CN113636598B - 微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法及其应用。本发明通过微波辅助加热Cr3+和柠檬酸盐的混合溶液数分钟，开发了一种简便、快速、绿色、低成本且大规模的氧化铬纳米颗粒的合成方法。合成的Cr2O3NPs对各种分子表现出通用的荧光猝灭能力。利用DNA的特异性识别能力构建基于Cr2O3NPs的荧光传感***来检测Hg2+，并设计用于实现简单逻辑门操作的分子逻辑计算***和复杂的逻辑环路。本发明快速且大规模的制备铬基纳米材料提供新思路，并为广泛和深入探索铬基纳米材料的新特性(例如独特的光学性能或模拟酶)和多用途应用(传感、催化、逻辑计算和加密)提供新的机会。

Description

微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法及其应用
技术领域
本发明涉及氧化铬纳米颗粒制备及应用技术领域，具体涉及微波微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法及其应用。
背景技术
由于铬基纳米材料在催化、高级着色剂、电化学超级电容器、生物医学(抗癌、抗菌和抗糖尿病药物)和环境修复等领域中具有潜在的应用前景。由于荧光的高灵敏度和可视化特性，探索纳米材料(例如石墨烯或石墨烯量子点、金纳米颗粒或纳米簇、MoS2)的荧光特性(例如荧光发射或荧光猝灭能力)并结合生物分子(例如DNA、多肽、抗体)将有助于开发用于疾病诊断和环境监测的荧光生物传感和成像方法，并建立荧光分子信息技术(分子逻辑门、分子认证、密码学等)。例如，一些荧光纳米猝灭剂(如，石墨烯、WS2、MoS2、g-C3N4纳米片、碳纳米管)和生物分子探针被广泛用于生物传感、医学诊断、分子逻辑计算(如简单逻辑门)等领域。此外，借助分子识别和DNA易于被荧光标记的特性(如T-Hg2+-T结合)，开发了一些基于还原氧化石墨烯、铜金纳米簇和石墨碳氮化物(g-C3N4)纳米片的纳米传感***高灵敏度检测Hg2+并实现简单的分子逻辑运算。
目前合成铬基纳米材料的方法主要包括生物合成和物理化学合成方法。通过使用植物提取物(如大蒜提取物和H.thebaica的果实提取物)合成氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)引起了研究者的注意；然而植物提取物的成分通常很复杂，容易引入不必要的杂质且难以纯化。此外，物理化学合成方法包括水热合成、声化学、固体热分解和***化，但这些方法耗时(数小时至数十小时)、费力、危险(需要真空、惰性气体、或伽马射线辐射)且耗能高(600或800℃高温持续几个小时)。由于它们的制备缺陷(包括复杂、繁琐的操作以及苛刻的条件)限制了它们的实际和广泛应用。此外，有些纳米材料(例如，荧光掺氮碳点(NCDs)、AuNBs@Ag纳米颗粒)利用比色或者荧光的方法检测Hg2+，但检出限比较高，且检测范围较窄。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供微波微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法及其应用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
提供微波微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法及其应用，包括以下步骤：
(1)配制20mM Cr3+水溶液，加热1.5-2.5分钟，得加热水溶液；
(2)当所述加热水溶液沸腾且出现大量均匀气泡时停止加热并将其取出；立即添加柠檬酸钠水溶液，得混合液；所示柠檬酸钠与所述Cr3+水溶液中Cr3+的比例为10：1-1：1；
(3)继续将混合溶液加热1-2分钟，取出并在黑暗中冷却至室温，得混合物；
(4)将所述混合物离心，得蓝绿色沉淀；
(5)将所述沉淀用水重新分散，即得到纯化的氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)。
优选的，在所述步骤(1)和步骤(3)中：所述加热采用微波炉在650-750W功率下加热。
优选的，在所述步骤(2)中，所述柠檬酸钠水溶液的浓度为20mM-200mM。
优选的，在所述步骤(4)中：所述离心的转速控制为10，000-15,000RCF，时间控制为15-25分钟。
优选的，在所述步骤(4)中：再将所述蓝绿色沉淀用超纯水洗涤1-3次。
优选的，在所述步骤(5)中：所述氧化铬纳米颗粒分散后最终浓度为200mM。
将所述微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法制备的氧化铬纳米颗粒在Hg2+荧光生物传感中应用。
优选的：所述Hg2+荧光生物传感为采用DNA-Cr2O3 NPs复合物检测Hg2+。
将所述微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法制备的氧化铬纳米颗粒在复杂分子逻辑计算中应用。
优选的：所述应用采用DNA-Cr2O3 NPs传感***。
与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：
1.本发明开发了一种简便、快速、绿色、低成本且大规模的Cr2O3 NPs合成方法，该方法通过微波辅助加热Cr3+和柠檬酸盐的混合溶液数分钟来合成氧化铬纳米颗粒(Cr2O3NPs)。，所高效制备的Cr2O3 NPs是均一分散且表面光滑的球形颗粒(平均直径大于100nm)。化学成分分析表明柠檬酸盐包裹的Cr2O3 NPs具有丰富的表面官能团。
2.本发明的方法制备的Cr2O3 NPs对各种分子(例如染料和染料标记的DNA)表现出通用的荧光猝灭能力。利用DNA的特异性识别能力(T-Hg2+-T结合)构建基于Cr2O3 NPs的荧光传感***来检测Hg2+，检出限(LOD)为5.78nM，低于美国环境保护署允许的饮用水中无机Hg2+的最大允许水平(10nM)，能够灵敏的检测Hg2+；并且对Hg2+的检测具有很高的选择性。
3.本发明将具有通用荧光猝灭能力的柠檬酸盐包裹的Cr2O3 NPs作为传感平台，可与生物分子(DNA)结合用于Hg2+的荧光生物传感和复杂的分子逻辑计算，即：通过DNA的特异性识别能力(T-Hg2+-T结合)构建了基于Cr2O3 NPs的荧光传感***来检测Hg2+，并设计了用于实现简单逻辑门操作的分子逻辑计算***(YES、NOT、AND、OR)和复杂的逻辑环路。
4.本发明的应用为快速且大规模的制备铬基纳米材料提供新思路，并为广泛和深入探索铬基纳米材料的新特性(例如独特的光学性能或模拟酶)和多用途应用(传感、催化、逻辑计算和加密)提供新的机会。
附图说明
图1.(A)通过微波加热Cr3+和柠檬酸钠获得的胶体的吸收光谱。右上角插图：相应的胶体水溶液的颜色及其丁达尔效应。(B)SEM和(C)TEM图像证实所制备的胶体主要是规则球形纳米颗粒。右上角插图：进一步放大的SEM和TEM图像。比例尺500、400和200nm。(D、E)通过使用ImageJ软件处理SEM(D)和TEM(E)图像获得的球形纳米颗粒直径的统计直方图。曲线是高斯拟合数据。
图2.(A、B)通过微波辅助加热方法合成的Cr2O3 NPs的XRD图谱和FT-IR光谱。其中，在21.42°、61.7°和69.2°处标有星号的XRD峰可归因于SiO2衬底。(C)Cr2O3 NPs的EDS元素分析。(D-H)XPS全谱(D)和Cr2O3 NPs的C1s(E)，N 1s(F)，O 1s(G)，Cr 2p(H)核心能谱。
图3.(A)在微波加热下，四种不同比例(柠檬酸钠：Cr3+＝1：1、2：1、5：1、10：1)的反应溶液的丁达尔效应。(B)微波加热的反应溶液产生蓝绿色离心沉积物(左)，而未加热的反应溶液则没有(右)。
图4.(A-D)SEM图像的低倍率和高倍率证实，在不同合成比例(柠檬酸钠：Cr3+＝10：1、5：1、2：1、1：1)下获得的胶体都是规则球形纳米颗粒。比例尺：100和400nm。(E-H)通过使用ImageJ软件处理SEM图像的球形纳米颗粒直径的统计直方图。曲线是高斯拟合数据。
图5.(A)Cr2O3 NPs(22mM)引起三种常见荧光染料(荧光素钠、罗丹明B、吖啶橙)的荧光发射光谱变化。右侧插图：添加Cr2O3 NPs前后三种荧光染料溶液的荧光照片。(B)不同浓度的Cr2O3 NPs(0、0.5、1.5、3、5、10、14、22mM)对三种染料(荧光素钠，0.5μM；罗丹明B，1.25μM；吖啶橙，2μM)的荧光猝灭响应。(C)Cr2O3 NPs(62mM)引起具有不同碱基序列(浓度为100nM的T33、A33、G33、C33)的ssDNA的荧光发射光谱的变化。(D)比较Cr2O3NPs在不同浓度(0、1、2、3、4、5、10、14、18、22、26、30、33、37、40、43、46、49、52mM)下ssDNA和荧光素钠的荧光猝灭速率的差异。
图6.(A)添加不同浓度的Hg2+(从上至下：0、0.21、0.53、1、1.55、2、4.2、10.5、20.8、30.9、40.8、50.5、60、69.3、78.4、87.4、96.2μM)时，T33-Cr2O3NPs复合物(100nM：30mM)的荧光发射光谱。(B)T33-Cr2O3 NPs复合物(100nM：30mM)在520nm处的荧光强度变化(F0-F)/F0对Hg2+浓度的依赖性。(C-D)(F0-F)/F0与Hg2+浓度在0.21～2μM和4.2～50.5μM范围内的线性关系。(E)T33-Cr2O3 NPs复合物(100nM：30mM)对Hg2+测定(Hg2+和其他金属离子5μM)的选择性。缓冲液：Tris-HAc，5mM，pH 7.0。
图7.(A)一种***模型，其中各种组件进行交互并交换物质、能量和信息。(B)从信息的角度对基于T33-Cr2O3 NPs的Hg2+荧光传感***进行布尔逻辑分析。红色的2-bit二进制数字分别表示物质和能量的存在和水平。0表示物质的不存在或低荧光，1表示物质的存在或高荧光。荧光阈值为150(a.u.)。(C)分子事件的不同组合的荧光发射光谱。Cr2O3 NPs，30mM；T33，100nM；Hg2+，12μM；GSH，24μM；缓冲液：5mM Tris-HAc，pH 7.0。
图8.DNA-Cr2O3 NPs传感***，用于分子逻辑计算和操作。(A)T33 YES物质门和荧光门的符号和真值表。(B)(T33 AND Cr2O3 NPs)物质(M)门和T33YES荧光(F)门的符号和真值表。(C)(GSH AND Hg2+)物质门和(Hg2+NOT OR GSH)荧光门。(D)具有三个物质输入和两个输出的物质门和荧光门的逻辑电路符号和真值表。(E)具有四个物质输入和两个输出(物质和荧光)的复杂逻辑电路符号(左)和逻辑处理性能(右雷达图)。荧光(F)的橙色列/点表示逻辑输出为1，灰色列/点表示逻辑输出为0。蓝色圆圈表示逻辑阈值。T33，100nM；Cr2O3 NPs，30mM；Hg2+,12μM；GSH，24μM；Buffer：5mM Tris-HAc，pH 7.0。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的试剂如无特别说明，均为市售常规试剂；所涉及的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。
所述柠檬酸钠二水合物、硝酸铬三水合物(Cr(NO3)3·9H2O)、荧光素钠、罗丹明B、吖啶橙、三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)、冰乙酸、谷胱甘肽(GSH)和所有使用的金属盐均购自阿拉丁试剂有限公司(中国上海)且所有产品均为分析纯；所述寡核苷酸均由SangonBiotechnology Co.，Ltd.(中国上海)合成，四个寡核苷酸(T33、A33、C33和G33)在5'端具有羧基荧光素(FAM)-标记。所述A33、T33和C33分别代表包含33个连续的A，T和C的序列。所述G33代表GGGGGGTGGGGGGGGGGGGGGGTGGGGGGTGGGGG序列；所述水溶液均采用Milli-Q***(美国马萨诸塞州贝德福德的Millipore，18.2MΩ·cm)产生的超纯水制备。
所述ssDNA意为单链DNA；所述加标回收率是指在没有被测物质的样品基质中加入定量的标准物质，按样品的处理步骤分析，得到的结果与理论值的比值。所述T-Hg2+-T发夹结构是指胸腺嘧啶-Hg2+-胸腺嘧啶(T-Hg2+-T)配位现象，由Hg2+取代亚氨基质子与胸腺嘧啶的N3结合并连接两个胸腺嘧啶残基形成。
实施例1：氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)的制备方法
(1)Cr(NO3)3·9H2O水溶液(20mM)用Galanz HP3(S0)家用微波炉(中国)在700W功率下加热约2分钟。当溶液沸腾且出现大量均匀气泡时停止加热并将其取出，立即添加柠檬酸钠(20mM)水溶液，继续将混合溶液在700W下微波加热1.5分钟，取出并在黑暗中冷却至室温。随后，将混合物在15,000RCF下离心20分钟，离心后沉淀为蓝绿色，表明微波加热可能诱导Cr3+和柠檬酸钠反应形成胶体。再用超纯水洗涤两次，得产物。最后，将蓝绿色产物重新分散在最终浓度为200mM的超纯水中，即可得到纯化的氧化铬纳米颗粒(Cr2O3NPs)。
(2)为检测Cr2O3 NPs的吸收光谱和荧光光谱，取制备所得的氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)放在干净的硅片或铜网上并自然干燥后，用SU8010场发射扫描电子显微镜(SEM，日本日立)、Tecnai G2 F20透射电子显微镜(TEM，FEI，美国)和能量分散光谱仪(EDS)观察纯化的Cr2O3 NPs样品。使用Image J软件测量SEM(至少500个粒子)和TEM(至少300个粒子)图像，并通过高斯拟合计算它们的粒径分布。
使用微观形态学和化学组成分析来表征获得的蓝绿色胶体。所得胶体溶液具有明显的丁达尔效应，颜色为灰白色，在190-900nm范围内有宽吸收带且峰值在230nm处(图1A)。图1B中的SEM图像证实，所获得的胶体大部分是光滑且规则的球形颗粒，平均直径为123.68±3.45nm(N＝500，R2＝0.980，图1D)。图1C中的TEM图像还显示，所获得的胶体是单分散且均匀的纳米颗粒，尺寸范围为80-300nm，平均直径为140.06±4.27nm(N＝300，R2＝0.986，图1E)，与SEM结果一致。
(3)通过X射线衍射(XRD)***(德国Bruker D8)，IS10傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪(美国尼古拉)，ESCALAB 250xi X射线光电子能谱仪(XPS，美国赛默飞世尔科技公司)测量了Cr2O3 NPs的晶相，表面官能团和元素组成。
XRD光谱分析表明，2θ值为32.06°、32.98°和75.26°分别对应于Cr2O3纳米颗粒(Cr2O3 NPs)的(111)、(202)和(311)的晶面(图2A，注意21.42°，61.70°和69.32°处的峰可归因于SiO2基底)。Cr2O3 NPs的化学官能团的FT-IR分析显示，Cr2O3 NPs在3415.10、1386.32、961.82、552.51和518cm-1处有很强的吸收带(图2B)。羟基和Cr-O畸变振动的特征带分别位于3405-3425cm-1和550-565cm-1区域，吸收带位于1385-1395cm-1区域可能是羧酸根离子，位于940-975cm-1和515-530cm-1区域的峰分别对应于Cr2O3 NPs的拉伸振动和弯曲振动。TEM附带的EDS元素分析(图2C)显示，Cr2O3 NPs中存在C，O，Cr，Na，Cu元素，其中Cu、C和Na可以归因于覆盖在纳米颗粒表面的铜网和柠檬酸钠。图2D中Cr2O3 NPs的XPS光谱显示在99.08、285.08、400.08、532.08、577.08和1071.08eV处有几个明显的峰，证明存在Si 2p、C 1s(46.26％)、O 1s(45.67％)、N 1s(3.01％)、Cr 2p(5.06％)和Na 1s，与柠檬酸钠涂覆的Cr2O3 NPs的元素组成一致(请注意，Si和N的存在分别与硅片和微波加热产生的有机氮有关)。对C1s、O 1s、N 1s和Cr 2p的高分辨率核能级谱进行扫描，去卷积和拟合以进一步鉴定元素形式。C 1s的核心能谱(图2E)可以分解为四个不同的峰，分别对应于C-O/C-N(284.83eV)、C-N(286.28eV)、C-O(288.33eV)键；图2F中的N1s核心能谱在399.83eV和401.78eV处出现两个峰，分别归因于C-N-C和N-H键；O 1s核心能谱可以分解为C＝O(531.48eV)，-OH(533.03eV)和-COOH(535.38eV)(图2G)。Cr2O3 NPs的Cr 2p核心能谱(图2H)表明，Cr2O3 NPs中存在三种不同的铬元素态，包括Cr金属键(574.28eV)、CrO3(589.28eV)和Cr2O3(576.38、577.08、579.83、584.38和586.73eV)。根据Cr 2p信号，我们制备的纳米颗粒中Cr2O3，CrO3和金属Cr的比例分别为90.19％，5.41％和4.40％。以上结果表明，通过微波加热Cr3+和柠檬酸钠所得到的纳米颗粒是柠檬酸盐涂覆的Cr2O3 NPs。
实施例2：不同比例的柠檬酸钠和Cr(NO3)3·9H2O对微波加热诱导胶体形成的影响
采用实施例1的方法微波检测加热对柠檬酸钠(20、40、100、200mM)和Cr(NO3)3·9H2O(20mM)的四种不同比例(1：1、2：1、5：1、10：1)的影响。
如图3所示：
在微波加热下，四种不同比例(柠檬酸钠：Cr3+＝1：1、2：1、5：1、10：1)的反应溶液均产生了丁达尔效应。
如图4所示：
SEM图像显示四种不同比例的柠檬酸钠和硝酸铬(10：1、5：1、2：1、1：1)对所得纳米颗粒的形态没有显著影响，大部分纳米粒子仍是规则的球形颗粒，但四种不同比例的纳米颗粒的平均直径略有不同。
实施例3：检测氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)的荧光猝灭能力
选择三种常见的荧光染料和四种FAM标记的ssDNA(T33，A33，C33和G33)来评估实施例1制备所得的氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)的荧光猝灭能力。
将400μL荧光素钠(0.5μM)，若丹明B(1.25μM)，吖啶橙(2μM)，FAM标记的ssDNA(T33、A33、C33和G33；100nM)溶液添加到2-mm狭缝微量荧光比色杯中，并且在不同的激发波长(475、550、490、485nm)下分别在495-700nm、565-700nm和510-700nm的范围内测量上述溶液的荧光发射光谱。随后，将不同浓度的Cr2O3 NPs添加到上述溶液中，并在相同条件下测量混合物的荧光发射光谱。
结果显示，随着Cr2O3 NPs浓度的增加，染料的荧光逐渐被猝灭(图5A)，它们的猝灭率分别为70.8％、51％和43％(图5B)，并且三种染料(荧光素钠，红线；罗丹明B，绿线；吖啶橙，蓝线)的荧光发射光谱在500至700nm处与Cr2O3 NPs吸收带(黑线)重叠。这证明Cr2O3NPs(柠檬酸盐：Cr3+＝1：1)具有广泛的荧光猝灭能力，可以用作各种荧光分子的潜在猝灭剂。但是，Cr2O3 NPs(柠檬酸盐：Cr3+＝10：1)对荧光素钠的荧光具有一定的增强作用。这意味着不同比例的Cr2O3 NPs对荧光染料的影响不同。
如图5C所示，FAM荧光标记的A33、T33、C33和G33均可被Cr2O3 NPs猝灭，并且随着Cr2O3 NPs浓度的持续增加，荧光猝灭程度变得更明显。Cr2O3 NPs对FAM标记的DNA的猝灭效率低于单独的荧光素钠(图5D)，这可能归因于游离单链DNA分子引起的位阻。且，Cr2O3 NPs在不同温度下对T33的Stern–Volmer常数(KSV)在25℃为0.0296L/mmol，在35℃为0.0210L/mmol，在45℃为0.0192L/mmol，随温度的升高而降低，表明Cr2O3 NPs和T33之间形成了静态猝灭复合物。静态猝灭常数(KP)和结合常数KA在25℃下分别为0.0218和0.0212L/mmol，在35℃下为0.0166和0.0179L/mmol，在45℃下为0.0155和0.0224L/mmol。
试验例1：DNA-Cr2O3 NPs复合物用于检测Hg2+
(1)取实施例1制备所得的氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)，通过将70μL的200mMCr2O3 NPs添加到400μL的T33溶液(100nM)中来制备T33-Cr2O3NPs复合物。反应4分钟后，测量T33-Cr2O3 NPs复合物的初始荧光发射光谱。然后，在添加不同浓度的金属离子并反应4分钟后，测量T33-Cr2O3 NPs与金属离子的混合物的荧光发射光谱，并计算猝灭速率。
最佳条件下(T33：100nM、Cr2O3 NPs：30mM、Tris-HAc：5mM，pH 7.0)，使用T33-Cr2O3NPs复合物检测Hg2+。如图6A和6B所示，在0～96.2μM范围内随着Hg2+浓度逐渐增加，T33-Cr2O3 NPs复合物(100mM：30mM)的荧光强度和猝灭率(F0-F)/F0逐渐降低。图6C和6D显示(F0-F)/F0值与Hg2+浓度在0.21～2μM和4.2～50.5μM之间具有两个良好的线性关系。这两个校准方程分别为y＝11.639x+3.116，相关系数为R2＝0.983，以及y＝0.919x+34.067，R2＝0.989。根据3-sigma规则，检出限(LOD)为5.78nM，低于美国环境保护署允许的饮用水中无机Hg2+的最大允许水平(10nM)。
与其他先前报道的Hg2+光学检测相比，本发明提出的方法具有更低或相当的检出限。结果表明，T33-Cr2O3 NPs复合物可以灵感地检测Hg2+。
为了进一步评估T33-Cr2O3 NPs复合物的选择性，采用该方法对Hg2+和其他金属离子(Fe3+、Mg2+、Cu2+，Pb2+，Na+，Ca2+，Al3+，K+，Mn2+，Cr3+，Zn2+，Ni2+，Cd2+，Ba2+，Be2+，Ag+和Co2+：各5μM)的荧光响应。如图6E所示，只有Hg2+引起T33-Cr2O3 NPs复合物产生约38.9％的猝灭率；而其他干扰金属离子最多可引起6.6％的荧光猝灭或9.4％的荧光恢复率。结果表明，T33-Cr2O3 NPs复合物对Hg2+的检测具有很高的选择性。
(2)用0.22-μm的滤膜过滤湖南师范大学岳王亭的池塘水样和自来水样。将10mMHg(NO3)2溶液添加到自来水和池塘水样品中，以制备50mM和1mM Hg(NO3)2溶液。然后，向T33-Cr2O3 NPs复合物中添加4μL 1mM Hg2+和17μL50μM Hg2+，在室温下孵育4分钟后，测量混合物的荧光。
使用0.22-μm的膜过滤自来水和池塘水样品，以避免水样中的沉淀物对传感***产生不利影响。结果如表1所示，在两个加标水平(2.00和10.00μM)下在自来水中Hg2+的回收率分别为99.02％和104.42％，在池塘水中Hg2+的回收率分别为83.83％和102.55％。自来水和池塘水的相对标准偏差(RSD)分别为2.00％至3.53％和1.68％至3.43％。结果表明，该方法具有检测实际水样中Hg2+的巨大潜力。
表1.实际水样中的Hg2+检测
Figure GDA0003261381960000121
其中，a未检出。
试验例2：用于分子逻辑计算和操作的DNA-Cr2O3 NPs传感***
取实施例1制备所得的氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)，通过将70μL的200mM Cr2O3NPs添加到400μL的T33溶液(100nM)中来制备T33-Cr2O3 NPs复合物。反应4分钟后，测量T33-Cr2O3 NPs复合物的初始荧光发射光谱。然后，在添加不同浓度的金属离子并反应4分钟后，测量T33-Cr2O3 NPs与金属离子的混合物的荧光发射光谱，并计算猝灭速率。为了进行分子逻辑运算，将不同输入物质的组合(T33、Cr2O3 NPs、Hg2+、GSH)添加到缓冲溶液中，反应4分钟后测量其荧光发射光谱。
如图7所示，在***模型中，每个组件都可以交互和交换物质、能量和信息(方案1A)。在上述内容中，利用Cr2O3 NPs的荧光猝灭能力和ssDNA T33的特异分子识别能力，构建了基于Cr2O3 NPs-DNA的荧光传感***来检测Hg2+(方案1B)。从物质和能量的角度来看，当FAM标记的T33与Cr2O3 NPs混合时，T33可以迅速吸附到Cr2O3 NPs表面，导致荧光猝灭(方案1Ba和C红线)。添加Hg2+时，Hg2+可能与Cr2O3 NPs上的T33结合形成T-Hg2+-T发夹结构，这导致三个组分更紧密地相互作用，从而导致更强的猝灭作用(方案1Bb和C蓝线)。此外，添加谷胱甘肽(GSH)后，由于GSH巯基与Hg2+的竞争性相互作用，T33-Cr2O3 NPs-Hg2+复合物的相互作用受到干扰，导致荧光恢复(方案1Bc和C绿线)。
从信息处理的角度来看，作为基本事件的每个组件都可以抽象为一个具有两种可能状态的bit(例如，在物质水平的存在(逻辑为1)或不存在(逻辑为0)，在能量水平高(逻辑为1)或低(逻辑为0)。特定组件作为输入的组合可以诱发产生的中间事件或具有能量变化的顶部事件，作为与信息处理(例如逻辑计算操作)相对应的两层输出(物质和能量水平)。在传感***中，所得事件可以被认为是一个物质输出(M)，并且其逻辑输出可分别定义为当目标事件不存在为逻辑0，存在为逻辑1。如图8A所示，当只有T33作为物质输入时，物质和能量上形成YES逻辑门。如方案1Ba所示，T33吸附在Cr2O3 NPs的表面上，形成AND门T33-Cr2O3NPs复合物(T33·Cr2O3 NPs，中间事件，点“·”代表AND布尔代数，图7B红色门符号)，导致荧光猝灭。当与Hg2+混合时，T33·Cr2O3NPs(中间事件)进一步与Hg2+结合形成AND门T33-Cr2O3NPs-Hg2+复合物(T33·Cr2O3 NPs·Hg2+)，导致更强的猝灭(方案1Bb，图8D红色门符号)。添加GSH时，由于GSH的巯基与Hg2+的共价结合，T33·Cr2O3 NPs·Hg2+受到干扰，导致两个主要事件(T33·Cr2O3 NPs·Hg2+和GSH·Hg2+，方案1Bc，图8E)且引起荧光部分恢复。因此，基于Cr2O3 NPs-DNA的荧光传感***可以自组装并表示为(T33·Cr2O3 NPs)·(Hg2+·GSH)(图8E红色门符号)。
此外，上述分子事件的不同组合中的荧光变化也可被抽象为能量水平的逻辑输出,当荧光(F)≥150(a.u.)时逻辑为1，荧光(F)<150(a.u.)时逻辑为0。当Cr2O3 NPs和T33作为两个输入时，只要存在T33，溶液的荧光输出就为1，对应于T33 YES荧光门(图8B)。当将Hg2+和GSH用作两个输入时，当仅存在Hg2+时，T33-Cr2O3 NPs复合物的荧光输出为0，对应于Hg2+NOT OR GSH荧光门(图8C)。根据三种输入信号T33、Cr2O3 NPs、Hg2+的组合真值表，只要存在T33而其他三个不同时存在，则溶液的荧光输出为1，对应于(T33 AND NOT Cr2O3 NPs)OR(T33 AND NOT Hg2+)荧光门(图8D)。如果T33，Cr2O3 NPs，Hg2+和GSH是四个输入，则整个荧光传感***可以实现更复杂的荧光逻辑功能(T33AND NOT Cr2O3 NPs)OR(T33 AND NOT Hg2 +)OR(T33 AND GSH)(图8E)。
利用Cr2O3 NPs的荧光猝灭能力和ssDNA T33的特异分子识别能力，设计用于实现简单逻辑门操作的分子逻辑计算***(YES、NOT、AND、OR)和复杂的逻辑环路。从物质和能量的角度来看，当FAM标记的T33与Cr2O3 NPs混合时，T33可以迅速吸附到Cr2O3 NPs表面，导致荧光猝灭。添加Hg2+时，Hg2+可能与Cr2O3 NPs上的T33结合形成T-Hg2+-T发夹结构，这导致三个组分更紧密地相互作用，从而导致更强的猝灭作用。此外，添加谷胱甘肽(GSH)后，由于GSH巯基与Hg2+的竞争性相互作用，T33-Cr2O3 NPs-Hg2+复合物的相互作用受到干扰，导致荧光恢复。
综上所述，本发明的方法只需利用Galanz HP3(S0)家用微波炉(中国)微波辅助加热Cr3+和柠檬酸盐的混合溶液几分钟，再将混合溶液简单离心纯化，就可以合成Cr2O3 NPs；与其他合成方法相比，该制备方法成本低、规模大、节能环保，并且不使用苛刻的条件。
所制备的Cr2O3 NPs具有新颖的荧光猝灭特性，可作为通用的荧光传感平台，可与DNA结合用于Hg2+的传感，检测范围为0.21～2μM和4.2～50.5μM，检测限为5.78nM，与其他先前报道的Hg2+光学检测相比，我们提出的方法具有更低或相当的检出限。通过从物质(分子事件)、能量(荧光)和信息流等方面进行全面分析，Cr2O3 NPs-ssDNA荧光传感***可以进一步执行从单个输入到4个输入(Cr2O3 NP、T33、Hg2+、GSH)对应2个输出(物质和荧光水平)的分子逻辑计算，包括简单的逻辑门(YES、NOT、AND、OR)和复杂的逻辑电路。此外，目前还没有关于铬基纳米材料的荧光猝灭特性及其在荧光传感和分子逻辑应用中的报道。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是进行相关材料及方法步骤的等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.微波微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制20mM Cr3+水溶液，加热2分钟，得加热水溶液；(2)当所述加热水溶液沸腾且出现大量均匀气泡时停止加热并将其取出；立即添加柠檬酸钠水溶液，得混合液；所示柠檬酸钠与所述Cr3+水溶液中Cr3+的比例为1:1、2:1、5:1或10:1；(3)继续将混合溶液加热1.5分钟，取出并在黑暗中冷却至室温，得混合物；(4)将所述混合物离心，得蓝绿色沉淀；(5)将所述沉淀用水重新分散，即得到纯化的氧化铬纳米颗粒(Cr2O3 NPs)。
2.依据权利要求1所述的微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法，其特征在于，在所述步骤(1)和所述步骤(3)中：所述加热采用微波炉在700W功率下加热。
3.依据权利要求1所述的微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中：所述柠檬酸钠水溶液的浓度为20mM。
4.依据权利要求1所述的微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法，其特征在于，在所述步骤(4)中：所述离心的转速控制为15,000RCF，时间控制为20分钟。
5.依据权利要求1所述的微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法，其特征在于，在所述步骤(4)中：再将所述蓝绿色沉淀用超纯水洗涤2次。
6.依据权利要求1所述的微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法其特征在于，在所述步骤(5)中：所述氧化铬纳米颗粒分散后最终浓度为200mM。
7.权利要求1所述微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法制备的氧化铬纳米颗粒在Hg2+荧光生物传感中的应用。
8.依据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述Hg2+荧光生物传感为采用DNA-Cr2O3NPs复合物检测Hg2+。
9.权利要求1所述微波快速简便合成氧化铬纳米颗粒的方法制备的氧化铬纳米颗粒在复杂分子逻辑计算中的应用。
10.依据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述应用采用DNA-Cr2O3NPs传感***。
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