CN110157421A

CN110157421A - 一种金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子及其制备方法和在四环素检测中的应用

Info

Publication number: CN110157421A
Application number: CN201910323731.2A
Authority: CN
Inventors: 高鹏飞; 张彦; 李天栋; 董川; 张国梅; 双少敏
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2019-08-23

Abstract

本发明属纳米复合材料制备技术领域，提供一种金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子及其制备方法和在四环素检测中的应用。以N‑乙酰基‑L‑半胱氨酸及葡萄糖为碳源及保护剂，氯金酸为金前驱体通过一锅法制备而成金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。制备工艺简单，反应速度快，环境友好，黄绿色金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子发射波长位于长波长处，可避免生物体自身荧光的干扰，具有良好的水溶性，较高量子产率，较长荧光寿命，抗光漂白性好，光稳定性好，展现出了比单一材料更优的光学性能。只四环素能显著猝灭金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光，构建了选择性好、灵敏度高的传感体系，该方法可应用于食品中四环素类药物残留的检测。

Description

一种金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子及其制备方法和在四环素检测中的应用

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体涉及一种金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子及其制备方法和在四环素检测中的应用。

背景技术

四环素（Tetracyclines，TCs）是一种抗生素，高浓度时具有杀菌作用，对革兰氏阳性菌、阴性菌、立克次体等具有很好的抑制作用。由于其良好的抗菌活性、易于口服吸收及低毒性低成本等优点，已广泛应用于感染治疗等医学领域。然而，滥用TCs会在人体内产生残留物，增加潜在风险。目前很多食品如蜂蜜和牛奶中已发现有TCs残留，会导致过敏反应的发生。更有大量数据表明，长期摄入过量的TCs可能会影响牙齿的生长和形成。因此，很多国家对动物产品中TCs限量做了明确规定。例如美国规定动物系列组织中肝脏、肌肉组织、肾脏中TCs的限量分别为6 ppm、2 ppm、12 ppm。迄今为止，检测四环素的方法有高效液相色谱法，化学发光发，毛细管电泳法（CE），和试纸比色法等，但是这些方法操作复杂，仪器昂贵，样品制备及处理过程也比较麻烦，从而限制了其实际应用。近年来，荧光法由于具有操作简单，成本低，灵敏度高等优点，成为分析化学常用的技术手段，因此，建立一种新型有效，简便快捷，灵敏度高和选择性好的荧光方法用于TCs的检测势在必行。

荧光碳点是一种新型碳纳米材料，克服了传统半导体量子点的某些缺点，不仅具有荧光波长可调、荧光量子产率高等特性，而且具有良好的生物相容性，易于实现表面功能化，在生化传感、环境检测、荧光成像等领域具有很好的应用潜力。金纳米簇是一种研究较为广泛的贵金属纳米簇，不仅具有生物毒性低、生物相容性好等优点，还具有由于d-带激发态的重组使其能在可见-近红外范围发光的特性。鉴于碳点和金纳米簇各自的优点，由不同功能的碳纳米材料及金纳米材料组成的复合纳米材料，可具有多重功能，目前的研究表明，由于碳点-金属纳米杂化材料特异的上/下转换发光性质及电子或电荷转移性质，已应用于光化学和电化学装置，在光催化、太阳能电池或光伏电池，传感器及能量存储等方面也有潜在的应用。

很多的复合纳米材料都是由不同的颗粒组成，这导致它们内在性质的改变，大部分的复合材料的制备都相当复杂。Mondal等在2014年报道了通过物理混合的方法合成了金碳点纳米杂化物，该杂化物在十六烷基三甲基溴化铵的存在可以稳定存在于缓冲溶液介质中。Liang等在2015年报道采用1-3-二甲基氨基丙基-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）为交联剂将金纳米簇和荧光碳点结合制备了纳米复合物。2016年Wang等合成了一种通过静电作用将碳点组装到巯基适配体修饰的金纳米粒子上形成聚合物。2017年Li等通过碳二亚胺活化偶联反应制备了金纳米碳点纳米复合物。目前报道的方法为将金纳米簇和碳点物理混合，或通过静电作用，或采用交联/偶联剂EDC、NHS、碳二亚胺等将金纳米簇与碳点结合来制备金纳米碳点荧光纳米复合材料，制备方法复杂或纳米复合材料水溶性差。因此，找到一种简单制备金纳米碳点荧光纳米复合材料的方法，且有较好的水溶性非常重要。

发明内容

本发明提供了一种金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子及其制备方法和在四环素检测中的应用。所制备的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子合成方法简单，将金纳米簇和碳点这两种荧光纳米材料的优势结合到一个复合纳米材料中，制备一种发射波长位于长波长处，且具有较高量子产率和较好水溶性的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子，并能够制备成可应用于四环素含量测定的新型荧光传感体系。

本发明采用的技术方案是：一种金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子，所述金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子是以N-乙酰基-L-半胱氨酸及葡萄糖为碳源及保护剂，氯金酸为金前驱体通过一锅法制备而成金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。

制备所述的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的方法，具体步骤为：以体积份数计，将10-50份浓度为5-20 mmol/L氯金酸水溶液，10-50份浓度为5-20 mmol/L N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀；再向上述溶液中加入2-20份浓度为1-3 mol/L葡萄糖水溶液，混合均匀后置于500-800 W的微波炉中加热10-30 min，反应产物用水重新溶解，得金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。

所述氯金酸水溶液、N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液和葡萄糖水溶液的体积份数比优选为20:30:10。所述氯金酸水溶液的浓度优选为10 mmol/L，所述N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液的浓度优选为10 mmol/L，所述葡萄糖水溶液的浓度优选为1.5 mol/L，所述加热微波功率优选为700 W，所述加热时间优选为20 min。

所述的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子在四环素检测中的应用，其特征在于：检测方法为：将制备的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子100 μL和1 mL的磷酸缓冲液(PBS,pH=7, 10 mmol/L) 一起加入到荧光比色皿中，分别加入不同浓度的四环素标准溶液10μL，以420 nm为激发波长，测定其荧光光谱。

与现有技术相比，本发明采用天然的生物分子N-乙酰基-L-半胱氨酸和葡萄糖为碳源及还原剂、配体保护剂一步法制备了一种荧光纳米复合粒子，避免了交联/偶联剂的使用，也克服了由简单物理混合或静电作用等所得复合材料稳定性欠缺的缺点。本发明制得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子展现出了比单一材料金纳米簇、碳点更优的光学性能。与一系列重要的小分子相比，只有四环素能显著猝灭金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光，基于此构建了选择性好、灵敏度高的传感体系，线性范围是0.02-203 μmol·L^-1，检出限是2.8 nmol·L^-1，该方法可应用于食品中四环素类药物残留的检测。

附图说明

图1为实施例1所得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光激发、发射光谱图。

图2为实施例1所得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的抗光漂白性图。

图3为实施例1所得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的的XPS表征图，图中：A为XPS全谱；B为Au4f谱，其中黑线是原始数据，红线是拟合数据，根据结合能可以将原始谱带分解成若干新峰。

图4为实施例1所得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的的红外光谱图。

图5为实施例1所得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的对四环素响应的工作曲线，图中：A为加入不同浓度四环素后金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光光谱图；B为金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光强度变化（F₀/F）与四环素浓度的线性关系。

图6为实施例1所得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子同各种小分子作用后的荧光强度柱状图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明。下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实验过程中所有使用的玻璃器皿用王水清洗过再用蒸馏水漂洗后烘干备用。

实施例1：将20 mL 10 mmol/L氯金酸水溶液和30 mL 10 mmol/LN-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀，向上述溶液中加入10 mL 1.5 mol/L葡萄糖水溶液，混合均匀后置于700 W的微波炉中加热20 min，反应产物用水重新溶解，得到金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光发射峰在535 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现黄绿色荧光，量子产率为16.5%，荧光寿命为3.5 µs。

实施例2：将50 mL 20 mmol/L氯金酸水溶液和50 mL 20 mmol/LN-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀，向上述溶液中加入20 mL 3 mol/L葡萄糖水溶液，混合均匀后置于800 W的微波炉中加热30 min，反应产物用水重新溶解，得到金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光发射峰在540 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现黄绿色荧光，量子产率为15.5%，荧光寿命为2.8 µs。

实施例3：将10 mL 5 mmol/L氯金酸水溶液和10 mL 5 mmol/LN-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀，向上述溶液中加入2 mL 1 mol/L葡萄糖水溶液，混合均匀后置于500 W的微波炉中加热10 min，反应产物用水重新溶解，得到金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光发射峰在530 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现黄绿色荧光，量子产率为16.0%，荧光寿命为3.1 µs。

实施例4：将30 mL 15 mmol/L氯金酸水溶液和20 mL 10 mmol/LN-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀，向上述溶液中加入5 mL 2 mol/L葡萄糖水溶液，混合均匀后置于600W的微波炉中加热15 min，反应产物用水重新溶解，得到金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光发射峰在540 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现黄绿色荧光，量子产率为15.8%，荧光寿命为2.5 µs。

实施例5：将40 mL 10 mmol/L氯金酸水溶液和40 mL 15 mmol/LN-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀，向上述溶液中加入15 mL 2.5 mol/L葡萄糖水溶液，混合均匀后置于6700 W的微波炉中加热25 min，反应产物用水重新溶解，得到金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光发射峰在535 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现黄绿色荧光，量子产率为15.1%，荧光寿命为2.3 µs。

对比例1：将20 mL 10 mmol/L氯金酸水溶液和30 mL 10 mmol/LN-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀，置于700 W的微波炉中加热20 min，反应产物用水重新溶解，得到金纳米簇溶液。该金纳米簇的荧光发射峰在435 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现蓝色荧光，量子产率为0.6%，荧光寿命为6.2 ns。

对比例2：将10 mL 1.5 mol/L葡萄糖水溶液置于700 W的微波炉中加热20 min，反应产物用水重新溶解，得碳点溶液。该碳点的荧光发射峰在440 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现蓝色荧光，量子产率为4.1%，荧光寿命为3.6 ns。

对比例1和对比例2作为对比实施例，分别为金纳米簇和碳点纳米材料的制备，与实施例1所得的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子进行对比，结果如表1所示。从对比结果可发现与单一的纳米材料（金纳米簇或者碳点）相比，该发明制备的复合纳米粒子的发光性能大大提升。实施例1的荧光发射峰在535 nm左右，而对比例1金纳米簇的荧光发射峰在435nm左右，对比例2碳点的荧光发射峰在440 nm左右，实施例1所得的复合荧光纳米粒子的荧光发射波长比单一纳米材料的发射波长红移了近100 nm，使其在分析应用中可避免生物体系自身荧光的干扰。实施例1的荧光量子产率为16.5%，而对比例1金纳米簇的荧光量子产率为0.6%，对比例2碳点的荧光量子产率为4.1%，实施例1所得的复合荧光纳米粒子的荧光量子产率是单一纳米材料的4-27倍。且实施例1的荧光寿命为3.5 µs，而对比例1金纳米簇的荧光寿命为6.2 ns，对比例2碳点的荧光寿命为3.6 ns。

表1

实施例6：将实施例1制备的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子100 μL加入到1 ml PBS缓冲液中（10 mmol·L^-1，pH 7），测定其荧光激发和发射光谱，如图1所示，该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的最大荧光激发峰在420 nm、发射峰在535 nm左右，在紫外灯下，以黑色背景观察时，呈现黄绿色荧光，量子产率为16.5%。对该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子进行光漂白测试，在氙灯下连续照射60分钟后，荧光强度仍能维持在90%以上（如图2），表明其抗光漂白性好，这为金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子应用于四环素的检测提供了理论前提。且该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子在室温放置9个月后荧光强度值基本保持不变，说明该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子对外界空气、溶液体系等具有很好的光稳定性。

实施例7：将实施例1制备的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子进行XPS和红外光谱（IR）表征，结果如图3和图4所示。由图3（A）可知，该复合材料主要包括Au、C、N、O、S等元素，图3（B）是Au 4f_7/2的XPS光谱图，表明实施例1金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子中Au的价态为0价和1价，其键能分别为83.9 eV、84.4 eV。由图4可知，在3348 cm^-1处有一宽的吸收峰，是O-H或N-H的伸缩振动；1641 cm^-1处的吸收峰表明C=O的存在；1346 cm^-1处的吸收峰是C-N的弯曲振动，1009 cm^-1是C-OH的伸缩振动峰。这些红外数据充分说明该纳米复合材料表面含大量亲水基团（羟基和羧基），提升了实施例1金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的亲水性和稳定性，表明其具有良好的水溶性。

实施例8：将实施例1制备的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子100 μL和1 mL的磷酸缓冲液(PBS, pH=7, 10 mmol/L) 一起加入到荧光比色皿中，分别加入不同浓度的四环素标准溶液，以420 nm为激发波长，测定其荧光光谱。如图5A所示，随着四环素标准溶液浓度的增大，金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光逐渐被猝灭；如图3B所示，荧光强度的变化与四环素的浓度呈现性关系，图中荧光强度的变化以F₀/F表示，其中F₀和F分别表示四环素不存在和存在下金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光强度，四环素的检测限为2.8×10^-9 mol/L。通过线性拟合得到了回归方程为：F₀/F = 1.1207 + 0.02615 C（R²=0.99），表明金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子在测定四环素时具有很好的灵敏度。表2比较了其他荧光纳米材料用于四环素检测的线性范围及检出限，可知该发明构建的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子传感器检测四环素具有线性范围宽、检出限低的优点。

表2 比较不同的荧光纳米材料用于检测TCs的线性范围和检出限

实施例9：将实施例1制备的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子100 μL和1 mL的磷酸缓冲液(PBS, pH=7, 10 mmol/L) 一起加入到荧光比色皿中，再分别加入四环素（TCs）与其它的常见小分子三聚氰胺（Melamine）、瘦肉精（Clenbuterol）、槲皮素（Quercetin）、尿素（Urea）、多巴胺（DA），四环素的浓度为0.1 μmol·L^-1，其它小分子的浓度为10 μmol·L^-1，在420 nm激发波长下分别测定其荧光发射光谱，绘制535 nm处荧光强度的柱状图，如图6所示。只有四环素能显著猝灭金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的荧光，说明该金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子对四环素的测定具有很好的选择性。

Claims

1.一种金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子，其特征在于：所述金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子是以N-乙酰基-L-半胱氨酸及葡萄糖为碳源及保护剂，氯金酸为金前驱体通过一锅法制备而成金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。

2.制备权利要求1所述的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的方法，其特征在于：具体步骤为：以体积份数计，将10-50份浓度为5-20 mmol/L氯金酸水溶液，10-50份浓度为5-20mmol/L N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液混合均匀；再向上述溶液中加入2-20份浓度为1-3mol/L葡萄糖水溶液，混合均匀后置于500-800 W的微波炉中加热10-30 min，反应产物用水重新溶解，得金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子溶液。

3.如权利要求2所述的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述氯金酸水溶液、N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液和葡萄糖水溶液的浓度分别为10 mmol/L、10 mmol/L、1.5 mol/L；所述氯金酸水溶液、N-乙酰基-L-半胱氨酸水溶液和葡萄糖水溶液的体积份数比优选为20:30:10。

4.如权利要求2所述的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述微波炉加热的功率为700 W，加热时间为20 min。

5.权利要求1或2所述的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子在四环素的检测中应用，其特征在于：检测方法为：将制备的金纳米簇/碳点复合荧光纳米粒子100 μL和1 mL浓度为10mmol/L、pH 7的PBS磷酸缓冲液一起加入到荧光比色皿中，分别加入若干不同浓度的四环素标准溶液10μL，以420 nm为激发波长，测定其荧光光谱。