一种比率荧光传感器以及可视化检测葡萄糖的方法
【专利摘要】本发明公开了一种比率荧光传感器以及可视化检测葡萄糖的方法，其中比率荧光传感器是以双发射比率荧光探针为墨水，通过喷墨式打印的方式在纸质介质上打印均匀分布的比率荧光探针所得到的。利用本发明比率荧光传感器可视化检测葡萄糖的方法，是向葡萄糖溶液中加入葡萄糖氧化酶，在37℃反应40分钟，并加入过量的二价铁溶液，然后将其滴到纸质传感器上，实现对葡萄糖的可视化检测。本发明利用能够被单一波长的光源激发光的碳点和量子点，设计开发出可视化检测葡萄糖的双发射荧光化学传感器，具有选择性高、灵敏度高、检测结果直观、可定量检测的特点。
【专利说明】
一种比率荧光传感器以及可视化检测葡萄糖的方法
一、技术领域
[0001]本发明涉及一种比率荧光传感器以及可视化检测葡萄糖的方法，是通过喷墨打印机制备的双发射荧光探针的可视化检测葡萄糖含量方法。
二、【背景技术】
[0002]葡萄糖的分析与检测对人体的健康及疾病的诊断治疗和控制有着重要意义。目前，葡萄糖的检测主要是通过电化学法和分光光度法来实现，然而这两种方法容易受到血液中蛋白等物质影响，以及需要复杂的前处理和大型科学仪器等，检测成本高，限制了血糖含量的实时现场检测和日常监控。近几年出现了采用比色法和纸质微流体检测葡萄糖的分析方法，然而这些方法都由于不明显的颜色变化而导致检测灵敏度不高，同时也难以实现葡萄糖的定量检测。
三、
【发明内容】
[0003]本发明旨在提供一种比率荧光传感器以及可视化检测葡萄糖的方法，本方法具有选择性高、灵敏度高、检测结果直观、可定量检测的特点。
[0004]本发明利用能够被单一波长的光源激发光的碳点和量子点，设计开发出一种可视化检测葡萄糖的双发射荧光化学传感器。
[0005]本发明比率荧光传感器，是以双发射比率荧光探针为墨水，通过喷墨式打印的方式在纸质介质上打印均匀分布的比率荧光探针所得到的。
[0006]所述双发射比率荧光探针是内部包埋量子点、表面氨基化修饰后共价偶联包覆蓝色碳点敏感层的超结构氧化娃纳米粒子。
[0007]所述纸质介质为滤纸或混合纤维素滤膜。
[0008]所述量子点为羧基功能化的CdTe，其制备方法包括如下步骤:
[0009]将0.2283g氯化镉(CdCl2.2.5出0)加入到10mL除氧的超纯水中，随后加入209yL巯基丙酸，再用IM NaOH调节pH至9，形成混合溶液；取0.0319g碲粉和0.05g硼氢化钠于2mL超纯水中，在氮气保护下冰浴反应Sh以上，生成碲氢化钠，将5mL 0.5i^^H2S04溶液注入到生成的碲氢化钠溶液中，然后将生成的出!^全部通入所述混合溶液中，搅拌20分钟后加热至回流，控制回流反应时间以得到巯基丙酸稳定的、荧光发射峰位在490?680nm的碲化镉量子点水溶液。将制得的碲化镉量子点水溶液在15W的紫外灯下照射以提高荧光量子产率，备用。
[0010]所述蓝色碳点为表面羧基功能化的碳点，其制备包括如下步骤:
[0011]将l-2g柠檬酸和100-500Λ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 °C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。
[0012]所述双发射比率荧光探针的制备包括如下步骤:
[0013]I)将20-50mL乙醇、10-30mL超纯水和2-10mL合成的量子点原液混合加入到单口烧瓶中，避光搅拌10-30分钟，再加入10-50yLy-巯丙基三甲氧基硅烷，室温下搅拌反应12-24小时，然后加入l_5mL正硅酸四乙酯和l-5mL氨水，接着反应12-48小时之后加入1-1OOyLγ-氨丙基三乙氧基硅烷，再反应12-48小时，经乙醇和水分别洗涤后得到包埋量子点的氧化娃纳米粒子；
[0014]氨水的质量浓度为28%。
[0015]所述量子点原液的浓度为10_30μΜ，量子点原液使用的溶剂为水。
[0016]2)将蓝色碳点溶液、缩合剂和超纯水避光混合均匀，加入5_20mg包埋量子点的氧化硅纳米粒子，室温下搅拌8-12小时，离心并分散于超纯水中，即得到双发射比率荧光探针溶液。
[0017]所述缩合剂为1-(3-二甲基氨丙基)-3_乙基碳二胺和N-羟基丁二酰亚胺，两者质量比1:1。
[0018]蓝色碳点溶液(0.05mg/mL)、缩合剂(2mg/mL)和超纯水的体积比为1:10:30。
[0019]本发明比率荧光传感器的制备包括如下步骤:
[0020]将浓度为2mg/mL的双发射比率荧光探针溶液注入洗净的喷墨式打印机的墨盒中，通过打印机在纸质介质上喷墨打印均匀分布的比率荧光探针，即得到用于可视化检测葡萄糖的比率荧光传感器。荧光探针层厚度为1-10微米。
[0021]利用本发明比率荧光传感器可视化检测葡萄糖的方法如下:
[0022]向葡萄糖溶液中加入葡萄糖氧化酶，在37°C反应40分钟，并加入过量的二价铁溶液，然后将其滴到纸质传感器上，实现对葡萄糖的可视化检测。
[0023]所述二价铁溶液优选为FeCl2溶液。
[0024]过量的二价铁溶液是指二价铁与葡萄糖的摩尔比多5:3;
[0025]葡萄糖氧化酶的添加量需要过量，所谓过量是指反应结束后反应液中葡萄糖氧化酶的浓度彡0.2mg/ mL。
[0026]本传感器的制备方法简而言之就是首先将绿色或红色量子点包埋于氧化硅纳米粒子中，氧化硅表面氨基化后，再共价偶联包覆蓝色碳点敏感层，得到一类双发射超结构氧化硅纳米粒子，最后加工成荧光化学传感器。该类传感器能够可视化检测血清中的葡萄糖含量。；
[0027]本发明的优势在于双发射比率荧光探针在介质上的打印面积在微米尺度上可控，分布均匀;通过调控打印的次数可实现打印的纳米粒子在纸质介质上的厚度可调；与其他的纳米自组装的方法相比，喷墨打印操作简单，快速，成本低廉;能产生宽范围的颜色变化，定量检测结果直观可见(不同浓度葡萄糖溶液得到的试纸检测颜色不同，根据得到的试纸颜色判断，可得到葡萄糖的浓度范围，见图3)。
[0028]本发明的技术方案包括制备发光稳定的包埋量子点的氧化硅纳米粒子、发光稳定的蓝色碳点、包埋量子点的氧化硅纳米粒子表面敏感层的构建和固定双发射超结构氧化硅纳米粒子的可视化传感器，所述的制备发光稳定的包埋量子点的氧化硅纳米粒子就是将量子点包埋于氧化硅纳米粒子中，在量子上形成透明钝化的氧化硅层。由于量子点被包埋于氧化硅中间，其荧光性质基本不受外来物质的干扰。然后在包埋量子点的氧化硅纳米粒子表面构建对三价铁敏感的碳点层，同时在葡萄糖溶液与葡萄糖氧化酶反应得到的反应液中加入过量二价铁溶液氧化得到三价铁，由于外层的碳点比较敏感而内部的量子点不受干扰，从而产生颜色的有序变化;所述的固定双发射超结构氧化硅纳米粒子的可视化传感器，就是将得到的双发射超结构氧化硅纳米粒子固定在滤纸或混合纤维素滤膜上，做成试纸，便于实时可视化检测葡萄糖。
[0029]本发明的优点和积极效果:
[0030]利用能够被单一波长激发的具有不同荧光颜色的碳点和量子点，设计具有宽范围颜色变化的双发射化学传感器。具体地说是发明了一类双发射荧光信号可视化检测血清中葡萄糖的传感器及其制备方法。制备的传感器可以设计成便于携带和操作的试纸，便于实时在线可视化检测葡萄糖。得到的试纸传感器被成功用于可视化检测血清中的葡萄糖，可以通过试纸颜色变化直观区分健康人群和糖尿病人群。氧化硅外层碳点荧光强度是内部量子点的5-10倍。激发波长在360nmo
[0031 ]本发明的纸质传感器与现有的葡萄糖检测技术相比，具有更直观明显的颜色变化，可用于低浓度葡萄糖的定量检测。
[0032]本发明使得纸质传感器技术应用范围得到拓宽，为高灵敏检测技术普遍用于生物样品的实时检测奠定了基础。
[0033]本发明纸质传感器制备方法简单，原材料简单易得，制备过程可通过电脑精确控制，重现性好，可控性好。
[0034]本发明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;本方法能够有效避免样品中其他杂质的干扰，所述葡萄糖氧化酶具有较强特异性，选择性好。
四、【附图说明】
[0035]图1为双发射超结构氧化硅纳米粒子形貌图。
[0036]图2为碳点(a)、包埋量子点的氧化硅纳米粒子(b)、双发射超结构氧化硅纳米粒子荧光图(C)。
[0037]图3为葡萄糖水溶液检测的可视化照片。
[0038]图4为试纸基检测水溶液中葡萄糖可视化照片。
[0039]图5为试纸基检测血清中葡萄糖可视化照片。其中a为空白对照的试纸颜色，b为健康人血清的试纸颜色，c为健康人血清中加样2mM葡萄糖的试纸颜色，d为健康人血清中加样4mM葡萄糖的试纸颜色，e为健康人血清中加样6mM葡萄糖的试纸颜色。所有样品检测前均稀释100倍。
五、【具体实施方式】
[0040]实施例1:
[0041]1、量子点的制备
[0042]将0.2283g氯化镉(CdCl2.2.5H20)加入至IjlOOmL除氧的超纯水中，随后加入209yL巯基丙酸，再用IM NaOH调节pH至9，形成混合溶液；取0.0319g碲粉和0.05g硼氢化钠于2mL超纯水中，在氮气保护下冰浴反应Sh以上，生成碲氢化钠，将5mL 0.5i^^H2S04溶液注入到生成的碲氢化钠溶液中，然后将生成的H2Te全部通入所述混合溶液中，搅拌20分钟后加热至回流，控制回流反应时间以得到巯基丙酸稳定的、荧光发射峰位在490?680nm的碲化镉量子点水溶液。将制得的碲化镉量子点水溶液在15W的紫外灯下照射以提高荧光量子产率，备用。
[0043]2、包埋量子点的氧化硅纳米粒子的制备
[0044]将40mL乙醇、15mL超纯水和5mL浓度为20μΜ的碲化镉量子点水溶液(发射峰在630nm)混合加入到单口烧瓶中，避光搅拌均匀10分钟，再加入20yL γ -巯丙基三甲氧基硅烷室温搅拌反应12小时，然后加入0.5mL正硅酸四乙酯和0.5mL28wt%的氨水，接着反应12小时之后加入50yLy-氨丙基三乙氧基硅烷，再反应12小时，经乙醇和水分别洗涤后得到包埋量子点的氧化娃纳米粒子；
[0045]3、碳点的制备
[0046]将1.0507g柠檬酸和335yL乙二胺溶于20mL超纯水中，将此混合溶液转移至30mL聚四氟乙烯反应釜中，200°C下反应5小时，将得到的碳点透析24小时，备用；
[0047]4、双发射比率荧光探针的制备
[0048]将0.05mg/mL的碳点溶液、2mg/mL的缩合剂1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳二胺和N-羟基丁二酰亚胺(质量比1:1)和超纯水按体积比1:10:30的比例避光混合，搅拌30分钟后加入1mg包埋量子点的氧化硅纳米粒子，室温搅拌10小时，成功构建包埋量子点的氧化硅纳米粒子表面的敏感碳点层(形貌见图1)。离心分离弃去上清，分散于超纯水中(荧光光谱见图2)，即得到双发射比率荧光探针溶液。
[0049]5、可视化检测水中葡萄糖
[0050]向待检测的葡萄糖溶液中加入葡萄糖氧化酶，在37°C反应40分钟，并加入过量的FeCl2溶液，将得到的反应液加入到双发射比率荧光探针溶液中进行荧光可视化检测。在20μΜ含量就可观察到明显的颜色变化。随着葡萄糖浓度加大，荧光颜色由蓝色变成紫色，最后变化到红色。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3。
[0051 ]过量的二价铁溶液是指二价铁与葡萄糖的摩尔比多5:3;
[0052]葡萄糖氧化酶的添加量需要过量，所谓过量是指反应结束后反应液中葡萄糖氧化酶的浓度彡0.2mg/ mL。
[0053]实施例2:
[0054]1、量子点的制备
[0055]本步骤的制备过程同实施例1。
[0056]2、包埋量子点的氧化硅纳米粒子的制备
[0057]本步骤的制备过程同实施例1。
[0058]3、碳点的制备
[0059]将1.0507g柠檬酸和335yL乙二胺溶于20mL超纯水中，将此混合溶液转移至30mL聚四氟乙烯反应釜中，200°C下反应5小时，将得到的碳点透析24小时，备用；
[0060]4、双发射比率荧光探针的制备
[0061 ] 将0.05mg/mL的碳点溶液、2mg/mL的缩合剂1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳二胺和N-羟基丁二酰亚胺(质量比1:1)和超纯水按体积比1:10:30的比例避光混合，搅拌30分钟后加入1mg包埋量子点的氧化硅纳米粒子，室温搅拌10小时，成功构建包埋量子点的氧化硅纳米粒子表面的敏感碳点层(形貌见图1)，离心分离弃去上清，分散于超纯水中(荧光光谱见图2)，即得到双发射比率荧光探针溶液。
[0062]5、可视化检测水中葡萄糖
[0063]将浓度为2mg/mL的双发射比率荧光探针溶液注入洗净的喷墨式打印机的墨盒中，通过打印机在纸质介质上喷墨打印均匀分布的比率荧光探针，即得到用于可视化检测葡萄糖的比率荧光传感器。
[0064]向待检测的葡萄糖溶液中加入葡萄糖氧化酶，在37°C反应40分钟，并加入过量的FeCl2溶液，将得到的反应液滴于纸质传感器上进行可视化检测。在20μΜ含量就可观察到明显的颜色变化。随着葡萄糖浓度加大，试纸荧光颜色由蓝色变成紫色，最后变化到红色。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4。
[0065]过量的二价铁溶液是指二价铁与葡萄糖的摩尔比多5:3;
[0066]葡萄糖氧化酶的添加量需要过量，所谓过量是指反应结束后反应液中葡萄糖氧化酶的浓度彡0.2mg/ mL。
[0067]实施例3:
[0068]1、量子点的制备
[0069]本步骤的制备过程同实施例1。
[0070]2、包埋量子点的氧化硅纳米粒子的制备
[0071]本步骤的制备过程同实施例1。
[0072]3、碳点的制备
[0073]将1.0507g柠檬酸和335yL乙二胺溶于20mL超纯水中，将此混合溶液转移至30mL聚四氟乙烯反应釜中，200°C下反应5小时，将得到的碳点透析24小时，备用；
[0074]4、双发射比率荧光探针的制备
[0075]将0.05mg/mL的碳点溶液、2mg/mL的缩合剂1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳二胺和N-羟基丁二酰亚胺(质量比1:1)和超纯水按体积比1:10:30的比例避光混合，搅拌30分钟后加入1mg包埋量子点的氧化硅纳米粒子，室温搅拌10小时，成功构建包埋量子点的氧化硅纳米粒子表面的敏感碳点层(形貌见图1)，离心分离弃去上清，分散于超纯水中(荧光光谱见图2)，即得到双发射比率荧光探针溶液。
[0076]5、可视化检测血清中葡萄糖
[0077]将浓度为2mg/mL的双发射比率荧光探针溶液注入洗净的喷墨式打印机的墨盒中，通过打印机在纸质介质上喷墨打印均匀分布的比率荧光探针，即得到用于可视化检测葡萄糖的比率荧光传感器。
[0078]向待检测的葡萄糖溶液中加入葡萄糖氧化酶，在37°C反应40分钟，并加入过量的FeCl2溶液，将得到的反应液滴于纸质传感器上进行可视化检测。观察颜色变化，可见，随着加入的葡萄糖浓度加大，试纸荧光颜色由紫色逐渐变成粉红色。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5。
[0079]过量的二价铁溶液是指二价铁与葡萄糖的摩尔比多5:3;
[0080]葡萄糖氧化酶的添加量需要过量，所谓过量是指反应结束后反应液中葡萄糖氧化酶的浓度彡0.2mg/ mL。
【主权项】
1.一种比率荧光传感器，其特征在于:是以双发射比率荧光探针为墨水，通过喷墨式打印的方式在纸质介质上打印均匀分布的比率荧光探针所得到的； 所述双发射比率荧光探针是内部包埋量子点、表面氨基化修饰后共价偶联包覆蓝色碳点敏感层的超结构氧化娃纳米粒子； 所述纸质介质为滤纸或混合纤维素滤膜。2.根据权利要求1所述的比率荧光传感器，其特征在于: 所述量子点为羧基功能化的CdTe。3.根据权利要求1所述的比率荧光传感器，其特征在于所述蓝色碳点为表面羧基功能化的碳点，其制备包括如下步骤: 将l-2g柠檬酸和100-500Λ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 °C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。4.根据权利要求1所述的比率荧光传感器，其特征在于所述双发射比率荧光探针的制备包括如下步骤: 1)将20-50mL乙醇、10-30mL超纯水和2-10mL量子点原液混合加入到单口烧瓶中，避光搅拌10-30分钟，再加入10-50yL γ -巯丙基三甲氧基硅烷，室温下搅拌反应12-24小时，然后加入l-5mL正硅酸四乙酯和l-5mL氨水，接着反应12-48小时之后加入1-1OOyL γ-氨丙基三乙氧基硅烷，再反应12-48小时，经乙醇和水分别洗涤后得到包埋量子点的氧化硅纳米粒子； 2)将0.05mg/mL的蓝色碳点溶液、2mg/mL的缩合剂溶液和超纯水避光混合均匀，加入5-20mg包埋量子点的氧化硅纳米粒子，室温下搅拌8-12小时，离心并分散于超纯水中，即得到双发射比率荧光探针溶液。5.根据权利要求4所述的比率荧光传感器，其特征在于: 步骤I)中氨水的质量浓度为28% ;量子点原液的浓度为10-30μΜ。6.根据权利要求4所述的比率荧光传感器，其特征在于: 步骤2)中所述缩合剂为1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳二胺和N-羟基丁二酰亚胺，两者质量比1:1。7.根据权利要求4所述的比率荧光传感器，其特征在于: 步骤2)中蓝色碳点溶液、缩合剂溶液和超纯水的体积比为1:10:30。8.根据权利要求1所述的比率荧光传感器，其特征在于所述比率荧光传感器的制备包括如下步骤: 将浓度为2mg/mL的双发射比率荧光探针溶液注入洗净的喷墨式打印机的墨盒中，通过打印机在纸质介质上喷墨打印均匀分布的比率荧光探针，即得到用于可视化检测葡萄糖的比率荧光传感器;荧光探针层厚度为1-10微米。9.一种利用权利要求1所述的比率荧光传感器可视化检测葡萄糖的方法，其特征在于包括如下步骤: 向葡萄糖溶液中加入葡萄糖氧化酶，在37 °C反应40分钟，并加入过量的二价铁溶液，然后将其滴到纸质传感器上，实现对葡萄糖的可视化检测。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于:所述二价铁溶液为FeCl2溶液；过量的二价铁溶液是指二价铁与葡萄糖的摩尔比多5:3。
【文档编号】G01N21/78GK105911030SQ201610211584
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】张忠平, 都述虎, 黄晓燕, 蒋长龙, 刘变化, 刘仁勇
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院