感器及其制备方法和应用。
背景技术
铜元素广泛存在于自然界中。在人体内，低浓度的二价铜离子参与多个生命过程，如生物催化反应酶的辅酶、生物运输和生物合成等。然而，当人体内铜离子浓度高于1微摩尔每升（μmol/L）时，则会导致一些必需酶的活性被抑制，生物氧化/还原过程异常，并损害神经系统。我国生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）所规定的铜离子含量上限为15.7 μmol/L。因此，实现饮用水及生理环境中铜离子的高灵敏检测，具有重要意义。
目前常用的铜离子浓度的检测手段主要分为直接法和间接法两类。其中，直接法利用铜离子本身的物理、化学性质对其进行检测，包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法和离子选择性电极法；而间接法则利用铜离子和指示剂（如分子探针）之间的特异性化学反应或超分子作用产生的信号变化实现铜离子的定量分析，包括传统的铜离子指示剂以及荧光传感器。荧光传感器因其高灵敏度、信号直观、操作便捷等优势，近年来成为开发热点。其中，比率荧光探针以相同条件下测定的荧光强度之比作为输出信号，能够有效降低各种环境因素干扰，进一步提高检测的灵敏度和准确性。
目前，比率荧光传感器通常采用多种荧光团（如有机荧光染料、量子点、金/银纳米簇、上转换发光材料等）混合或组装的方法实现多波长荧光的整合，然而具有制备过程复杂、多色荧光团之间存在电子/能量相互作用等劣势，且通常出现不同批次传感器之间的荧光比率差异。通过在纳米荧光材料中掺杂荧光微扰元素引入新的能级，可制备出双波长发射的纳米荧光材料，如Mn或Cu掺杂的ZnS量子点。进一步通过电子转移机制调控双波长荧光强度比，实现金属离子或有机磷的比率荧光检测。碳量子点是一种优良的荧光团，具有良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低好等诸多优点。自碳量子点被首次发现以来，研究者开发出一系列合成方法，并在医学成像、环境监测、化学分析、发光器件、能源开发等领域都取得了广泛应用。目前，将单色碳量子点与其他荧光团组装构建比率荧光传感器已被成功应用于铜离子检测，而合成比率荧光碳量子点并将其用于检测铜离子还未见报道。
发明内容
解决的技术问题：针对目前比率荧光传感器构建技术中的问题，本发明提供了一种碳量子点比率荧光传感器及其制备方法和应用。
技术方案：一种碳量子点比率荧光传感器的制备方法，四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸溶解于超纯水，四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸的摩尔比介于1:250到1:5，随后将溶液加入到高压反应釜中进行水热反应，反应温度不低于180℃，时间不少于6小时，最后在纯水中透析去除未参与反应的碳源和氮源，既得碳量子点比率荧光传感器。
优选的，上述选用四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸的摩尔比为1:50，反应温度为200℃，时间为8小时。
上述制备方法制得的碳量子点比率荧光传感器。
上述碳量子点比率荧光传感器在铜离子检测中的应用。
应用具体方法为：标准曲线的绘制：固定碳量子点浓度为0.1 mg/mL，将不同浓度的铜离子加入到碳量子点溶液中，并测量碳量子点于515 nm和680 nm处的荧光强度，并计算红/绿荧光强度比，以相对荧光强度比值作为纵坐标（y），铜离子浓度作为横坐标（x）绘制标准曲线，获取回归方程y=ax+b；未知水样中的铜离子检测：将未知水样加入到量子点比率荧光传感器溶液中，测量碳量子点荧光光谱，计算红色荧光和绿色荧光强度比，将其作为y值带入到上述标准曲线中，计算得到对应的x值即未知样品中的铜离子浓度。
有益效果：本发明使用柠檬酸和四苯基卟啉四磺酸作为碳源和氮源，通过水热法制备碳量子点，成本低廉，工艺简单，重现性好。本发明得到的碳量子点具有绿色和红色双波长发光的性质，其中绿色荧光源于碳核，而红色荧光则来源于量子点表面未完全碳化的四苯基卟啉四磺酸导致的缺陷态发光。同时，未完全碳化的四苯基卟啉四磺酸具有络合铜离子的能力，通过电子转移机制，猝灭碳量子点的缺陷态发光，而碳核发光不受影响。因此无需整合其他种类的荧光团，该碳量子点即具备比率荧光检测铜离子的性能。本发明得到的铜离子检测用比率荧光碳量子点仅对铜离子具有比率荧光响应，除此之外，钾离子、钙离子、铝离子、钠离子、镍离子、钴离子及其他种类的重金属离子均不能导致传感器出现荧光变化；三价铁离子能够导致红/绿荧光被同时猝灭，但猝灭后红绿荧光强度比仍为2.2:1，因此，以红/绿荧光比率变化作为检测输出信号，可有效提高传感器抗干扰能力，提高铜离子检测特异性。本发明得到的碳量子点，具有良好的光稳定性和生物相容性，此外还具备良好的pH稳定性，适用于环境样本、饮用水以及生物样本中的铜离子检测，具有良好的应用前景。
附图说明
图1表示碳量子点比率荧光传感器的制备过程。
图2表示碳量子点比率荧光传感器的光学性质。a为吸收光谱； b为发射光谱。
图3表示比率荧光传感器对不同浓度铜离子的荧光响应。a为传感器的荧光光谱；b表示比率荧光传感器对铜离子的响应标准曲线，其中荧光比率表示碳量子点红/绿荧光强度比。
图4表示碳量子点比率荧光传感器对铜离子和其他离子红/绿荧光强度和红/绿荧光强度比。
具体实施方式
实施例1
本发明所述的铜离子检测用碳量子点比率荧光传感器通过水热法制备。四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸按摩尔比1:50溶解于超纯水，随后将溶液转移至高压反应釜中进行水热反应，水热反应温度为200℃，时间为8小时，最后在纯水中透析去除未参与反应的碳源和氮源，获得具有绿色和红色双发射性质的碳量子点比率荧光传感器。所获得碳量子点的红/绿荧光强度比随四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸摩尔比增加而上升。在此条件下所制备传感器的红/绿荧光强度比为2.2:1，铜离子添加后其强度比为0.17:1，荧光比值和传感器发光颜色变化幅度最大。
配制浓度为0.1 mg/mL的碳量子点溶液，并将其用于铜离子检测。将同体积不同浓度的铜离子溶液加入到传感器溶液中，碳量子点表面未完全碳化的四苯基卟啉四磺酸分子与铜离子发生快速络合，并通过电子转移机制，碳量子点的红色荧光被猝灭。分别测量不同铜离子浓度下碳量子点比率荧光传感器的红色与绿色荧光强度，并计算二者的比值，以红/绿荧光强度比作为纵坐标，铜离子浓度作为横坐标绘制标准曲线，计算得到铜离子检测的检测限和线性范围。本案例中，铜离子的浓度范围为0～1 μmol/L。
如图3：a所示，碳量子点比率荧光传感器的初始红/绿荧光强度比为2.2:1。随着铜离子浓度不断提高，碳量子点绿色荧光保持恒定，而红色荧光逐渐被猝灭。当铜离子的浓度达到0.5 μmol/L时，红/绿荧光强度比已经下降至0.25:1，如图3：b所示。经过计算，我们得到该碳量子点比率荧光传感器的检测限为37 pmol/L，远低于我国生活饮用水卫生标准中所允许的铜离子含量15.7 μmol/L。
实施例2
本实施例中，碳量子点比率荧光传感器的制备工艺同实施例1，其浓度为0.1 mg/mL，将同体积的不同离子溶液加入到量子点溶液中，其中，K+，Na+，Li+，Ca2+，Mg2+，Fe2+，Co2+，Ba2+，Zn2+，Ni2+，Al3+,Cu2+离子的浓度均为2 μmol/L，Cd2+，Ag+，Hg2+，Pb2+，Fe3+的浓度为0.5 μmol/L。测量碳量子点比率荧光传感器的红/绿荧光强度，并计算红/绿荧光强度比。如图4所示，除Cu2+和Fe3+之外，碳量子点比率荧光传感器的红/绿荧光均未发生明显变化。Cu2+可导致传感器红色荧光发生猝灭，而无法影响其绿色荧光；Fe3+可导致双波长荧光同时发生猝灭。然而，通过计算红/绿荧光强度比发现，加入Fe3+的碳量子点的荧光比率仍为2.2:1。因此，以荧光比率为检测信号，该传感器可排除Fe3+的干扰，具有很好的选择性。
实施例3
本实施例中，碳量子点比率荧光传感器被用于检测实际环境样品中的Cu2+检测。传感器制备工艺同实施例1中所述，所使用实际环境样品为自来水和湖水，其中自来水被直接分析，湖水经过滤后分析；碳量子点比率荧光的浓度为0.1 mg/mL。将未知浓度的待测样品与传感器溶液等体积混合，随后测量碳量子点比率荧光传感器的荧光光谱，计算红/绿荧光强度比，并将计算结果代入到实施例1中所得标准曲线中，获得实际样品中的铜离子浓度。经过与原子吸收法测得的样品铜离子浓度相比，碳量子点比率荧光传感器具有较高的准确性，适用于实际环境样品中的铜离子含量分析。
实施例4
本实施例中，按照实施例1中所述工艺制备的碳量子点比率荧光传感器被用于检测生物样本中的Cu2+检测。所使用生物样本为添加不同浓度铜离子的胎牛血清；碳量子点比率荧光传感器的浓度为0.1 mg/mL。按照实施例3中的操作步骤，检测血清中的铜离子含量。经计算，生物样本中铜离子检测的添加回收率为97.3%-103.4%。因此，本发明适用于生物样本中的铜离子检测用，具有操作简单、低成本和准确率高等优点。
实施例5
本实施例中，碳量子点比率荧光传感器被用于活细胞中Cu2+成像。传感器制备工艺同实施例1中所述。HeLa细胞培养于补充10%胎牛血清的DMEM培养基中，预先经过比率荧光传感器处理，所使用传感器浓度为0.1 mg/mL，处理时间为1小时。传感器被HeLa细胞内吞后，将培养介质替换为含有不同浓度Cu2+的培养基，继续培养4小时候，使用激光共聚焦荧光显微镜观察细胞内传感器的红绿荧光通道的强度，并拍摄荧光照片。随培养基中Cu2+浓度从0上升至1000 nM，细胞质内绿色荧光保持恒定，红色荧光被逐渐猝灭。与对照组细胞相比，红色通道荧光最大可被猝灭之初始红色荧光强度的13%。得益于其优异的灵敏性、特异性和抗干扰性，该比率荧光传感器可成功用于活细胞内Cu2+的原位成像。

Claims (5)

1.一种碳量子点比率荧光传感器的制备方法，其特征在于，四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸溶解于超纯水，四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸的摩尔比介于1:250到1:5，随后将溶液加入到高压反应釜中进行水热反应，反应温度不低于180℃，时间不少于6小时，最后在纯水中透析去除未参与反应的碳源和氮源，既得碳量子点比率荧光传感器。
2.根据权利要求1所述碳量子点比率荧光传感器的制备方法，其特征在于，所选用四苯基卟啉四磺酸和柠檬酸的摩尔比为1:50，反应温度为200℃，时间为8小时。
3.权利要求1或2所述制备方法制得的碳量子点比率荧光传感器。
4.权利要求3所述碳量子点比率荧光传感器在铜离子检测中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，标准曲线的绘制：固定碳量子点浓度为0.1mg/mL，将不同浓度的铜离子加入到碳量子点溶液中，并测量碳量子点于515 nm和680 nm处的荧光强度，并计算红/绿荧光强度比，以相对荧光强度比值作为纵坐标（y），铜离子浓度作为横坐标（x）绘制标准曲线，获取回归方程y=ax+b；未知水样中的铜离子检测：将未知水样加入到量子点比率荧光传感器溶液中，测量碳量子点荧光光谱，计算红色荧光和绿色荧光强度比，将其作为y值带入到上述标准曲线中，计算得到对应的x值即未知样品中的铜离子浓度。
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