荧光传感器及其制备和应用的制作方法

本发明属于生物传感器技术领域，具体涉及一种荧光传感器及其制备和应用。

背景技术

镁离子是人体细胞内的主要阳离子，浓集于线粒体中，在细胞外液仅次于钠和钙，居第三位，是体内多种细胞基本生化反应的必需物质。镁离子影响细胞的多种生物功能：影响钾离子和钙离子的转运，调控信号的传递，参与能量代谢、蛋白质和核酸的合成；可以通过络合负电荷基团，尤其核苷酸中的磷酸基团来发挥维持物质的结构和功能；催化酶的激活和抑制及对细胞周期、细胞增殖及细胞分化的调控；镁还参与维持基因组的稳定性，并且还与机体氧化应激和肿瘤发生有关。镁缺乏可致血清钙下降，神经肌肉兴奋性亢进，对血管功能可能有潜在的影响。过量镁摄入，则会引起嗜睡、肌麻痹、低血钙、胃肠道反应，以及可干扰血小板粘附和凝血酶原生成时间等。因此，对水溶液和血液及其他生物样品中的镁离子的检测具有十分重要的意义。

石墨烯是近年来备受关注的一种新型荧光猝灭材料，可以通过强烈的π-π堆积作用吸附具有大共轭体系的荧光分子。当荧光分子靠近石墨烯表面时会发生荧光共振能量转移，产生荧光猝灭现象；当荧光分子远离石墨烯表面时荧光恢复。该大类荧光材料已被报道，例如：采用石墨烯-杯芳烃-荧光分子复合物检测扁桃酸等。但是目前该类荧光材料存在专属性不强的缺陷、灵敏度不高。

因此，亟待提供一种专属性强、灵敏度高的荧光传感器。

技术实现要素：

基于此，本发明的主要目的是提供一种荧光传感器，该荧光传感器能够用于镁离子检测，并且用于镁离子检测时具有专属性、灵敏度高的优势。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种荧光传感器，所述的荧光传感器为还原氧化石墨烯-冠醚-荧光分子复合物，所述的荧光传感器为还原氧化石墨烯-冠醚-荧光分子复合物，所述的冠醚通过氢键修饰在所述的还原氧化石墨烯的表面，所述的荧光分子包合在所述的冠醚内。

本发明的荧光传感器为还原氧化石墨烯-冠醚-荧光分子复合物，冠醚为多个氧亚甲基结构单元的大环多醚，冠醚通过氢键修饰在还原氧化石墨烯的表面，荧光分子包合在所述的冠醚内。该荧光传感器，荧光分子通过疏水作用包合在冠醚内，与还原氧化石墨烯发生荧光共振能量转移，产生荧光猝灭。当加入镁离子后，冠醚中的荧光分子被置换出来，荧光恢复，达到对镁离子的检测的目的。

在其中一些实施例中，所述的冠醚如下式(ⅰ)所示：

该结构的冠醚中的氧，能够与还原氧化石墨烯形成氢键，使冠醚固定在氧化还原石墨烯的表面，在还原氧化石墨烯的表面形成若干冠醚空腔，用来包合荧光分子。

在其中一些实施例中，所述的荧光分子具有如下式(ⅱ)所示的化学结构：

其中，r选自-h、-ch3、-ch2ch3或

-(ch2)3ch3。

在其中一些实施例中，所述的荧光分子为罗丹明b、罗丹明6g或罗丹明123。

在其中一些实施例中，所述的荧光分子为罗丹明6g(r6g)。

该罗丹明类化合物因其分子大小与冠醚的空腔相匹配，可被冠醚包合，同时因其与冠醚的结合力较弱，容易被镁离子置换出来，实现荧光恢复。

本发明的目的还在于提供一种上述的荧光传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备氧化石墨烯水分散溶液，加入冠醚、氨水和肼，搅拌，反应，透析，得到还原氧化石墨烯-冠醚复合物的溶液；

(2)向所述还原氧化石墨烯-冠醚复合物的溶液中加入荧光分子，进行包合反应，即得。

本发明的制备方法，冠醚可通过氢键与还原氧化石墨烯连接，通过加入氨水和肼，能够还原氧化石墨烯上多余的活性基团，从而得到稳定的还原氧化石墨烯-冠醚复合物；然后加入荧光分子，其通过疏水相互作用包合在冠醚的空腔内，从而形成还原氧化石墨烯-冠醚-荧光分子复合物。

在其中一些实施例中，步骤(1)中，所述的氧化石墨烯水分散溶液的浓度为0.8～1.2mg/ml，每100ml所述氧化石墨烯水分散溶液加入18～22ml的冠醚、3ml质量浓度为25～28％的氨水、180～200μl质量浓度为75～85％的水合肼。

在其中一些实施例中，步骤(2)中，所述包合反应中，荧光分子的初始反应浓度为0.2～2.5μmol/l。

在其中一些实施例中，步骤(2)中，所述包合反应中，还原氧化石墨烯-冠醚复合物的初始反应浓度为0.003～0.006mg/ml。

本发明的制备方法，通过对步骤(1)和(2)反应原料及浓度的调控，能够促使制备的荧光传感器在使用时具备很好的荧光恢复率。

本发明的再一目的还在于提供一种上述的荧光传感器在检测镁离子中的应用。

在其中一些实施例中，所述的镁离子包括氯化镁溶液中的镁离子、醋酸镁溶液中的镁离子、硝酸镁溶液中的镁离子。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

本发明提供的荧光传感器，是一种还原氧化石墨烯-冠醚-荧光分子复合物，特别是一种由合适种类的冠醚搭配合适种类的荧光分子构建而成的复合物。该复合物中：荧光分子与还原氧化石墨烯发生荧光共振能量转移，产生荧光猝灭，将其用于镁离子检测时，冠醚中包合的荧光分子很容易被置换出来，荧光恢复，从而达到对镁离子的检测的目的；关键是，复合物中的冠醚的空腔与其包合的荧光分子大小或后期要进入空腔的镁离子大小处于非常匹配的状态，冠醚与荧光分子的结合力大小适中，当用于镁离子检测时，能够非常快、非常容易、非常准确的将荧光分子置换出来，具有非常好的专属性和灵敏度。

附图说明

图1为实施例2以醋酸镁溶液为分析物，在所述荧光传感器体系中，r6g不同浓度时的荧光恢复率(i-i0)/i0曲线图；

图2为实施例2不同浓度的醋酸镁荧光恢复率标准曲线图；

图3为实施例3不同浓度的氯化镁荧光恢复率标准曲线图；

图4为实施例2和实施例3醋酸镁荧光恢复率、氯化镁荧光恢复率图；

图5为对比例1的荧光恢复率图；

图6为对比例2的荧光恢复率图；

图7为实施例1、对比例1和对比例2的专属性测试结果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例提供一种荧光传感器及其制备方法。制备方法包括如下步骤：

(1)采用hummer法制备氧化石墨烯，取氧化石墨烯粉末加入去离子水中，浓度为1mg/ml，超声分散3小时，得到均匀的氧化石墨烯水分散体系；

(2)取100ml氧化石墨烯水分散体系，加入20ml冠醚、3ml氨水以及200μl80％(质量分数)的水合肼，搅拌10分钟后于60℃下放置3.5小时；反应结束后透析，得到还原氧化石墨烯-冠醚复合物的溶液；

(3)将制得的还原氧化石墨烯-冠醚复合物的溶液中加入终浓度为1.5μmol/l的罗丹明6g，室温避光放置1小时以进行包合反应，制得所述的还原氧化石墨烯-冠醚-荧光分子复合物的溶液。

本实施例制备的荧光传感器为还原氧化石墨烯-冠醚-荧光分子复合物中，还原氧化石墨烯与冠醚通过非共价氢键连接，荧光分子包合在冠醚内。

实施例2

本实施例提供一种荧光检测器在镁离子(来源于醋酸镁)检测中的应用，包括：

(1)按照实施例1所述的制备方法，制备出浓度为0.3333mg/ml的还原氧化石墨烯-冠醚复合物溶液。

(2)a：取上述的还原氧化石墨烯-冠醚复合物溶液，分别加入罗丹明6g溶液，其中，调整还原氧化石墨烯-冠醚复合物终浓度均为0.005mg/ml，罗丹明6g终浓度分别为0.25μmol/l、0.5μmol/l、0.75μmol/l、1.0μmol/l、1.25μmol/l、1.5μmol/l、1.75μmol/l、2.0μmol/l、2.25μmol/l、2.5μmol/l，分别室温避光放置1小时以进行包合反应，得到10份浓度不同的还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物的溶液。

分别将上述10份还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物的溶液置于荧光分光光度计中，在激发波长480nm、检测波长551nm下，测定其荧光强度，记为i0；然后加入浓度为2.0μmol/l的镁离子，再次测定其荧光强度，记为i，并分别计算其荧光恢复率(i-i0)/i0，测定结果如下图1所示。

由图1的结果可见，罗丹明6g终浓度为1.5μmol/l的还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液，其荧光恢复率(i-i0)/i0最高，对镁离子的检测的效果最好。

(2)b：取上述的还原氧化石墨烯-冠醚复合物溶液，分别加入一定量罗丹明6g溶液，调整还原氧化石墨烯-冠醚复合物终浓度为0.005mg/ml，罗丹明6g终浓度为1.5μmol/l，室温避光放置1小时以进行包合反应，得到还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液。在激发波长480nm、检测波长551nm下，测定其荧光强度，记为i0。将该还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液等分为10份，分别加入不同浓度的醋酸镁溶液，使其终浓度分别为0.2μmol/l、0.3μmol/l、0.4μmol/l、0.5μmol/l、0.6μmol/l、0.7μmol/l、0.8μmol/l、0.9μmol/l、1.0μmol/l、1.25μmol/l，分别测定其荧光强度，记为i并分别以醋酸镁的浓度为横坐标、以(i-i0)/i0值为纵坐标，制作标准曲线，如图2、图4所示。

(3)取待测定的醋酸镁样品，加入上述还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液中，在激发波长480nm、检测波长551nm下，测定其荧光强度，记为ix，计算(ix-i0)/i0将所得数据代入图2所示的标准曲线，根据其与标准曲线的吻合程度，即可判断镁离子的浓度。

实施例3

本实施例提供一种荧光检测器在镁离子(来源于氯化镁)检测中的应用，包括：

(1)按照实施例一所述的制备方法，制备出0.3333mg/ml的还原氧化石墨烯-冠醚复合物溶液。

(2)取上述的还原氧化石墨烯-冠醚复合物溶液，分别加入一定量罗丹明6g溶液，使还原氧化石墨烯-冠醚复合物终浓度为0.005mg/ml，罗丹明6g终浓度为1.5μmol/l，室温避光放置1小时以进行包合反应，得到还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液。在激发波长480nm、检测波长551nm下，测定其荧光强度，记为i0。将该还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液等分为10份，分别加入不同浓度的氯化镁溶液，使其终浓度分别为0.2μmol/l、0.3μmol/l、0.4μmol/l、0.5μmol/l、0.6μmol/l、0.7μmol/l、0.8μmol/l、0.9μmol/l、1.0μmol/l、1.25μmol/l，分别测定其荧光强度，记为i并分别以氯化镁的浓度为横坐标、以(i-i0)/i0值为纵坐标，制作标准曲线，如图3、图4所示。

(3)取待测定的氯化镁样品，加入上述还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液中，在激发波长480nm、检测波长551nm下，测定其荧光强度，记为ix，计算(ix-i0)/i0将所得数据代入图3所示的标准曲线，根据其与标准曲线的吻合程度，即可判断镁离子的浓度。

对比例1

本例是实施例1的对比例，相对于实施例1的差别主要为用杯[4]芳烃代替式(ⅰ)所示的冠醚用来包合罗丹明6g，从而构建用于镁离子检测的复合物。

结果见图5，还原氧化石墨烯-杯[4]芳烃和还原氧化石墨烯-冠醚复合物加入罗丹明6g后荧光均会降低，但加入镁离子后，仅还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g溶液荧光恢复，还原氧化石墨烯-杯[4]芳烃-罗丹明6g荧光基本不变化。

对比例2

本例是实施例1的对比例，相对于实施例1的差别主要为用荧光黄代替罗丹明6g构建复合物，从而构建用于镁离子检测的复合物。

结果见图6，还原氧化石墨烯-冠醚-荧光黄溶液加入镁离子后，荧光基本无变化。

专属性测试

分别取实施例1、对比例1、对比例2所得的复合物，对其专属性进行测试，测试步骤如下：

按照实施例1所述的制备方法，制备出0.3333mg/ml的还原氧化石墨烯-冠醚复合物溶液。

取上述的还原氧化石墨烯-冠醚复合物溶液，分别加入一定量罗丹明6g溶液，使还原氧化石墨烯-冠醚复合物终浓度为0.005mg/ml，罗丹明6g终浓度为1.5μmol/l，室温避光放置1小时以进行反应，得到还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液。在激发波长480nm、检测波长551nm下，测定其荧光强度，记为i0。将该还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物溶液等分为9份，分别加入氯化镁、氯化铜、氯化钾、氯化钠、氯化汞、氯化锌、氯化亚铁、氯化铁和硝酸铅，使得镁离子浓度为1.25μmol/l，而其它离子的浓度为12.5μmol/l，分别测定其荧光强度，记为i，计算(i-i0)/i0值，以(i-i0)/i0值为纵坐标，横坐标为金属离子制作柱状图，如图7所示。可以看出在其它金属离子浓度为镁离子浓度10倍的情况下，荧光恢复率远小于镁离子，表明本荧光传感器对镁离子检测具有较高的专属性。

结果表明，采用实施例1制备的还原氧化石墨烯-冠醚-罗丹明6g复合物对镁离子进行检测时：具有非常强的镁离子检测专属性，不受其他类似离子(k⁺、na⁺等)的干扰。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。