一种硫化镉量子点荧光探针及其制备方法和应用与流程

本发明涉及荧光探针技术领域，尤其涉及一种硫化镉量子点荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术：

次氯酸根(clo^-)是常用的漂白剂和消毒剂中的有效成分，与我们的生活息息相关。clo^-在人体组织中，能够直接参与生命体的众多过程，在生命体中发挥着至关重要的作用。一方面，clo^-能够维持细胞内氧化还原的平衡，同时在免疫系统中展现出强大的免疫能力；另一方面当其过量时，在亚铁血红素的髓过氧化物酶的催化作用下，过氧化物与氯化物反应可产生clo^-或hclo。这种在血球内产生的clo^-/hclo或cl2(hclo的分解产物)在生物大分子的氧化损伤过程中所起的作用已成为目前生物化学研究的热点问题之一。

液氯消毒和二氧化氯消毒是目前饮用水消毒的最好药品，消毒产生的副产物之一clo^-是活性氯的组成部分，其含量的高低可以直接影响水的自净能力和水中生物的生长，它的定量测定对估测饮用水和工业用水的标准有很重要的影响。在造纸工业中由于其具有强氧化性，会氧化水中的有机物质形成有机氯等对水体环境造成污染。当污染水体排放到自然水体中时，会在生物体内积累产生病变，并且会通过饮用水直接作用于人类和哺乳动物。因此，研究高选择性和高灵敏度的有效捡测clo^-的方法十分重要。

量子点作为新型荧光探针具有灵敏度高和快捷性的明显优势。所以已经被广泛应用。至今，已报道检测clo^-的荧光量子点包括碳量子点(cds)、氮掺杂碳量子点(n-cds)、硒化镉-硫化锌量子点(cdse-znsqds)、硒化锌量子点(znseqds)、硅量子点(siqds)、石墨烯量子点(gods)以及二氧化硅量子点(sio2qds)。以上荧光量子点尽管能对clo^-进行特异性检测，但所采用的合成方法均十分复杂，例如：cds、n-cds、siqds、gods以及sio2qds都是采用水热方法合成的，这种方法需要将原料放入高压容器中，在高温(200～250℃)下持续加热5～24h，才能形成初产物；然后还要对初产物进行长时间(12～24h)的透析提纯，最终合成荧光量子点。与之相类似的如znseqds、cdse-znsqds等，其合成方法也都存在高耗能、耗时且工艺复杂等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硫化镉量子点荧光探针及其制备方法和应用，本发明一锅合成硫化镉量子点荧光探针，过程简单、易操作，条件温和、耗时短；制备得到的硫化镉量子点荧光探针能够应用于次氯酸根的检测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种硫化镉量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水溶性镉盐、聚乙烯亚胺和水混合，得到初混物；

(2)调节所述步骤(1)中初混物的ph值为3～11，得到反应前驱体；

(3)将所述步骤(2)中的反应前驱体与na2s混合，于20～80℃下水浴反应0.5～3h，得到硫化镉量子点荧光探针。

优选的，所述步骤(1)中水溶性镉盐、聚乙烯亚胺的物质的量和水的体积比为(2～10)μmol：1μmol：(8～12)ml。

优选的，所述步骤(1)中的水溶性镉盐包括cdcl2或cd(no3)2。

优选的，所述步骤(1)中聚乙烯亚胺的重均分子量为4000～10000。

优选的，所述步骤(2)中调节初混物ph值所采用的ph调节剂包括氢氧化钠溶液或盐酸。

优选的，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.8～1.2mol/l；所述盐酸的浓度为0.8～1.2mol/l。

优选的，所述步骤(3)中na2s与步骤(1)中水溶性镉盐的摩尔比为2：(2.8～3.2)。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的硫化镉量子点荧光探针，包括硫化镉量子点和螯合于所述硫化镉量子点表面的聚乙烯亚胺。

优选的，所述硫化镉量子点荧光探针的粒度为3.6～6.0nm。

本发明提供了上述技术方案所述的硫化镉量子点荧光探针在检测次氯酸根中的应用。

本发明提供了一种硫化镉量子点荧光探针的制备方法，将水溶性镉盐、聚乙烯亚胺和水混合，得到初混物；调节所述初混物的ph值为3～11，得到反应前驱体；将反应前驱体与na2s混合，于20～80℃下水浴反应0.5～3h，得到硫化镉量子点荧光探针。本发明提供的硫化镉量子点荧光探针中，聚乙烯亚胺作为稳定剂，其含有大量的氨基功能团，这些氨基功能团能够有效地与镉离子及硫离子进行螯合作用，从而降低了硫化镉量子点的形成焓，能够保证在低温下形成单分散的硫化镉量子点。本发明一锅合成硫化镉量子点荧光探针，过程简单、易操作，条件温和、耗时短。本发明提供的硫化镉量子点荧光探针能够被clo^-淬灭，说明硫化镉量子点荧光探针能够用于检测clo^-；常见阴离子对硫化镉量子点荧光探针检测clo^-没有影响，说明硫化镉量子点荧光探针对clo^-有特异性识别，能够准确检测clo^-。将所述硫化镉量子点荧光探针用于检测自来水和游泳池水中clo^-含量，结果表明其回收率分别为95.3％和103.0％，且二者的相对标准差(rsds)均低于5％。

附图说明

图1为实施例1中cd²⁺:pei的比值对硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图；

图2为实施例2中水浴反应温度对硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图；

图3为实施例3中水浴反应时间对硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图；

图4为实施例4中反应前驱体ph值对硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图；

图5为实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针的透射电镜图；

图6为实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针的晶粒尺寸分布图；

图7为实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针的紫外可见吸收光谱和荧光光谱；

图8为实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针的相对荧光强度随clo^-浓度变化曲线和硫化镉量子点荧光探针对clo^-检测的线性曲线；

图9实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针对clo^-的荧光强度的响应时间图；

图10为实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针的荧光强度随clo^-浓度变化曲线；

图11为实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针对clo^-荧光响应的选择性和抗干扰分析柱形图。

具体实施方式

本发明提供了一种硫化镉量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水溶性镉盐、聚乙烯亚胺和水混合，得到初混物；

(2)调节所述步骤(1)中初混物的ph值为3～11，得到反应前驱体；

(3)将所述步骤(2)中的反应前驱体与na2s混合，于20～80℃下水浴反应0.5～3h，得到硫化镉量子点荧光探针。

本发明将水溶性镉盐、聚乙烯亚胺和水混合，得到初混物。在本发明中，所述水溶性镉盐、聚乙烯亚胺的物质的量和水的体积比优选为(2～10)μmol：1μmol：(8～12)ml；更优选为(3～8)μmol：1μmol：(9～11)ml，最优选为(4～6)μmol：1μmol：10ml。在本发明中，所述水溶性镉盐优选包括cdcl2或cd(no3)2。在本发明中，所述聚乙烯亚胺(pei)的重均分子量优选为4000～10000，更优选为6000～8000；所述聚乙烯亚胺作为稳定剂，一方面能够与镉离子及硫离子进行螯合作用，保证在低温下形成单分散的硫化镉量子点；另一方面能够作为模版分子有效地保护硫化镉量子点，防止其聚集。在本发明中，所述水优选为超纯水。

本发明对于所述水溶性镉盐、聚乙烯亚胺和水的混合没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的物料混合的技术方案即可。在本发明中，本发明优选先将聚乙烯亚胺和水混合，所得混合物再与水溶性镉盐混合，搅拌10～15min，以保证物料充分混合。

得到初混物后，本发明调节所述初混物的ph值为3～11，得到反应前驱体。本发明对于调节初混物ph值所采用的ph调节剂没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的ph调节剂即可。在本发明中，所述ph调节剂优选包括氢氧化钠溶液或盐酸。在本发明中，所述氢氧化钠溶液的浓度优选为0.8～1.2mol/l，更优选为1mol/l；所述盐酸的浓度优选为0.8～1.2mol/l，更优选为1mol/l。

得到反应前驱体后，本发明将所述反应前驱体与na2s混合，于20～80℃下水浴反应0.5～3h，得到硫化镉量子点荧光探针。在本发明中，所述na2s与水溶性镉盐的摩尔比优选为2：(2.8～3.2)，更优选为2:(2.9～3.1)，最优选为2:3。在本发明中，所述水浴反应的温度优选为30～60℃，更优选为40～50℃；所述水浴反应的时间优选为1～2.5h，更优选为1.5～2h。本发明对于进行所述水浴反应所采用的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用于进行水浴反应的设备即可；具体的，本发明采用df-101s集热式恒温加热搅拌器作为水浴反应设备。

完成所述水浴反应后，本发明优选对得到的水浴反应物料进行后处理，得到硫化镉量子点荧光探针。在本发明中，所述后处理优选包括以下步骤：

将所得水浴反应物料依次进行透析和干燥，得到硫化镉量子点荧光探针。

本发明优选采用3500da截留分子量的透析袋进行所述透析；所述透析的时间优选为20～28h，更优选为22～26h。

在本发明中，所述干燥优选为真空干燥；所述真空干燥的温度优选为35～45℃，更优选为40℃；所述真空干燥的时间优选为10～24h，更优选为15～20h；所述真空干燥的真空度优选为-0.1mpa。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的硫化镉量子点荧光探针，包括硫化镉量子点和螯合于所述硫化镉量子点表面的聚乙烯亚胺。在本发明中，所述硫化镉量子点荧光探针的粒度优选为3.6～6.0nm，平均尺寸为4.5nm。

本发明提供了上述技术方案所述的硫化镉量子点荧光探针在检测次氯酸根中的应用。在本发明的实施例中，具体是在2mlpbs缓冲溶液(ph值为7.4)中加入硫化镉量子点荧光探针，得到20μm的硫化镉量子点荧光探针溶液，然后分别加入不同质量的naclo，室温下震荡2min，得到clo^-浓度分别为0、1.6、4、8、16、40、80、160、400和800μm的待测液，在室温条件下进行荧光测试(激发波长为400nm)；以528nm处的相对荧光强度(f0-f，f0和f分别表示加入clo^-前后的硫化镉量子点荧光探针的荧光强度)为纵坐标、clo^-的摩尔浓度(c)为横坐标建立硫化镉量子点荧光探针对clo^-检测的线性曲线，如图8所示。所述线性曲线具体为f0-f＝7.73352c+12.32782，528nm处的相对荧光强度(f0-f)对于clo^-的摩尔浓度(c)的线性响应在1.6～40μm(r²＝0.99489)之间。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将3μmolpei与30ml超纯水混合，得到pei水溶液，分别加入不同物质的量的cdcl2，使cdcl2与pei的摩尔比分别为2:1、4:1、6:1、8:1、10:1，搅拌10min；然后加入1.0mol/l的naoh溶液调节溶液的ph值为11；最后加入na2s(cdcl2与na2s的摩尔比为3:2)，于40℃下水浴反应2h，得到硫化镉量子点荧光探针。

图1为cd²⁺:pei的比值对所述硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图，由图1可知，当cdcl²与pei的摩尔比为4:1时，硫化镉量子点荧光探针的荧光强度最高。

实施例2

将3μmolpei与30ml超纯水混合，得到pei水溶液，加入12μmolcdcl2，搅拌10min；然后加入1.0mol/l的naoh溶液调节溶液的ph值为11；最后加入8μmolna2s，分别于20、40、60、80℃下水浴反应2h，得到硫化镉量子点荧光探针。

图2为水浴反应温度对所述硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图，由图2可知，当水浴反应温度为40℃时，硫化镉量子点荧光探针的荧光强度最高。

实施例3

将3μmolpei与30ml超纯水混合，得到pei水溶液，加入12μmolcdcl2，搅拌10min；然后加入1.0mol/l的naoh溶液调节溶液的ph值为11；最后加入8μmolna2s，分别于40℃下水浴反应0.5、1、2、3h，得到硫化镉量子点荧光探针。

图3为水浴反应时间对所述硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图，由图3可知，当水浴反应时间为2h时，硫化镉量子点荧光探针的荧光强度最高。

实施例4

将3μmolpei与30ml超纯水混合，得到pei水溶液，加入12μmolcdcl2，搅拌10min；然后加入1.0mol/l的naoh溶液或盐酸调节溶液的ph值分别为3、5、7、9、11；最后加入8μmolna2s，于40℃下水浴反应2h，得到硫化镉量子点荧光探针。

图4为反应前驱体ph值对所述硫化镉量子点荧光探针荧光强度影响的柱形图，由图4可知，当反应前驱体ph值为11时，硫化镉量子点荧光探针的荧光强度最高。

实施例5

基于实施例1～4，将3μmolpei与30ml超纯水混合，得到pei水溶液，加入12μmolcdcl2，搅拌10min；然后加入1.0mol/l的naoh溶液或盐酸调节溶液的ph值为11；最后加入8μmolna2s，于40℃下水浴反应2h，得到硫化镉量子点荧光探针。

对制备得到的硫化镉量子点荧光探针进行形貌表征，结果如图5和6所示。图5为硫化镉量子点荧光探针的透射电镜图，由图5可知，所述硫化镉量子点荧光探针纳米颗粒的分散性很高，且粒径较为均一。图6为硫化镉量子点荧光探针的晶粒尺寸分布图，由图6可知，通过对大约200个晶粒进行系统分析后发现晶粒的平均尺寸为4.5nm。

对制备得到的硫化镉量子点荧光探针进行光学性质分析，结果如图7所示。图7为硫化镉量子点荧光探针的紫外可见吸收光谱和荧光光谱图，由图7可知，所述硫化镉量子点荧光探针在紫外吸收光谱中374nm附近有一个较宽的峰，说明本发明制备得到了硫化镉量子点荧光探针；在荧光光谱中528nm处有一个很强的发射峰，说明本发明制备得到的硫化镉量子点荧光探针具有绿色荧光特性。

实施例6

在2mlpbs缓冲溶液(ph值为7.4)中加入实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针，得到20μm的硫化镉量子点荧光探针溶液，然后分别加入不同质量的naclo，室温下震荡2min，得到clo^-浓度分别为0、1.6、4、8、16、40、80、160、400和800μm的待测液，在室温条件下进行荧光测试(激发波长为400nm)；以528nm处的相对荧光强度(f0-f，f0和f分别表示加入clo^-前后的硫化镉量子点荧光探针的荧光强度)为纵坐标、clo^-的摩尔浓度(c)为横坐标建立硫化镉量子点荧光探针对clo^-检测的线性曲线。图8为硫化镉量子点荧光探针的相对荧光强度随clo^-浓度变化曲线和硫化镉量子点荧光探针对clo^-检测的线性曲线，由图8可知，所述线性曲线具体为f0-f＝7.73352c+12.32782，528nm处的相对荧光强度(f0-f)对于clo^-的摩尔浓度(c)的线性响应在1.6～40μm(r²＝0.99489)之间，且响应时间比较短，为2min(图9)。在3倍信噪比条件下，根据所述线性曲线计算得到clo^-的检测限为0.16μm。

图10为硫化镉量子点荧光探针的荧光强度随clo^-浓度变化曲线，由图10可知，随着clo^-浓度的增加，硫化镉量子点荧光探针在528nm处的荧光强度随之下降，最后在800μm处基本猝灭。

为了研究硫化镉量子点荧光探针对clo^-的选择性，设置空白实验，并用以下阴离子进行对照实验：clo^-、cl^-、co3^2-、hco3^-、no3^-、so4^2-、clo4^-、f^-、i^-、br^-、s^2-、po4^3-、hpo4^2-、c2o4^2-、hso3^-、so^3-、sio3^-、ch3coo^-和hso4^-。同时将上述阴离子用作测试硫化镉量子点荧光探针对clo^-的干扰性实验。实验中待测液具体如下：

空白实验待测液：在2mlpbs缓冲溶液(ph值为7.4)中加入硫化镉量子点荧光探针，得到20μm的硫化镉量子点荧光探针溶液；

对照实验待测液：在空白实验待测液中分别加入上述各阴离子盐，使所得对照实验待测液中各阴离子的浓度分别为200μm；

干扰性实验待测液：在空白实验待测液中加入上述各阴离子盐，使所得干扰性实验待测液中各阴离子的浓度均为200μm。

图11为硫化镉量子点荧光探针对clo^-荧光响应的选择性和抗干扰分析柱形图。由图11可知，除clo^-外，其他阴离子均不会引起硫化镉量子点荧光探针荧光强度的强烈变化；而且，在含有clo^-的溶液中加入其他干扰物，也不会影响硫化镉量子点荧光探针对clo^-的荧光响应。说明上述阴离子对硫化镉量子点荧光探针检测clo^-没有影响，所述硫化镉量子点荧光探针对clo^-有特异性识别，能够准确检测clo^-。

实施例7

将实施例5制备的硫化镉量子点荧光探针进行实物检测，检测样品分别为自来水和游泳池水，检测结果见表1。由表1可知，自来水中的clo^-为4.3μm，游泳池水中的clo^-为12.6μm。向自来水中加入5μm的clo^-，然后再用硫化镉量子点荧光探针检测clo^-的加标测定值为9.1μm，结果表明其回收率为95.3％。向泳池水中加入10μm的clo^-，然后用硫化镉量子点荧光探针检测clo^-的加标测定值为22.9μm，结果表明其回收率为103.0％。二者的相对标准差(rsds)均低于5％。由此说明硫化镉量子点荧光探针可以应用于实物检测。

表1采用硫化镉量子点荧光探针在自来水和游泳池水检测clo^-残留的数据

由以上实施例可知，本发明一锅合成硫化镉量子点荧光探针，过程简单、易操作，条件温和、耗时短。本发明提供的硫化镉量子点荧光探针能够被clo^-淬灭，说明硫化镉量子点荧光探针能够用于检测clo^-；常见阴离子对硫化镉量子点荧光探针检测clo^-没有影响，说明硫化镉量子点荧光探针对clo^-有特异性识别，能够准确检测clo^-。将所述硫化镉量子点荧光探针用于检测自来水和游泳池水中clo^-含量，结果表明其回收率分别为95.3％和103.0％，且二者的相对标准差(rsds)均低于5％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。