具有大Stokes位移的多发射碳点荧光探针及其制备方法和应用与流程

具有大stokes位移的多发射碳点荧光探针及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于比率型荧光探针领域，具体涉及具有大stokes位移的多发射碳点荧光探针及其制备方法和应用。


背景技术：

2.zn
2
定量检测在环境和生物系统中都具有至关重要的作用。zn
2
作为人体中含量仅次于铁的第二大微量元素，在调节各种生理过程中起着重要作用。传统方法存在仪器昂贵、操作复杂、维护困难，难以满足大规模检测zn
2
的应用需求等局限性，相比之下，比率荧光法操作方便，灵敏度高，选择性高，荧光输出信号几乎不受光源强度、仪器固有灵敏度和基质背景波动的干扰，可以作为好选择。
3.cds因独特的光学性质引起广泛关注。cds具有强的光稳定性、大的stokes位移、更长的荧光寿命等特性，被广泛应用于生物传感、生物成像、生物医学和光电材料领域。与由其他元素组成的荧光纳米材料相比，cds毒性低且具有良好的生物相容性。
4.一些基于cds的纳米探针需要通过共价连接引入有机分子或其他纳米材料作为识别或输出信号，这就带来了许多诸如探针结构复杂、毒性和成本增加的问题。此外，大多数的纳米探针是基于单信号输出模式，这通常会导致纳米探针的选择性较差，且易受光源强度波动、探针浓度、背景荧光和环境变化的影响。


技术实现要素：

5.根据现有技术上存在的缺陷，结合目前的研究前沿，本发明提供了具有大stokes位移的多发射碳点荧光探针及其制备方法和应用，不仅合成方法简便，且具有易合成，成本低等优点，本发明还可用于zn
2
的灵敏检测。
6.本发明是采用以下的技术方案实现的：
7.本发明提供了一种具有大stokes位移的多发射碳点荧光探针的制备方法，具体包括以下步骤：
8.1)将谷胱甘肽粉末加入到甲酰胺溶液中，充分混合；
9.2)将溶液加热至160℃持续2～6h；冷却至室温后，得到深绿色的cds溶液；
10.3)过滤除去cds溶液中粒径大于0.22μm的颗粒，0～4℃遮光保存。
11.其中，所述步骤1)中谷胱甘肽和甲酰胺溶液的质量体积比范围为0.03～0.04g/ml。
12.具体的，所述步骤2)溶液于反应釜中进行加热反应。
13.本发明还提供一种利用上述任一项所述的制备方法制备的具有大stokes位移的多发射碳点荧光探针，所述碳点的粒径为3～7nm，平均粒径为5.0nm。
14.同时，本发明还提供上述的多发射碳点荧光探针的应用，所述多发射碳点荧光探针的碳点质量浓度为0.0174g/ml，用于浓度范围为0～2μm的zn
2
溶液检测。
15.进一步地，作为本发明的一个优选方案，所述cds溶液与zn
2
标准品溶液混合均匀后在室温下反应15～30min，ph范围为5～8，再根据f
650
/f
685
荧光强度比值的变化建立标准曲线方程，用于进行zn
2
溶液的定量检测。
16.进一步地，作为本发明的一个优选方案，所述反应时间20min，ph范围为7。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果：
18.本发明通过简单的一步溶剂热法制备得到cds，如图1所示。本发明制备方法简便，材料易于获得且制备的cds在水溶液中具有良好的分散性和很高的稳定性，表现出优异的发光特性。基于cds与zn
2
之间的螯合作用设计的比率型荧光纳米探针，在420nm的激发波长下，制备的cds分别在470、650和685nm处有三个发射峰。在长波长发射区域(stokes位移为230nm)，zn
2
不仅能有效猝灭685nm处的荧光强度，而且能使650nm处的荧光强度显著增强。此外，650nm与685nm发射峰处的荧光强度之比(f
650
/f
685
)随着zn
2
浓度的增加而增加。该cds在锌离子检测中的应用，可有效避免外界环境对检测结果的干扰，具有高的灵敏度和选择性。
附图说明
19.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
20.在附图中：
21.图1为本发明提供的具有大stokes位移的多发射碳点荧光探针的制备及应用过程示意图；
22.图2为实施例1
‑
3中不同时间合成的cds的荧光发射光谱；
23.图3为实施例1中cds的高倍透射电镜图；
24.图4是实施例1中cds的粒径分布图；
25.图5是实施例1中cds的x射线单晶衍射图；
26.图6是实施例1中cds的x射线光电子能谱图；
27.图7是实施例1中cds的c1s的x射线光电子能谱图；
28.图8是实施例1中cds的n1s的x射线光电子能谱图；
29.图9是实施例1中cds的o1s的x射线光电子能谱图；
30.图10是实施例1中cds的s 2p的x射线光电子能谱图；
31.图11是实施例1中cds的荧光激发(ex)、发射(em)光谱；
32.图12是实施例1中cds，cds zn
2
的荧光发射和激发光谱；
33.图13是实施例1中cds对不同离子的响应，其中金属离子的浓度均为1μm；
34.图14是zn
2
加入前后cds的荧光寿命图；
35.图15是zn
2
加入前后cds的紫外可见吸收光谱；
36.图16是zn
2
加入前后cds的荧光发射光谱和激发光谱；
37.图17是cds的浓度优化曲线；
38.图18是cds的ph条件优化曲线；
39.图19是cds的时间优化曲线；
40.图20是cds荧光探针应用于zn
2
检测，荧光强度比值(f
650
/f
685
)对zn
2
浓度响应曲
线；其中，f
650
和f
685
分别是cds在650nm和685nm处的荧光强度。
41.图21是f
650
/f
685
与zn
2
浓度的线性关系图；
42.图22是zn
2
浓度在0
‑
2μm范围内与f
650
/f
685
的线性关系图。
具体实施方式
43.为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
44.一、具有大stokes位移的多发射碳点荧光探针的制备：
45.实施例1
46.将0.68g还原型谷胱甘肽(gsh)溶解到20ml甲酰胺中，在室温下超声2min中，充分混合。混合均匀后，将溶液转移至水热反应釜中。反应加热至160℃，反应时间持续4h。在室温中冷却后，最终得到深绿色溶液。用圆柱形膜滤器(0.22μm)过滤除去cds中粒径大的点，最后cds制备完成，所得原始碳点浓度为1.174g/ml。
47.实施例2
48.与实施例1不同的是，反应加热时间持续2h。
49.实施例3
50.与实施例1不同的是，反应加热时间持续6h。
51.二、荧光探针的性质检测分析
52.将实施例1
‑
3不同时间合成的cds的荧光发射光谱图，由图2可知，4h合成的cds的光学性能最佳，之后对实施例1合成的cds进行后续检测。
53.图3是实施例1制备的cds的高倍透射电镜图(tem)，由图清晰可见，合成的cds在水溶液中分散性好，粒径均一，为3
‑
7nm。图4是cds的粒径分布图，通过统计数百个cds粒子的尺寸得出平均粒径为5.0nm。图5是cds的xrd图，2θ＝23.88
°
处的宽峰对应于石墨的(002)平面，表明在制备的cds中存在石墨碳域。
54.图6
‑
10是cds的xps图，xps图表明存在c、n、o、s四种元素，c 1s的高分辨率光谱分别显示有c
‑
c/c＝c、c
‑
s、n
‑
c＝o，n 1s的高分辨率光谱分别显示有c
‑
n
‑
c、吡咯n和石墨n，s 2p的高分辨率光谱分别对应于硫醇盐、s的2p
3/2
和2p
1/2
的s＝o，o 1s的高分辨率光谱显示有c
‑
o、c＝o、c
‑
o
‑
c/c
‑
oh。
55.图11为实施例1制备的cds的激发和发射谱图，由图清晰可见，cds的激发波长为420nm左右，分别在470nm、650nm、685nm处有三个荧光发射峰。
56.三、荧光探针对溶液中锌离子(zn
2
)的检测：
57.将100μl不同浓度的zn
2
溶液加入到400μl的cds溶液(用pbs稀释100倍)中，混合均匀后在室温下反应25min，即可根据f
650
/f
685
荧光强度比值的变化进行zn
2
的定量检测。
58.从图12可以看出，cds在650nm处的荧光强度较弱，在685nm处的荧光强度较强；浓度为2μm的zn
2
可以使650nm处荧光强度增加，685nm处荧光强度减少。
59.如图13所示，cds对不同离子的响应程度不同，其中金属离子的浓度均为1μm，基于cds的荧光纳米探针可以超灵敏检测zn
2
。
60.从图14可看出，zn
2
存在时，650nm处发射峰对应的最大激发波长423nm处的强度明显增加，而685nm处发射峰对应的最大激发波长416nm处的强度降低。从图15中可以看出，与单独的cds相比，zn
2
存在下cds的uv
‑
vis吸收光谱在423nm处的吸收有所增加，这与荧光激发和发射光谱很好地吻合。荧光寿命图如图16所示，平均荧光寿命仅略有变化，进一步证实了cds
‑
zn
2
络合物的形成。
61.图17
‑
19是本发明实施例的cds的浓度优化曲线，cds zn
2
孵育时间和ph优化。从图17中可以看出，荧光强度随着cds稀释倍数的增加先增加后降低。图18显示了在各种ph环境(ph 5.0
‑
ph 9.0)下cds的荧光响应。cds的双重发射强度在ph范围5.0到8.0之间几乎保持不变，但随着ph值从8.0升高到9.0，685nm处的荧光强度明显下降，650nm处明显增加。从图19可看出，f
650
/f
685
随反应时间的增加而增加，且在15min后几乎保持不变。最佳cds浓度为0.01174g/ml，最佳孵育时间为20min，最佳ph条件为7.0。
62.图20是本发明实施例1的具有大stokes位移的新型多发射cds对0
‑
4μm浓度范围的zn
2
的响应曲线。在最佳条件下进行zn
2
的定量检测，随着zn
2
浓度的增加，cds在650nm处的荧光强度逐渐增加，而在685nm处逐渐减少。相应地，f
650
/f
685
随zn
2
浓度的增加而逐渐增加，这表明所提出的方法对于zn
2
的荧光检测是可行的。图21为zn
2
浓度与f
650
/f
685
(650nm与685nm发射峰处的荧光强度之比)的线性曲线，从图22中可以看出该cds对zn
2
具有良好的线性，线性范围为0至2μm。表明了本发明实施例中具有大stokes位移的新型多发射cds可成功应用于比率荧光检测zn
2
。
63.如表1所示，在相对标准偏差(rsd)小于5.0％时，回收率在95.0％至105.0％的范围。结果表明，基于cds的比率荧光纳米探针具有实现人血清样品中zn
2
定量测定的巨大潜力。
64.表1.锌离子在血清样品中的回收率结果表。
[0065][0066]
当然，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。