一种双通道荧光探针Blood-CDs及其制备方法和应用

一种双通道荧光探针blood-cds及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于荧光探针技术领域，具体涉及一种双通道荧光探针blood-cds及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着养殖业的快速发展，含有重金属离子的畜禽养殖废水被大量排放，使得重金属离子进入土壤、水甚至大气。随后，这些重金属离子通过食物链迁移到谷物、饲草等，导致畜产品的质量和安全严重下降，对人类健康构成威胁。
3.fe
3+
作为血红蛋白的重要组成部分，参与机体的各种代谢过程，但体内fe
3+
含量缺乏或过多都会导致身体机能紊乱甚至一些疾病，例如肾衰竭、贫血、心脏病、肝损伤等。因此，开发一种高选择性、高灵敏度的方法用于定量监测环境中的fe
3+
是非常必要的。
4.hg
2+
被认为是强毒性的重金属离子之一，由于其具有持久性、高生物毒性、致癌性和难以生物降解性等特点。而它可以通过呼吸道和消化道甚至皮肤侵入人体，即使在低浓度下也会对神经系统、心脏、肾脏和许多其他器官造成严重损害。因此，监测环境中的hg
2+
也至关重要。
5.常用的fe
3+
和hg
2+
检测法包括电感耦合等离子体质谱法、电化学方法以及原子吸收光谱法。虽然这些方法在灵敏度和多元素检测能力方面有一定优势，但它们太过复杂且费时费力。因此，人们开发了其他的方法来克服这些缺点，其中荧光光谱法因其成本低、分析速度快、选择性和灵敏度高、操作简便等特点而广受关注。碳点(cds)是一种具有独特的性能的新兴碳质材料，包括制备简单、荧光强度高、低毒性、高稳定性、良好的水溶性和生物相容性等，广泛用于离子和小分子检测，生物成像等领域。目前，已有检测多种金属离子的碳点探针被报道，但是由于它们会产生相同的信号，不能区分金属离子的检测。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种双通道荧光探针blood-cds及其制备方法和应用，具体采用以下的技术方案：
7.一种双通道荧光探针blood-cds，由鸡血和二水合柠檬酸三钠的混合物经水热法制得。
8.由于该双通道荧光探针blood-cds的荧光在水介质中可被fe
3+
和hg
2+
淬灭，并且具有较高的选择性和灵敏性；此外，f-可选择性地恢复fe
3+
淬灭的荧光，al
3+
可选择恢复hg
2+
淬灭的荧光。
9.因此本发明还提供一种双通道荧光探针blood-cds在fe
3+
和hg
2+
检测领域中的应用，优选地，在检测牲畜饲料或环境水样中fe
3+
和hg
2+
的应用。经研究，该双通道荧光探针blood-cds对fe
3+
和hg
2+
的检测显示出良好的线性范围宽特性，分别为0-100μm和0-120μm。并且经计算，该双通道荧光探针blood-cds对fe
3+
的检测限为0.23μm，对hg
2+
的检测限为0.17μm，检测回收率高。
可以选择性地恢复fe
3+
淬灭的荧光，加入al
3+
可以选择性地恢复hg
2+
淬灭的荧光。
43.实施例2
44.测定双通道荧光探针blood-cds的表征：
45.如图1(a)所示，利用透射电子显微镜(tem)分析blood-cds的形态和尺寸，blood-cds为单个颗粒呈均匀分散，高分辨率的tem图像显示，其具有清晰的晶格边缘，间距为0.21nm，这与石墨碳(100)的晶格间距相吻合。
46.如图1(b)所示，blood-cds的粒径分布在3.5到6.5nm之间，平均粒径约为4.9nm。
47.如图1(c)所示，x射线衍射(xrd)图在2θ＝23
°
处有一个宽的衍射峰，这是由无序的碳原子和石墨结构的层间间距造成的。
48.如图1(d)所示，傅里叶变换红外光谱(ft-ir)显示，3453cm-1
、3274cm-1
和2965-2923cm-1
的吸收峰分别对应于o-h、n-h和c-h的拉伸振动；1591cm-1
的强烈吸收峰对应于c＝o的不对称拉伸振动；1394-1441cm-1
的几个吸收峰对应于c＝c和c-o的拉伸振动；1079cm-1
和1282-1305cm-1
的吸收峰对应于c-n的拉伸振动；1157-1194cm-1
的两个吸收峰对应于c-o的伸缩振动。
49.如图2(a)所示，x射线光电能光谱(xps)显示，285.34ev、400.07ev和531.86ev有三个明显的峰值，分别对应于c1s、n 1s和o1s，经计算，碳、氮和氧的含量分别为66.18％、12.40％和20.42％。
50.如图2(b)所示，c 1s高分辨率光谱被分为三个峰，中心为288.01ev、286.12ev和284.80ev，分别归属于c＝o、c-n/c-o和c-c/c＝c。
51.如图2(c)所示，n 1s高分辨率光谱只包含一个在399.79ev的峰，对应c-n官能团。
52.如图2(d)所示，o 1s高分辨率光谱被分为位于532.41ev和531.21ev的两个峰，分别归因于c-o和c＝o。
53.实施例3
54.测定双通道荧光探针blood-cds的光学特性：
55.如图3(a)所示，blood-cds的水溶液在日光下呈浅黄色，但在紫外线照射下(365nm)会发出明亮的蓝色荧光。紫外-可见吸收光谱显示在280nm和400nm处有两个宽的弱吸收峰，这分别归因于c＝o键的π-π*跃迁和c-n键的n-π跃迁，blood-cds的发射(红线)和激发(蓝线)光谱，表明最佳激发和发射波长分别位于370nm和449nm。
56.如图3(b)所示，随着激发波长从320nm增加到400nm，blood-cds的发射峰逐渐红移，这说明blood-cds表现出激发依赖性的光致发光(pl)特性，经计算blood-cds的量子产率计算为13.78％。
57.如图4(a)所示，放置7天后，blood-cds的荧光强度也没有明显变化，这说明blood-cds在水介质中的荧光很稳定。
58.如图4(b)所示，blood-cds的荧光强度在ph值为3-7的范围内十分稳定，而在的ph为1-2和8-14的范围内会下降，这说明blood-cds用于荧光检测的最佳条件是弱酸性环境。
59.实施例4
60.制备金属离子：
61.将不同的金属离子(10μl，0.1m)分别加入到2ml，0.25mg/ml的blood-cds水溶液中，得到m
n+
@blood-cds(m
n+
＝zn
2+
，cd
2+
，na
+
，mg
2+
，k
+
，ag
+
，fe
2+
，pb
2+
，ni
2+
，co
2+
，fe
3+
，hg
2+
)。
62.实施例5
63.双通道荧光探针blood-cds对实施例4制备的金属离子的检测能力：
64.在blood-cds的水溶液中分别加入500μm的各种金属离子(na
+
、ag
+
、k
+
、mg
2+
、ni
2+
、cd
2+
、zn
2+
、co
2+
、fe
2+
、pb
2+
、hg
2+
和fe
3+
)。如图5(a)所示，na
+
、ag
+
、k
+
、mg
2+
、ni
2+
、cd
2+
、zn
2+
、co
2+
、fe
2+
和pb
2+
加入后，blood-cds荧光强度的变化可以忽略不计。而加入hg
2+
和fe
3+
后，在紫外灯下裸眼可明显观察到探针的荧光明显淬灭现象，荧光光谱也进一步证实了这一观察结果。
65.如图5(b)所示，分别加入zn
2+
、cd
2+
、na
+
或mg
2+
后，blood-cds在449nm处的荧光强度无明显变化；分别加入k
+
、ag
+
、fe
2+
、pb
2+
、ni
2+
或co
2+
后，blood-cds在449nm处的荧光强度略有下降；加入hg
2+
或fe
3+
后，blood-cds在449nm处的荧光强度显著下降。这说明，该双通道荧光探针blood-cds对检测hg
2+
和fe
3+
表现出高度的选择性。
66.为了证明其潜在的实际应用能力，还探究了该探针检测hg
2+
或fe
3+
的抗干扰能力。如图5c和图5d所示，向干扰体系m
n+
@blood-cds(m
n+
＝k
+
、na
+
、mg
2+
、fe
2+
、ag
+
、zn
2+
、cd
2+
、pb
2+
、co
2+
和ni
2+
)分别加入hg
2+
或fe
3+
后，发光强度明显下降。表明该探针对hg
2+
或fe
3+
检测具有良好的抗干扰性能。
67.实施例6
68.双通道荧光探针blood-cds对hg
2+
和fe
3+
的定量检测：
69.如图6(a)所示，随着hg
2+
浓度(0-120μm)增加，blood-cds的荧光强度逐渐降低，如图6(c)所示，随着fe
3+
浓度(0-100μm)增加，blood-cds的荧光强度逐渐降低。
70.通过标准的stern-volmer方程定量分析淬火效应：f0/f＝k
sv
[c]+1
[0071]
其中f和f0分别是在hg
2+
或fe
3+
存在和不存在的情况下，blood-cds的荧光强度。k
sv
是stern-volmer淬灭常数。[c]为hg
2+
/fe
3+
的浓度。经计算，hg
2+
和fe
3+
的k
sv
分别1.62
×
104m-1
和1.37
×
104m-1
。这些数值表明，hg
2+
和fe
3+
对blood-cds有强烈的淬灭作用。
[0072]
如图6(b)所示，hg
2+
的线性相关系数(r2)为0.9978，如图6(d)所示，fe
3+
的线性相关系数(r2)为0.9982，这表明blood-cds的荧光强度与hg
2+
和fe
3+
的浓度之间具有良好的线性关系。根据公式lod＝3σ/s，计算探针对汞离子的检测限为0.17μm，低于中国国家污水综合排放标准(gb8978-1996)中规定的限制浓度，计算探针对铁离子的检测限为0.23μm，低于美国环境保护署规定的饮用水中的最高允许浓度。
[0073]
实施例7
[0074]
利用荧光寿命和紫外-可见吸收光谱研究双通道荧光探针blood-cds对hg
2+
和fe
3+
的淬灭机制：
[0075]
一般来说，荧光淬灭过程有静态和动态两种机制，分别在含或不含hg
2+
和fe
3+
的情况下，研究blood-cds的发光寿命衰减情况，经计算，如表1所示，blood-cds的平均寿命为0.712ns。如图7和表1所示，blood-cds与hg
2+
或fe
3+
相互作用后，计算结果分别为0.674ns和0.685ns，这表明荧光淬灭过程为静态淬灭过程。
[0076]
表1
[0077]
[0078][0079]
如图8所示，在blood-cds的紫外-可见吸收光谱中，加入hg
2+
后，280nm处的峰消失了，且400nm处的峰发生红移。加入fe
3+
后，在300nm左右出现了一个新的峰值，表明blood-cds的表面官能团(羧基或羟基)与分析物(hg
2+
和fe
3+
)之间发生了配位。这些配位作用改变了blood-cds的电子结构，影响了电子的分布，加速了非辐射重组，导致了blood-cds的荧光淬灭。
[0080]
实施例8
[0081]
双通道荧光探针blood-cds区分hg
2+
和fe
3+
的检测：
[0082]
如实施例6和7所述，合成的blood-cds在检测hg
2+
和fe
3+
时表现出良好的性能，然而它们具有相同的荧光淬灭信号。
[0083]
为了区分hg
2+
和fe
3+
的检测，在hg
2+
@blood-cds和fe
3+
@blood-cds的水溶液中加入一系列竞争性离子。如图9所示，hg
2+
@blood-cds引起的荧光淬灭可以通过加入al
3+
特异性恢复，而fe
3+
@blood-cds引起的荧光淬灭可以通过加入f-特异性恢复，而如图10所示，仅加入al
3+
或f-对blood-cds的荧光强度几乎没有影响。这说明，al
3+
和f-可通过特异性恢复荧光淬灭鉴定hg
2+
和fe
3+
。
[0084]
如图11所示，导致荧光强度恢复的机制被推断是竞争性的相互作用。可以看出，对于hg
2+
@blood-cds体系，al
3+
和blood-cds的亲和力强于hg
2+
和blood-cds的亲和力；而对于fe
3+
@blood-cds体系，fe
3+
和f-的亲和力强于fe
3+
和blood-cds的亲和力；这些竞争性的相互作用使hg
2+
和fe
3+
从blood-cds表面被移除，从而恢复了荧光。
[0085]
实施例9
[0086]
双通道荧光探针blood-cds应用于检测猪场废水和猪饲料中的hg
2+
和fe
3+
：
[0087]
(1)猪场废水样品预处理：将猪场废水样品用0.22μm滤膜过滤，以去除不溶性残留物，将标准浓度的hg
2+
(0.4μm、0.8μm和1.8μm)或fe
3+
(12μm、24μm和54μm)分别添加到所得到的处理水样，然后记录它们在449nm处的荧光强度。
[0088]
(2)猪饲料样品预处理：将猪饲料样品采用微波辅助酸消解法进行处理后，称量0.2g猪饲料样品于聚四氟乙烯管中，向管中加入2ml新配制的浓硝酸和双氧水(1：1，v/v)的混合物，在室温条件下放置10分钟，然后盖上管子，在720w的条件下微波2-4分钟，使得样品完全溶解。随后，用0.22μm的滤膜过滤，得到的溶液用水定容至到10ml得到样品溶液。将标准浓度的hg
2+
(0.4μm、0.8μm和1.8μm)或fe
3+
(12μm、24μm和54μm)分别添加样品溶液中，然后记录它们在449nm处的荧光强度。
[0089]
检测结果如表1所示，hg
2+
的回收率为95.72-105.38％，fe
3+
的回收率为99.18-103.17％，回收率良好且rsd值令人满意。可以看出，blood-cds在定量监测猪场废水和猪饲料中的hg
2+
和fe
3+
浓度显示出巨大潜力。
[0090]
表2测定实际猪场废水和猪饲料样品中hg
2+
和fe
3+
的回收率(n＝3)
[0091][0092]
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

技术特征：
1.一种双通道荧光探针blood-cds，其特征在于，由鸡血和二水合柠檬酸三钠的混合物经水热法制得。2.一种如权利要求1所述的双通道荧光探针blood-cds在fe
3+
和hg
2+
检测领域中的应用。3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的双通道荧光探针blood-cds在检测牲畜饲料或环境水样中fe
3+
和hg
2+
的应用。4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述双通道荧光探针blood-cds对fe
3+
的检测限为0.23μm，对hg
2+
的检测限为0.17μm。5.一种双通道荧光探针blood-cds的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将鸡血和二水合柠檬酸三钠混合，180℃条件下水热法反应1天，得到深棕色的溶液，离心，用滤膜过滤以去除大颗粒，收集上清液，再透析1天除去小颗粒，最后通过冻干法收集，所述鸡血和二水合柠檬酸三钠的比例是1ml：10mg。6.根据权利要求5所述的双通道荧光探针blood-cds的制备方法，其特征在于，水热法在聚四氟乙烯高压反应釜中进行，所述聚四氟乙烯高压反应釜的规格为50ml。7.根据权利要求5所述的双通道荧光探针blood-cds的制备方法，其特征在于，离心条件为：11000rpm离心12分钟。8.根据权利要求5所述的双通道荧光探针blood-cds的制备方法，其特征在于，所述滤膜的规格为0.22μm。9.根据权利要求5所述的双通道荧光探针blood-cds的制备方法，其特征在于，采用透析膜进行透析，所述透析膜的规格为1000da。

技术总结
本发明公开了一种双通道荧光探针Blood-CDs及其制备方法和应用，该双通道荧光探针Blood-CDs由鸡血和二水合柠檬酸三钠的混合物经水热法制得，该双通道荧光探针Blood-CDs在水介质中对Fe


技术研发人员：鲍光明 范青 袁厚群 王小莺 邓科 李思涵 刘思依 蔡欣如 夏义凡 李伟
受保护的技术使用者：江西农业大学
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/8