CN114085666A - 一种寡肽保护的金团簇组装材料的制备方法及其在检测三价铁离子中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种寡肽保护的金团簇组装材料的制备方法及其在检测三价铁离子中的应用，采用热还原法合成了水溶性的荧光金纳米团簇，并利用二硫苏糖醇实现团簇的组装和荧光增强。本方法操作方便、合成工艺简单、能有效的实现产物形貌的均一和尺寸的单分散，同时本发明组装材料可以实现三价铁离子的可视化检测，检测灵敏。
Description
技术领域
本发明属于荧光纳米材料领域，具体涉及一种寡肽保护的金团簇组装材料的制备方法及 其在检测三价铁离子中的应用。
背景技术
由几个到几百个原子组成的金属纳米团簇，是连接分子和大块金属电子结构的一种重要 材料。超小的尺寸(通常小于2nm)使得团簇具有一些独特的性质，如光致发光，本征磁性 以及催化性能。与此同时，其精确的原子结构为探索它的发光机理提供了较好的条件，但是 团簇较低的荧光发射强度限制了它的应用，所以增强其荧光强度的方法受到广泛研究，团簇 的自组装便是一种能够有效提高荧光强度的方法。
自组装是一种精确的组装过程，它依赖于分子或粒子间的弱相互作用力，如范德华力、 静电斥力、金属-配体相互作用和氢键相互作用，从而形成一些形貌规则具有独特性质的组装 体。金属纳米团簇由金属核和外围配体构成，因此团簇的自组装可以通过配体之间的相互作 用诱导(Template-Free supra-colloidal self-assembly of atomicallyprecise gold nanoclusters:from 2D colloidalcrystals to spherical capsids,T.Lahtinen,J.S.Haataja,T.R.Tero,H.
O. Ikkala,Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,16035-16038)，也可以通过金属核之间的亲金属相互作 用来实现(Aurophilic inter-actions in the self-assembly of gold nanoclusters into nanoribbons withenhancedluminescence,Z.Wu,Y.Du,J.Liu,Q.Yao,T.Chen,Y.Cao,H.Zhang,J.Xie,Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,8139-8144.)，而无机盐有时也可以作为诱导团簇组装的手段。
目前所用到的团簇自组装的手段有些合成步骤较为繁杂、合成时间太长，还有一些方法 合成的产物形貌不均一且尺寸分散度大。因此，开发一种合成步骤简单、耗时短，产物形貌 均一，尺寸分散性小的方法具有重要研究意义。
发明内容
基于技术背景存在的问题，本发明提出了一种寡肽保护的金团簇组装材料的制备方法及 其在检测三价铁离子中的应用。本方法操作方便、合成工艺简单、能有效的实现产物形貌的 均一和尺寸的单分散。
本发明寡肽保护的金团簇组装材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将氯金酸溶液与寡肽水溶液加入超纯水中，搅拌混合均匀；
步骤2：将反应体系加热到一定的温度，搅拌预定的时间；
步骤3：将步骤2得到的反应液用过滤头进行过滤，得到的产物用截止过滤器超滤除去 小分子量的配合物和游离的寡肽配体，得到团簇浓缩液；
步骤4：将步骤3得到的团簇浓缩液取样，通过电喷雾电离质谱获得分子式。
步骤5：向步骤3获得的团簇浓缩液中加入DTT溶液，搅拌一定时间，得到寡肽保护的 金团簇的组装材料。
步骤1中，氯金酸纯度≥99％(HAuCl4·3H2O)，寡肽纯度≥96％。
步骤1中，氯金酸溶液的浓度为0.2g·mL-1；寡肽水溶液的浓度为10mg·mL-1；氯金酸 与寡肽之间的摩尔比为1:1.5；搅拌速率为300r/min。
所述寡肽的氨基酸序列包括DGEA片段。
进一步地，所述寡肽的结构式为如下结构中的一种：
步骤2中，反应温度为70℃，反应时间2h，反应体系pH值为2.6，搅拌速率为300r/min。
步骤3中，过滤头的尺寸是22μm，截止过滤器的规格是3kDa。
步骤4中，团簇浓缩液在质谱表征操作前通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行提纯，以30％和 4％丙烯酰胺单体为原料制备了分散和堆积凝胶。电喷雾电离质谱的参数为阴离子模式，源电 压2.6kV，源温度80℃，锥孔电压40。
步骤5中，DTT溶液的浓度为10mM，与团簇的摩尔比为1:8.5，搅拌速度为300r/min。
本发明制备的寡肽保护的金团簇组装材料的应用，是将其作为检测试剂用于三价铁离子 的检测，检测下限为76.6μM。
本发明组装材料置于滤纸上即可实现铁离子的可视化检测，检测灵敏。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
1、本发明采用热还原法合成了寡肽保护的荧光金纳米团簇，利用寡肽上自带的巯基基团 来刻蚀金纳米粒子，获得尺寸更小的金纳米团簇，反应物种类少，可以得到原子数精确的团 簇前驱体。
2、本发明利用二硫苏糖醇上的两个巯基基团，形成二硫键，实现团簇的组装，产物提纯 简单，只需要简单的离心可以得到固体产物，实现后续可视化检测铁离子。
3、本发明的产物形貌和尺寸均一，前驱体团簇可以通过质谱得到其分子式，并且组装体 的荧光相比团簇增强了很多。
4、本发明提到的方法，操作简单，耗时少，无需高压环境，无危险，具有广泛的运用前 景。
附图说明
图1为本发明使用的寡肽的结构简式。
图2为本发明寡肽保护的金团簇的反应原理示意图。
图3为本发明寡肽保护的金团簇的紫外可见吸收光谱图和荧光光谱图。其中(a)团簇的紫 外可见吸收光谱(插图是样品一在日光下的照片)；(b)团簇的荧光激发及发射曲线(插图是 样品一溶液在紫外灯照射下的图片)。
图4为本发明寡肽保护的金团簇的X射线光电子能谱Au4f轨道图(a)和全谱图(b)。
图5为本发明寡肽保护的金团簇的聚丙烯酰胺凝胶电泳图(a)和电喷雾电离质谱图(b)， Pep代表所用的寡肽。
图6为本发明寡肽保护的金团簇和组装材料的荧光强度对比，插图分别是团簇溶液(左) 和组装材料的悬浊液(右)。
图7为本发明寡肽保护的金团簇和组装材料的流体动力学直径图。
图8为本发明寡肽保护的金团簇的高分辨透射电镜图(a)以及组装材料的扫描电镜图(b)、 (c)、(d)。
图9为本发明寡肽保护的金团簇和组装材料的红外光谱图，右图是左图红色长方形区域 放大部分。
图10为本发明组装材料的荧光强度与三价铁离子浓度之间的关系，浓度c表示该浓度下 的荧光强度，浓度0表示材料不加铁离子时的荧光强度。
图11为排除其他金属离子对组装材料对三价铁离子检测的干扰图。
图12为三价铁离子的可视化检测照片，(a)和(b)分别是实验组和对照组在日光下和紫外 灯照射下的图片(左为对照组，右为实验组)，(c)是实验组滴加铁离子(浓度为5mM)后在 紫外灯下的照片。
具体实施方式
实施例1：寡肽保护的金团簇组装材料的制备
移取8.8mL超纯水加入烧瓶中，用移液枪取27μL氯金酸溶液(0.2g·mL-1)和1mL寡肽水溶液(10mg·mL-1，氨基酸序列为DGEAGC)加入超纯水中，搅拌2min左右(300r/min), 将反应物混合均匀。用70℃的油浴锅加热搅拌，反应2h,得到淡黄色溶液，在紫外灯(365nm)照射下发射橙红色光。将样品用注射器取出，用滤头过滤掉大尺寸的粒子，将过滤液加入超滤管中离心(8000r/min)10min。将团簇溶液加入小玻璃瓶中，在缓慢搅拌条件下加入二硫苏糖醇(DTT，10mM)，搅拌10min左右，溶液由澄清转为有些浑浊，将产物离心，可以得 到组装材料的固体产物。
实施例2：寡肽保护的金团簇组装材料的制备
移取8.8mL超纯水加入烧瓶中，用移液枪取22μL氯金酸溶液(0.2g·mL-1)和1mL寡肽水溶液(10mg·mL-1，氨基酸序列为ECGDGEA)加入超纯水中，搅拌2min左右(300r/min),将反应物混合均匀。用70℃的油浴锅加热搅拌，反应2h,得到淡黄色溶液，在紫外灯(365nm)照射下发射橙红色光。将样品用注射器取出，用滤头过滤掉大尺寸的粒子，将过滤液加入超滤管中离心(8000r/min)10min。将团簇溶液加入小玻璃瓶中，在缓慢搅拌条件下加入二硫苏糖醇(DTT，10mM)，搅拌10min左右，溶液由澄清转为有些浑浊，将产物离心，可以得 到组装材料的固体产物。
实施例3：寡肽保护的金团簇组装材料的制备
移取8.8mL超纯水加入烧瓶中，用移液枪取27μL氯金酸溶液(0.2g·mL-1)和1mL寡肽水溶液(10mg·mL-1，氨基酸序列为CGDGEA)加入超纯水中，搅拌2min左右(300r/min), 将反应物混合均匀。用70℃的油浴锅加热搅拌，反应2h,得到淡黄色溶液，在紫外灯(365nm)照射下发射橙红色光。将样品用注射器取出，用滤头过滤掉大尺寸的粒子，将过滤液加入超滤管中离心(8000r/min)10min。将团簇溶液加入小玻璃瓶中，在缓慢搅拌条件下加入二硫苏糖醇(DTT，10mM)，搅拌10min左右，溶液由澄清转为有些浑浊，将产物离心，可以得 到组装材料的固体产物。
实施例4：
取组装材料溶液1mL，加入1mL去离子水，先测试溶液的荧光强度作为空白对照，然后 向溶液中加入不同浓度三价铁离子10μL，再测试荧光强度，平行测试三次，以做误差棒。
实施例5：
取组装材料溶液1mL，加入1mL去离子水，先测试溶液的荧光强度作为空白对照，然后 向溶液中加入不同离子溶液10μL(5mM)，再测试荧光强度，平行测试三次，以做误差棒。
实施例6：
取组装材料固体涂敷在滤纸上，分为对照组和实验组，向实验组滴加10μL的三价铁离 子溶液，在紫外灯下可以明显看出，三价铁离子可明显淬灭材料的荧光。
图1是本实验所用到的寡肽的结构简式，氨基酸序列中包含半胱氨酸，半胱氨酸带有一 个巯基基团，具有还原性可以刻蚀金纳米粒子，也可以充当封端剂和稳定剂。
图2为本发明寡肽保护的金团簇的反应原理示意图。
图3(a)是合成出来的寡肽保护的金团簇的紫外可见吸收光谱图，从图中可以看出样品一 在380nm左右有一个吸收肩峰，没有520nm处的金纳米粒子的等离子共振峰，表明没有大 的颗粒形成。图3(b)是合成出来的寡肽保护的金团簇的荧光光谱图，从图中可以明显的看出 荧光激发最大波长在372nm左右，，与紫外可见吸收光谱可以较好的匹配。荧光发射最大波 长在586nm左右，荧光发射在典型的橙光偏红光发射区。
图4是合成的寡肽保护的金团簇的X射线光电子能谱图，从图(a)中可以看出金4f轨道 的结合能在84.36电子伏特，介于零价金(83.9电子伏特)和一价金(84.6电子伏特)之间， 符合金纳米团簇的性质，证实团簇的成功合成。从图(b)中可以看出材料中含有C、O、S等元 素，证实了配体的存在。
图5是合成的寡肽保护的金团簇的聚丙烯酰胺凝胶电泳图和电喷雾电离质谱图，从图(a) 中可以看出电泳板上只能看出一个条带，说明材料的尺寸较为集中，电喷雾电离质谱的结果 如图(b)所示，匹配的分子式为Au15(Pep)12，其中Pep代表了实验所用的寡肽。
图6是合成的寡肽保护的金团簇和组装材料的荧光强度对比图以及样品照片，从图中可 以看出组装材料的荧光强度达到了团簇的三倍左右，并且溶液由澄清转为浑浊，表明了团簇 组装成了尺寸更大的纳米材料。
图7是合成的寡肽保护的金团簇和组装材料的流体动力学直径图，从图中可以看出从团 簇到组装材料，平均流体动力学直径从3.615nm增加到了615nm(平均流体动力学直径高于 高分辨透射电镜的尺寸原因是外围配体的存在以及浓度影响)，产物的单分散性较好。
图8是合成的寡肽保护的金团簇的高分辨透射电镜图以及组装材料的扫描电镜图，从图 中可以明显的得出合成出来的团簇金核平均尺寸在1nm左右，形貌均一(都是球形)，尺寸 分布集中，而且无明显的聚集现象，而组装材料形貌也较规整，都为直径约0.15μm的小球。
图9是合成的寡肽保护的金团簇和组装材料的红外吸收光谱图，从图中可以看出，团簇 组装可能是由于DTT诱导形成二硫键(波数为422cm-1)，进而使团簇发生了组装。
图10是合成的组装材料的荧光强度对三价铁离子的浓度的响应，从图中可以看出组装材 料的荧光强度的变式(ln(Fc/F0)，Fc为该浓度下的荧光强度，F0表示材料不加铁离子时的荧光 强度)与铁离子浓度在0～10mM范围内呈线性相关，随着Fe3+的加入，ln(Fc/F0)与c(Fe3+)的 线性关系遵循两组线性关系，线性相关范围为0～5mm。在低浓度(0～0.2mM)下，其线性关系 符合方程y1＝-1.67x-0.04(R2＝0.971)，而在中等浓度(5～0.2mM)时，线性关系符合方程 y2＝-0.18x-0.31(R2＝0.998)。
图11是排除其他金属离子对组装材料检测三价铁离子的干扰图，从图中可以看出，只有 三价铁离子能使材料的荧光强度发生较为明显的变化。
图12是可视化检测铁离子的图片，固体的组装材料涂敷在滤纸上，可以明显看出滴加铁 离子的一侧材料荧光减弱。
Claims (10)
1.一种寡肽保护的金团簇组装材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将氯金酸溶液与寡肽水溶液加入超纯水中，搅拌混合均匀；
步骤2：将反应体系加热到一定的温度，搅拌预定的时间；
步骤3：将步骤2得到的反应液用过滤头进行过滤，得到的产物用截止过滤器超滤除去小分子量的配合物和游离的寡肽配体，得到团簇浓缩液；
步骤4：将步骤3得到的团簇浓缩液取样，通过电喷雾电离质谱获得分子式；
步骤5：向步骤3获得的团簇浓缩液中加入DTT溶液，搅拌一定时间，得到寡肽保护的金团簇的组装材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤1中，氯金酸溶液的浓度为0.2g·mL-1；寡肽水溶液的浓度为10mg·mL-1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤1中，氯金酸与寡肽之间的摩尔比为1:1.5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述寡肽的氨基酸序列包括DGEA片段。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
所述寡肽的结构式为：
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤2中，反应温度为70℃，反应时间2h，反应体系pH值为2.6。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤3中，过滤头的尺寸是22μm，截止过滤器的规格是3kDa。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤4中，团簇浓缩液在质谱表征前通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行提纯，以30％和4％丙烯酰胺单体为原料制备分散和堆积凝胶。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤5中，DTT溶液的浓度为10mM，与团簇的摩尔比为1:8.5。
10.根据权利要求1-9中所述任一项的制备方法制备获得的寡肽保护的金团簇组装材料的应用，其特征在于：
将所述寡肽保护的金团簇组装材料作为检测试剂用于三价铁离子的检测。
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