一种三信号碳点基探针及制备方法和应用

1.本发明涉及荧光纳米材料，具体涉及一种三信号碳点基探针及其制备方法和应用。


背景技术：

2.碳点是碳材料中一种新型纳米功能材料。2004年，美国克莱蒙森大学xu等(j.am.chem.soc.,2004,126,12736-12737)采用凝胶电泳分离纯化电弧放电法制备单壁碳纳米管时，首次发现了一种以碳为骨架结构的具有荧光性能的碳纳米颗粒。2006年，sun等(j.am.chem.soc.,2006,128,7756
–
7757)利用激光蚀刻技术刻蚀碳靶制得荧光碳纳米颗粒，并首次将其命名为碳点。作为一种新型荧光碳纳米材料，碳点不仅具有优良的光学性能、稳定的荧光性质和良好的生物相容性等特点，并且在化学与生物传感、生物成像、药物传递和光催化等方面具有独特的优势。
3.目前，碳点主要有两种合成方法：自上而下法和自下而上法。自上而下的合成方法，即从较大的碳结构剥落制备碳点的物理方法，主要包括电弧放电、电子束辐射、电化学氧化和激光剥蚀等。自下而上的合成方法，即通过热解或碳化合适的前驱物直接合成碳点，包括水热法、高温热解法、燃烧法、微波法和超声波法等。此外，随着碳点研究的深入，绿色环保的、廉价的、易得的制备碳点的原料受到科研人员的广泛关注。
4.在过去几年中，由于合成的碳点大多呈单波长发射，因而设计的探针多为基于单波长荧光强度变化探针，此类探针容易受仪器灵敏度、荧光探针浓度、光源波动等因素干扰，大大妨碍了检测物的精确定量测定。而基于碳点的比率荧光探针是通过同时测量两个分辨良好的发射峰的荧光强度比值来测定分析物，该类探针在一定程度上能够解决基于单波长荧光强度变化探针所存在的问题，从而可以提高检测的可靠性和准确性。因此，构建基于碳点的比率荧光探针显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种三信号碳点基探针及其制备方法，该方法原料简单、制备条件要求低，制得的三信号碳点基探针毒性小、荧光量子产率高、水溶性及生物相容性好，可将其作为比率荧光、比率吸收和比色三信号纳米传感器用于水溶液中连续检测hg
2+
和so
32-，并将其作为比率荧光纳米传感器用于活细胞中连续检测hg
2+
和so
32-。
6.为实现上述目的本发明提供的技术方案为：
7.一种三信号碳点基探针的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)按质量比1:50～200将苏木加入二次水中，制得混合液；
9.(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，进行水热反应；
10.(3)将步骤(2)得到的产物离心除去不溶物，再用透析袋透析除去杂质得到澄清的浅粉色三信号碳点基探针溶液；
11.(4)将步骤(3)得到的三信号碳点基探针溶液冷冻干燥后得到目标三信号碳点基
探针。
12.所述步骤(1)中苏木和二次水按质量比优选为1:60～150。
13.所述步骤(2)中水热反应的温度优选为180～220℃，时间优选为2～7h。
14.所述步骤(3)中的透析是用截留分子量为500～1000da的透析袋透析8～18h。
15.本发明方法制备的三信号碳点基探针可用于水溶液中和细胞内连续检测hg
2+
和so
32-。
16.与现有技术相比，本发明的优点在于：
17.(1)制得的三信号碳点基探针具有良好的发光性能，将其用作比率荧光探针，可以避免浓度变化、仪器效率以及探针分布不均匀等不可避免因素的影响。
18.(2)制得的三信号碳点基探针因其碳源廉价易得、稳定性强、毒性低、水溶性以及生物相容性好，不仅可用于水溶液中连续检测hg
2+
和so
32-，还可在生物传感和细胞成像等领域广泛应用。
附图说明
19.图1为实施例1制备的三信号碳点基探针的透射电镜图和尺寸分布图
20.图2为实施例1制备的三信号碳点基探针的原子力显微镜图
21.图3为实施例1制备的三信号碳点基探针的红外光谱图
22.图4为实施例1制备的三信号碳点基探针的x射线光电子能谱图
23.图5为实施例1制备的三信号碳点基探针的紫外-可见吸收光谱图
24.图6为实施例1制备的三信号碳点基探针在不同激发波长下的荧光发射光谱图
25.图7为实施例1制备的三信号碳点基探针对hg
2+
选择性的图
26.图8为实施例1制备的三信号碳点基探针随hg
2+
浓度变化的荧光发射光谱图
27.图9为实施例1制备的三信号碳点基探针随hg
2+
浓度变化的紫外-可见吸收光谱图
28.图10为实施例1制备的三信号碳点基探针溶液随hg
2+
浓度变化的在日光灯下的颜色变化图
29.图11为实施例1制备的三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液随so
32-浓度变化的荧光发射光谱图
30.图12为实施例1制备的三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液随so
32-浓度变化的紫外-可见吸收光谱图
31.图13为实施例1制备的三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液随so
32-浓度变化的在日光灯下的颜色变化图
32.图14为实施例1制备的三信号碳点基探针标记的人宫颈癌细胞(hela细胞)的激光共聚焦图
具体实施方式
33.以下实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明并不局限于这些实施例。
34.实施例1
35.三信号碳点基探针的制备：
36.(1)将0.4g苏木加入30ml去离子水中，制得混合液；
37.(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在220℃下水热反应3h；
38.(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，再用截留分子量为500～1000da的透析袋透析12h除去杂质，得到澄清的浅粉色三信号碳点基探针溶液；
39.(4)将(3)得到的三信号碳点基探针溶液冷冻干燥后得到三信号碳点基探针。
40.制备的三信号碳点基探针的透射电镜图和尺寸分布图见图1。
41.制备的三信号碳点基探针的原子力显微镜图见图2。
42.制备的三信号碳点基探针的红外光谱图见图3。
43.制备的三信号碳点基探针的x射线光电子能谱图见图4。
44.制备的三信号碳点基探针的紫外-可见吸收光谱见图5。
45.制备的三信号碳点基探针在不同激发波长下的荧光发射光谱图见图6，其中1～9分别是激发波长为320nm、330nm、340nm、350nm、360nm、370nm、380nm、390nm和400nm激发下的荧光光谱图。
46.实施例2
47.三信号碳点基探针的制备：
48.(1)将0.4g苏木加入30ml去离子水中，制得混合液；
49.(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在200℃下水热反应5h；
50.(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，再用截留分子量为500～1000da的透析袋透析12h除去杂质，得到澄清的浅粉色三信号碳点基探针溶液；
51.(4)将(3)得到的三信号碳点基探针溶液冷冻干燥后得到三信号碳点基探针。
52.实施例3
53.三信号碳点基探针的制备：
54.(1)将0.25g苏木加入25ml去离子水中，制得混合液；
55.(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在180℃下水热反应7h；
56.((3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，再用截留分子量为500～1000da的透析袋透析12h除去杂质，得到澄清的浅粉色三信号碳点基探针溶液；
57.(4)将(3)得到的三信号碳点基探针溶液冷冻干燥后得到三信号碳点基探针。
58.实施例4
59.三信号碳点基探针的制备：
60.(1)将0.4g苏木加入30ml去离子水中，制得混合液；
61.(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在220℃水热反应7h；
62.(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，再用截留分子量为500～1000da的透析袋透析12h除去杂质，得到澄清的浅粉色三信号碳点基探针溶液；
63.(4)将(3)得到的三信号碳点基探针溶液冷冻干燥后得到三信号碳点基探针。
64.实施例5
65.三信号碳点基探针的制备：
66.(1)将0.2g苏木加入30ml去离子水中，制得混合液；
67.(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在220℃水热反应3h；
68.(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，再用截留分子量为500～1000da的透析袋透析12h除去杂质，得到澄清的浅粉色三信号碳点基探针溶液；
69.(4)将(3)得到的三信号碳点基探针溶液冷冻干燥后得到三信号碳点基探针。
70.实施例6
71.实施例1制备的三信号碳点基探针对hg
2+
选择性实验：
72.用ph＝7的pbs缓冲液和fe(no3)3、bi(no3)3、zncl2、cucl2、cocl2、hg(ch3coo)2、cdcl2、nicl2、mgcl2、cacl2、ba(no3)2、al2(so4)3、kcl、mnso4分别配制金属离子浓度为130μmol
·
l-1
的溶液，分别将0.08mg实施例1制备的三信号碳点基探针溶解到1ml上述含不同金属离子的溶液中，固定激发波长为360nm，在20℃下进行荧光光谱检测，根据log(i
580
/i
468
)，进而达到对hg
2+
选择性的检测。
73.三信号碳点基探针对hg
2+
选择性的图见图7：三信号碳点基探针溶液对hg
2+
有最大的响应。
74.实施例7
75.实施例1制备的三信号碳点基探针对hg
2+
的荧光滴定实验：
76.用ph＝7的0.1mol
·
l-1
的pbs缓冲液和hgcl2分别配制hg
2+
浓度为5μmol
·
l-1
、10μmol
·
l-1
、15μmol
·
l-1
、20μmol
·
l-1
、25μmol
·
l-1
、30μmol
·
l-1
、35μmol
·
l-1
、40μmol
·
l-1
、45μmol
·
l-1
、50μmol
·
l-1
、55μmol
·
l-1
、60μmol
·
l-1
、65μmol
·
l-1
、70μmol
·
l-1
、80μmol
·
l-1
、90μmol
·
l-1
、100μmol
·
l-1
、110μmol
·
l-1
、120μmol
·
l-1
和130μmol
·
l-1
的水溶液，分别将0.08mg实施例1制备的三信号碳点基探针溶解到1ml上述含不同浓度hg
2+
的水溶液中，固定激发波长为360nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
77.三信号碳点基探针溶液随hg
2+
浓度变化的荧光发射光谱图见图8，其中1～21分别是hg
2+
浓度为0μmol
·
l-1
、5μmol
·
l-1
、10μmol
·
l-1
、15μmol
·
l-1
、20μmol
·
l-1
、25μmol
·
l-1
、30μmol
·
l-1
、35μmol
·
l-1
、40μmol
·
l-1
、45μmol
·
l-1
、50μmol
·
l-1
、55μmol
·
l-1
、60μmol
·
l-1
、65μmol
·
l-1
、70μmol
·
l-1
、80μmol
·
l-1
、90μmol
·
l-1
、100μmol
·
l-1
、110μmol
·
l-1
、120μmol
·
l-1
和130μmol
·
l-1
的溶有三信号碳点基探针的pbs缓冲溶液的荧光发射光谱图；从图中可以看出随着hg
2+
浓度的增加，在468nm处的荧光强度逐渐降低，而在580nm处的荧光强度逐渐增强。
78.实施例8
79.实施例1制备的三信号碳点基探针对hg
2+
的紫外-可见滴定实验：
80.用ph＝7的pbs缓冲液和hgcl2分别配制hg
2+
浓度为3μmol
·
l-1
、6μmol
·
l-1
、9μmol
·
l-1
、12μmol
·
l-1
、15μmol
·
l-1
、18μmol
·
l-1
、21μmol
·
l-1
、24μmol
·
l-1
、27μmol
·
l-1
、30μmol
·
l-1
、33μmol
·
l-1
和36μmol
·
l-1
的水溶液，分别将0.01mg实施例1制备的三信号碳点基探针溶解到1ml上述含不同浓度hg
2+
的水溶液中，在20℃下进行紫外-可见光谱检测。
81.三信号碳点基探针溶液随hg
2+
浓度变化的紫外-可见吸收光谱图见图8，其中1～13分别是hg
2+
浓度为0μmol
·
l-1
、3μmol
·
l-1
、6μmol
·
l-1
、9μmol
·
l-1
、12μmol
·
l-1
、15μmol
·
l-1
、18μmol
·
l-1
、21μmol
·
l-1
、24μmol
·
l-1
、27μmol
·
l-1
、30μmol
·
l-1
、33μmol
·
l-1
和36μ
mol
·
l-1
时的溶有三信号碳点基探针的pbs缓冲溶液的紫外-可见吸收光谱图；从图中可以看出随着hg
2+
浓度的增加，在206nm处的吸收峰逐渐降低，而在538nm处的吸收峰逐渐增强。
82.实施例9
83.将实施例1制备的三信号碳点基探针溶液置于比色皿中，日光下三信号碳点基探针溶液为浅粉色(最左边)，加入不同浓度的hg
2+
(分别为20μmol
·
l-1
、40μmol
·
l-1
、60μmol
·
l-1
、80μmol
·
l-1
、100μmol
·
l-1
、110μmol
·
l-1
、120μmol
·
l-1
和130μmol
·
l-1
)后，溶液颜色逐渐变为深红色(最右边)，如图10。
84.实施例10
85.实施例1制备的三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液(碳点浓度为0.08g
·
l-1
,hg
2+
浓度为130μmol
·
l-1
)对so
32-的荧光滴定实验：
86.将不同质量的亚硫酸钠加入到三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液中，使so
32-浓度分别为50μmol
·
l-1
、100μmol
·
l-1
、150μmol
·
l-1
、200μmol
·
l-1
、250μmol
·
l-1
、300μmol
·
l-1
、350μmol
·
l-1
、400μmol
·
l-1
、450μmol
·
l-1
、500μmol
·
l-1
、550μmol
·
l-1
、600μmol
·
l-1
、650μmol
·
l-1
、700μmol
·
l-1
、750μmol
·
l-1
、800μmol
·
l-1
和850μmol
·
l-1
，固定激发波长为360nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
87.三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液随so
32-浓度变化的荧光发射光谱图见图11，其中1～18分别是溶有so
32-浓度为0μmol
·
l-1
、50μmol
·
l-1
、100μmol
·
l-1
、150μmol
·
l-1
、200μmol
·
l-1
、250μmol
·
l-1
、300μmol
·
l-1
、350μmol
·
l-1
、400μmol
·
l-1
、450μmol
·
l-1
、500μmol
·
l-1
、550μmol
·
l-1
、600μmol
·
l-1
、650μmol
·
l-1
、700μmol
·
l-1
、750μmol
·
l-1
、800μmol
·
l-1
和850μmol
·
l-1
时溶液的荧光发射光谱图；从图中可以看出随着so
32-浓度的增加，在468nm处的荧光强度逐渐增强，而在580nm处的荧光强度逐渐降低。
88.实施例11
89.实施例1制备的三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液(碳点浓度为0.01g
·
l-1
,hg
2+
浓度为36μmol
·
l-1
)对so
32-的紫外-可见滴定实验：
90.将不同质量的亚硫酸钠加入到三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液中，使so
32-浓度分别为30μmol
·
l-1
、60μmol
·
l-1
、90μmol
·
l-1
、120μmol
·
l-1
、150μmol
·
l-1
、180μmol
·
l-1
、210μmol
·
l-1
、240μmol
·
l-1
、270μmol
·
l-1
、300μmol
·
l-1
、330μmol
·
l-1
、360μmol
·
l-1
、390μmol
·
l-1
、420μmol
·
l-1
、450μmol
·
l-1
、480μmol
·
l-1
、510μmol
·
l-1
和540μmol
·
l-1
，在20℃下进行紫外-可见光谱检测。
91.三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液(碳点浓度为0.01g
·
l-1
,hg
2+
浓度为36μmol
·
l-1
)随so
32-浓度变化的紫外-可见吸收光谱图见图12，其中1～19分别是so
32-浓度为0μmol
·
l-1
、30μmol
·
l-1
、60μmol
·
l-1
、90μmol
·
l-1
、120μmol
·
l-1
、150μmol
·
l-1
、180μmol
·
l-1
、210μmol
·
l-1
、240μmol
·
l-1
、270μmol
·
l-1
、300μmol
·
l-1
、330μmol
·
l-1
、360μmol
·
l-1
、390μmol
·
l-1
、420μmol
·
l-1
、450μmol
·
l-1
、480μmol
·
l-1
、510μmol
·
l-1
和540μmol
·
l-1
时溶液的紫外-可见吸收光谱图；从图中可以看出随着so
32-浓度的增加，206nm处的吸收峰逐渐增加，而538nm处的吸收峰逐渐降低。
92.实施例12
93.实施例1制备的三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液置于比色皿中，日光下三信号碳点基探针与hg
2+
的混合液为深红色(最左边)，加入不同浓度的so
32-(分别为100μmol
·
l-1
、
200μmol
·
l-1
、300μmol
·
l-1
、400μmol
·
l-1
、500μmol
·
l-1
、600μmol
·
l-1
、700μmol
·
l-1
和850μmol
·
l-1
)后，溶液逐渐变为浅粉色(最右边)，如图13。
94.实施例13
95.实施例1制备的三信号碳点基探针用于标记人宫颈癌细胞(hela细胞)，见图14。激发波长为405nm，发射波长设置为425nm～555nm(通道1)和555nm～700nm(通道2)。图14a显示了三信号碳点基探针标记的细胞图，在405nm～555nm处呈现亮蓝色荧光，而555nm～700nm处呈现暗黄色荧光。保持所有上述设置不变的情况下，加入hg
2+
后，425nm～555nm处的蓝色荧光明显变暗，而555nm～700nm处的黄色荧光显著增强(如图14b)。继续加入so
32-，425nm～555nm处的蓝色荧光变亮，而555nm～700nm处的黄色荧光变暗(如图14c)。