CN115248202A - 一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，该方法为：将喹哪啶红水溶液和乙二胺溶液混合，然后进行水浴超声，并调节pH至中性，再用二氯甲烷进行纯化，然后用透析袋透析，得到碳点溶液；将EDTA水溶液加入Tb³⁺水溶液中均匀混合，然后用荧光分光光度计记录混合物的激发和发射光谱，得到Tb³⁺配合物荧光传感探针；将碳点溶液和Tb³⁺配合物荧光传感探针混合，获得荧光传感器阵列。本发明制备的荧光传感器阵列为多发射荧光传感器阵列，能够用于重金属离子的检测，能够同时获取多维数据，具有较高的检测灵敏度，选择性强，而且检测操作简单，在生物和环境检测等领域具有巨大的潜在应用价值。

Description

一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法

技术领域

本发明属于重金属离子检测技术领域，具体涉及一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法。

背景技术

重金属污染对环境和人类健康构成严重威胁。重金属离子可通过食物链或直接接触进入人体并在体内积累，对神经、血液、泌尿系统造成损害；最严重的情况甚至可能导致死亡。迄今为止，对重金属离子的灵敏检测方法有很多，如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法、荧光化学法等。这些方法具有前处理复杂、操作繁琐、成本高且灵敏度低，难以进行现场检测等困难。荧光传感器检测是一种简单、廉价、灵敏的方法，可以实现实时在线检测，是目前广泛应用的方法。然而，由于环境中发现的物质的复杂性，传统的荧光传感器在检测各种重金属离子时可能面临挑战。为了应对这些挑战，荧光传感器阵列检测作为一种替代方法，以其简单、精度高、选择性高和更省时的优点而受到人们的关注。

传感器阵列是一种模拟动物嗅觉或味觉系统的仿生分子识别方法。大多数荧光传感器阵列中，传感器单元是单通道信号输出，在这种系统中，每个传感器单元的信号需要通过阵列分离进行单独采集，这就需要重复测量。因此，可以使用不同荧光发射波长的传感材料来构建传感单元，以避免传感单元空间阵列的分离。此外，多发射传感器可以自校准，消除荧光强度的波动，同时获得多维数据，在实际应用中可以提供更准确的结果。

为解决上述问题，提供一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，该制备方法制备的荧光传感器阵列对7种重金属离子(Cr⁶⁺,Fe²⁺,Cu²⁺,Fe³⁺,Mn²⁺,Co²⁺和Ni²⁺)具有较高的检测灵敏度，选择性强，而且检测操作简单，在生物和环境检测等领域具有巨大的潜在应用价值。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S1、制备碳点溶液：将乙二胺溶液加入喹哪啶红水溶液中混合均匀，得到混合液a，将所述混合液a进行水浴超声后，调节pH至中性；用二氯甲烷对调节pH后的混合液a进行萃取纯化，再用透析袋对纯化后的混合液a进行透析，得到碳点溶液；

S2、制备Tb³⁺配合物荧光传感探针：将EDTA水溶液加入Tb³⁺水溶液中均匀混合，得到混合液b，然后用荧光分光光度计记录所述混合液b的激发和发射光谱，得到Tb³⁺配合物荧光传感探针；

S3、制备荧光传感器阵列：将S1中得到的碳点溶液和S2中得到的Tb³⁺配合物荧光传感探针混合，获得荧光传感器阵列。

优选地，S1中所述喹哪啶红水溶液和乙二胺溶液的用量体积比为200：(1～5)，所述喹哪啶红水溶液的浓度为0.5mmol/L～5.5mmol/L；所述二氯甲烷和混合液a的用量比为(1～3)：1。

优选地，S1中所述水浴超声的温度为30℃～70℃，时间为1h～4h。

优选地，S1中所述透析袋的规格为2000Da，所述透析的时间为24h～96h。

优选地，S2中所述EDTA水溶液和Tb³⁺水溶液的用量比为(1～4):1；所述EDTA水溶液采用乙二胺四乙酸二钠配制，所述EDTA水溶液的浓度为1μmol/L～100μmol/L，所述Tb³⁺水溶液采用硝酸铽(III)五水合物配制，所述Tb³⁺水溶液中Tb³⁺的浓度为50mmol/L～250mmol/L。

优选地，S3中所述碳点溶液和Tb³⁺配合物荧光传感探针的用量比为(1:4)～9；所述碳点溶液的浓度为50μg/ml。

本发明还提供所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法的应用，其特征在于，所述荧光传感器阵列用于重金属离子的检测。

优选地，所述重金属离子为Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明制备Tb³⁺配合物荧光传感探针的方法简单，采用EDTA水溶液和Tb³⁺水溶液混合一步完成，所用原料为EDTA和Tb³⁺水溶液，毒性、污染性都小。一般情况下，由于镧系金属离子(Ln³⁺)的f-f跃迁被阻断，直接能量激发很难产生荧光。因此，含有发色团的天线配体与Ln³⁺结合生成镧系配合物，通过能量转移“天线效应”使镧系金属离子敏化发光。

(2)本发明利用碳点溶液和Tb³⁺配合物荧光传感探针作为两个独立的传感器元件，构建了多发射荧光传感器阵列。碳点溶液的最大激发波长和发射波长分别为320nm和400nm，而Tb³⁺配合物荧光传感探针的最大激发波长为284nm，最大发射波长在489nm和545nm处。两个传感器单元的最大激发波长相近，最大发射波长不重叠，因此可以通过混合两个传感器单元构建多发射荧光传感器阵列。获取多发射荧光传感器阵列和不同浓度下Cr⁶⁺、Fe^{2 +}、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺这7种重金属离子复合体系的荧光响应光谱。检测FI变化，即(F₀-F)/F₀，建立了阵列检测平台。由于EDTA可以通过其羧基和氨基与金属离子发生相互作用。因此，金属离子与Tb³⁺竞争结合EDTA，导致EDTA和Tb³⁺的天线效应减弱和荧光淬灭。此外，当碳点溶液中存在重金属离子时，碳点与重金属离子形成了基态复合物，导致荧光产生静态淬灭；因此可以通过构建的荧光传感器阵列检测重金属离子，本发明中的荧光传感器阵列为多发射荧光传感器阵列，多发射是：检测1个金属离子，会有3个发射峰的荧光值猝灭，且3个发射峰荧光值猝灭程度不同，不同金属离子，三个发射峰荧光值猝灭程度不同，因此可以检测多个金属离子。

(3)本发明制备的碳点溶液和Tb³⁺配合物荧光传感探针混合作为多发射荧光传感器阵列能够同时获取多维数据，提高了对多种重金属离子的检测效率和准确性，该传感器阵列对0.05μmol/L～50μmol/L范围内的7种重金属离子(Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺)具有较高的检测灵敏度，对其他重金属离子无响应，选择性强，而且检测操作简单，在生物和环境检测等领域具有巨大的潜在应用价值，提高了对多种重金属离子的检测效率和准确性。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是实施例1中得到的碳点溶液的高分辨TEM图。

图2是实施例1中得到的碳点溶液的粒径分布图。

图3是实施例1中得到的碳点溶液的全扫描XPS光谱图。

图4是实施例1中得到的碳点溶液的FT-IR光谱图。

图5是实施例1中得到的碳点溶液的最大激发和发射峰图。

图6是实施例1中得到的Tb³⁺配合物荧光传感探针在水溶液中的荧光光谱。

图7是实施例1中不同浓度EDTA加入Tb³⁺水溶液时Tb³⁺配合物荧光传感探针的荧光响应。

图8是实施例1中Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的浓度均为0.05μmol/L时在400nm、489nm和545nm处的荧光强度图。

图9是实施例1中Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的浓度均为0.5μmol/L时在400nm、489nm和545nm处的荧光强度图。

图10是实施例1中Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的浓度均为1μmol/L时在400nm、489nm和545nm处的荧光强度图。

图11是实施例1中Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的浓度均为20μmol/L时在400nm、489nm和545nm处的荧光强度图。

图12是实施例1中Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的浓度均为30μmol/L时在400nm、489nm和545nm处的荧光强度图。

图13是实施例1中Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的浓度均为50μmol/L时在400nm、489nm和545nm处的荧光强度图。

具体实施方式

实施例1

本实施例用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备碳点溶液：将150μL、0.5mmol/L的乙二胺溶液加入10mL、2mmol/L的喹哪啶红水溶液中混合均匀，得到混合液a，将所述混合液a在温度为50℃的条件下进行水浴超声2h，超声结束后，然后用1mol/L的HCl调节混合液a的pH至7；再用二氯甲烷(CH₂Cl₂)对调节pH后的混合液a进行萃取纯化，从而去除混合液a中的杂质，其中CH₂Cl₂和混合液a的用量比为2：1，再用规格为2000Da的透析袋在去离子水中对纯化后的混合液a进行透析，透析时间为48h，得到碳点溶液；

所述乙二胺溶液购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为60.1；所述喹哪啶红购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为430.33；所述CH₂Cl₂购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为84.93；所述CH₂Cl₂可以萃取纯化混合液a的原理是喹哪啶红易溶于有机溶剂，微溶于水；所述透析袋采用MWCO膜；透析的作用是去除干扰物质；

S2、制备Tb³⁺配合物荧光传感探针：将600μL的EDTA水溶液加入到200μL的Tb³⁺水溶液中均匀混合，得到混合液b，然后用荧光分光光度计记录所述混合液b的激发和发射光谱，得到Tb³⁺配合物荧光传感探针；

所述EDTA水溶液和Tb³⁺水溶液的用量比为3:1，所述EDTA水溶液采用乙二胺四乙酸二钠配制，乙二胺四乙酸二钠购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为336.206，所述EDTA的浓度为100μmol/L；所述Tb³⁺水溶液采用硝酸铽(III)五水合物配制，硝酸铽购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为435.02，所述中Tb³⁺水溶液中Tb³⁺的浓度为250mmol/L；

S3、制备荧光传感器阵列：将S1中得到的碳点溶液和S2中得到的Tb³⁺配合物荧光传感探针混合，获得荧光传感器阵列(CDs/EDTA-Tb³⁺)；所述碳点溶液的用量为100μL，浓度为50μg/ml，所述Tb³⁺配合物荧光传感探针用量为900μL。

利用TEM、紫外吸收、荧光光谱、XPS和FT-IR对S1中得到的碳点溶液的形貌、光学和结构进行表征；如图1和图2所示，碳点溶液呈球形结构，单分散性高，分布均匀，平均直径为2.18nm，粒径分布为1.2～3.6nm；由图1得出，碳点溶液的高分辨TEM图像中可以看到清晰的晶格条纹，晶格间距为0.21nm；如图3所示，采用全扫描XPS光谱研究碳点溶液的化学组成和化学键，鉴定出C1s、N1s和O1s在约285、402和532eV处的三个峰，证实碳点溶液纳米结构中C、N和O的存在；如图4所示，碳点溶液的FT-IR光谱显示O-H/N-H在3468.65cm^-1处有伸缩振动的吸收峰，说明O-H/N-H具有足够的水溶性；在1637.89cm^-1处的峰对应于碳点溶液表面的C＝C结构；此外，如图5所示，在环境光下，碳点溶液为无色溶液，在312nm紫外光照射下发出强烈的蓝色荧光，表明碳点溶液的最大激发和发射峰分别在320nm和400nm处。

在284nm激发下记录Tb³⁺配合物荧光传感探针的荧光光谱，并对EDTA水溶液的最佳浓度进行研究；测试所述Tb³⁺和Tb³⁺配合物荧光传感探针(EDTA-Tb³⁺)在水溶液中的荧光光谱，如图6所示，所述Tb³⁺配合物荧光传感探针的最大激发峰在284nm处，最大发射峰在489nm和545nm处；图6显示在284nm激发下，加入EDTA后Tb³⁺的荧光由微弱变为明显增强，Tb³⁺配合物荧光传感探针在489和545nm处产生发射峰，说明EDTA能使Tb³⁺对荧光敏感(天线效应)；

检测EDTA有效敏化Tb³⁺荧光的最佳浓度，图7为不同浓度EDTA加入Tb³⁺水溶液时EDTA-Tb³⁺的荧光响应；随着EDTA浓度的增加，Tb³⁺在489和545nm处的发射峰也逐渐增加，在EDTA终浓度为6μmol/L时，Tb³⁺的荧光敏化质量达到最大值；

本实施例制备的多发射荧光传感器阵列用于重金属离子的检测，将七个重金属离子(Cr⁶⁺,Fe²⁺,Cu²⁺,Fe³⁺,Mn²⁺,Co²⁺和Ni²⁺)加入到S3中得到的荧光传感器阵列中混合均匀，Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的浓度分别均为0.05μmol/L、0.5μmol/L、1μmol/L、20μmol/L、30μmol/L和50μmol/L；

然后用荧光分光光度计记录混合物的激发和发射光谱，结果如图8-图13所示，在284nm激发波长下，分别记录了400、489和545nm处的荧光强度；使用的荧光响应值是存在或不存在重金属离子时信号读数之间的荧光强度差；F、F₀分别表示重金属离子存在和不存在时的荧光强度，(F₀-F)/F₀表示荧光响应值，不同重金属离子的荧光强度不同，发射波长变化也不同；

利用碳点溶液和Tb³⁺配合物荧光传感探针作为两个独立的传感器元件，构建了多通道荧光传感器阵列，通过荧光强度变化(F₀-F)/F₀)，获得在不同浓度下Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe^{3 +}、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺这7种重金属离子的多发射荧光传感阵列的荧光响应。

实施例2

本实施例用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备碳点溶液：将50μL的乙二胺溶液加入10mL、1mmol/L的喹哪啶红水溶液中，得到混合液a，将所述混合液a在温度为30℃的条件下进行水浴超声4h，超声结束后，然后用浓度为1mol/L的HCl调节超声后混合液a的pH至7；再用二氯甲烷(CH₂Cl₂)对调节pH后的混合液a进行萃取纯化，从而去除混合液中的杂质，其中CH₂Cl₂和混合液a的用量比为1:1，再用规格为2000Da的透析袋在去离子水中对纯化后的混合液a进行透析，透析时间为96h，得到碳点溶液；

所述乙二胺溶液购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为60.1；所述喹哪啶红购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为430.33；所述CH₂Cl₂购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为84.93；所述CH₂Cl₂可以萃取纯化混合液a的原理是喹哪啶红易溶于有机溶剂，微溶于水；所述透析袋采用MWCO膜；透析的作用是去除干扰物质；

S2、制备Tb³⁺配合物荧光传感探针：将200μL的EDTA水溶液加入到200μL的Tb³⁺水溶液中均匀混合，得到混合液b，然后用荧光分光光度计记录所述混合液b的激发和发射光谱，得到Tb³⁺配合物荧光传感探针；

所述EDTA水溶液和Tb³⁺水溶液的用量比为1:1，所述EDTA水溶液采用乙二胺四乙酸二钠配制，乙二胺四乙酸二钠购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为336.206；所述Tb³⁺水溶液采用硝酸铽(III)五水合物配制，硝酸铽购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为435.02，所述EDTA水溶液的浓度为70μmol/L，EDTA水溶液由乙二胺四乙酸二钠和水配制而成，所述中Tb³⁺水溶液中Tb³⁺的浓度为200mmol/L；

S3、制备多发射荧光传感器阵列：将S1中得到的碳点溶液和S2中得到的Tb³⁺配合物荧光传感探针混合，获得荧光传感器阵列；所述碳点溶液的用量为400μL，浓度为50μg/ml，所述Tb³⁺配合物荧光传感探针用量为900μL。

实施例3

本实施例用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备碳点溶液：将250μL的乙二胺溶液加入10mL、2mmol/L的喹哪啶红水溶液中，得到混合液a，将所述混合液a在温度为70℃的条件下进行水浴超声1h，超声结束后，然后用浓度为1mol/L的HCl调节混合液a的pH至7；再用二氯甲烷(CH₂Cl₂)对调节pH后的混合液a进行萃取纯化，从而去除混合液中的杂质，其中CH₂Cl₂和混合液a的用量比为3:1，再用规格为2000Da的透析袋在去离子水中对纯化后的混合液进行透析，透析时间为24h，得到碳点溶液；

所述乙二胺溶液购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为60.1；所述喹哪啶红购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为430.33；所述CH₂Cl₂购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为84.93；所述CH₂Cl₂可以萃取纯化混合液a的原理是喹哪啶红易溶于有机溶剂，微溶于水；所述透析袋采用MWCO膜；透析的作用是去除干扰物质；

S2、制备Tb³⁺配合物荧光传感探针：400μL的EDTA水溶液加入到200μL的Tb³⁺水溶液中均匀混合，得到混合液b，然后用荧光分光光度计记录所述混合液b的激发和发射光谱，得到Tb³⁺配合物荧光传感探针；所

述EDTA水溶液和Tb³⁺水溶液的用量比为4:1，所述EDTA水溶液采用乙二胺四乙酸二钠配制，乙二胺四乙酸二钠购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为336.206，所述EDTA水溶液的浓度为1μmol/L；所述Tb³⁺水溶液采用硝酸铽(III)五水合物配制，硝酸铽购自阿拉丁试剂公司，分析纯，分子量为435.02，所述中Tb³⁺水溶液中Tb³⁺的浓度为50mmol/L。

S3、制备荧光传感器阵列：将S1中得到的碳点溶液和S2中得到的Tb³⁺配合物荧光传感探针混合，获得荧光传感器阵列；所述碳点溶液的用量为200μL，浓度为50μg/ml，所述Tb³⁺配合物荧光传感探针用量为900μL。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、制备碳点溶液：将乙二胺溶液加入喹哪啶红水溶液中混合均匀，得到混合液a，将所述混合液a进行水浴超声后，调节pH至中性；用二氯甲烷对调节pH后的混合液a进行萃取纯化，再用透析袋对纯化后的混合液a进行透析，得到碳点溶液；

S2、制备Tb³⁺配合物荧光传感探针：将EDTA水溶液加入Tb³⁺水溶液中均匀混合，得到混合液b，然后用荧光分光光度计记录所述混合液b的激发和发射光谱，得到Tb³⁺配合物荧光传感探针；

S3、制备荧光传感器阵列：将S1中得到的碳点溶液和S2中得到的Tb³⁺配合物荧光传感探针混合，获得荧光传感器阵列。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，其特征在于，S1中所述喹哪啶红水溶液和乙二胺溶液的用量体积比为200：(1～5)，所述喹哪啶红水溶液的浓度为0.5mmol/L～5.5mmol/L；所述二氯甲烷和混合液a的用量比为(1～3)：1。

3.根据权利要求1所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，其特征在于，S1中所述水浴超声的温度为30℃～70℃，时间为1h～4h。

4.根据权利要求1所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，其特征在于，S1中所述透析袋的规格为2000Da，所述透析的时间为24h～96h。

5.根据权利要求1所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，其特征在于，S2中所述EDTA水溶液和Tb³⁺水溶液的用量比为(1～4):1；所述EDTA水溶液的浓度为1μmol/L～100μmol/L，所述Tb³⁺水溶液中Tb³⁺的浓度为50mmol/L～250mmol/L。

6.根据权利要求1所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法，其特征在于，S3中所述碳点溶液和Tb³⁺配合物荧光传感探针的用量比为(1:4)～9；所述碳点溶液的浓度为50μg/ml。

7.如权利要求1-6任一权利要求所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法的应用，其特征在于，所述荧光传感器阵列用于重金属离子的检测。

8.根据权利要求7所述的一种用于检测重金属离子的荧光传感器阵列的制备方法的应用，其特征在于，所述重金属离子为Cr⁶⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺。

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