氨基酸调控量子点荧光阵列传感器对金属离子的检测方法与流程

本发明属于光学分析领域，具体涉及一种基于量子点的荧光分析方法。

背景技术：

目前常用的金属离子检测分析方法主要包括：原子发射法、原子吸收法、电感耦合等离子体法等等。这些方法都存在一些弊端，对操作技能有比较高的要求，仪器也比较贵重，成本较高，同时操作繁琐，且无法对多价态金属离子进行区分，同时对操作人员的专业技术要求比较高，也比较耗时。

量子点(Quantum dots，QDs)是一种由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的直径在1-10nm的球状晶体，与传统的有机荧光染料或镧系配合物相比，荧光量子点具有以下光学特性：(1)量子点的发射波长可通过控制它的粒径大小来“调谐”，因而可获得多种可分辨的颜色。(2)不同大小的纳米晶体能被同一波长的光激发并发出不同颜色的光，其激发光谱宽且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度窄，因此不同的量子点可以由同一波长的光激发，并允许同时使用不同光谱的量子点来进行生物标记。(3)量子点具有良好的光化学稳定性，可以耐受更强的激发光和更长的光发射周期。因此量子点对生物体内各种蛋白质或者细胞的相互作用监控更为有效，在生物学中有着广泛的应用。

基于量子点的荧光传感器在生物学中的成功应用，也给予研究者以启示，用量子点、或小分子有机物修饰的量子点检测微量金属离子是极有价值的研究方向。

技术实现要素：

针对本技术领域存在的不足之处，本发明的目的是提供多种氨基酸调节拓展量子点的荧光阵列传感器，以高效快速的检测金属离子的方法。

实现本发明上述目的技术方案为：

氨基酸调控量子点荧光阵列传感器对金属离子的检测方法，用稳定剂修饰Mn掺杂ZnS的量子点，与氨基酸结合，加入待测的金属离子溶液，进行荧光检测；

其中，所述氨基酸为谷氨酰胺、精氨酸两种。

其中，所述用稳定剂修饰，为用硫代甘油包覆，或用巯基丙酸封端。

本发明所述的检测方法中，量子点的制备可采用已有的方法。提供一种优选的量子点制备方法：所述Mn掺杂ZnS的量子点采用成核掺杂法用水相合成法合成：ZnSO₄和Mn(CH₃COO)₂混合的溶液在室温下搅拌，提供掺杂量子点的Mn²⁺；调节pH值至10.0～10.5，

在气体保护条件下，并用N₂鼓泡30分钟。

将Na₂S快速加入混合溶液中，将混合物回流反应。

其中，按S、Zn的摩尔计，加入的Na₂S与ZnSO₄的比例可以为0.7～1.1：1。

其中，可采用氢氧化钠或碳酸钠的水溶液调节pH值，其水溶液的浓度可以是0.1M～10M。

其中，按Mn、Zn的摩尔计，ZnSO₄和Mn(CH₃COO)₂混合的溶液中Mn：Zn为0.1～5：5；所述回流反应的时间为15～25小时；

回流反应后冷却至室温，通过加入乙醇和离心从水溶液中分离产物，用乙醇洗涤并在室温下真空干燥。

为了获得稳定剂修饰量子点，本发明的一种优选技术方案为：ZnSO₄和Mn(CH₃COO)₂混合后，再与硫代甘油混合，按摩尔比加入的硫代甘油与ZnSO₄的比例为2～8：1。

本发明的另一优选技术方案为：ZnSO₄和Mn(CH₃COO)₂混合的溶液中加入巯基丙酸(MPA)，然后调节pH值；按Zn的摩尔计，每mmol锌加入0.2～0.4mL的巯基丙酸。

所述的检测方法，是将稳定剂修饰Mn掺杂ZnS的量子点、氨基酸混合，加入待测的金属离子溶液，量子点、氨基酸、金属离子混合溶液中稳定剂修饰Mn掺杂ZnS的量子点的含量为50～200μg/mL。

其中，所述金属离子为Ni²⁺，Co²⁺，Mn²⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺中的一种或多种。

其中，进行荧光检测的溶液中，金属离子的浓度为0.5～20μmol/L。

更优选地，本发明检测方法中，将稳定剂修饰Mn掺杂ZnS的量子点配成100～500μg/mL的溶液，按照体积比1～3：1加入氨基酸溶液，所述氨基酸溶液的浓度为0.1～1mmol/L。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的方法，巧妙地将QDs和氨基酸结合在一起，在仅使用两种不同配体包袱的QDs的情况下，可以检测多种金属离子，如果量子点种类增加(例如10种)，氨基酸的种类也增加(例如18种)，就可以容易获得增加的传感单元数量(10x18＝180种)，以便达到更多种类金属离子的高灵敏度检测和识别；

2.检出限低，在500nM的情况下，可以百分百区分9种金属离子；

3.可以做到百分百的区分不同价态的同种金属离子，本实验中可以在5μM浓度下，百分百区分Fe²⁺和Fe³⁺；

4.我们在通过加入氨基酸之后，发现对大部分金属离子的响应信号，或是灵敏度，都得到了大大的提高，这一点我们可以在对钴离子的定量的指纹图谱中明显看出来，同时在九种金属离子中Fe²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Mn²⁺，在浓度为0.5～20μmol/L的范围内，有良好的线性，线性方程和R²值分别是y＝-36.34x+19.61(R²＝0.9963)，y＝44.43x-23.98(R²＝0.9963)，y＝-59.11x+31.91(R²＝0.9819)，y＝-31.93x+17.24(R²＝0.9828)。这说明本实验不仅可以对金属离子进行定性分析，同时也对一些金属离子进行定量分析，也拥有良好的线性。

5.Mn掺杂ZnS的QDs，无毒，易制备，具有价格低，稳定，寿命长，产率高，荧光性好，操作方便等特点。

通过选择一系列非选择性或半选择性的传感单元构建阵列传感器，对材料的特异性要求大大降低，检测对象的范围也有了极大的拓展，这使得阵列传感器在复杂样品检测方面表现出极大的优势。

附图说明

图1为本发明氨基酸调节量子点荧光阵列传感器对金属离子的检测方法的原理图；图1之左图为流程图，图1之右下图为阵列结构图，图1之右上图为九种金属离子检测的结果的指纹图谱。

图2为实施例6对九种金属离子检测结果的三维LDA分析图。

图3为实施例5和实施例6对九种金属离子0.5μM水溶液检测的结果的指纹图谱。

图4为对九种金属离子检测结果的欧氏距离(euclidean distance)分析图。

具体实施方式

下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。

实施例1：巯基丙酸封端Mn掺杂ZnS量子点的制备

制备基于3-巯基丙酸封端的Mn-ZnS量子点(MPA-QD)：将ZnSO₄·7H₂O(7.5mL，0.1M)，Mn(CH₃COO)₂·4H₂O(0.1mL，0.1M)和巯基丙酸MPA(0.26mL)加入到三颈烧瓶中。用超纯水将混合溶液量补充至50mL，并用10M NaOH调节至pH 10.3-10.5。

在室温下通过氩气鼓泡除去空气30分钟后，将Na₂S·9H₂O(7.5mL，0.1M)快速注入溶液中。将混合物剧烈搅拌20分钟，然后在50℃下再搅拌2小时以形成MPA-QDs。为了纯化，将获得的QDs用乙醇沉淀，通过离心(8000rpm，5分钟)分离。将该乙醇沉淀-离心分离过程重复三次。最后，将制备好的MPA-QDs在真空中干燥。

实施例2

用硫代甘油包覆Mn掺杂ZnS的量子点的操作为：

1.0M ZnSO₄·7H₂O(5.0mL)，0.1M Mn(CH₃COO)₂·4H₂O(1.5mL)的溶液在室温下搅拌，获得Mn²⁺掺杂的量子点；再与1.0M硫代甘油(TG，20mL)混合，加入到三颈烧瓶中。用超纯水将混合溶液量补充至50mL，用10M NaOH调节至pH 10.3并用N₂鼓泡30分钟。

然后将Na₂S·9H₂O水溶液(1.0M，4.5mL)快速注入反应烧瓶中，将混合物回流20小时。冷却至室温后，通过加入乙醇和通过离心从水溶液中分离，操作同实施例1。用乙醇洗涤并在室温下真空干燥。

实施例3

将实施例2制好的由硫代甘油(TG)包覆的Mn掺杂ZnS的QDs配成200μg/mL的溶液，用枪头取出210μL加入到离心管中，再加入配好的800μM的Arg溶液105μL，再加入63μL的超纯水，最后加入42μL的10μM的金属离子溶液，在摇床上摇匀之后用枪头取出200μL的溶液加入到比色皿中，使用爱丁堡FLS-920瞬态稳态荧光光谱仪进行荧光检测，透过光强度记为I(参见图1之S5)。

在没有加入金属离子溶液时检测空白溶液的透过光强度I₀。记录荧光光谱数据，再用数据处理软件(originlab)进行处理，如图2，利用QDs和氨基酸，构建出六个阵列单元，加入多种金属离子，可以通过不同的响应信号高效快速的识别金属离子。

本实施例对Ni²⁺，Co²⁺，Mn²⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺，九种金属离子分别进行检测，每种金属离子测六个平行样，得出指纹图谱(图1之右上图)。

实施例4

将实施例1制好的由巯基丙酸封端的Mn掺杂ZnS的QDs配成200μg/mL的溶液，用枪头取出210μL加入到离心管中，再加入800μM的Arg溶液105μL，再加入63μL的超纯水，最后加入42μL的10μM的金属离子溶液，在摇床上摇匀之后用枪头取出200μL的溶液加入到比色皿中，使用爱丁堡FLS-920瞬态稳态荧光光谱仪进行荧光检测，透过光强度记为I(参见图1之S6)。

在没有加入金属离子溶液时检测空白溶液的透过光强度I₀。记录荧光光谱数据，再用软件进行处理。所得指纹图见图1之“MPA-QDs+Arg”。

对比例1

将实施例2制好的由硫代甘油(TG)包覆的Mn掺杂ZnS的QDs配成200μg/mL的溶液，用枪头取出210μL加入到离心管中，再加入168μL的超纯水，最后加入42μL的10μM的金属离子溶液，在摇床上摇匀之后用枪头取出200μL的溶液加入到比色皿中，使用爱丁堡FLS-920瞬态稳态荧光光谱仪进行荧光检测，透过光强度记为I(参见图1之S3)。

在没有加入金属离子溶液时检测空白溶液的透过光强度I₀。记录荧光光谱数据，再用软件进行处理。

本实施例对Ni²⁺，Co²⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺九种金属离子分别进行检测，结果见图1之“TG-QDs”。

对比例2

将实施例1制好的巯基丙酸封端Mn掺杂ZnS的QDs配成200μg/mL的溶液，用枪头取出210μL加入到离心管中，再加入168μL的超纯水，最后加入42μL的10μM的金属离子溶液，在摇床上摇匀之后用枪头取出200μL的溶液加入到比色皿中，使用爱丁堡FLS-920瞬态稳态荧光光谱仪进行荧光检测，透过光强度记为I(参见图1之S4)。

在没有加入金属离子溶液时检测空白溶液的透过光强度I₀。记录荧光光谱数据，再用软件进行处理。结果见图1之“MPA-QDs”。

由指纹图(原图为彩色)的比较可以看出，Arg修饰的硫代甘油包覆量子点的检测灵敏度最高，可以清楚地区分九种不同的金属离子，对Arg修饰的硫代甘油包覆量子点对0.5μM的九种金属离子检测的结果进行线性判别分析(LDA)，可以看出，不同种金属离子数据点之间没有交叉或覆盖，可百分之百地区分九种离子。

两种量子点在没有加入氨基酸时，对这九种金属离子在500nM不能很好区分，而在两种氨基酸的调控下，它们对这些金属离子的区分能力大大提高，最后能达到很好的区分和检测能力。

实施例5

将实施例2制好的由硫代甘油(TG)包覆的Mn掺杂ZnS的QDs配成200μg/mL的溶液，用枪头取出210μL加入到离心管中，再加入配好的800μM的谷氨酰胺(Gln)溶液105μL，再加入63μL的超纯水，最后加入42μL的5μM的金属离子溶液，在摇床上摇匀之后用枪头取出200μL的溶液加入到比色皿中，使用爱丁堡FLS-920瞬态稳态荧光光谱仪进行荧光检测，记录荧光光谱数据，再用软件进行处理。

改变检测样品金属离子的浓度，检测0.5～20μmol/L范围内的离子含量，结果表明九种金属离子中的Fe²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Mn²⁺，在浓度为0.5～20μmol/L的范围内，有良好的线性，线性方程和R²值分别是y＝-36.34x+19.61(R²＝0.9963)，y＝44.43x-23.98(R²＝0.9963)，y＝-59.11x+31.91(R²＝0.9819)，y＝-31.93x+17.24(R²＝0.9828)。

实施例6

将实施例2制好的由硫代甘油(TG)包覆的Mn掺杂ZnS的QDs配成200μg/mL的溶液，用枪头取出210μL加入到离心管中，再加入配好的800μM的Arg溶液105μL，再加入63μL的超纯水，最后加入42μL的5μM的金属离子溶液，在摇床上摇匀之后用枪头取出200μL的溶液加入到比色皿中，使用爱丁堡FLS-920瞬态稳态荧光光谱仪进行荧光检测，透过光强度记为I。

在没有加入金属离子溶液时检测空白溶液的透过光强度I₀。记录荧光光谱数据，再用数据处理软件(Originlab)进行处理。利用QDs和氨基酸，构建出阵列单元，加入多种金属离子，可以通过不同的响应信号高效快速的识别金属离子。

本实施例对实施例3同样的九种金属离子分别进行检测，每种金属离子测六个平行样，图2为S1-S6对0.5μM的九种金属离子检测结果的三维线性判别分析(LDA)图，原图为彩色，每种金属离子做六个平行样，其结果用同一种颜色标识，由图2可以看出，不同种金属离子数据点之间没有交叉或覆盖，可百分之百地区分九种离子。实施例5和实施例6检测0.5μM得到的指纹图见图3，欧氏距离分析见图4，分析结果表明，在500nM的情况下，可以百分百区分Ni²⁺，Co²⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺九种金属离子。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。