張語(yǔ)嫣,李永生
(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,四川 成都 610065)
碳量子點(diǎn)具有獨(dú)特的物理及化學(xué)性質(zhì),與半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比,碳量子點(diǎn)具有低毒性、環(huán)境友好、生物相容性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)廣泛用于生物成像[1-2]、傳感[3-4]、藥物傳遞[5-6]和光催化[7-8]等領(lǐng)域。由于碳量子點(diǎn)對(duì)金屬離子的超高選擇性,越來(lái)越多的碳量子點(diǎn)用于金屬檢測(cè)[9-10]。但目前利用的碳量子點(diǎn)熒光探針技術(shù)大多使用液態(tài)碳量子點(diǎn),使用過(guò)后難以回收,不能重復(fù)使用。本研究通過(guò)靜電結(jié)合,將碳量子點(diǎn)固定在毛細(xì)管內(nèi)表面,制備了一種熒光生物傳感器,對(duì)Fe3+有特定響應(yīng)。
pH標(biāo)準(zhǔn)物、聚丙烯酸、乙醇、聚乙烯亞胺(PEI)、氫氧化鈉、無(wú)水檸檬酸、乙二胺均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為超純水(電導(dǎo)率0.1 μS/cm)。
RF-5301PC熒光光度儀;玻璃毛細(xì)管(45 mm×0.90 mm);毛細(xì)管精密定位座(13 mm×13 mm×43 mm),自制;艾柯KL-UP-IV-10型超純水器;AUW型電子天平;傲藝紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。
1.2.1 25 g/L CA/EDA-CQDs儲(chǔ)備液 稱取1.5 g CA/EDA-CQDs,用超純水溶解,100 mL容量瓶定容,置于4 ℃冰箱中保存。
1.2.2 6 g/L PAA儲(chǔ)備液 稱取0.6 g PAA,用超純水溶解,100 mL容量瓶定容。置于4 ℃冰箱中保存。
1.2.3 10 g/L PEI儲(chǔ)備液 稱取1.0 g PEI,用超純水溶解,100 mL容量瓶定容。置于4 ℃冰箱中保存。
10 mL 1 mol/L檸檬酸溶液中加入2 mL乙二胺,待溶液混合均勻后,置于微波爐中,中高火加熱5 min,可觀察到溶液顏色逐漸變黃,最終得到的褐色產(chǎn)物即為CA/EDA-CQDs。于60 ℃ 烘干24 h。
用濃硫酸、NH3/H2O2對(duì)玻璃表面進(jìn)行預(yù)處理,使玻璃表面帶有負(fù)電荷,從而將碳點(diǎn)固定在玻璃表面[12]。其制備過(guò)程見(jiàn)圖1。
1.4.1 玻璃毛細(xì)管的預(yù)處理 將玻璃毛細(xì)管放入煮沸的1.0 mol/L NaOH溶液中1 h,使其內(nèi)表面修飾上硅羥基。取出毛細(xì)管,用水、無(wú)水乙醇清洗數(shù)次,于50 ℃下烘干。
1.4.2 PEI陽(yáng)離子層修飾 將毛細(xì)管浸入10 g/L PEI溶液,室溫下反應(yīng)5 min。取出毛細(xì)管用超純水清洗2次,清除未結(jié)合的PEI分子。
1.4.3 PAA陰離子層修飾 將毛細(xì)管浸入6 g/L PAA溶液,室溫下反應(yīng)5 min。取出毛細(xì)管,用超純水清洗2次,清除未結(jié)合的PAA分子。
1.4.4 CA/EDA-CQDs固定化 將毛細(xì)管浸入 15 g/L CA/EDA-CQDs溶液,室溫下反應(yīng)5 min。取出毛細(xì)管,用超純水清洗2次,清除未結(jié)合的CA/EDA-CQDs。
1.4.5 多層CA/EDA-CQDs固定化 依次循環(huán)上述1.4.3、1.4.4節(jié)步驟,按制備PAA/CA/EDA-CQDs復(fù)合薄膜層數(shù)確定步驟循環(huán)次數(shù)。
圖1 CA/EDA-CQDs熒光傳感器制備流程圖Fig.1 Flowchart of CA/EDA-CQDs fluorescence sensor preparation
圖2為CA/EDA-CQDs紫外-可見(jiàn)吸收光譜及熒光光譜表征。
圖2 CA/EDA-CQDs光譜圖Fig.2 The spectrogram of CA/EDA-CQDs
CA/EDA-CQDs溶液濃度對(duì)CA/EDA-CQDs固定化影響見(jiàn)圖3。
由圖3可知,隨著CA/EDA-CQDs溶液濃度增加,傳感器平臺(tái)熒光強(qiáng)度隨之增加。為了節(jié)省試劑,同時(shí)獲得較好的熒光強(qiáng)度,選定CA/EDA-CQDs溶液濃度為15 g/L。
圖3 CA/EDA-CQDs濃度對(duì)固定化影響Fig.3 Effect of concentration of CA/EDA-CQDson immobilization
CA/EDA-CQDs溶液酸度對(duì)CA/EDA-CQDs固定化影響見(jiàn)圖4。
圖4 CA/EDA-CQDs pH對(duì)固定化影響Fig.4 Effect of CA/EDA-CQDs pHon immobilization
由圖4可知,固定化CA/EDA-CQDs毛細(xì)管的熒光強(qiáng)度隨著CA/EDA-CQDs溶液pH的增加而增加,當(dāng)pH=3時(shí),達(dá)到最大值,隨后固定化CA/EDA-CQDs毛細(xì)管的熒光強(qiáng)度隨著CA/EDA-CQDs溶液pH的增加而減小。這是由于CA/EDA-CQDs+與H+與PAA的 —COO-基團(tuán)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合。
PAA作為平臺(tái)的聚強(qiáng)陰離子電解質(zhì)層,對(duì)CA/EDA-CQDs固定化存在影響,PAA濃度對(duì)CA/EDA-CQDs固定化影響見(jiàn)圖5。
圖5 PAA濃度對(duì)固定化影響Fig.5 Effect of PAA concentration on immobilization
由圖5可知,PAA濃度為6 g/L時(shí),CA/EDA-CQDs在毛細(xì)管內(nèi)壁固定的效果最好。聚電解質(zhì)發(fā)生電離時(shí),聚電解質(zhì)鏈上帶有同種電荷,發(fā)生靜電排斥,分子鏈?zhǔn)嬲归_來(lái)。溶液濃度<1%,隨著濃度的降低,平衡向電離方向移動(dòng)。當(dāng)濃度適當(dāng)降低時(shí),有利于PAA的電離,利于CA/EDA-CQDs與PAA分子間的靜電結(jié)合。
PAA溶液酸度對(duì)PAA的電離有影響,從而影響到PAA與CA/EDA-CQDs之間的靜電結(jié)合。PAA溶液酸度對(duì)固定化影響進(jìn)行考察,結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 PAA的pH對(duì)固定化影響Fig.6 Effect of PAA pH on immobilization
由圖6可知,PAA溶液pH為3時(shí),CA/EDA-CQDs在毛細(xì)管內(nèi)壁固定的效果最好。當(dāng)溶液的酸度過(guò)高時(shí),溶液中存在大量H+,對(duì)PAA長(zhǎng)鏈上的 —COOH的電離有抑制作用,不利于PAA與CA/EDA-CQDs的靜電結(jié)合;溶液的酸度降低時(shí),溶液中存在的OH-增多,抑制了固定在毛細(xì)管內(nèi)壁的CA/EDA-CQDs的質(zhì)子化,仍然不利于PAA與CA/EDA-CQDs的靜電結(jié)合。故當(dāng)pH為3時(shí),對(duì)PAA的電離與CA/EDA-CQDs的質(zhì)子化沒(méi)有較大影響。
將制備的傳感器內(nèi)吸入超純水,測(cè)定此時(shí)傳感器熒光強(qiáng)度為F1,吹出超純水,再吸入不同的金屬離子溶液(1 mg/L),在傳感器內(nèi)停留10 min,反應(yīng)結(jié)束后,吹出管內(nèi)溶液,重新吸入超純水,測(cè)定此時(shí)傳感器熒光強(qiáng)度(F2),金屬離子對(duì)傳感器熒光猝滅值ΔF=F1-F2,結(jié)果見(jiàn)圖7。
圖7 傳感器對(duì)金屬離子選擇性Fig.7 Sensor selectivity for metal ions
由圖7可知,該傳感器對(duì)Fe3+有高選擇性。
基于靜電結(jié)合法制備了CA/EDA-CQDs的熒光傳感器。在CA/EDA-CQDs溶液濃度為15 g/L,pH為3,PAA溶液濃度為6 g/L,pH為3時(shí)制備的傳感器熒光強(qiáng)度最高。將傳感器內(nèi)吸入不同的金屬離子,發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)Fe3+的響應(yīng)最強(qiáng),說(shuō)明該傳感器對(duì)Fe3+有特定響應(yīng),可用來(lái)檢測(cè)生物樣品中Fe3+含量。