一种血液中微量元素铜离子荧光检测纳米晶材料及其制备方法和检测试剂盒与流程

1.本技术涉及血液中微量元素检测领域，尤其涉及一种血液中微量元素铜离子荧光检测纳 米晶材料及其制备方法和检测试剂盒。


背景技术：

2.铜是生物体所必须的微量元素，其浓度高低直接影响人们的健康。它在人体中主要以作 为许多酶和蛋白(如超氧化物歧化酶、细胞色素氧化酶、多巴胺轻化酶、酪氣酸酶和铜蓝蛋 白等)的辅助因子或结构组成部分而发挥作用。铜缺乏一般伴随着其他营养元素的缺乏或者 其生物结抗物质的摄取过量，影响细胞内许多酶的正常功能，进而影响细胞的新陈代谢过程。 铜过量通常是由于遗传性疾病或者由于环境和食品污染，误食了大量含铜的食物或吸入了含 铜量高的气体所造成。人类的活动造成铜离子的大气污染和水体污染，最终都会回归到土壤 中造成土壤污染，进而影响农作物的产量和质量。食物中的铜离子通过食物链的逐级放大过 程，最终会进入人体，对人类的健康产生危害。肝脏是储存铜离子的重要场所，也是铜排入 胆汁的重要器官，铜过量会影响肝肾的正常代谢以及胃肠道功能紊乱，溶血性贫血等；过多 的铜离子若在脑、角膜、心脏等处沉淀，会造成神经退行性疾病和全身性的症状，包括威尔 逊氏综合症和阿尔茨海默氏症。
3.目前常用的金属离子的检测方法包括：生物传感器、原子吸收光谱、等离子体发射光谱、 比色法、电化学法和纳米荧光探针等方。其中比色法随可准确，快速地测定金属离子，但过 程繁琐且适用范围小；原子吸收光谱和等离子体发射光谱法虽然选择性好，灵敏度高及适用 范围广，但设备复杂并且成本高昂；电化学法则存在着选择性差的缺点；而纳米传感器、生 物传感器和纳米荧光探针等新兴的检测方法虽然简单快速并且选择性及灵敏性均较好，但其 常用的纳米材料如传统的金属化合物量子点毒性较大，难以用于生物样品的检测。


技术实现要素：

4.为了解决上述的技术问题，本技术的目的是提供一种铜离子荧光检测纳米晶材料，该纳 米晶材料在980纳米激光器激发条件下，在蓝光区域和绿光区域表现出明亮的上转换发光， 分别对应于激活离子tm
3
：1g4→3h6(～450nm，蓝光)和tb
3
：5d4→7fj的跃迁，荧光强度 的变化与铜离子的浓度密切相关。为了将该纳米晶应用于生物领域，在其表面包覆了一层二 氧化硅，使其获得良好的水溶性和生物相容性，能够很好的应用于血液中铜离子的痕量检测。
5.为了实现上述的目的，本技术采用了以下的技术方案：
6.一种铜离子荧光检测纳米晶材料，该纳米晶材料的纳米晶分子式如下： natb
0.4y0.6
f4@nabif4:yb/tm@sio2。
7.优选，该纳米晶材料为水溶性纳米晶材料，由二氧化硅包覆natb
0.4y0.6
f4@nabif4:
yb/tm 纳米晶构成。
8.优选，natb
0.4y0.6
f4@nabif4:yb/tm@sio2纳米晶为 natb
0.4y0.6
f4@nabif4:40yb/1tm@sio2。
9.进一步，本技术提供了一种铜离子荧光检测纳米晶材料的制备方法，该方法包括以下步 骤：
10.1)0.8毫摩尔乙酸钠，0.32毫摩尔乙酸铽，0.48毫摩尔乙酸钇，4毫摩尔氟化铵，8毫升 油酸和15毫升十八烯加入到三口烧瓶中，在氩气保护条件下，在160℃的温度下保温45 分钟得到无水的透明溶液，待溶液自然冷却至室温后，逐滴加入4毫升含有4毫摩尔氟 化铵的甲醇溶液，然后在80℃保温半小时，待甲醇溶液全部挥发之后，升温到300℃， 并在此温度下保温80分钟；
11.2)自然冷却到室温，所得的纳米晶用乙醇和环己烷混合液洗涤，然后将核纳米晶保存在 4毫升环己烷中备用；
12.3)将1毫摩尔乙酸钠，0.59毫摩尔乙酸铋，0.4毫摩尔乙酸镱，0.01毫摩尔乙酸铥，15 毫升油酸，20毫升十八烯加入到三颈瓶中，在氩气保护条件下，在160℃的温度下保温 45分钟得到无水透明溶液，待溶液自然冷却至60℃后，逐滴加入核纳米晶，然后在105℃ 保温40分钟，待溶液自然冷却至室温后，逐滴加入8毫升含有4毫摩尔氟化铵的甲醇溶 液，然后在80℃保温半小时，待甲醇溶液全部挥发之后，升温到210℃，并在此温度下 保温60分钟；
13.4)自然冷却到室温，将所得的纳米晶用乙醇和环己烷混合液洗涤；
14.5)将0.1ml的co-520，6ml的环己烷和4ml(0.01m)的核壳纳米晶加入到烧杯中搅拌 10分钟，再加入0.4ml的co-520和0.08ml的氨水后将烧杯密封起来超声20分钟，直至 溶液由乳白色变得澄清；
15.6)再将0.04ml的teos加到溶液中后将烧杯密封，以600rpm的转速反应2天，待反应 结束后，在混合溶液加入丙酮沉淀并用乙醇/去离子水(1:1v/v)洗涤2次后分散在去离子 水中。
16.进一步，本技术提供了所述的纳米晶材料用于血液中金属铜离子的痕量检测应用。
17.进一步，本技术提供了一种血液中金属铜离子的痕量检测试剂盒，该试剂盒包括所述的 纳米晶材料。
18.本技术采用一种新颖的natb
0.4y0.6
f4@nabif4:40yb/1tm@sio2核壳壳结构的纳米晶，该 纳米晶经二氧化硅修饰后具备良好的水溶性和生物相容性，且其中yb
3
→
tm
3
的能量传递过 程位于外壳层中，而tb
3
离子位于核中，在980nm激光激发下，能够发射较强的蓝色和绿色 的上转换荧光。而随着铜离子浓度的增大，荧光强度会不断下降，由此根据荧光强度下降的 差值和铜离子浓度的关系曲线能够很好地应用于血液中的铜离子荧光定量检测。
附图说明
19.图1(a)核纳米晶(紫色)和核壳纳米晶(红色)的xrd图谱，(b)为核壳纳米晶的透射 电子显微镜图。
20.图2(a)产物在980纳米激光器激发条件下的上转换发光光谱，上转换发光强度随激活离 子tm
3
(b)，tb
3
(c)与yb
3
(d)浓度变化的关系曲线。
21.图3纳米晶与cu
2
体系的荧光光谱，图中cu
2
的浓度(从下到上)：700，300，80，20， 10，2，0μmol/l；λ＝550nm。嵌入图：550nm处的荧光强度降低值与cu
2
浓度的线性响应 曲线。
22.图4其他金属离子对体系的响应。所有离子的浓度均为1.0
×
10-4
mol/l；λ＝550nm；pbs(p h 9.0)；δf：加金属离子前、后荧光强度的差值。
23.图5细胞毒性实验。
具体实施方式
24.1实验部分
25.1.1主要仪器和试剂：
26.乙酸钠(99.0％)，乙酸铋(98.0％)，乙酸铽(99.9％)，乙酸钇(99.9％)，乙酸镱(99.9％)，乙酸 铥(99.9％)，柠檬酸(99.5％)，氟化铵(99.99％)，油酸(90％)，十八烯(90％)，乙二胺四乙酸(98.0％)， 无水乙醇购买于sigma-aldrich公司，3-(4,5-dimethylthiazol2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromide(mtt)和dmso购买于北京鼎国生物有限公司，l-02细胞购于中国科学院上海细 胞库。
27.1.2 natb
0.4y0.6
f4@nabif4:yb/tm@sio2纳米晶的制备
28.以natb
0.4y0.6
f4@nabif4:40yb/1tm@sio2为例，0.8毫摩尔乙酸钠(nano3)，0.32毫 摩尔乙酸铽，0.48毫摩尔乙酸钇(yb(no3)3·
5h2o)，4毫摩尔氟化铵，8毫升油酸和15毫升 十八烯加入到三口烧瓶中，在氩气保护条件下，在160℃的温度下保温45分钟得到无水的透 明溶液，待溶液自然冷却至室温后，逐滴加入4毫升含有4毫摩尔氟化铵的甲醇溶液，然后 在80℃保温半小时，待甲醇溶液全部挥发之后，升温到300℃，并在此温度下保温80分钟， 然后自然冷却到室温，所得的纳米晶用乙醇和环己烷混合液洗涤，然后将核纳米晶保存在4 毫升环己烷中备用。
29.将1毫摩尔乙酸钠，0.59毫摩尔乙酸铋，0.4毫摩尔乙酸镱，0.01毫摩尔乙酸铥，15毫 升油酸，20毫升十八烯加入到三颈瓶中，在氩气保护条件下，在160℃的温度下保温45分 钟得到无水透明溶液，待溶液自然冷却至60℃后，逐滴加入核纳米晶，然后在105℃保温 40分钟，待溶液自然冷却至室温后，逐滴加入8毫升含有4毫摩尔氟化铵的甲醇溶液，然后 在80℃保温半小时，待甲醇溶液全部挥发之后，升温到210℃，并在此温度下保温60分钟， 然后自然冷却到室温，将所得的核壳纳米晶用乙醇和环己烷混合液洗涤。
30.将0.1ml的co-520，6ml的环己烷和4ml(0.01m)的核壳纳米晶加入到烧杯中搅拌10 分钟，再加入0.4ml的co-520和0.08ml的氨水后将烧杯密封起来超声20分钟，直至溶液 由乳白色变得澄清；再将0.04ml的teos加到溶液中后将烧杯密封，以600rpm的转速反应 2天，待反应结束后，在混合溶液加入丙酮沉淀并用乙醇/去离子水(1:1v/v)洗涤2次后分 散在去离子水中。
31.不同浓度或种类的离子掺杂样品，通过改变前驱溶液中相应的离子浓度或种类来实现。
32.1.3表征仪器
33.x射线衍射图谱(bruker d8 advance，cu-kα)，透射电子显微镜(tem,
feitecnai g2 f20)，光谱仪(flurohub-b,horiba jobin yvon)。
34.x射线衍射样品的制备：将烘干的纳米晶铺满样品支架的凹槽；
35.透射电子显微镜样品的制备：将每次合成的全部纳米晶溶于4毫升乙醇溶液中，超声5分钟 后，滴3-6滴液体于超薄碳膜上。
36.铜离子检测方法：向1.5ml的离心管中依次加入50μl纳米晶溶液、50μl ph值为9.0的pbs 缓冲溶液和50μl适当浓度的cu
2
溶液。加水稀释至500μl混匀，水浴70℃加热20min。 在波长为980nm强度下测定550nm处体系的荧光强度。
37.1.5细胞毒性试验
38.将l-02细胞与0，50，100，400，800μg/ml五种浓度的纳米晶溶液共培养，每个浓度设 置3个复孔，并设置调零孔及对照孔，24小时后观察其细胞的数量及形态，均与对照组细胞 无明显差别。吸净孔内培养基，每孔重新加入培养基以及mtt溶液共培养4小时后，加dmso， 摇床低速振荡10分钟。检测各孔od值。
39.2.数据分析与讨论
40.natb
0.4y0.6
f4核纳米晶与natb
0.4y0.6
f4@nabif4:40yb/1tm核壳纳米晶的x射线衍射图谱 如图1a所示，所有衍射峰均与标准pdf卡片jcpds 16-0334一一对应，且无多余的衍射峰， 表明我们得到的核与核壳纳米晶均为纯六方相。透射电子显微镜分析结果表明产物为无规则 花瓣状，分散性良好。
41.如图2a所示，在980nm激光器激发条件下，产物在蓝光区域和绿光区域表现出明亮的 上转换发光，分别对应于激活离子tm
3
：1g4→3h6(～450nm，蓝光)和tb
3
：5d4→7fj的跃 迁。当tm
3
离子掺杂浓度从0.5mol％增加到1mol％，tb
3
离子的发光强度增强，主要是由 于能量利用效率增大，而当tm
3
离子掺杂浓度超过1mol％，tb
3
离子的发光强度逐渐减弱， 主要是由于浓度猝灭效应引起的无辐射弛豫几率增大(图2b)；固定tm
3
离子掺杂浓度为1 mol％，当yb
3
离子掺杂浓度从20mol％增加到40mol％，tb
3
离子的发光强度增强，而当yb
3
离子掺杂浓度超过40mol％，tb
3
离子的发光强度逐渐减弱；固定tm
3
离子掺杂浓度为1mol％ 且yb
3
离子掺杂浓度为40mol％，当tb
3
离子掺杂浓度从20mol％增加到40mol％，tb
3
离 子的发光强度增强，而当tb
3
离子掺杂浓度超过40mol％，tb
3
离子的发光强度逐渐减弱。 以上分析表明，对于本文设计的新颖核壳纳米晶结构体系中，tb
3
离子、tm
3
离子和yb
3
离 子的最佳掺杂浓度分别为40mol％，1mol％和40mol％。
42.如图3所示，随着cu
2
浓度的不断增高，猝灭效果越来越强。当cu
2
浓度在8.0
×
10-7
～ 6.0
×
10-4
mol/l之间时，与纳米晶的相对荧光强度有着良好的线性关系。线性回归相关系数 r2＝0.9888，检出限为1.0
×
10-7
mol/l。验证此方法的可行性，在相同条件下，测定正常人血 液中cu
2
对纳米晶荧光强度的猝灭值δf。将样品离心去除蛋白质等大分子物质，进行标准 cu
2
加入回收实验，实验结果见表1。
43.表1样品的测定
44.45.测试其他金属离子(c＝1.0
×
10-4
mol/l)对纳米晶荧光强度猝灭效果的影响以考察对cu
2
的选择性。结果如图4所示，其他常见金属离子如ag

、na

、cd
2
、hg
2
、zn
2
、k

、mg
2
、 co
2
、fe
2
、ba
2
、ca
2
、pb
2
、mn
2
、ni
2
、fe
3
对纳米晶溶液的荧光强度几乎无猝灭作用， 只对cu
2
反应效果最佳。由此可知该方法检测cu
2
的特异性较好。
46.如图5所示，对照组的od值为0.490，浓度为0.05，0.1，0.4，0.8mg/ml的实验组od 均值分别为0.482，0.477，0.462，0.461。组间无显著差异。可以确定，以二氧化硅修饰的 nagd
0.4
nd
0.6
f4@nascf4:50yb上转换纳米粒子在无红外光激发状态下对l-02细胞几乎无生 物毒性作用。
47.3.结论
48.本技术采用一种新颖的nabif4:40yb/1tm@natb
0.4y0.6
f4核壳纳米晶结构，并在其表面修 饰二氧化硅壳层获得核壳壳结构的纳米晶，具有良好的水溶性和生物相容性。利用铜离子对 该纳米晶荧光强度的猝灭作用，在980nm激光激发下，拟合荧光强度下降差值随铜离子浓度 的变化规律曲线，还结合了实际血液中样品检测，实现了血液中铜离子的荧光痕量检测，检 测极限约为1.0*10-7
摩尔/升。该方法具有高准确度与高精确度的优势，在生物医学领域具有 很好的应用前景。