基于防己诺林碱碳点的比率型荧光探针的制备方法及应用

1.本发明属于荧光碳纳米材料应用技术领域，涉及一种碳量子点的制备方法和应用，具体涉及一种基于防己诺林碱碳点的比率型荧光探针的制备方法及应用。


背景技术：

2.荧光探针分一般分为为两类：一类是在最佳激发波长下仅具有单个发射峰的荧光探针，另一类是在最佳激发波长下具有两个或多个发射峰的荧光探针。第一类荧光探针是根据单个发射峰荧光强度的变化来测定目标分析物含量，但是单个发射峰的荧光强度通常会受到仪器效率、探针浓度、探针分布及所处环境等的影响，导致测定结果的误差较大。而第二类荧光探针通过计算两个或多个发射峰荧光强度比值的变化来测定目标分析物含量，即为比率荧光探针。比率型荧光探针自身固有的高灵敏度、低干扰性等有助于科学研究的特点。与单信号荧光探针相比，比率型荧光探针不仅可以避免背景荧光的潜在干扰，而且能够提高检测的灵敏度和精度。
3.防己诺林碱(fangchinoline，fan)分子式为c
37h40
n2o6，相对分子质量为608.71。是中药防己的提取成分，防己是防己科植物粉防己的干燥根。防己诺林碱结构式中表明fan具有多苯环结构，为碳点的制备提供了丰富的碳源。


技术实现要素：

4.本发明旨在寻找一种荧光探针用于分析检测新胭脂红e124实现快速、灵敏的对新胭脂红e124的检测。
5.本发明提供了一种基于防己诺林碱碳点的比率型荧光探针的制备方法及应用，其技术路线如下：
6.一种基于防己诺林碱碳点的比率型荧光探针的制备方法，其步骤包括：
7.步骤一：防己诺林碱粉末、邻苯二胺或柠檬酸或乙二胺或尿素混合溶解于水或甲醇或乙醇或正丙醇或丙酮或n,n-二甲基甲酰胺；
8.步骤二：转移至聚四氟乙烯高温反应釜中，在170～220℃下反应2～12h；
9.步骤三：待反应釜自然冷却，将釜内液体转至离心管内，通过高速离心机离心去除大颗粒沉积物，用微孔滤膜进行过滤，用透析袋在超纯水中透析24～72h，冷冻干燥后得到粗碳点；
10.步骤四：柱层析法分离纯化粗碳点，以洗脱液梯度洗脱，收集蓝色、蓝绿色、绿色三部分荧光碳点，减压回收溶剂得到纯碳点；
11.步骤五：紫外灯照射显示绿色筛选出具有双发射波长的目标产物fan,n-cds作为比率型纳米探针。
12.进一步地，所述防己诺林碱结构式为：
[0013][0014]
进一步地，所述防己诺林碱粉末、邻苯二胺或柠檬酸或乙二胺或尿素混合溶解于水或甲醇或乙醇或正丙醇或丙酮或n,n-二甲基甲酰胺投料比为1g:1g:10ml～10g:1g:100ml。
[0015]
进一步地，所述洗脱液为v
二氯甲烷
：v
甲醇
：v
三乙胺
＝10:1:0.5～0:1:0.05或v
二氯甲烷
：v
乙醇
：v
三乙胺
＝10:1:0.5～0:1:0.05或v
石油醚
：v
丙酮
：v
三乙胺
＝5:1:0.5～1:1:0.05或v
三氯甲烷
：v
甲醇
：v
三乙胺
＝10:1:0.5～0:1:0.05或v
三氯甲烷
：v
乙醇
：v
三乙胺
＝10:1:0.5～0:1:0.05。
[0016]
本发明的另一目的是提供一种基于防己诺林碱碳点的比率型荧光探针的制备方法制备得到的fan,n-cds比率型纳米探针在新胭脂红e124检测中的应用。
[0017]
进一步地所述比率型纳米探针fan,n-cds在新胭脂红e124检测中的检测步骤包括：
[0018]
1)将新胭脂红e124与fan,n-cds溶液混合，分别取得至少三种不同浓度的新胭脂红混合溶液，在λex为315nm，λem所包含的λem1为404nm、λem2为515nm下分别测得不同浓度的新胭脂红混合溶液的荧光强度；
[0019]
2)将待测样品与fan,n-cds溶液混合，得到待测样品混合溶液，测得待测样品混合溶液的荧光强度；
[0020]
3)根据步骤1)中荧光猝灭效率f515/f404与混合溶液中新胭脂红浓度的线性关系计算出待测样品混合溶液中新胭脂红的浓度c(e124)；所述线性关系为取得荧光猝灭效率f515/f404与混合溶液中新胭脂红浓度的线性关系。
[0021]
进一步地，所述述新胭脂红浓度的线性检测范围为0～55μm，在0～55μm范围内，fan,n-cds荧光淬灭效率与e124浓度呈现线性关系。
[0022]
进一步地，检测范围在0～12.5μm，其线性方程为f515/f404＝-0.09958*c(e124) 5.48272，r2＝0.9911；式中：c(e124)代表新胭脂红浓度。
[0023]
进一步地，检测范围在20～55μm，其线性方程为f515/f404＝-0.05469*c(e124) 4.31218，r2＝0.9902；式中：c(e124)代表新胭脂红浓度。
[0024]
进一步地，所述步骤2)中，所述混合溶液在ph＝4.0的条件下检测新胭脂红e124的荧光强度。
[0025]
本发明的工作原理介绍：以fan、opd及甲醇，通过溶剂热法制备后经分离纯化得到三种cds，通过对其的荧光光谱、量子产率及紫外灯照射下显现的颜色进行比较，选择具有双波长、绿色荧光、相对量子产率较高的荧光材料(fan,n-cds)对其结构及光学性能进行表征进行研究，并作为比率型荧光探针分析检测e124。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0027]
(1)采用柱色谱的分离手段将碳点混合物分离出三种不同荧光的cds；
[0028]
(2)fan,n-cds检测e124具有高选择性、高灵敏度以及低检出限的特点。
[0029]
(3)建立了一种新的比率型荧光探针检测e124的方法；
[0030]
(4)拓宽碳源种类的选择范围，选用含多苯环、含氮的芳香族化合物(fan)和苯胺化合物(opd)为原料制备比率型荧光探针。
附图说明
[0031]
图1(a)为fan,n-cds的形状特征图；(b)为fan,n-cds的粒径分布图；
[0032]
图2fan,n-cds的xrd图；
[0033]
图3(a)为xps全扫描光谱，(b)为c1s光谱，(c)为n1s光谱，(d)为o1s光谱
[0034]
图4fan,n-cds的ftir图
[0035]
图5fan,n-cds的uv-vis及激发、发射光谱图
[0036]
图6fan,n-cds在不同激发下的荧光发射光谱图
[0037]
图7fan,n-cds荧光寿命衰减曲线
[0038]
图8(a)、ph对发射峰峰值的影响；(b)、nacl浓度对发射峰峰值的影响；(c)、h2o2浓度对发射峰峰值的影响；(d)、自然光光照对发射峰峰值的影响；(e)、紫外灯光照对发射峰峰值的影响；
[0039]
图9(a)ph值对比率型荧光探针检测e124荧光比率值变化影响；(b)反应时间对比率型荧光探针检测e124荧光比率值变化影响
[0040]
图10比率型荧光探针检测e124选择性研究
[0041]
图11(a)比率荧光值变化与e124浓度的线性拟合；(b)比率荧光值变化与e124浓度的非线性拟合；(c)、(d)为e124淬灭cds的荧光光谱图；(e)不同浓度的e124淬灭cds荧光的紫外灯下图
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细发明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下发明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0043]
实施例1：一种基于防己诺林碱碳点的比率型荧光探针的制备
[0044]
制备方法采用溶剂热法；分离手段主要采用柱色谱法。
[0045]
制备过程分为两步：
[0046]
s1:称取防己诺林碱粉末2g、邻苯二胺1g溶解于20ml的甲醇中，充分混合后转移至聚四氟乙烯高温反应釜中，在200℃下反应8h。
[0047]
s2:待反应釜自然冷却，将釜内液体转至离心管里面，通过高速离心机离心去除大颗粒沉积物，用微孔滤膜(0.22μm)进行过滤后再使用柱色谱法(column chromatography；cc)分离提纯；4℃环境下保存。
[0048]
柱色谱的纯化fan,n-cds的步骤分为以下六个步骤：
[0049]
(1)薄层色谱(tlc)：将过滤后的溶液以微量毛细管点于硅胶板上，点样完毕吹干后放入展缸中，进行层析，等待展开剂上沿到达或接近板子上端0.5cm时，取出，吹干，在紫外灯箱内观察荧光；
[0050]
(2)吸附样品：称取2-3g硅胶溶解吸收样品，直到样品达到饱和为止。然后用吹风机将其吹干成粉末状后装柱；
[0051]
(3)装样：先在柱的下端塞一团棉花将柱子的下端口堵住，根据拌样的量和溶剂的选择加入适量的硅胶,用真空泵抽紧(30min),装入拌样并用棉花堵住上口，用洗耳球敲击
让其样品均匀铺平；
[0052]
(4)洗脱：润柱后冲柱(根据溶剂配比配置冲柱)，用二氯甲烷、甲醇 三乙胺体系洗脱，并用紫外灯监测荧光配合洗脱；准备多个50ml的锥形瓶接样品，每接40ml就换一个锥形瓶，并标好序号，直至柱子上的荧光冲完为止；
[0053]
所述洗脱剂体积配比为5：1二氯甲烷和甲醇 千分之五三乙胺200ml；1：1二氯甲烷和甲醇 5
‰
三乙胺400ml；1：1二氯甲烷和甲醇 5％三乙胺400ml；纯甲醇 1％三乙胺600ml)。
[0054]
(5)合并溶液：用紫外灯照射锥形瓶内溶液，将荧光相同及相近的锥形瓶内溶液合并；得到三种cds，通过紫外灯照射显现的三种颜色，分别为蓝色、蓝绿色及绿色荧光。
[0055]
(6)浓缩回收溶剂：合并的溶液放入旋蒸仪进行浓缩，蒸出溶剂，待样品瓶内剩余少许样品时停止旋蒸。用少量溶剂转入试剂瓶中并贴好标签。
[0056]
测定cds的相对荧光量子产率(quantum yields，qy)：以硫酸奎宁溶液为参比，将硫酸奎宁溶解在0.1m h2so4中，qr(硫酸奎宁理论量子产率)为54％(硫酸奎宁激发波长为360nm)，其中实验中溶剂水和硫酸溶液的折射率均为η＝1.33。为了使自吸收效应最小化，将cds和硫酸奎宁溶液的吸光度调节到0.10以下。测定cds及硫酸奎宁的荧光强度值和紫外吸光度值(激发波长为360nm)。利用如下公式进行计算：
[0057]
qy＝qr(is/ir)(ar/as)(η
s2
/η
r2
)
ꢀꢀ
(2.1)
[0058]
式中：qy
‑‑
量子产率；s
‑‑
cds溶液；r
‑‑
硫酸奎宁溶液；
[0059]a‑‑
360nm下的紫外吸光度；i
‑‑
荧光强度值；η
‑‑
溶剂折射率
[0060]
制备所得到的三种cds，通过紫外灯照射显现的三种颜色，分别为蓝色、蓝绿色及绿色荧光；通过扫描cds的荧光发射光谱图，cds-1发射峰位于370nm，其量子产率为1.49。cds-2具有双发射，分别位于408nm和508nm处，量子产率为0.66和0.41。cds-3也具有双发射，分别位于404nm和515nm处，量子产率分别为0.39和1.28。以量子产率及双发射峰的波长值作为考察依据，选择cds-3作为fan,n-cds进行后续实验。
[0061]
实施例2：fan,n-cds的结构及光学性能表征：
[0062]
结构性能表征：利用tem、xrd、xps和ftir光谱图对fan,n-cds的形貌、平均粒径、元素组成及表面官能团的结构进行表征及分析。
[0063]
利用透射电镜(tem)研究fan,n-cds的形状特征和粒径分布，如图1所示，fan,n-cds具有均匀的球形颗粒结构，平均粒径约为3.45nm，无团聚现象且分散均匀。
[0064]
通过xrd对fan,n-cds的结晶程度进行研究，如图2所示，fan,n-cds的xrd图谱在2θ为21.39
°
处具有明显的宽峰，说明了fan,n-cds具有无定形碳结构。
[0065]
fan,n-cds的表面功能性官能团及元素构成如图3所示，全扫描xps光谱(图2.7a)显示了283.2ev，398.4ev和531.2ev的三个峰，分别归因于c1s，n1s和o1s。c1s光谱的峰：283.1ev，285.0ev和284.3ev分别对应于c＝c，c-n和c-o(图2.7b)；n1s光谱的两个峰出现在397.4ev和399.7ev处，分别对应于n-h和n-c(图2.7c)；o1s光谱的两个峰出现在529.7ev和530.9ev处，分别对应于c-o-c/c-oh和o-h(图2.7d)。
[0066]
傅立叶变换红外(ftir)光谱仪用于确定表面化学特性。如图4所示，fan,n-cds在3424.9cm-1
处有一个强吸收峰，表明存在o-h和n-h键，说明碳点继承了fan或opd的o-h和n-h基团；在1621.8cm-1
出峰，表明存在c＝c键；在1425.1cm-1
出峰，表明存在c-h键；在1130cm-1
出峰，表明存在c-o键。ftir光谱与xps图的结果基本相符，表明制备的fan,n-cds表面含有亲水基团和氨基官能团，并且拥有良好的水溶性。
[0067]
fan,n-cds的光学性能表征：依据紫外可见吸收光谱(uv-vis)、荧光发射光谱、激发波长依赖性、荧光量子产率、荧光寿命、稳定性
[0068]
fan,n-cds的紫外可见光吸收峰如图5所示。从紫外光谱图上可以看到fan,n-cds的紫外可见光吸收主要分布于紫外区，紫外吸收光谱显示其在270nm处有明显的吸收峰，属于c＝c的c＝c sp2杂化的π-π*和n-π*跃迁。
[0069]
(2)荧光发射光谱
[0070]
本实验选用fan,n-cds的最佳激发波长为315nm，其对应的发射波长为404nm和515nm。
[0071]
(3)激发波长依赖性
[0072]
为了进一步研究在不同激发波长下fan,n-cds发射光谱的变化规律，将激发波长设置为280～370nm每间隔10nm分别记录fan,n-cds发射谱。图6为fan,n-cds的荧光发射光谱图，如图所示在280～320nm范围内随着激发波长的增加，荧光强度逐渐增强；320nm之后荧光强度开始减弱；位于蓝光区域的发射峰会随着激发波长的升高而出现红移的情况，位于绿光区域的发射峰不会随着激发波长的改变而红移，说明制备的fan,n-cds仍具有激发依赖的性质。
[0073]
(4)荧光量子产率
[0074]
根据fan,n-cds波长依赖性的表征结果本实验选择的ex为315nm为最佳激发峰，两个发射峰分别是404nm及515nm。相对应的量子产率分别为0.39和1.28。
[0075]
(5)荧光寿命
[0076]
利用时间相关单光子计数法(tcspc)测定fan,n-cds溶液在em＝515nm处的荧光寿命值为：7.7ns。
[0077]
(6)稳定性：
[0078]
稳定性溶液配制及测定说明：
[0079]
ph稳定性：取1mg
·
ml-1
fan,n-cds溶液12μl置于离心管中，再取水溶液(空白)/不同ph值为2.2～12.0的磷酸盐缓冲液溶液定容到4ml，后置于涡旋仪上涡旋2min，然后分别在315nm激发波长(激发、发射狭缝宽度分别为10nm、20nm)下测定fan,n-cds的荧光强度值。
[0080]
离子强度稳定性：取1mg
·
ml-1
fan,n-cds溶液20μl置于离心管中，再取4m(mol
·
l-1
)不同体积的nacl溶液后用超纯水定容到4ml。测定荧光强度值；荧光检测方法同上。
[0081]
抗氧化性：取1mg
·
ml-1
fan,n-cds溶液20μl置于离心管中，再取0.5m不同体积的h2o2溶液后用超纯水定容到4ml。测定荧光强度值，荧光检测方法同上。
[0082]
抗光漂白性：取1mg
·
ml-1
fan,n-cds溶液20μl置于离心管中，用超纯水定容到4ml，摇匀后分别用自然光/紫光灯(波长为365nm)照射不同时间并测定荧光强度值；荧光检测方法同上。
[0083]
结果分析如下：
[0084]
ph稳定性：如图8a所示，fan,n-cds在404nm处的荧光强度值基本保持不变。在515nm处荧光强度具有明显的影响，相对而言酸性条件下，fan,n-cds具有较高的荧光值。
[0085]
离子强度稳定性：从图8b中可以看出，即使当nacl溶液的浓度达到2m，fan,n-cds
在404nm或515nm的荧光强度值基本保持不变，说明该荧光纳米材料具有一定的离子强度稳定性。
[0086]
抗氧化性：如图8c所示：在0～0.04m浓度下，404nm处的荧光强度有明显降低，后趋于平缓但总体来说波动较小；515nm处的荧光强度基本没有太明显的变化。说明fan,n-cds具有相对稳定的抗氧化性能。
[0087]
抗光漂白性：自然光下60min内fan,n-cds的荧光强度基本保持稳定(8d)；紫外灯箱(波长为365nm)持续照射60min内fan,n-cds的荧光强度基本保持稳定(8e)，说明fan,n-cds具有良好的抗光漂白能力。
[0088]
以上结论表明fan,n-cds不具有耐酸碱性、但具有良好的抗氧化性、离子强度稳定性、抗光漂白稳定性。
[0089]
实施例3:比率型荧光探针检测新胭脂红
[0090]
取12μl 1mg
·
ml-1
fan,n-cds溶液置于离心管中，加入不同体积1mm e124溶液，用ph为4的磷酸缓冲溶液定容到4ml，以此形成e124的浓度梯度，旋反应4min。以315nm为最佳激发波长(激发、发射狭缝宽度分别为20nm、10nm)下测定fan,n-cds的荧光强度值并绘制标准曲线图，以f
515
/f
404
为纵坐标，e124的浓度为横坐标，经过线性拟合后对其方程、相关系数、检测限范围进行计算。
[0091]
ph值对荧光响应的影响：如图9a所示，荧光淬灭效果在ph值为4.0～6.0范围内较高，在ph＝4.0时最强，结合新胭脂红在ph＝4下更稳定。因此，在ph＝4的条件下检测e124效果最佳。
[0092]
反应时间的影响：如图9b所示，反应在4min后处于稳定状态。最终，选取4min为最佳的反应时间。
[0093]
选择性:如图10所示当e124存在时，比率荧光值(f
515
/f
404
)明显降低，而其他常见的金属离子(hg
2
、cu
2
、ag

、fe
3
、cr
6
、cd
3
、sn
4
、zn
2
、ni
2
、sr
2
、ba
2
、na

、k

)；阴离子(cl-、br-、i-、no
3-、no
2-、po
43-、hco
3-)；氨基酸(l-arg、l-val、l-his、l-lys、l-cys、l-ile、l-ala、l-pro、l-gln、l-glu、l-leu、l-ser、l-phe、gly、l-met、l-hsp)；维生素(vc、ve)类物质基本不会影响探针的荧光强度值，这表明比率型荧光探针检测e124具有良好的选择性。
[0094]
方法学研究：如图11c、d所示：随着e124浓度的不断增大，fan,n-cds在515nm处的荧光强度值被逐渐降低而404nm出的峰值基本保持不表。在浓度0～55μm范围内，比率荧光值(f
515
/f
414
)与e124的浓度呈现出良好的线性关系，0～12.5μm其线性方程为f
515
/f
404
＝-0.09958*x 5.48272，r2＝0.9911，检出限为30.12nm(s/n＝3)；20～55μm其线性方程为f
515
/f
404
＝-0.05469*x 4.31218，r2＝0.9902，检出限为54.85nm(s/n＝3)。非线性方程的拟合结果为y＝5.88123exp(-x/44.08025)-0.33063，r2＝0.9935。由此可见，fan,n-cds可以作为比率型荧光探针检测e124的含量。表1、2表明：基于fan,n-cds检测新胭脂红具有检测范围广的优点。
[0095]
表1不同方法检测新胭脂红的对比
[0096][0097]
表2基于cds的新胭脂红检测方法的对比
[0098][0099]
实际样品中新胭脂红的检测
[0100]
表3表明：用荧光探针检测样品中的e124具有良好的回收率和相对标准偏差(rsd％)。对比hplc法，结果值相对而言较为接近。因此，利用比率型探针检测样品中的e124是一种可行的、准确的、快速简便的新方法
[0101]
表3基于fan,n-cds检测实际样品中的e124
[0102][0103]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性发明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。