CN114790216A - 红色荧光银纳米团簇及其制备方法和应用 - Google Patents

红色荧光银纳米团簇及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种红色荧光银纳米团簇及其制备方法和应用。所述的红色荧光银纳米团簇以2‑巯基‑4‑甲基‑5‑噻唑乙酸为保护剂，硼氢化钠为还原剂，硝酸银溶液作为基体，利用“一锅法”制得红色荧光银纳米团簇水溶液。本发明制备工艺简单、反应条件简单、便于操作。所制得的红色荧光银纳米团簇水溶性好、稳定性强、Stocks位移大、抗光漂白能力强等优点，且对锰离子具有高灵敏度、高选择性的响应，可应用于荧光增强型锰离子的检测。

Description

红色荧光银纳米团簇及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及银纳米团簇的制备，特别涉及一种红色荧光银纳米团簇及其制备方法和应用。
背景技术
锰广泛地分布在自然界中，在地壳的含量约为0.1%。同时，锰也是人体正常必备的微量元素之一，可构成生物体中具重要生理功能的酶或辅酶如水解酶、转移酶、裂解酶等，所以应每日摄取一定量的锰。锰离子参与甲状腺素酶的催化过程，参与细胞增殖的核酸聚合酶合成蛋白的过程，在蛋白质吸收和利用过程中改善人体的新陈代谢。正常量的锰摄入可促进生长发育，保持大脑功能的正常运行，保持糖和脂肪的正常代谢，保持细胞线粒体的完整性。锰缺乏会影响机体的正常功能，导致软骨的不正常发育、凝血延迟和高胆固醇症等。然而过量锰的摄取依然会对生物有所影响，如神经退化疾病，更严重的患者可能表现出帕金森综合症。因此，建立一种高灵敏度、高选择性的方法检测锰离子具有重要意义。
近年来，荧光分析法由于操作便捷、灵敏度高、信号响应快、成本低、实时检测且对样品几乎无损伤等优点，在分析检测领域被广泛研究。在已报道的荧光材料中，金属纳米团簇具有设计相对简单、尺寸小、发光性能好和无毒等优点，因此在分析检测、生物传感、细胞标记等领域得到了广泛的应用。目前已建立的金属纳米团簇检测锰离子的方法通常是基于诱导纳米材料荧光猝灭“turn-off”型，鲜少有荧光增强型“turn-on”检测锰离子的报道。荧光猝灭型检测易受背景及某些荧光猝灭行为的干扰，荧光增强检测可以有效的避免自身复杂环境影响的干扰，比荧光猝灭检测灵敏度高。
目前，银纳米团簇逐渐成为金属纳米材料中重要的研究部分。在合成中，因为巯基与金属有很强的作用力，硫醇小分子则被广泛用作金属纳米簇的保护剂。Saifei Pan等将硝酸银与硫代水杨酸（TSA）混合溶液添加到乙醇溶液中，并在氮气保护下将混合物于80℃的条件下加热剧烈搅拌2小时后，得到银纳米团簇溶液（Journal of Materials ChemistryB, 2018, 6: 3927-3933）。Cong Tang等硝酸银与谷胱甘肽（GSH）在100℃的高温下合成银纳米簇（Analytical Chemistry, 2017, 89(9): 4994-5002）。Mostafa Farrag等硝酸银和2-苯乙硫醇（PhCH2CH2SH）溶解于甲醇中，在冰冷条件下滴加新鲜制备的NaBH4溶液，经离心后收集沉淀，用甲醇反复洗涤得到银纳米团簇。这些方法或需要在加热的条件下合成或需要在低温下合成，对反应温度的要求比较高；还有些纳米簇的合成还需要有机试剂的加入。
发明内容
本发明的目的是提供一种红色荧光银纳米团簇及其制备方法和应用，至少获得一种荧光增强型检测锰离子的红色荧光银纳米团簇。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种红色荧光银纳米团簇的制备方法，以2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸为保护剂，硼氢化钠为还原剂，硝酸银溶液作为基体，通过“一锅法”制备得到红色荧光银纳米团簇溶液。
进一步地，以上方法包括步骤：
步骤一，将2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和硝酸银溶液混合均匀，加入到硼氢化钠溶液搅拌均匀；
步骤二，控制温度为0-70℃反应1-12 h，待反应后取出得到红色荧光银纳米团簇水溶液。
进一步地，步骤一中，以体积份数计，将12.5-22.5份20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5份10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，加入到0.7-2份0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀。
进一步地，步骤一中，以体积份数计，将12.5-17.5份20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5份10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，加入到1-1.5份0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀。
进一步地，所述硝酸银和硼氢化钠的摩尔比为1:10；所述硝酸银和2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸的摩尔比为1:6。
进一步地，步骤二中，控制温度在室温下反应4-10 h。
进一步地，步骤二中，控制温度在室温条件下反应8 h。
本发明采用“一锅法”合成红色荧光银纳米团簇。制备过程简单易操作，仪器要求低、成本较低，绿色环保且无需产物后处理、反应条件温和，获得的纳米团簇的发光性能好。
其中，2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液是一种带有巯基基团和杂环的化合物，含有的巯基可以与贵金属之间有强的键合作用，氮杂环也可以与银发生配位作用，且2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液中含有的羧酸基可使制得的红色荧光银纳米簇具有良好的水溶性。
根据本发明的一个方面，提供一种以上所述方法制备获得的红色荧光银纳米团簇。
根据本发明的另一方面，提供了以上所述的的红色荧光银纳米团簇用于荧光增强型锰离子的检测的应用。
本发明制备获得的红色发光银纳米团簇具有良好的光学性质，其荧光发射在630nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现出红色荧光。本发明制备的红色发光银纳米团簇平均粒径为1.72 nm，尺寸小，粒径分布均匀，具有良好的抗光漂白性。
锰离子对本发明制得红色荧光银纳米团簇有荧光增强作用，当锰离子浓度达到1.78×10-5 mol/L的时候，荧光信号值达到饱和（QY=37.9%）。基于荧光增强作用，所制备的红色荧光银纳米团簇应用于锰离子的检测，检出限为9.79 nmol/L。
根据本发明的另一方面，提供一种荧光增强型锰离子的检测方法，其特征在于：取以上所述的红色荧光银纳米团簇的水溶液100 L和pH = 6.0浓度为40 mmol/L的BR缓冲液1mL加入到荧光比色皿中，加入不同浓度的锰离子溶液，以365 nm为激发波长，测定其荧光光谱，获得荧光强度与锰离子浓度的线性关系；根据该线性关系，通过荧光强度的变化定量检测待测样品中锰离子的浓度。
综上所述，本发明制备工艺简单、反应条件简单、便于操作。所制得的红色荧光银纳米团簇水溶性好、稳定性强、Stocks位移大、抗光漂白能力强等优点，且对锰离子具有高灵敏度、高选择性的响应，可应用于荧光增强型锰离子的检测。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是红色荧光银纳米团簇的形成及对锰离子的检测示意图；
图2是红色荧光银纳米团簇的紫外吸收光谱及荧光激发和发射光谱；
图3为红色荧光银纳米团簇的Zeta电位图；
图4是红色荧光银纳米团簇的光稳定性图；
图5是红色荧光银纳米团簇Ag3d的X射线光电子能谱图；
图6是红色荧光银纳米团簇的透射电子显微镜图；
图7（A）是红色荧光银纳米团簇对锰离子响应的工作曲线；
图8是红色荧光银纳米团簇同各种干扰物作用后的荧光柱状图。
具体实施方式
实施例1-实施例9为红色荧光银纳米团簇的制备方法。
实施例1
将12.5 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的1 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并在室温下反应12 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.38%。
实施例2
将22.5 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的1 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并在室温下反应10 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.26%。
实施例3
将15 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的2 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并在室温下反应10 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.19%。
实施例4
将15 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的0.7 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并在室温下反应10 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.22%。
实施例5：
将15 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的1 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并控制反应温度0℃反应10 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.27%。
实施例6：
将15 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的1 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并控制反应温度70℃反应8 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.17%。
实施例7：
将15 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的1 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并在室温下反应1 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.25%。
实施例8
将17.5mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的1.5 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并在室温下反应4 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.21%。
实施例9
将15 mL 20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5 mL 10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，快速加入新鲜配置的1 mL 0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀并在室温下反应8 h，待反应后取出，得到红色荧光银纳米团簇水溶液。该红色荧光银纳米团簇的荧光发射峰在630 nm左右，在紫外灯光下，以黑色背景观察时，呈现红色荧光，量子产率为0.41%。
红色荧光银纳米团簇的形成机理及对锰离子的检测示意图见图1。
将100 μL红色荧光银纳米团簇溶液与1 mL伯瑞坦-罗宾森缓冲液（H3PO4-HAc-H3BO3, BR缓冲液，pH=6，40 mmol/L）加到荧光比色皿中，测定其紫外吸收光谱及荧光激发和发射光谱，如图2所示，该红色荧光银纳米团簇的最大荧光激发峰在365 nm、发射峰在630nm左右，较大的斯托克斯位移（265 nm）可以避免激发和发射峰的重叠。
将100 μL红色荧光银纳米团簇溶液与1 mL伯瑞坦-罗宾森缓冲液（H3PO4-HAc-H3BO3, BR缓冲液，pH=6，40 mmol/L）加入试剂瓶中，超声20 min后检测其Zeta电位。如图3所示，该红色荧光银纳米团簇的Zeta电位值为-30.5 mV，说明制得的纳米团簇是带负电荷的且具有良好的稳定性。
将所制备的红色荧光银纳米团簇进行抗光漂白性实验，如图4所示，连续紫外照射40 min仍能保持良好的发光性能，荧光强度仍能维持在98%以上，说明其抗光漂白性较好。这为红色荧光银纳米团簇应用于锰离子的检测提供了理论前提。
通过X射线光电子能谱（XPS）来表征合成后的红色荧光银纳米团簇的化学价态，图5是Ag3d的XPS光谱图，表明Ag3d5/2和Ag3d3/2的结合能的最大峰值分别为368.18eV和374.28eV。368.18 eV在367.5eV（Ag(I)）和368.2eV （Ag(0)）之间，可以推断出所合成后的红色荧光银纳米团簇是由Ag(I)和Ag(0)共同组成。
通过透射电子显微镜对所制备的红色荧光银纳米团簇的分布形态和尺寸大小进行分析。如图6所示，合成的红色荧光银纳米团簇有良好的分散性，其平均粒径为1.72 nm。
实施例10本发明所述红色荧光银纳米团簇在荧光增强型锰离子检测中的应用
将实施例9制备的红色荧光银纳米团簇溶液与1 mL伯瑞坦-罗宾森缓冲液（H3PO4-HAc-H3BO3, BR缓冲液，pH=6，40 mmol/L）加到荧光比色皿中，搅拌至混合均匀，加入不同浓度的锰离子溶液，以365 nm为激发波长，分别测其荧光光谱。如图7（A）所示，随着锰离子浓度的增大，银纳米团簇的荧光逐渐被增强；荧光强度变化值与锰离子的浓度呈现性关系，检测限为9.79 nmol/L（根据公式LOD=3σ/k计算得到，σ为11次银纳米簇荧光强度值得标准偏差，k值为拟合直线的斜率）。通过线性拟合得到了银纳米团簇的回归方程为：Y=0.160+1.912X，线性系数为R2=0.996。根据上述回归方程，采用该红色荧光银纳米团簇应用于水体以及生物样品中锰离子的检测。
实施例11
将实施例9制备的红色荧光银纳米团簇溶液与1 mL伯瑞坦-罗宾森缓冲液（H3PO4-HAc-H3BO3, BR缓冲液，pH=6，40 mmol/L）加到荧光比色皿中，搅拌至混合均匀。首先，将锰离子加入其中测定其荧光强度，作为空白对照；其次分别加入常见的干扰物（共存离子的浓度是锰离子的100倍）等潜在干扰物质，测定其荧光强度值并记录；再向其中加入锰离子，再测其荧光强度并记录。以365 nm为激发波长，分别测其荧光光谱，绘制不同干扰物对应630 nm处荧光强度的柱状图，如图8所示；经实验证明，其它干扰物对锰离子的检测只有轻微的干扰。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红色荧光银纳米团簇的制备方法，其特征在于：以2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸为保护剂，硼氢化钠为还原剂，硝酸银溶液作为基体，通过“一锅法”制备得到红色荧光银纳米团簇溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一，将2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和硝酸银溶液混合均匀，加入到硼氢化钠溶液搅拌均匀；
步骤二，控制温度为0-70℃反应1-12 h，待反应后取出得到红色荧光银纳米团簇水溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤一中，以体积份数计，将12.5-22.5份20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5份10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，加入到0.7-2份0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤一中，以体积份数计，将12.5-17.5份20 mmol/L的2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸溶液和5份10 mmol/L的硝酸银溶液混合均匀，加入到1-1.5份0.5 mol/L硼氢化钠溶液搅拌均匀。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述硝酸银和硼氢化钠的摩尔比为1:10；所述硝酸银和2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸的摩尔比为1:6。
6.根据权利要求2、3、4或5所述的方法，其特征在于：步骤二中，控制温度在室温下反应4-10 h。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤二中，控制温度在室温条件下反应8h。
8.权利要求1-7任意一项所述方法制备获得的红色荧光银纳米团簇。
9.权利要求8所述的红色荧光银纳米团簇用于荧光增强型锰离子的检测的应用。
10. 一种荧光增强型锰离子的检测方法，其特征在于：取权利要求8所述的红色荧光银纳米团簇的水溶液100 L和pH = 6.0浓度为40 mmol/L的BR缓冲液1 mL加入到荧光比色皿中，加入不同浓度的锰离子溶液，以365 nm为激发波长，测定其荧光光谱，获得荧光强度与锰离子浓度的线性关系；根据该线性关系，通过荧光强度的变化定量检测待测样品中锰离子的浓度。
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