一种关-开型银离子荧光探针及其制备方法和应用

1.本发明属于荧光探针技术领域，具体涉及一种关-开型银离子荧光探针及其制备方法和应用。


背景技术：

2.银离子及其化合物在冶金、制药、电镀、食品、纺织等工业生活领域具有重要的作用，目前得到了广泛的应用。但银离子也是一种重金属离子，对环境和生物具有危害和毒害性；过量的银离子会引起水污染及其他环境污染。环境中的银离子通过食物链在人体蓄积，被人体吸收后会在皮肤、眼睛及黏膜处沉着，产生病变，同时对神经系统、肝脏、骨骼等也会造成严重的影响。因此，开发出一种高灵敏度、高选择性的银离子荧光探针，对于疾病病理学研究和环境保护具有重要意义。
3.传统的银离子测定方法有试纸法、原子吸收法、电化学和电位滴定等，这些方法中大多存在一定的缺陷，如灵敏度低，耗时，无特异性，操作繁琐，仪器昂贵等。而荧光探针检测作为一种简单、快速、高选择性、高灵敏度的方法被广泛适用于重金属离子检测。近年来有许多关于新型荧光探针的合成和应用于银离子检测的报道，如中国专利cn108774226a公开了一种基于苝酰亚胺的可视化检测银离子的荧光探针pdi-ad，该荧光探针对银离子具有专一选择性和较高的灵敏度、抗干扰能力强、响应快并且能够通过颜色变化实现对银离子的裸眼识别，但是该荧光探针合成工艺时间长，且合成产率较低。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种关-开型银离子荧光探针,该关-开型银离子荧光探针具有良好的水溶性，出色的选择性、灵敏性，能够对环境中的银离子进行快速检测。
5.本发明的第二个目的是为了提供一种上述关-开型银离子荧光探针的制备方法。
6.本发明的第三个目的是为了提供一种上述关-开型银离子荧光探针的应用。
7.实现本发明的目的之一可以通过采取如下技术方案达到：
8.一种关-开型银离子荧光探针，包括mxene二维材料和荧光染料，所述mxene二维材料和荧光染料物理连接的方式结合在一起，形成所述关-开型银离子荧光探针。
9.进一步的，所述荧光染料具有式i所示的结构：
[0010][0011]
其中r、r1、r2、r3、r4、r5、r6独立的为h、饱和或不饱和、含直链或支链的c
1-c
10
烃基或c
1-c
10
芳烃基中的一种。
[0012]
进一步的，所述荧光染料为罗丹明6g。
[0013]
进一步的，所述mxene二维材料的直径小于1μm，厚度为1-10nm。
[0014]
进一步的，所述mxene二维材料和所述荧光染料的质量比为(1-10)：1。
[0015]
实现本发明的目的之二可以通过采取如下技术方案达到：
[0016]
一种关-开型银离子荧光探针的制备方法，包括以下步骤：
[0017]
向荧光染料的溶液中加入mxene二维材料，待所述荧光染料的强度下降至原有荧光强度的60％-80％时，停止加入所述mxene二维材料，即得到所述关-开型银离子荧光探针。
[0018]
进一步的，向荧光染料的溶液中加入mxene二维材料时，荧光染料的溶液的温度为10-60℃。
[0019]
进一步的，一种关-开型银离子荧光探针的方法，还包括制备所述mxene二维材料步骤：
[0020]
mxene基料通过原位蚀刻得到直径为1-0.5μm，厚度为400-600nm的多层mxene的水溶液，将所述多层mxene的水溶液超声震荡0.5-5h，得到所述mxene二维材料。
[0021]
实现本发明的目的之三可以通过采取如下技术方案达到：
[0022]
一种关-开型银离子荧光探针在检测银离子中的应用。
[0023]
进一步的，所述关-开型银离子荧光探针在细胞中荧光成像。
[0024]
进一步的，所述关-开型银离子荧光探针的ph值为5.5-8.5。
[0025]
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0026]
1、本发明提供一种关-开型银离子荧光探针，该关-开型银离子荧光探针是将mxene二维材料与荧光染料的分子通过分子间作用力进行物理结合，形成π-π堆积，将荧光染料“关”起来，在实际应用中，银离子破坏mxene二维材料的结构，实现荧光探针的“开”释放出荧光染料，荧光强度加强，荧光探针实现“关-开”型响应，进而实现对银离子的可视化检测；具有较高的灵敏度。且中心荧光基团为低毒性，低环境危害的荧光染料分子，具有环境友好的特点。
[0027]
2、本发明提供一种关-开型银离子荧光探针的制备方法，原料毒性低价格便宜，制备流程简单，不涉及危险反应，反应收率高，易于规模化生产，使其在生物和环境领域具有广阔的应用前景。
[0028]
3、本发明提供一种关-开型银离子荧光探针的应用，对银离子具有较好的选择性，其他离子均不能导致该关-开型银离子荧光探针的荧光发生明显的变化，因此具有抗干扰能力强的优点。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例1中mxene二维材料的透射电镜图(左图)和mxene(ti3c2)-r6g的透射电镜图(右图)。
[0030]
图2为本发明实施例1中mxene基料ti3alc2、多层mxene材料ti3c2、mxene二维材料ti3c2的xrd图。
[0031]
图3为本发明中荧光探针mxene(ti3c2)-r6g对不同浓度银离子的荧光光谱图。
[0032]
图4为本发明中荧光探针mxene(ti3c2)-r6g的荧光强度与银离子浓度的线性关系图。
[0033]
图5为本发明中荧光探针mxene(ti3c2)-r6g的选择性和特异性试验荧光光谱图。
[0034]
图6为本发明中荧光探针mxene(ti3c2)-r6g在不同干扰物存在下，在紫外灯照射下的可视化图。
[0035]
图7为本发明荧光探针mxene(ti3c2)-r6g在hela细胞中银离子的成像图。
具体实施方式
[0036]
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
[0037]
自mxene二维材料被发现以来，由于其超薄的结构和独特的物理化学性质，在生物传感领域引起了广泛的关注。mxene二维材料是一种新型的二维过度金属碳化物或氮化物，由过渡金属的碳化物、碳氮化物和氮化物组成，通式为m
n 1
xn，其中m表示过度金属sc、ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo等。
[0038]
目前，mxene二维材料有ti3c2、ti2c、nb2c、v2c、(ti
0.5
nb
0.5
)2c、(v
0.5
cr
0.5
)3c2、ti3cn和ta4c3。mxene的前体物m
n 1
axn中的n相的n值可以从1-3不等，对应的mxene片由3、5、7的原子层组成，a是可清除的原子。mxene二维材料具有高比表面积、充足的表面官能团、良好的亲水性，是一种极具潜力的吸附材料，因此利用上述性能与荧光染料结合得到关-开型银离子荧光探针。
[0039]
一种关-开型银离子荧光探针，包括mxene二维材料和荧光染料，所述mxene二维材料和荧光染料物理连接的方式结合在一起，形成所述关-开型银离子荧光探针。
[0040]
mxene二维材料可以和荧光染料通过物理作用结合在一起，使得荧光染料的荧光性得到减弱；而银离子可以与mxene二维材料发生氧化还原反应，在mxene二维材料表面生成纳米银颗粒，从而破坏mxene表面结构，破坏了mxene二维材料与荧光染料的结合，释放出荧光染料分子，使得荧光强度增大，即恢复荧光，实现荧光“关-开”型响应。
[0041]
其中，mxene二维材料为已知的材料；优选的，所述mxene二维材料为ti3c2、ti2c、nb2c、v2c、(ti
0.5
nb
0.5
)2c、(v
0.5
cr
0.5
)3c2、ti3cn和ta4c3中的任意一种。
[0042]
作为本发明的一个实施方式，所述荧光染料具有式i所示的结构：
[0043][0044]
其中r、r1、r2、r3、r4、r5、r6独立的为h、饱和或不饱和、含直链或支链的c
1-c
10
烃基或c
1-c
10
芳烃基中的一种。
[0045]
优选的，r
1-r4为-c2h5,r、r
5-r6为-h；优选的，r、r
1-r6为-h。
[0046]
所述荧光染料为式i所示的结构，具有以氧杂蒽为母体的罗丹明荧光基团，使得分子中具有较大的共轭体系，并且具有刚性平面结构，因此容易吸收光发射长波，形成荧光。而将上述具有式i结构的荧光染料吸附到mxene二维材料表面，发生pet效应，电子难以跃迁发出荧光；当银离子与mxene二维材料发生氧化还原反应，在mxene二维材料表面生成纳米银颗粒，从而破坏mxene表面结构，破坏了mxene二维材料与荧光染料的结合，释放出荧光染料分子，使得荧光强度增大，即恢复荧光，实现荧光“关-开”型响应。
[0047]
作为本发明的一个实施方式，所述荧光染料为罗丹明6g。
[0048]
罗丹明6g是低毒性，低环境危害的荧光染料分子，环境友好，并且荧光变化明显，随浓度的增加，荧光颜色由浅粉色变为橘色，可以可视化观察。
[0049]
作为本发明的一个实施方式，所述mxene二维材料的直径小于1μm，厚度为1-10nm。mxene二维材料为较小的少层二维材料，可以使得比表面积更大，具有更好的荧光染料吸附能力，银离子吸附和对银离子的氧化还原反应能力，提高荧光探针的灵敏性的优点。
[0050]
作为本发明的一个实施方式，所述mxene二维材料和所述荧光染料的质量比为(1-10)：1。合适的质量比可以提供较大的吸附量，较快的释放速度，较大的吸附量从而使得颜色变化程度大，增加可视性；较快的释放速度可以提高灵敏性和缩短检测时间，提高检测效率。
[0051]
一种关-开型银离子荧光探针的制备方法，包括以下步骤：
[0052]
向荧光染料的溶液中加入mxene二维材料，待所述荧光染料的强度下降至原有荧光强度的60％-80％时，停止加入所述mxene二维材料，即得到所述关-开型银离子荧光探针。
[0053]
可以将mxene二维材料提前在溶剂中溶解、分散和稀释，获得第一溶液；以及将荧光染料提前在溶剂中溶解、分散和稀释，获取第二溶液，将所述第一溶液和第二溶液混合进行反应；
[0054]
本发明对所述第一溶液和所述第二溶液的浓度没有特殊要求，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整，也可以参照本发明后文中的实施例部分选择合适的浓度，本发明在此不再赘述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。
[0055]
优选的，所述溶剂为缓冲溶液或水。
[0056]
作为本发明的一个实施方式，向荧光染料的溶液中加入mxene二维材料时，荧光染料的溶液的温度为10-60℃。
[0057]
优选的，所述温度为20-40℃。
[0058]
作为本发明的一个实施方式，一种关-开型银离子荧光探针的方法，还包括制备所述mxene二维材料步骤：
[0059]
mxene基料通过原位蚀刻得到直径为1-0.5μm，厚度为400-600nm的多层mxene的水溶液，将所述多层mxene的水溶液超声震荡0.5-5h，得到所述mxene二维材料。
[0060]
通过刻蚀初步制备的多层mxene的厚度较厚，作为二维材料比表面积较小，不能很好的实现吸附效果，包括对荧光染料和银离子的吸附效果，因此将其通过简单的处理，得到厚度较薄的少层mxene二维材料。
[0061]
实现本发明的目的之三可以通过采取如下技术方案达到：
[0062]
一种关-开型银离子荧光探针在检测银离子中的应用。
[0063]
关-开型银离子荧光探针检测银离子，利用银离子与mxene二维材料发生氧化还原反应，在mxene二维材料表面生成纳米银颗粒，从而破坏mxene表面结构，破坏了mxene二维材料与荧光染料的结合，释放出荧光染料分子，使得荧光强度增大，即恢复荧光，实现荧光“关-开”型响应。荧光探针对银离子具有较好的选择性，其他离子如均不能导致其荧光发生明显的变化，抗干扰能力强。
[0064]
作为本发明的一个实施方式，所述关-开型银离子荧光探针在细胞中荧光成像。
[0065]
作为本发明的一个实施方式，所述关-开型银离子荧光探针的ph值为5.5-8.5。
[0066]
优选地，所述荧光探针溶液的ph值为6.5。
[0067]
式i所示荧光染料对ph并不敏感，因此可以在较宽的ph环境下进行使用，又因为其低毒性，因此可以将本技术的关-开型银离子荧光探针用于检测活细胞中银离子，检测的ph为细胞适宜的ph范围。
[0068]
下面，以具体实施例，对本发明的关-开型银离子荧光探针及其制备方法和应用做进一步描述：
[0069]
实施例1关-开型银离子荧光探针mxene(ti3c2)-r6g的制备
[0070]
称取1.5g氟化锂粉末，加入20ml12m的浓盐酸，搅拌均匀后加入1g mxene基料ti3alc2，40℃条件下搅拌24h，待反应结束将产物通过水洗、醇洗，抽滤得到不溶物为干净的多层mxene材料ti3c2，。将多层mxene材料ti3c2在低温下剧烈震荡并超声3h得到少层的mxene二维纳米材料ti3c2。
[0071]
向40℃下含有1g罗丹明6g的水溶液中滴加含有5g mxene二维纳米材料ti3c2的水溶液，观察其荧光强度的变化，当其荧光强度下降至原有荧光强度的80％时，停止滴加，得到所述关-开型银离子荧光探针mxene(ti3c2)-r6g。
[0072]
实施例2关-开型银离子荧光探针mxene(ti3c2)-rb的制备
[0073]
称取1.5g氟化锂粉末，加入20ml12m的浓盐酸，搅拌均匀后加入1g mxene基料ti3alc2，40℃条件下搅拌24h，待反应结束将产物通过水洗、醇洗，抽滤得到不溶物为干净的多层mxene材料ti3c2。将多层mxene材料ti3c2在低温下剧烈震荡并超声5h得到少层的mxene二维纳米材料ti3c2。
[0074]
向10℃下含有1g罗丹明b的水溶液中滴加含有10g mxene二维纳米材料ti3c2的水
溶液，观察其荧光强度的变化，当其荧光强度下降至原有荧光强度的60％时，停止滴加，得到所述关-开型银离子荧光探针mxene(ti3c2)-rb。
[0075]
实施例3关-开型银离子荧光探针mxene(ti3c2)-r的制备
[0076]
称取1.5g氟化锂粉末，加入20ml12m的浓盐酸，搅拌均匀后加入1g mxene基料ti3alc2，40℃条件下搅拌24h，待反应结束将产物通过水洗、醇洗，抽滤得到不溶物为干净的多层mxene材料ti3c2。将多层mxene材料ti3c2在低温下剧烈震荡并超声0.5h得到少层的mxene二维纳米材料ti3c2。
[0077]
向60℃下含有1g罗丹明的水溶液中滴加含有1g mxene二维纳米材料ti3c2的水溶液，观察其荧光强度的变化，当其荧光强度下降至原有荧光强度的70％时，停止滴加，得到所述关-开型银离子荧光探针mxene(ti3c2)-r。
[0078]
实施例4关-开型银离子荧光探针mxene(ti2c)-r6g的制备
[0079]
称取1.5g氟化锂粉末，加入20ml12m的浓盐酸，搅拌均匀后加入1g mxene基料ti2alc，40℃条件下搅拌24h，待反应结束将产物通过水洗、醇洗，抽滤得到不溶物为干净的多层mxene材料ti2c。将多层mxene材料ti2c在低温下剧烈震荡并超声3h得到少层的mxene二维纳米材料ti2c。
[0080]
向40℃下含有1g罗丹明6g的水溶液中滴加含有5g mxene二维纳米材料ti2c的水溶液，观察其荧光强度的变化，当其荧光强度下降至原有荧光强度的80％时，停止滴加，得到所述关-开型银离子荧光探针mxene(ti2c)-r6g。
[0081]
试验例1
[0082]
mxene(ti3c2)-r6g荧光探针表征
[0083]
如图1所示，将实施例1的mxene(ti3c2)-r6g(图1右图)在hrtem下进行观察，并且与mxene(ti3c2)(图1左图)二维材料进行对比发现，mxene(ti3c2)-r6g表面相对于mxene(ti3c2)二维材料更加粗糙，表明有物质吸附在mxene(ti3c2)表面。
[0084]
将mxene基料ti3alc2，多层mxene材料，mxene(ti3c2)二维材料进行xrd检测，结果如图2所示，通过对原料ti3alc2进行刻蚀得到mxene二维材料，没有经过超声处理的mxene二维材料较厚，经过超声处理后，xrd的层间峰显著减弱，表明得到少层甚至单层的mxene二维材料。
[0085]
试验例2
[0086]
mxene(ti3c2)-r6g荧光探针在水溶液中的检测及抗干扰测试
[0087]
分别向0.2μm浓度的含ni
2
、au
3
、bi
3
、pb
2
、li

、mg
2
、ca
2
、zn
2
、cs

、k

、mn
2
、na

、cu
2
、ag

溶液中加入0.01μm实施例1制备得到的mxene(ti3c2)-r6g荧光探针溶液，测试混合溶液的荧光强度变化，结果如图5所示：使用相同浓度的mxene(ti3c2)-r6g对相同浓度的ni
2
、au
3
、bi
3
、pb
2
、li

、mg
2
、ca
2
、zn
2
、cs

、k

、mn
2
、na

、cu
2
、ag

离子进行检测，只有ag

离子溶液显示出更强的荧光强度，其他金属离子溶液的荧光强度变化很低。可见mxene(ti3c2)-r6g荧光探针对ag

具有显著的选择性和特异性。如图6所示，ag

溶液具有更明显的黄色，可以实现可视化的检测的效果，能快速检测出ag

造成的污染。
[0088]
分别向0.01μm实施例1制备得到的mxene(ti3c2)-r6g荧光探针溶液中加入不同浓度的银离子溶液，测试其荧光强度变化，结果如图3所示：mxene(ti3c2)-r6g荧光探针本身具有弱红色荧光，在550nm处有荧光发射峰，随着银离子浓度逐渐增大，该发射峰强度逐渐增
大。荧光探针荧光强度与银离子浓度在0.035-0.05μm范围内呈线性关系，如图4所示，线性方程为y＝7600x 5162，其中x为银离子的浓度，相关系数r2＝0.99753因此可见mxene(ti3c2)-r6g荧光探针可以用于银离子的定性和定量准确检测。
[0089]
试验例3
[0090]
活细胞内mxene(ti3c2)-r6g荧光探针检测银离子
[0091]
为了研究荧光探针mxene-r6g在活细胞内检测ag

的能力，将hela细胞首先在加入微量银离子的培养液中培育30min，用pbs清洗细胞表面，在向其中加入含有mxene(ti3c2)-r6g的培养液培育1h，用pbs清洗细胞表面，然后用激光共聚焦显微镜荧光成像，如图7所示，能够明显观察到在ag

培养液中孵育后的hela细胞中荧光成像现象。表明本发明的关-开型银离子荧光探针可以应用于在细胞中荧光成像。
[0092]
综上所述，本发明提供一种关-开型银离子荧光探针及其制备方法和应用，mxene与罗丹明类染料小分子物理结合，在实际应用中，银离子破坏mxene与罗丹明类染料的结合，释放出罗丹明类染料分子，恢复荧光，实现荧光“关-开”型响应，得到对银离子的可视化检测。具有较高的灵敏度，对银离子具有较好的选择性，其他离子均不能导致该关-开型银离子荧光探针的荧光发生明显的变化，因此具有抗干扰能力强的优点。且中心荧光基团为低毒性，低环境危害的荧光染料分子，环境友好。关-开型银离子荧光探针的制备，原料毒性低且价格便宜，制备流程简单，不涉及危险反应，反应收率高，易于规模化生产，使其在生物和环境领域具有广阔的应用前景。
[0093]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。