CN114231270A - Tb/CdTe比率荧光探针及制备方法与其在诺氟沙星检测中的应用 - Google Patents

Tb/CdTe比率荧光探针及制备方法与其在诺氟沙星检测中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种Tb/CdTe比率荧光探针及制备方法与其在诺氟沙星检测中的应用。Tb/CdTe比率荧光探针具有6.03nM的超常检测极限(LOD)，并在2秒内完成响应，从而实现对NFX的视觉剂量敏感和快速检测。此外，比率荧光探针与智能手机颜色识别器相结合，用于NFX的视觉和定量检测。该传感平台具有良好的灵敏度和选择性以及快速的响应速度，这意味着该传感平台在现场和定量NFX分析方面具有巨大的应用潜力，为快速直观检测抗生素提供了有效途径。

Description

Tb/CdTe比率荧光探针及制备方法与其在诺氟沙星检测中的 应用
技术领域
本发明涉及Tb/CdTe比率荧光探针及制备方法与其在诺氟沙星检测中的应用，属于快速检测、抗生素检测、高灵敏度检测等领域。
背景技术
诺氟沙星(NFX)是一种喹诺酮类抗菌剂，由于诺氟沙星在抑制细胞DNA环化酶、抑制DNA复制、杀灭细菌和治疗皮肤感染等方面具有积极作用，已被广泛应用于感染的临床治疗和抗菌药物。然而，过量的NFX会对人类健康造成有毒副作用。目前大量研究表明，通过化肥添加和污水排放系统在环境水体和食品中发现了NFX残留，这对人类来说是一个不可回避的隐患。因此，NFX的现场定量测定值得人们高度重视。目前，广泛使用的NFX分析方法包括高效液相色谱(HPLC)、表面增强拉曼光谱(SERS)检测、酶联免疫吸附试验(ELISA)和毛细管电泳(CE)等尽管这些传统的基于仪器的方法具有高灵敏度和抗干扰能力，但它们的缺点包括复杂和耗时的样品处理，昂贵和精密的仪器对现场和快速NFX监测帮助不大。随着功能化发光纳米材料的出现，荧光传感器已被证明是一种很有前途的分析物测定方法。特别是量子点，由于其固有的优异性能，被认为是应用最广泛的光学纳米材料之一。最近，各种研究一直在探索基于量子点设计的荧光传感器。这些荧光传感器克服了上述缺点，实现了可视化、半定量、实时、现场检测的目标。然而，荧光分析中常用的量子点不可避免地存在一些缺陷，如单色变化引起的光稳定性差、视觉分辨效果差等，制约了量子点应用的进一步发展。
与单波长荧光强度传感器相比，比率响应型传感器由于其更精确的测量结果和出色的抗干扰能力而长期受到青睐。为了开发可靠的比率传感器，消除由于外部因素或传感器浓度变化而产生的负面影响，许多研究集中于将两个或多个荧光单元组合在一起，以构建复杂的反应系统，该系统具有复杂的程序和相对不稳定的结构。因此，非常需要开发使用单个荧光团的比率传感器。实现本征双发射使得掺杂金属离子的量子点成为有希望的比率荧光传感器材料。特别是，稀土金属离子掺杂的量子点是最吸引人的量子点，在各种分析物的比率荧光传感器中表现出优异的性能。例如，基于双发射铕(Eu)修饰的ZnO量子点的比率荧光探针被设计用于检测炭疽杆菌孢子。成功合成了一种基于掺杂铕的CdTe量子点的双响应纳米探针，并用于四环素的检测。与常用的比率传感方案相比，这些研究中只使用了单一的双发射纳米材料。因为它易于合成，并表现出良好的传感性能。值得注意的是，掺杂稀土金属离子的量子点作为药物监测荧光探针的报道还很少，有很大的探索空间。
发明内容
本发明旨在提供一种Tb/CdTe比率荧光探针及制备方法与其在诺氟沙星检测中的应用。本发明可基于多重色度响应构建荧光智能手机传感平台并用于抗生素残留的快速目视定量测定。本发明可以快速检测水和蜂蜜中的诺氟沙星，可以在不进行复杂前处理的情况下进行灵敏、准确的检测。本发明利用红色发光CdTe量子点(QD)用作内部参考，铽离子(Tb3+)螯合在QD表面作为传感单元。随着NFX浓度的增加，传感平台提供从红色到黄色的连续荧光颜色变化。比率荧光探针与智能手机颜色识别器相结合，用于NFX的视觉和定量检测。具体的，本发明采用下述方案实现：
本发明的Tb/CdTe比率荧光探针制备方法，包括如下步骤：
a、首先，将0.0272g(0.1mmol)Cd(CH3CO2)2·2H2O溶解在50ml去离子水中，用1MNaOH溶液将pH值调节至10.5，然后加热并搅拌混合物，直到沸腾。随后，向上述溶液中添加0.0052g(0.02mmol)K2TeO3，然后添加50ml去离子水和一定量的醋酸盐水溶液，然后搅拌10分钟。向溶液中快速添加0.04g NaBH4并搅拌10分钟，然后加热混合物直至沸腾。最后，将所得溶液回流20小时以获得CdTe量子点。将获得的CdTe量子点置于60℃的真空烘箱中12小时。收集干燥粉末并将其储存在4℃的冰箱中，以备日后使用；
b、通过螯合反应合成了Tb/CdTe量子点，CdTe量子点表面的羧基可以与Tb3+螯合形成最终产物。首先，将20mg CdTe量子点粉末加入50ml蒸馏水中并彻底搅拌。然后添加等量的TbCl3·6H2O，并在室温下继续搅拌30分钟，以确保最终产物Tb/CdTe量子点的形成。将制备好的Tb/CdTe量子点置于60℃的真空烘箱中12小时。收集干燥粉末，将其制备成溶液，并将其储存在冰箱中，温度为4℃，以备日后使用。
本发明比率荧光体系传感机制：
Tb/CdTe量子点的结构和视觉检测NFX的传感机制：CdTe量子点的荧光发射峰主要集中在645nm处，掺入Tb离子后荧光发射峰基本保持不变，作为NFX分析的参考信号。这是因为Tb3+的光吸收系数相对较小，水溶液中Tb3+的黄色发射荧光太弱，无法检测。随后，随着NFX的引入，由于NFX与Tb3+具有很强的配位能力，NFX与Tb3+之间将形成席夫碱配合物结构。由于NFX分子的大共轭环和刚性平面结构，与NFX配位将通过分子内能量从NFX转移到Tb3+来提高Tb3+的光吸收系数。因此，螯合在量子点表面的Tb3+可以作为NFX检测的报告信号。加入NFX后，545nm处的黄色的连续荧光变色，随着NFX浓度的增加，传感系统产生从红色到黄色的显著颜色变化，可以实现NFX的剂量敏感视觉检测。与通常的单一发射波长相比，该模式提高了检测效率和灵敏度。因为单纯的红色变弱直至无色，肉眼并不能明显的辨认出来。本发明则解决了该问题。
在本发明中，我们利用掺铽的CdTe量子点优越的光学特性，构建了一个基于比率荧光探针的简易传感平台，用于检测NFX。在这种双发射传感平台中，Tb3+被螯合到CdTe量子点的表面作为特定识别，考虑到645nm处量子点的红色发射不会受到Tb3+的干扰。加入NFX后，Schiff碱配合物结构的形成导致NFX到Tb3+的π*-π发光跃迁的能量转移，从而点亮Tb3+的黄色发光，并且随着NFX浓度的增加，黄色发光增强。同时，CdTe量子点的固有红光发射作为内部参考是稳定的。本文设计的探针在水溶液中对NFX具有灵敏、直观的响应，检测限(LOD)为6.03nM，反应时间极快，仅需2秒，并成功应用于实际水和食品样品的检测。更重要的是，与智能手机颜色识别器应用相结合，荧光颜色信息的及时捕获和转换使其在现场和定量NFX检测中具有实际应用潜力。
Tb/CdTe量子点探针具有6.03nM的超常检测极限(LOD)，并在2秒内完成响应，从而实现对NFX的视觉剂量敏感和快速检测。此外，比率荧光探针与智能手机颜色识别器相结合，用于NFX的视觉和定量检测。该传感平台具有良好的灵敏度和选择性以及快速的响应速度，这意味着该传感平台在现场和定量NFX分析方面具有巨大的应用潜力，为快速直观检测抗生素提供了有效途径。
本发明所设计的比例荧光探针能够快速、方便、直观、灵敏地检测出呼出水和蜂蜜中的NFX，传感平台在检测水和蜂蜜中NFX方面具有良好的可行性和适用性。因此，智能手机传感平台可以快速方便地完成抗生素残留的初步测定，有望成为一种便携式检测设备，可以为快速直观检测抗生素提供了有效途径。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的阐述说明。
图1本发明比率荧光探针的制备以及用于检测NFX的基本原理。
图2Tb/CdTe量子点的合成和NFX比率荧光检测机制的说明。
图3(A)不存在NFX(黑线)和存在NFX(红线)时Tb/CdTe量子点的荧光发射光谱。(B)Tb/CdTe量子点发射水平和从NFX到Tb3+的能量转移的示意图。
图4(A)CdTe量子点，(B)Tb/CdTe量子点和(C)Tb/CdTe量子点+NFX的TEM图像。(D)Tb/CdTe量子点(红线)和Tb/CdTe量子点+NFX(绿线)的紫外-可见光谱和(E)FT-IR光谱。(F)Tb/CdTe量子点的XPS(插图显示XPS Tb 3d)。
图5(A)暴露于不同浓度NFX时比率探针溶液的荧光光谱。插图显示了365nm紫外线照射下相应的荧光彩色照片。从底部到顶部的NFX浓度分别为0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100和1200nM。(B)荧光强度比I545/I645与NFX浓度之间的线性关系。
图6(A)添加500nM各种干扰物质后探针的荧光强度比(I545/I645)。顶部插图显示了365nm紫外线照射下相应的荧光彩色照片。标记为1-13的样品分别代表(1)空白，(2)福美双，(3毒死蜱，(4)敌百虫，(5)Pb2+，(6)Cd2+，(7)Hg2+，(8)氯霉素，(9)阿莫西林，(10)庆大霉素，(11)四环素，(12)诺氟沙星和(13)All。(B)对探针的选择性和抗干扰性进行了测试。
图7(A)使用智能手机颜色识别器检测NFX的示意图。(B)荧光颜色随NFX浓度的变化。(照片是在365nm紫外线灯下拍摄的)。(C)荧光探针溶液颜色变化(绿色通道G/红色通道R)与NFX浓度的线性图，范围为1至12μM。
图8(A)结合智能手机应用程序的水样检测过程示意图。(B)测定实际样品中的NFX。
图9Tb/CdTe+NFX的XPS数据分别对应于(A)O；(B)C。
图10(A)Tb/CdTe和(B)Tb/CdTe+NFX的最佳发射。
图11CdTe的DLS粒径图。
图12CdTe，Tb，CdTe/Tb，NFX，Tb/CdTe+NFX的Zeta电位。
图13荧光探针检测NFX荧光光谱(A)(2:1)；(B)(7:1)。插图在365nm紫外线灯下展示了相应的照片。
图14比率探针对NFX的pH响应。
图15比率探针对NFX的温度响应。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1：
红色发光CdTe量子点和Tb/CdTe的制备
1a、首先，将0.0272g(0.1mmol)Cd(CH3CO2)2·2H2O溶解在50ml去离子水中，用1MNaOH溶液将pH值调节至10.5，然后加热并搅拌混合物，直到沸腾。随后，向上述溶液中添加0.0052g(0.02mmol)K2TeO3，然后添加50ml去离子水和一定量的醋酸盐水溶液，然后搅拌10分钟。向溶液中快速添加0.04g NaBH4并搅拌10分钟，然后加热混合物直至沸腾。最后，将所得溶液回流20小时以获得CdTe量子点。将获得的CdTe量子点置于60℃的真空烘箱中12小时。收集干燥粉末并将其储存在4℃的冰箱中，以备日后使用；
1b、通过螯合反应合成了Tb/CdTe量子点，CdTe量子点表面的羧基可以与Tb3+螯合形成最终产物。首先，将20mg CdTe量子点粉末加入50ml蒸馏水中并彻底搅拌。然后添加等量的TbCl3·6H2O，并在室温下继续搅拌30分钟，以确保最终产物Tb/CdTe量子点的形成。将制备好的Tb/CdTe量子点置于60℃的真空烘箱中12小时。收集干燥粉末，将其制备成溶液，并将其储存在冰箱中，温度为4℃，以备日后使用。
实施例2：
1、比率荧光体系组分表征
考虑到探针对分析物的检测灵敏度与其本身的性质有关，使用FT-IR，UV-vis和荧光光谱分别研究了Tb/CdTe探针的结构特征和光谱特性。此外，使用TEM来确定CdTe和Tb/CdTe探针的形貌以及其分散性。如图。
2、比率荧光体系各组分对NFX的响应
由于荧光探针对分析物的检测与其荧光强度有关，在365nm激发下，NFX的荧光强度虽不是最高，但是由于眼睛对红色很敏感，所以CdTe有足够的荧光亮度可以作为内标荧光。通过适当的配比，制备了双发射比荧光探针，该探针在紫外光照射下发出红色荧光。加入NFX后，荧光探针在紫外光照射下呈现黄色荧光。此外，荧光光谱法也被用于研究荧光探针的光稳定性。它们在6h内的光稳定性都很好。所设计的比例荧光探针用于NFX的检测是可行的。
3、pH和温度对荧光探针的影响
pH值和温度对探针的荧光强度有一定的影响，当pH>8时，比值探针的荧光随着pH的降低而逐渐降低。荧光强度的比值结果表明，比值探针在酸性条件下对NFX有更好的灵敏度。
同样，温度的变化对合成的比例荧光探针的荧光强度也有影响。加入NFX后，在50度以下，比值荧光探针的荧光恢复幅度相似，超过50度则有部分降低。所以综合考虑，本发明中探针的合成选择室温作为最佳的温度。
4、比率荧光体系的选择性和抗干扰能力
对于出色的荧光传感系统，选择代表性农药(福美双、毒死蜱、敌百虫)、代表性重金属(Pb2+、Cr3+、Hg2+)和一些抗生素(四环素、庆大霉素、氯霉素、阿莫西林)等10种物质，评价了比率荧光传感系统对NFX的选择性和抗干扰能力。
为了获得最佳的荧光传感系统配比，在合成过程中加入不同荧光强度的Tb/CdTe制备不同荧光比的探针。用荧光光谱仪测量了传感器系统的光谱特性。在所有相关的荧光测试中，荧光光谱仪与1～2cm的试管一起使用。选择代表性农药(福美双、毒死蜱、敌百虫)、代表性重金属(Pb2+、Cr3+、Hg2+)和一些抗生素(四环素、庆大霉素、氯霉素、阿莫西林)等10种物质，评价了比率荧光传感系统对NFX的选择性；
5、基于比率荧光系统进行传感器的设计-智能手机传感平台构建
为了评价比值荧光探针的适用性，对NFX进行了检测。本发明将荧光照片的颜色信息(RGB值)数字化，通过颜色识别应用程序进行分析。根据上述优化条件，合成了最佳的比例荧光探针，并通过加入不同浓度的NFX到比例荧光探针系统。反应完成后，用智能手机在365nm紫外光下拍摄从红色到黄色的一系列照片，通过颜色识别器APP获取这些照片对应的RGB值，进行进一步统计分析。
通过智能手机上的颜色识别器应用程序对荧光图像进行的RGB分析。捕获一系列荧光图像后，可使用颜色识别器应用将相应颜色转换为RGB值，并可通过计算绿色值和红色值的比率来评估NFX浓度。绿色和红色值的比率(G/R)随NFX浓度变化，具有良好的线性关系R2＝0.995，LOD＝6.03nM。结果表明，结合智能手机应用，该传感平台首次实现了对NFX的便携式、可视化和定量监测。
6、传感器的实际应用
为了进一步评估其在实际样品中的适用性，我们的传感平台被用于检测湖水、自来水和蜂蜜中的NFX。因为许多报告表明NFX残留物主要存在于环境水系统和蜂蜜等食品中。在每个样品中加入不同浓度(100，500，1000nm)进行加标和回收研究。通过传感平台结合智能手机颜色识别器在实际样品中对NFX的视觉和定量检测过程与传统的基于仪器的方法相比，我们的传感平台操作简单，省时，无需大量的样品预处理。从荧光照片可以看出，随着NFX浓度的增加，传感平台在实际样品中也显示出明显的颜色变化。此外，可以直接从智能手机应用程序获取最终测量结果，无需复杂的数据处理。与传统的仪器分析方法相比，该传感平台具有现场目视和定量测定NFX的潜力。
本发明所设计的比例荧光探针能够快速、方便、直观、灵敏地检测出呼出水和蜂蜜中的NFX，传感平台在检测水和蜂蜜中NFX方面具有良好的可行性和适用性。因此，智能手机传感平台可以快速方便地完成抗生素残留的初步测定，有望成为一种便携式检测设备，可以为快速直观检测抗生素提供了有效途径。
应当说明的是，本发明的上述所述之技术内容仅为使本领域技术人员能够获知本发明技术实质而进行的解释与阐明，故所述之技术内容并非用以限制本发明的实质保护范围。本发明的实质保护范围应以权利要求书所述之为准。本领域技术人员应当知晓，凡基于本发明的实质精神所作出的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的实质保护范围之内。

Claims (8)

1.Tb/CdTe比率荧光探针，CdTe量子点表面具有大量羧基，Tb3+与羧基结合螯合在CdTe量子点表面，该探针在紫外光照射下发出红色荧光。
2.Tb/CdTe比率荧光探针的制备方法，包括下述步骤：
1)CdTe量子点的制备
将0.0272g(0.1mmol)Cd(CH3CO2)2·2H2O溶解在50ml去离子水中，用1M NaOH溶液将pH值调节至10.5，然后加热并搅拌混合物，直到沸腾。随后，向上述溶液中添加0.0052g(0.02mmol)K2TeO3，然后添加50ml去离子水和一定量的醋酸盐水溶液，然后搅拌10分钟。向溶液中快速添加0.04g NaBH4并搅拌10分钟，然后加热混合物直至沸腾。最后，将所得溶液回流20小时以获得CdTe量子点。将获得的CdTe量子点置于60℃的真空烘箱中12小时。收集干燥粉末并将其储存在4℃的冰箱中，以备日后使用；
2)Tb/CdTe的合成
将20mg CdTe量子点粉末加入50ml蒸馏水中并彻底搅拌。然后添加等量的TbCl3·6H2O，并在室温下继续搅拌30分钟，以确保最终产物Tb/CdTe量子点的形成。将制备好的Tb/CdTe量子点置于60℃的真空烘箱中12小时。收集干燥粉末，将其制备成溶液，并将其储存在4℃冰箱中备用。
3.权利要求1所述的或者由权利要求2制备方法得到的Tb/CdTe比率荧光探针在对含有诺氟沙星的体系的可视化检测中的应用。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于，所述含有诺氟沙星的体系为湖水、自来水或蜂蜜。
5.如权利要求3或4所述的应用，其特征在于，取含有诺氟沙星的体系加入到Tb/CdTe比率荧光探针的溶液中形成混合溶液，紫外光下，溶液颜色由红色荧光转变为黄色荧光。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述混合溶液pH＜7。
7.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述混合溶液温度不高于50℃。
8.基于权利要求5所述应用的智能检测平台，其特征在于，通过加入含有不同浓度诺氟沙星的体系到比率荧光探针中，每次反应完成后，用智能手机拍摄在紫外光下从红色到黄色的一系列照片，通过颜色识别器APP获取这些照片对应的RGB值，计算绿色值和红色值的比率来评估诺氟沙星浓度，绿色和红色值的比率(G/R)随NFX浓度变化具有线性关系，从而通过颜色识别应用程序即可获得诺氟沙星浓度。
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