CN104535601B - 一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于快速检测技术领域，特别涉及一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器及其制备方法，首先制备特异性受体单元，然后再制备Au‑Fe3O4纳米粒子，最后将特异性受体单元、mPEG‑SH、无水碳酸钠溶于水中，再加入Au‑Fe3O4纳米粒子溶液中摇床振荡反应10‑20小时即可。本发明的双模式传感器，在Cd2+离子存在的情况下，使得纳米粒子的分散状态发生改变由分散到聚集。这一状态的变化，会改变纳米粒子周围的水质子的弛豫时间发生变化，金纳米的存在，也使得纳米粒子的紫外吸收光谱发生变化。所以本发明采用紫外吸收检测和核磁共振法两种方法共同检测Cd2+，具有精度高，抗干扰能力强，选择性高。

Description

一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于快速检测技术领域，特别涉及一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器及其制备方法。
背景技术
环境污染和食品安全直接危害到公众健康安危，对社会和经济发展都会造成严重的影响。最近几年污染突发环境事件及食品污染事件频发，已经威胁到人们的安全，及时、稳妥地处理每次应急事件是当务之急。而应急监测是处理类似事件的前提和依据，最为关键的是在事件发展的早期甚至萌芽期就监测到污染物的浓度变化。因而，发展现场快速检测技术十分重要。重金属污染是一种需要优先控制的重要污染物。重金属毒性污染物主要指铅、铬、镉、汞、铜等。冶炼，化石燃料的燃烧、采矿和是重金属的最主要污染源。
在动物实验中，镉可以影响发育，导致一系列的负面结果，例如：幼体畸形、干扰幼体的新陈代谢和损害神经发育。镉的急性影响(短期的)通过暴露吸入主要影响肺癌、毛细支气管炎、和肺气肿等肺刺激。慢性的(长期的)吸入或口腔接触镉，使得镉在肾脏的累积并导致肾脏疾病，并同时影响肝、肺、骨、免疫***、血液和神经***。通过动物研究表明，长期暴露在含镉的环境中，可以大大增加肺癌的发生几率。实现对Cd2+离子方便、快速地检测，可以极大的方便人们的生活，保证公众的健康安全，具有良好的社会意义。
开发快速检测技术，实现在更短的检测时间、达到更高的检测准确度、实现更高的检测灵敏度，以保障环境和食品安全，是未来检测技术的发展方向。近年来新开发的快速检测技术有生物传感器检测技术、酶抑制检测技术、免疫检测技术，化学传感器技术(电化学传感器、光谱传感器、核磁共振传感器、)等。
但是，传统的检测技术抗干扰能力差、精准度低，无法快速检测样品中的 Cd2+。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器，该传感器通过弛豫时间和紫外光谱的双重检测，能快速检测Cd2+的存在，而且精确度高、选择性好。
本发明的另一个目的是提供上述基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其步骤包括：
(1)、在氯乙酰儿茶酚和叠氮钠中加入二甲基亚砜，在18-25℃下反应5-15小时，加入冰水后萃取、干燥，得到粉末状样品，然后在粉末状样品中加入水搅拌均匀后再加入丙炔酸乙酯搅拌反应10-20小时，浓缩、过滤，得到特异性受体单元；
(2)、在四氢萘中加入油胺和氯金酸，在温度为60-85℃下反应4-6小时，离心、分散得到金纳米粒子；
(3)将十八烯中加入油胺、油酸和金纳米粒子并升温至125-135℃保持0.5-1小时，然后加入Fe(CO)5后升温至220-260℃，保持0.5-1.5小时，冷却、离心、分散，得到Au-Fe3O4；
(4)、将步骤(1)中的特异性受体单元、mPEG-SH、无水碳酸钠溶于水中，再加入步骤(3)中的Au-Fe3O4摇床振荡反应10-20小时即可。
所述步骤(1)中，氯乙酰儿茶酚、叠氮钠中和二甲基亚砜的加入配比为1g：0.1-2g：10-20mL。
所述步骤(1)中，粉末状样品和水的加入比例为20-50mg/mL。
所述步骤(1)中，粉末状样品和丙炔酸乙酯的加入加入量比为3-10mg：1μL。
所述步骤(2)中，四氢萘、油胺和氯金酸的加入配比为8-12mL：1mL：0.1g。
所述步骤(3)中，金纳米粒子和Fe(CO)5的加入量配比为2-25mg：0.1mL。
所述步骤(4)中，特异性受体单元、mPEG-SH、无水碳酸钠的加入配比为1:1-1.5:6-7；特异性受体单元和Au-Fe3O4的加入配比为1：0.1-2.5。合适的加入配比，有利于双模式传感器的在水溶液中分散性的提高，和检测能力的增强。
通过上述制备方法可以制备得到基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器。
本发明的双模式传感器通过对Cd2+离子的特异性识别作用，在Cd2+离子存在的情况下，使得纳米粒子的分散状态发生改变由分散到聚集。这一状态的变化，会改变纳米粒子周围的水质子的弛豫时间发生变化，同时由于金纳米的存在并发生了聚集，也使得纳米粒子的紫外吸收光谱发生变化，通过核磁共振波普仪和紫外吸收分光光度计的使用，实现对Cd2+离子的双模式检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器可采用紫外吸收检测和核磁共振法两种方法共同检测Cd2+，具有精度高，抗干扰能力强，选择性高。
(2)本发明在通过紫外吸收分光光度计的检测时，可以通过颜色和光谱的变化，实现直观的、可视的检测过程，检测效率高，方便。
(3)本发明制备的双模式传感器操作简单，反应的可控度高，扩大了纳米技术的应用范围。
附图说明
图1为实施例1中制备的特异性受体单元的核磁谱图。
图2为实施例1中制备的杂合Au-Fe3O4纳米粒子的电镜图。
图3为实施例1中所制备的杂合Au-Fe3O4纳米粒子的紫外吸收谱图。
图4为实施例1中所制备的杂合Au-Fe3O4纳米粒子的红外谱图。
图5为实施例1制备的双模式传感器的红外谱图。
图6为实施例1制备的双模式传感器的电镜图。
图7为实施例中1中双模式传感器的水合直径(DLS)。
图8为加入Cd2+后的双模式传感器聚集后的水合直径(DLS)。
图9为在双模式传感器中加入不同浓度Cd2+后的紫外吸收谱图。
图10为在双模式传感器中加入不同浓度Cd2+后的横向弛豫时间(T2)的变化图。
图11传感器纳米粒子对不同的金属离子(300μmol/L)的选择性测试对比图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1
(1)、特异性受体单元的制备
在1.0g的氯乙酰儿茶酚，300mg的叠氮钠中加入15mL的DMSO(二甲基亚砜)。在室温下反应8h，加入50mL的冰水，用***萃取三次。有机相水洗并用Na2CO3干燥，有机相经过减压蒸馏得到粉末状样品。称取380mg粉末状样品溶解在15mLH2O中，混合均匀；在加入50μL的丙炔酸乙酯，在加热搅拌12h，反应结束后，浓缩过滤，重结晶，即特异性受体单元。图1为制备的特异性受体单元的核磁谱图。
(2)杂合Au-Fe3O4的制备
在10mL的四氢萘中加入1mL的油胺、100mg的氯金酸，升温至70℃，反应5h，冷却，加入乙醇离心，分散在正己烷中，得到金纳米粒子。
在10mL的十八烯中加入1mL的油胺、1mL的油酸，然后加入2mL的金纳米粒子(1-10mg/mL)，升温至130℃保持30min；加入0.1mL的Fe(CO)5，缓慢升温至240℃，保持1h；冷却至室温，加入大量的异丙醇离心，并将杂合Au-Fe3O4的纳米粒子分散在氯仿中。图2为杂合Au-Fe3O4纳米粒子的电镜图，通过该电镜图，可以看出制备的纳米粒子的分散性良好。
图3为杂合Au-Fe3O4纳米粒子的紫外吸收谱图，该纳米粒子在565nm处有最大吸收峰。
图4为杂合Au-Fe3O4纳米粒子的红外谱图。
(3)基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备
取15mg特异性受体单元，20mg的mPEG-SH；无水碳酸钠100mg，溶 于水中，混合混匀形成水溶液；取2mL的杂合Au-Fe3O4纳米粒子(1-10mg/mL)稀释至5mL，加入到上述的水溶液中，摇床振荡反应16小时；离心，分散在水中即可。
图5为所制备的双模式传感器的红外谱图，从图4和图5对比来看，杂合Au-Fe3O4纳米粒子修饰特异性受体单元成功。
图6为所制备的双模式传感器的电镜图，说明制得的传感器分散性良好。
实施例2
(1)、特异性受体单元的制备
在1.0g的氯乙酰儿茶酚，1.0g的叠氮钠中加入20mL的DMSO(二甲基亚砜)。在室温下反应12h，加入60mL的冰水，用***萃取三次。有机相水洗并用Na2CO3干燥，有机相经过减压蒸馏得到粉末状样品。称取380mg粉末状样品溶解在15mLH2O中，混合均匀；在加入100μL的丙炔酸乙酯，在常温下搅拌12h，反应结束后，浓缩过滤，重结晶，即特异性受体单元。
(2)杂合Au-Fe3O4的制备
在100mL的四氢萘中加入10mL的油胺、1g的氯金酸，升温至70℃，反应5h，冷却，加入乙醇离心，分散在正己烷中，得到金纳米粒子。
在20mL的十八烯中1mL的油酸，然后加入2.5mL的金纳米粒子(40mg)，升温至130℃保持40min；加入0.18mL的Fe(CO)5，注入0.6mL的油胺，缓慢升温至245℃，保持1h；冷却至室温，加入大量的异丙醇离心，并将杂合Au-Fe3O4分散在氯仿中。
(3)基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备
取20mg特异性受体单元，25mg的mPEG-SH；无水碳酸钠110mg，溶于水中，混合混匀形成水溶液；取3mL的杂合Au-Fe3O4纳米粒子(8-12mg)稀释至5mL，加入到上述的水溶液中，摇床振荡反应16小时；离心，分散在水中即可。
实施例3
(1)特异性受体单元的制备同实施例1。
(2)杂合Au-Fe3O4的制备同实施例1。
(3)基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备
取30mg特异性受体单元，40mg的mPEG-SH；无水碳酸钠200mg，溶于水中，混合混匀形成水溶液；取4mL的杂合Au-Fe3O4纳米粒子(10-18mg)稀释至5mL，加入到上述的水溶液中，摇床振荡反应？小时；离心，分散在水中即可。
将实施例1中制得的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器对Cd2+进行检测：
(1)、利用紫外线光谱法检测
在Fe含量为(21.18μg/mL)的双模式传感器纳米粒子的溶液中加入Cd2+离子，使Cd2+离子的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110及120μmol/L，由于Cd2+浓度的不同，使得紫外吸收谱图发生不同的变化；结果如图9所示。利用紫外线光谱法检测，Cd2+离子的检测限约为3.02μmol/L。而且随着溶液中的Cd2+离子增加，颜色由***变化为蓝色。便于人们肉眼就能观察到，非常方便，实用。
(2)利用核磁共振法检测
在Fe含量为0.71μg/mL的双模式传感器纳米粒子的溶液中加入Cd2+离子，使Cd2+离子的浓度分别为40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160及170μmol/L，由于Cd2+浓度的不同，横向弛豫时间(T2)的变化值逐渐增大，直至达到了平衡；结果如图10所示。利用核磁共振的方法，Cd2+离子的检测限约为2.64μmol/L。
(3)抗干扰测试
在Fe含量为(21.18μg/mL)的双模式传感器纳米粒子的溶液中加入300μmol/L不同的金属离子，比较相似的重金属离子引起的紫外吸收谱图的变化，用于检测该传感器的竞争性，结果如图11所示，该传感器纳米粒子具有良好的选择性。
对比测试
将现有技术中的磁性纳米粒子单模式传感器和本发明制备的双模式传感 器进行精准度的对比测试，结果如下：
在现有技术中的磁性纳米粒子单模式传感器纳米粒子溶液中和本发明制备的双模式传感器纳米粒子溶液(Fe含量为21.18μg/mL)中，分别加入浓度为0.05μmol/L、0.10μmol/L、10μmol/L、20μmol/L、50μmol/L、80μmol/L的Cd2+待测样品，双模式传感器纳米粒子溶液的检测准确率为100％，但是磁性纳米粒子单模式传感器纳米粒子溶液的检测准确率仅仅为95％。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于，其步骤包括：
(1)、在氯乙酰儿茶酚和叠氮钠中加入二甲基亚砜，在18-25℃下反应5-15小时，加入冰水后萃取，然后干燥，得到粉末状样品，然后在粉末状样品中加入水搅拌均匀后再加入丙炔酸乙酯搅拌反应10-20小时，浓缩、过滤，得到特异性受体单元；
(2)、在四氢萘中加入油胺和氯金酸，在温度为60-85℃下反应4-6小时，离心后分散得到金纳米粒子；
(3)、将十八烯中加入油胺、油酸和金纳米粒子并升温至125-135℃保持0.5-1小时，然后加入Fe(CO)5后升温至220-260℃，保持0.5-1.5小时，冷却后离心，然后分散，得到Au-Fe3O4；
(4)、将步骤(1)中的特异性受体单元和mPEG-SH以及无水碳酸钠溶于水中，再加入步骤(3)中的Au-Fe3O4摇床振荡反应10-20小时即可。
2.根据权利要求1所述的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，氯乙酰儿茶酚、叠氮钠和二甲基亚砜的加入配比为1g：0.1-2g：10-20mL。
3.根据权利要求1所述的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，粉末状样品和水的加入配比为20-50mg/mL。
4.根据权利要求1所述的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，粉末状样品和丙炔酸乙酯的加入配比为3-10mg：1μL。
5.根据权利要求1所述的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，四氢萘、油胺和氯金酸的加入配比为8-12mL：1mL：0.1g。
6.根据权利要求1所述的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，金纳米粒子和Fe(CO)5的加入配比为2-25mg：0.1mL。
7.根据权利要求1所述的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，特异性受体单元和mPEG-SH以及无水碳酸钠的加入配比为1:1-1.5:6-7。
8.根据权利要求1所述的基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，特异性受体单元和Au-Fe3O4的加入配比为1:0.1-2.5。
9.一种基于磁性纳米粒子检测Cd2+的双模式传感器，其特征在于：通过权利要求1-8中任一项权利要求所述的制备方法制备。
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