检测金属离子的荧光纳米探针及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及检测金属离子的荧光纳米探针及其制备方法与应用。所述检测金属离子的荧光纳米探针为掺杂染料的磁性纳米复合物，其包括具有介孔结构的磁性纳米复合物、装填于磁性纳米复合物的孔隙内的第I荧光染料(参比荧光染料)、包覆装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物表面的包封层、结合于包封层外表面的功能基团，以及通过功能基团偶联于包封层外表面的第II荧光染料(响应荧光染料)。所述磁性纳米复合物具有极大的比表面积，避免染料分子在掺杂过程中的聚集、较少自猝灭，提高染料的发光效率；修饰在包封层内部的染料不易泄漏，提高双发射探针的检测稳定性；纳米复合物表面易于功能化，适用于生物检测、标记和免疫检测等生物领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
检测金属离子的荧光纳米探针及其制备方法与应用
本专利技术属于荧光纳米材料
，涉及检测金属离子的荧光纳米探针及其制备方法与应用。
技术介绍
金属离子在生物及环境领域中发挥着重要作用，例如，铜离子作为人体必须的营养元素在细胞生物化学过程中起着关键的作用，人体内铜离子的量与神经退行性疾病密切相关；同时，过量的铜离子是环境中主要的污染性金属之一。又如，汞的跨大陆运输及随大气沉降的性质使得汞污染成为一个全球性问题。已知存在于水环境中的有机汞包括甲基、乙基和苯基汞。在这些化合物中，甲基汞含量最高，毒性最强并且易随食物链实现生物积累和放大。汞中毒引起的临床表现与进入体内汞的形态、进入途径、接触剂量、接触时间及人体特征密切相关，表现为急性毒性、慢性毒性和蓄积性毒性，靶向器官为消化系统和神经系统。甲基汞还可以通过胎盘屏障，使新生儿发生先天性疾病。如体内重金属铜过量，会干扰细胞稳态，导致严重的神经退行性疾病，如门克斯病，威尔逊病和阿尔茨海默病(Yang-RaeKim，KimHJ，KimJS，etal.Rhodamine-Based“Turn-On”FluorescentChemodosimeterforCu(II)onUltrathinPlatinumFilmsasMolecularSwitches[J].AdvancedMaterials，2010，20(23)：4428-4432.)。因而，发展灵敏度高，选择性好并且操作简便的重金属离子检测方法具有重要的意义。近年来，已经开发出大量荧光探针用于检测不同种类的金属离子，然而基于信号发射强度变化的探针可能受诸如仪器效率，环境条件和探针分子的浓度等因素的影响而可靠性较差(ZouC，FodaMF，TanX，etal.Carbon-dotandQuantum-dot-coatedDual-emissionCore-SatelliteSilicaNanoparticlesforRatiometricIntracellularCu2+Imaging[J].AnalyticalChemistry，2016：acs.analchem.6b01941.)。荧光染料发光纳米材料在各个领域尤其是生物领域的应用日益受到人们的关注，其主要作用为组织细胞或生物分子的标记物用于生物检测。与现有商业化的染料探针相比，荧光染料发光纳米材料具有无法比拟的优势，使其在生物检测中可以提高监测的灵敏度和实现监测的定量化。主要是因为将染料分子掺杂到纳米材料粒子中后，可与氧或水等猝灭剂隔离，从而提高这些发光分子的光化学稳定性和发光效率。另外，TiO2纳米材料由于具有良好的化学稳定性、胶体稳定性和生物相容性，被认为是保护有机发光分子的最理性基底之一。然而，上述单荧光染料发光纳米材料用作检测金属离子的探针监测过程较为复杂，且在灵敏度、选择性和稳定性方面也不甚理想(ZongCH，AiKL，ZhangG，etal.Dual-EmissionFluorescentSilicaNanoparticle-BasedProbeforUltrasensitiveDetectionofCu(2+)[J].ANALYTICALCHEMISTRY，2011，83(8)：3126-3132.)。因此，目前需要开发新型发射荧光纳米材料，将其作为检测重金属离子的探针，不仅具有高的灵敏度和选择性，并且使用方法简便，检测过程快速，同时操作成本低下。
技术实现思路
本专利技术的目标之一是提供一种检测金属离子的荧光纳米探针，该荧光纳米探针由一种新型双发射荧光纳米材料制成，该检测金属离子的探针，不仅具有高的灵敏度和选择性，并且使用方法简便，检测过程快速，同时操作成本低下。本专利技术的目标之二是提供一种上述探针的制备方法，该方法简便易行，易于控制，荧光染料在纳米材料掺杂均一。本专利技术的目标之三是提供上述探针在检测金属离子中的应用。为此，本专利技术第一方面提供了一种检测金属离子的荧光纳米探针，其为掺杂染料的磁性纳米复合物，所述掺杂染料的磁性纳米复合物包括具有介孔结构的磁性纳米复合物、装填于磁性纳米复合物的孔隙内的第I荧光染料、包覆装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物表面的包封层、结合于包封层外表面的功能基团，以及通过功能基团偶联于包封层外表面的第II荧光染料。本专利技术中，所述第I荧光染料为发射波长在500-530nm之间的荧光染料，优选地，所述第I荧光染料包括异硫氰酸荧光素、荧光素钠和钙黄绿素中的一种或几种。本专利技术中，II荧光染料为带有异硫氰根、磺酸根、亚磺酰胺基、醛基或羧基的染料或带有氨基、马来酰亚胺基团或重金属离子的染料，优选地，所述第II荧光染料为包括异硫氰酸罗丹明、1-酸酐萘和3-羧基-7-羟基-N-琥珀酸亚胺香豆素中的一种或几种。本专利技术中，所述包封层为二氧化硅。本专利技术中，所述功能基团包括氨基和/或巯基。本专利技术中，所述磁性纳米复合物包括海胆状TiO2磁性纳米复合物和/或纳米花状TiO2磁性纳米复合物。根据本专利技术的一些实施方式，所述海胆状TiO2磁性纳米复合物包括磁性纳米粒子核以及包覆于磁性纳米粒子核外的TiO2壳层，且磁性纳米粒子核与TiO2壳层形成空腔核壳结构，所述TiO2壳层内、外表面分别分布着尖部朝内和朝外的针状TiO2纳米纤维。在本专利技术的一些实施例中，在海胆状TiO2磁性纳米复合物中，所述TiO2壳层的厚度为10-200nm，优选为50-200nm。在本专利技术的一些实施例中，在海胆状TiO2磁性纳米复合物中，所述TiO2壳层形成的球体的直径为300-1000nm。在本专利技术的一些实施例中，在海胆状TiO2磁性纳米复合物中，所述针状TiO2纳米纤维的直径为1-50nm。在本专利技术的一些实施例中，在海胆状TiO2磁性纳米复合物中，所述针状TiO2纳米纤维的长度为50-300nm，优选为80-200nm。根据本专利技术的另一些实施方式，所述纳米花状TiO2磁性纳米复合物包括磁性纳米粒子核、包覆于磁性纳米粒子核外的TiO2层，并且所述TiO2层外表面为花瓣状片层结构或近花瓣状片层结构。在本专利技术的一些实施例中，所述TiO2层厚度为10-200nm，进一步优选为50-200nm。在本专利技术的一些实施例中，所述纳米花状TiO2磁性纳米复合物的直径为100-400nm；本专利技术中，所述磁性纳米粒子包括四氧化三铁纳米粒子、四氧化三钴纳米粒子和氧化镍纳米粒子中的一种或几种。本专利技术第二方面提供了一种如本专利技术第一方面所述的荧光纳米探针的制备方法，其包括：步骤L，将磁性纳米复合物、第I荧光染料和第IV有机溶剂混合形成磁性纳米复合物-第I荧光染料混合反应液，在搅拌条件下，避光反应，制得含有装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物的溶液；步骤M，在装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物的表面包覆包封层，并在包封层外表面连接功能基团，制成装填有第I荧光染料且包封层表面带有功能基团的磁性纳米复合物；步骤N，将装填有第I荧光染料且包封层表面带有功能基团的磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测金属离子的荧光纳米探针，其为掺杂染料的磁性纳米复合物，所述掺杂染料的磁性纳米复合物包括具有介孔结构的磁性纳米复合物、装填于磁性纳米复合物的孔隙内的第I荧光染料、包覆装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物表面的包封层、结合于包封层外表面的功能基团，以及通过功能基团偶联于包封层外表面的第II荧光染料。/n

【技术特征摘要】
1.一种检测金属离子的荧光纳米探针，其为掺杂染料的磁性纳米复合物，所述掺杂染料的磁性纳米复合物包括具有介孔结构的磁性纳米复合物、装填于磁性纳米复合物的孔隙内的第I荧光染料、包覆装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物表面的包封层、结合于包封层外表面的功能基团，以及通过功能基团偶联于包封层外表面的第II荧光染料。


2.根据权利要求1所述的荧光纳米探针，其特征在于，所述第I荧光染料为发射波长在500-530nm之间的荧光染料，优选地，所述第I荧光染料包括异硫氰酸荧光素、荧光素钠和钙黄绿素中的一种或几种；和/或，第II荧光染料为带有异硫氰根、磺酸根、亚磺酰胺基、醛基或羧基的染料或带有氨基、马来酰亚胺基团或重金属离子的染料，优选地，所述第II荧光染料为包括异硫氰酸罗丹明、1-酸酐萘和3-羧基-7-羟基-N-琥珀酸亚胺香豆素中的一种或几种。


3.根据权利要求1或2所述的荧光纳米探针，其特征在于，所述包封层为二氧化硅；和/或，所述功能基团包括氨基和/或巯基；和/或，所述磁性纳米复合物包括海胆状TiO2磁性纳米复合物和/或纳米花状TiO2磁性纳米复合物。


4.根据权利要求3所述的荧光纳米探针，其特征在于，
所述海胆状TiO2磁性纳米复合物包括磁性纳米粒子核以及包覆于磁性纳米粒子核外的TiO2壳层，且磁性纳米粒子核与TiO2壳层形成空腔核壳结构，所述TiO2壳层内、外表面分别分布着尖部朝内和朝外的针状TiO2纳米纤维；优选地，所述TiO2壳层的厚度为10-200nm，进一步优选为50-200nm；和/或，优选地，所述TiO2壳层形成的球体的直径为300-1000nm；和/或，优选地，所述针状TiO2纳米纤维的直径为1-50nm；和/或，优选地，所述针状TiO2纳米纤维的长度为50-300nm，进一步优选为80-200nm；
和/或，所述纳米花状TiO2磁性纳米复合物包括磁性纳米粒子核、包覆于磁性纳米粒子核外的TiO2层，并且所述TiO2层外表面为花瓣状片层结构或近花瓣状片层结构；优选地，所述TiO2层厚度为10-200nm，进一步优选为50-200nm；和/或，优选地，所述纳米花状TiO2磁性纳米复合物的直径为100-400nm；
更优选地，所述磁性纳米粒子包括四氧化三铁纳米粒子、四氧化三钴纳米粒子和氧化镍纳米粒子中的一种或几种。


5.根据权利要求1-4中任意一项所述的荧光纳米探针的制备方法，其包括：
步骤L，将磁性纳米复合物、第I荧光染料和第IV有机溶剂混合形成磁性纳米复合物-第I荧光染料混合反应液，搅拌，避光反应，制得含有装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物的溶液；
步骤M，在装填有第I荧光染料的磁性纳米复合物的表面包覆包封层，并在包封层外表面连接功能基团，制成装填有第I荧光染料且包封层表面带有功能基团的磁性纳米复合物；
步骤N，将装填有第I荧光染料且包封层表面带有功能基团的磁性纳米复合物、第II荧光染料和第IX有机溶剂混合，形成装填有第I荧光染料且包封层表面带有功能基团的磁性纳米复合物-第II荧光染料混合反应液，反应后，制得掺杂染料的磁性纳米复合物。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
在步骤L中，所述磁性纳米复合物与第I荧光染料的质量比为(1-10)∶1，优选为(3-10)∶1；和/或，在所述磁性纳米复合物-第I荧光染料混合反应液中，所述第I荧光染料的质量含量为0.02％-0.04％；优选地，所述第IV有机溶剂包括醇类、醚类、腈类和酮类中的一种或多种；
和/或，在步骤N中，装填有第I荧光染料且包封层表面带有功能基团的磁性纳米复合物与第II荧光染料的质量比为(1-10)∶1；和/或，在装填有第I荧光染料且包封层表面带有功...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏海佳，赵怡琳，王耀强，王子帅，靳宇，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11