一种基于氮掺杂碳点和催化氧化反应的荧光传感器及其构建方法和应用与流程

本发明涉及一种荧光传感器及其应用，属于分析化学和纳米技术领域。

背景技术：

许多过渡金属离子在人体生命活动中起着至关重要的作用。在这些金属离子中，铜离子（cu（ii））是一种对人体必不可少的二价阳离子，它可以帮助机体形成红细胞并充当生理功能的神经递质，也可以作为各种金属酶的催化辅助因子，包括超氧化物歧化酶，细胞色素c氧化酶，酪氨酸酶以及核酸酶。当人体内的铜含量出现异常时，对人体健康有显著的负面影响，过量服用cu（ii）会引起氧化应激和神经退行性疾病，包括阿尔兹海默症，帕金森病，门克斯和威尔逊病。此外，由于广泛的工业应用和农业应用，cu（ii）已经成为环境中主要的重金属污染物。由于它是不可生物降解并且最终会通过食物链积聚在人体内，因此开发出一种准确而灵敏的策略来检测cu（ii）对人类健康是非常必要。

传统的cu（ii）检测手段是基于石墨火焰原子吸收光谱法，表面等离子体共振传感器，电感耦合等离子体质谱法，电感耦合等离子体原子发射光谱法，等离子体共振瑞利散射光谱等等。这些方法都具有相当高的灵敏度，但是其检测过程相当复杂并且需要昂贵的仪器和训练有素的人员。近年来，荧光传感器因其非破坏性，成本效益高和灵敏度高等优点受到越来越多的关注。

荧光传感器是一种对特定的分析物敏感并且可以选择性地与其产生相互作用，将其浓度变化转换为光学信号或者电学信号变化输出从而进行检测的分子器件。荧光传感器技术采用荧光基团，包括无机材料，如上转换纳米材料、量子点等，有机材料，如绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白或荧光染料等进行目标物的检测。近年来，荧光传感器已在一些生物样品中目标物的检测研究中得到了广泛的应用。

氮掺杂碳点（n-cds）已经成为一种低成本、低毒、具有良好的生物相容性的新型光致发光无机材料，其被广泛应用于荧光传感和生物活性物质的检测。专利cn109321237a公开了一种氮硫双掺杂碳点及其制备方法和应用，包括以下步骤：以造纸废料木质素磺酸钠和半胱氨酸为原料置于水热反应釜中，进行水热反应，反应结束后冷却至室温，将得到的黑色产物离心。收集的溶液部分用滤膜过滤，过滤后得到的棕黄色溶液为蓝色荧光碳量子点溶液，该所得碳量子点可用于水体中fe³⁺的分析检测；而本发明公开了一种氮掺杂碳点及其制备方法和应用，包括以下步骤：以尿素和柠檬酸为原料置于水热反应釜中，进行水热反应，反应结束后冷却至室温，将得到的产物加入乙醇离心纯化得到。该所得氮掺杂碳点可用于血清中cu(ii)的分析检测。本发明方法与其相比有以下几点优势：（1）只需要在碳点中掺杂氮便可用于检测。无需掺杂两种元素。（2）制作氮掺杂碳点操作步骤简单，所用时间更短，只需要8h,。（3）该方法检测铜离子的检测范围较宽，为0.05µm-100µm。（4）血清中成分复杂，本发明方法选择性更好。

本发明利用利用铜离子能够专一性催化氧化半胱氨酸形成胱氨酸和过氧化氢，并进一步催化氧化过氧化氢产生羟基自由基淬灭氮掺杂碳点的荧光，构建出一种适用于铜离子检测的荧光传感器，并将其应用到人体血清中铜离子含量的检测。

技术实现要素：

本发明针对铜离子螯合淬灭型荧光传感器存在的选择性不佳的问题，提出了一种基于催化氧化反应的荧光传感器，该荧光传感器中的半胱氨酸能够被铜离子专一性地催化氧化形成胱氨酸和过氧化氢，并进一步催化过氧化氢分解产生羟基自由基破坏氮掺杂碳点淬灭其荧光。当加入不同浓度铜离子进行反应后，可使荧光传感器的蓝色荧光逐渐淬灭，从而实现对铜离子的高选择性和高灵敏的定量检测。同时，该荧光传感器还可应用于人体血清中铜离子的定量检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种荧光传感器，其是以氮掺杂碳点为荧光探针、利用铜离子能够专一性催化氧化半胱氨酸形成胱氨酸和过氧化氢，并进一步催化氧化过氧化氢产生羟基自由基淬灭氮掺杂碳点的荧光，构建检测铜离子的荧光传感器。

所述氮掺杂碳点是以柠檬酸和尿素作为碳源和氮源，水为溶剂，在160℃下水热反应8h后，通过加入乙醇离心纯化得到的；其中，柠檬酸与尿素的质量比为1:1；尿素与水的质量体积比为1:15g/ml；水与乙醇的体积比为1:3。

所述荧光传感器的构建方法为：将氮掺杂碳点溶液与半胱氨酸溶液按体积比1:1搅拌混合，制得所述荧光传感器；其中，氮掺杂碳点溶液的浓度为50μg/ml，半胱氨酸溶液的浓度为1.2mm。

一种所述荧光传感器在定量检测铜离子中的应用，其应用方法包括以下步骤：

向所述荧光传感器中分别加入梯度浓度的铜离子标准溶液，混合反应25min后用荧光分光光度计测定荧光强度并绘制荧光强度随铜离子浓度变化的标准曲线。

一种所述荧光传感器在人体血清检测中的应用，包括用于人体血清中铜离子含量的检测，其具体包括以下步骤：

将医院采集的人体血清加入到所述的荧光传感器中，反应25min后，用荧光分光光度计测定荧光强度，以实现对人体血清铜离子含量的测定。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明中利用到的原料氮掺杂碳点是一种合成简便并具有优异荧光性能的发光材料，原料方便易得。

（2）本发明荧光传感器响应不同浓度铜离子而呈现出荧光淬灭的变化，其相对于铜离子螯合淬灭型荧光传感器具有选择性好的优点，同时具有操作简便的优点。

（3）本发明荧光传感器适用于人体血清中铜离子的定量检测。

附图说明

图1为本发明所述的荧光传感器检测铜离子含量的原理图。

图2为本发明所述的氮掺杂碳点的表征图谱：（a）透射电镜图；（b）紫外-可见吸收光谱图；（c）荧光激发和发射光谱图；（d）傅里叶红外光谱图。

图3为本发明所述的荧光传感器响应不同浓度铜离子的荧光强度变化图。

图4为本发明所述的荧光传感器对铜离子检测的选择性研究。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1：氮掺杂碳点的合成

首先将1g柠檬酸和1g尿素超声溶解于15ml的水中，待溶液澄清透明，将其转移到50ml容积的聚四氟乙烯高压反应釜中，在160℃下加热反应8h，待反应釜冷却至室温后，将所得产物加入三倍体积的乙醇混合均匀，然后5000rpm离心去除液体并以乙醇反复洗涤三次，最后得到的固体用真空烘箱进行真空干燥，即得到氮掺杂碳点的固体结晶（氮掺杂碳点的相关表征如图2，其中a为氮掺杂碳点的透射电镜图，显示其粒径分布为2-3nm；b为氮掺杂碳点的紫外可见吸收光谱图；c为氮掺杂碳点的荧光激发和荧光发射光谱图；d为氮掺杂碳点的傅里叶外光谱图）。

实施例2：所述荧光传感器的构建及专一性响应铜离子

按体积比1:1向50μg/ml氮掺杂碳点溶液s中加入1.2mm半胱氨酸溶液，制得荧光传感器。

在所得荧光传感器中分别加入梯度浓度的铜离子标准溶液（铜离子标准溶液的浓度依次为0.05、0.1、0.5、1、2、4、6、9、15、20、25、40、60、80、100μm），反应25min用荧光分光光度计测定荧光强度并绘制荧光强度变化曲线。（如图2为不同浓度的铜离子与反应后的荧光强度变化图）。

实施例3：人体血清中铜离子含量的检测，具体步骤如下

将医院采集的人体血清加入到所述的荧光传感器中，反应25min后，用荧光分光光度计测定荧光强度，记录数据。检测结果显示，测得的人体血清中铜离子含量为1.63μm。

实施例3：荧光传感器对铜离子检测的选择性

向荧光传感器中分别加入干扰物质，铜离子的浓度为20μm，其他干扰性物质的浓度为200μm。如图4所示，从左到右分别为空白、钠离子、钾离子、镁离子、锌离子、钙离子、铝离子、亚铁离子、铁离子、牛血清蛋白、赖氨酸、维生素b2、葡萄糖、谷胱甘肽、抗坏血酸和铜离子。其相应的荧光强度变化如图4所示，除了铜离子使荧光传感器的荧光强度淬灭外，其他干扰物质对荧光强度均不会造成影响。结果说明本发明所述方法制备荧光传感器对铜离子的检测有较好的选择性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。