一种用于可视化检测铜离子的荧光宽色度试纸及其制备方法和应用

摘要

一种用于可视化检测铜离子的荧光宽色度试纸及其制备方法和应用，以三色比率荧光探针作为墨水，通过喷墨式打印机以滤纸作为固相载体，均匀打印，得到可视化检测铜离子的试纸；所述的三色比率荧光探针为蓝色碳点，绿色量子点及红色量子点，所述量子点均是3‑巯基丙酸修饰的。本发明首次利用双猝灭的原理，构建三色比率荧光试纸并用于可视化的检测铜离子，制备的检测试纸拥有比现有的双比率荧光探针试纸变色范围宽的优点，实现了随着检测物加入，试纸颜色从浅绯色到浅肉色到深橙色到草绿色到深橄榄绿色到板岩蓝色到宝蓝色到晴蓝色(图4)，能够通过肉眼很明显地识别出来。

说明书

技术领域

本发明属于铜离子检测技术领域，具体涉及一种用于可视化检测铜离子的荧光宽色度试纸及其制备方法和应用。

背景技术

铜是人体健康的重要元素，酶利用这种金属的氧化还原活性来完成能量生成、神经递质和色素合成和表观遗传修饰的功能。一方面，铜的缺乏会导致许多疾病，如贫血，全血细胞减少和骨髓异常。另一方面，铜代谢异常也与许多疾病，包括癌症，神经退行性阿尔茨海默病，帕金森和亨廷顿氏病，遗传性疾病如卷发综合症和威尔逊氏病。作为一个典型的铜介导的疾病，威尔逊氏病是一种组织中铜蓄积的常染色体隐性遗传疾病。患威尔逊氏病的病人通常表现为高尿铜含量(>100μg/24小时，与正常人相比)。正常人24小时的尿铜含量参考值不同实验室之间报道有所不同，大多数以40μg/24小时(0.6μmol/24小时)作为正常值的上限。因此可以通过检测尿铜来作为一个临床诊断指标。

传统的检测铜离子的方法包括电感耦合等离子体质谱法，原子吸收光谱法，原子发射光谱法和质谱法。但是传统的实验室大型仪器存在价格昂贵、体积巨大笨重、检测前需要复杂的样品前处理以及须由受过专门培训的专业人员来操作等缺点，另外再加上样品须脱离检测现场送往分析实验室，而不能做到实时现场检测。因此，寻找一种简单快速、成本低廉并便于随身携带的现场检测的方法，是分析工作者面临的一个重大的挑战。

近些年来，由于半导体量子点和碳点相比于传统的有机染料具有明显的优势，因此成为用于化学/生物传感领域颇具潜力的光标签。量子点的优点吸引着广大科研学者的关注，如光学性能好，光化学稳定性好，荧光寿命长，水溶性好等。除此之外，荧光传感器具有的另外一个无可比拟的优势，那就是仅需要一台便携式的紫外灯就可以实现用肉眼直接观察的分析物的可视化检测。基于经典pH试纸的广泛应用，荧光检测试纸常常将荧光探针分子通过组装或者打印的方式固定到衬底上，通过这种方法制备的检测试纸具有低成本，便于操作，易携带等优势。

然而，这种类似于pH试纸一样的荧光检测试纸仍然存在一个艰巨的难题。目前，荧光试纸的建立较多的是利用单一颜色的荧光探针来实现的，但是单一颜色的荧光探针仅仅能够通过荧光打开或者猝灭产生的荧光强弱的变化来对分析物进行检测，这种方法极大地限制了试纸的定量化能力。后来，人们发展了双发射比率探针，用颜色变化代替单颜色的强弱来实现对目标物更准确的可视化检测。遗憾的是，双发射比率探针仍然不够成功，因为当两种不同颜色的荧光探针相混合时，得到比率探针的颜色必然是两者的中间复合颜色，从而压缩了颜色变化的范围。所以当把荧光探针用于试纸上时，荧光试纸实际上仅仅展现两部分的颜色变化，而这颜色变化并不明显。总体而言，目前已有的荧光试纸普遍存在针对目标物剂量色度变化不太敏感、光谱演变范围窄、无法对目标物进行可视化定量检测等问题，能够对目标物进行可视化定量检测的荧光试纸还较为罕见。

发明内容

解决的技术问题：本发明旨在提供一种三色比率荧光试纸以及可视化检测铜离子的方法，本方法具有选择性高、灵敏度高、可定量检测、检测结果直观并且颜色变化明显的特点。

技术方案：一种用于可视化检测铜离子的荧光宽色度试纸的制备方法，步骤为以三色比率荧光探针作为墨水，通过喷墨式打印机以滤纸作为固相载体，均匀打印，得到可视化检测铜离子的试纸；所述的三色比率荧光探针为蓝色碳点，绿色量子点及红色量子点，所述量子点均是3-巯基丙酸修饰的。

上述三色比率荧光探针的制备包括如下步骤：(1)碲化镉量子点的制备：按比例，将0.2284g氯化镉(CdCl₂·2.5H₂O)加入到100mL除氧的超纯水中，随后加入0.21mL>2Te全部通入上述混合溶液中，室温下搅拌20分钟，混合溶液的颜色由无色变为橙黄色，在100℃条件下继续加热回流50分钟，得到巯基丙酸修饰的绿色量子点；或加热回流24-48小时，得到红色量子点；(2)蓝色碳点的制备：按比例，将1-2g柠檬酸和100-500μL乙二胺溶于20mL超纯水中，随后转移至30mL聚四氟乙烯反应釜中，200℃下反应4-8小时，将得到的碳点用截留分子量为500的透析袋透析24-48小时，备用；(3)三色比率荧光探针的制备：按比例，将90μL绿色量子点溶液，40μL红色量子点溶液和30μL蓝色碳点溶液加入到烧杯中，再加入pH＝7.4>

优选的，上述蓝色碳点溶液，绿色量子点溶液，红色量子点溶液的体积比为3:9:4。

优选的，步骤(1)中所得量子点原液在15W的紫外灯下照射1小时以提高量子产率。

优选的，步骤(1)中所得量子点用丙酮洗涤三次，再将沉淀分散于超纯水中，备用。

上述试纸的制备包括如下步骤：将购买回来的商业用打印机墨盒用去离子水洗净，烘干，得空白墨盒，将三色比率探针用注射器注入到空白墨盒中，在普通的滤纸上打印一个7×3cm²的矩形图案，重复打印约30次，自然放置5分钟，将矩形图案剪裁成3×1cm²的条状的检测试纸。

优选的，上述荧光探针层的厚度为0.05-0.1μm。

上述制备方法制得的可视化检测铜离子的荧光宽色度试纸。

上述可视化检测铜离子的荧光宽色度试纸，三色比率荧光探针在单一波长光源激发下能够分别发射蓝色，绿色及红色的荧光；其中单一波长光源激发的波长为360nm；蓝色荧光发射波长为440nm；绿色荧光发射波长为510nm；红色荧光发射波长为600nm。

上述荧光宽色度试纸在可视检测铜离子中的应用。

本发明的技术方案包括制备方法简而言之就是将蓝色碳点，绿色量子点以及红色量子点混合得到一种荧光探针，并将其打印于试纸上。通过双猝灭的方法证实了它原位可视化检测铜离子的有效性。蓝色碳点对铜离子是荧光稳定的，然而绿色量子点和红色量子点的荧光能快速地被铜离子猝灭。相比于传统的可视化试纸，当铜离子浓度相对较低时，基于三色探针制备得到的检测试纸具有高度肉眼分辨率的特征。该类荧光试纸能够可视化检测水样以及尿样中的铜离子含量。

有益效果：本发明首次利用双猝灭的原理，构建三色比率荧光试纸并用于可视化的检测铜离子。本发明制备的检测试纸拥有比现有的双比率荧光探针试纸变色范围宽的优点，实现了随着检测物加入，试纸颜色从浅绯色到浅肉色到深橙色到草绿色到深橄榄绿色到板岩蓝色到宝蓝色到晴蓝色(图4)，能够通过肉眼很明显地识别出来。本发明使得试纸检测技术应用范围得到拓宽，为临床诊断铜离子缺乏或者铜离子代谢紊乱疾病提供诊断指标。本发明制备方法简单，原材料简单易得，不需要专门的技术人员，在一定程度上可以避免使用大型仪器，仅需一个手持式紫外灯就可进行可视化检测，操作简单，快速方便，灵敏度高，效果显著。本方法能有效避免样品中其他杂质的干扰，选择性好。制备的试纸能够现场实时在线可视化检测铜离子。

附图说明

图1是蓝色碳点(a)、绿色量子点(b)、红色量子点(c)、量子点/碳点混合体系(d)的荧光光谱图。

图2是不同浓度铜离子对量子点/碳点混合体系荧光图谱及颜色变化图。随着铜离子浓度的增加(从左到右依次为0,3,6,10,20,40,60,80,110,140,180,230,280,330,430nM)溶液颜色逐渐变化。

图3是检测试纸对其他多种离子的选择性。

图4为试纸检测水溶液中铜离子可视化照片，第一行为紫外灯下试纸颜色变化，第二行为日光下试纸颜色变化。铜离子浓度从左到右依次为0,6,20,60,110,180,280,430nM。

图5为试纸检测尿液中铜离子可视化照片，第一行为日光下试纸的颜色变化，第二行为紫外灯下试纸颜色变化。铜离子浓度从左到右依次为58.7,26.3,178nM。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

1.量子点的制备

将0.2284g氯化镉(CdCl₂·2.5H₂O)加入到100mL除氧的超纯水中，随后加入0.21mL3-巯基丙酸(MPA)，再用1M氢氧化钠溶液将其pH值调至10，得到混合溶液；取0.0319g碲粉和0.05g硼氢化钠加入2mL超纯水，在氮气保护下，冰浴8小时，反应生成碲氢化钠；将10mL0.5M硫酸溶液注入到生成的碲氢化钠溶液中，通过氮气的流动将生成的H₂Te全部通入上述所述混合溶液中，室温下搅拌20分钟，混合溶液的颜色由无色变为橙黄色，在100℃条件下继续加热回流50分钟，得到巯基丙酸修饰的绿色的碲化镉量子点，若要得到红色量子点，则需加热回流24-48小时，所得量子点原液在15W的紫外灯下照射1小时，然后用丙酮洗涤三次，再将沉淀分散于超纯水中，备用。

2.碳点的制备

将1-2g柠檬酸和100-500μL乙二胺溶于20mL超纯水中，随后转移至30mL聚四氟乙烯反应釜中，200℃下反应4-8小时，将得到的碳点用截留分子量为500的透析袋透析24-48小时，备用。

3.三色比率荧光探针的制备

将90μL绿色量子点，40μL红色量子点和30μL蓝色碳点加入到烧杯中，再加入20mL10mM N-2-羟乙基哌嗪-N’-2乙磺酸缓冲溶液(pH＝7.4)，混合均匀，即得到三色比率荧光探针溶液。荧光光谱见图1。

4.三色比率荧光探针混合体系可视化检测铜离子

将待测的铜离子溶液加入到三色比率荧光探针混合体系中进行荧光可视化检测。随着铜离子的浓度逐渐加大，荧光颜色由浅绯色到浅肉色到深橙色到草绿色到深橄榄绿色到板岩蓝色到宝蓝色到晴蓝色。此时在紫外灯下，能够看到颜色的阶梯变化，实现可视化检测。可视化照片见图2。

实施例2

1.量子点的制备

本实施例中的量子点制备方法同实施例1。

2.碳点的制备

本实施例中的碳点制备方法同实施例1。

3.三色比率荧光探针的制备

本实施例中的三色比率荧光探针制备方法同实施例1。

4.分别配制0.3mM的铜离子和3mM其它离子标准储备溶液。

5.将步骤4中的不同离子标准储备溶液取一定体积加入到三色比率荧光探针的溶液中。

6.检测试纸对其他多种离子的选择性如图3所示。

实施例3

1.量子点的制备

本实施例中的量子点制备方法同实施例1。

2.碳点的制备

本实施例中的碳点制备方法同实施例1。

3.三色比率荧光探针的制备

本实施例中的三色比率荧光探针制备方法同实施例1。

4.检测试纸的制备

将购买回来的商业用打印机墨盒用去离子水洗净，烘干，得空白墨盒。三色比率探针用注射器注入到空白墨盒中，在普通的滤纸上打印一个7×3cm²的矩形图案，重复打印约30次，自然放置5分钟，将矩形图案剪裁成3×1cm²的条状，即可得到对目标物铜离子有响应的检测试纸，荧光探针层的厚度为0.05-0.1μm。

5.可视化检测水中铜离子

待试纸干燥后，将不同浓度的铜离子缓慢地滴加到制备的试纸上，在室温条件下干燥5分钟后，用360nm激发的紫外光照射并观察它的荧光颜色的变化。可视化图片见图4。

实施例4

1.量子点的制备

本实施例中的量子点制备方法同实施例1。

2.碳点的制备

本实施例中的碳点制备方法同实施例1。

3.三色比率荧光探针的制备

本实施例中的三色比率荧光探针制备方法同实施例1。

4.检测试纸的制备

将购买回来的商业用打印机墨盒用去离子水洗净，烘干，得空白墨盒。三色比率探针用注射器注入到空白墨盒中，在普通的滤纸上打印一个7×3cm²的矩形图案，重复打印约30次，自然放置5分钟，将矩形图案剪裁成3×1cm²的条状，即可得到对目标物铜离子有响应的检测试纸，荧光探针层的厚度为0.05-0.1μm。

5.可视化检测尿中铜离子

待试纸干燥后，将含不同浓度的加样后的铜离子尿样缓慢地滴加到制备的试纸上，在室温条件下干燥5分钟后，用360nm激发的紫外光照射并观察它的荧光颜色的变化。可视化图片见图5。