阅读说明：本技术 基于硅量子点的荧光阵列传感器及其制备方法及应用 (Fluorescent array sensor based on silicon quantum dots and preparation method and application thereof ) 是由 黄略略 李彬 范大明 段续 梁勇 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于硅量子点的荧光阵列传感器,其包括第一传感单元、第二传感单元和第三传感单元,其中第一传感单元由蓝色荧光硅量子点和Hg<Sup>2+</Sup>离子组成,第二传感单元由蓝色荧光硅量子点和Ag<Sup>+</Sup>离子组成,第三传感单元由蓝色荧光硅量子点和Cu<Sup>2+</Sup>离子组成。本发明还提供了所述基于硅量子点的荧光阵列传感器的制备方法。本发明还提供了所述基于硅量子点的荧光阵列传感器用于分析检测硫醇化合物的用途。本发明还提供了一种用于分析检测硫醇化合物的方法。本发明的阵列传感器用于检测硫醇化合物具有操作简便、成本低廉、无毒无害、生物相容性好、结果可靠、灵敏度高等优点。(The invention discloses a fluorescence array sensor based on silicon quantum dots, which comprises a first sensing unit, a second sensing unit and a third sensing unit, wherein the first sensing unit consists of blue fluorescence silicon quantum dots and Hg 2+ The second sensing unit is composed of blue fluorescent silicon quantum dots and Ag + The third sensing unit consists of blue fluorescent silicon quantum dots and Cu 2+ Ion composition. The invention also provides a preparation method of the fluorescent array sensor based on the silicon quantum dots. The invention also provides application of the fluorescent array sensor based on the silicon quantum dots to analysis and detection of thiol compounds. The invention also provides a method for analyzing and detecting thiolationA method of preparing the compound. The array sensor for detecting the mercaptan compound has the advantages of simple and convenient operation, low cost, no toxicity, no harm, good biocompatibility, reliable result, high sensitivity and the like.)

基于硅量子点的荧光阵列传感器及其制备方法及应用

技术领域

本发明属于有机化学领域，具体涉及一种基于硅量子点的荧光阵列传感器及其制备方法及应用。

背景技术

传感器在工业生产、探测和科学研究中具有广泛的应用，且传感器具有成本低廉、响应速度快、使用方便等优点。但目前一般的传感器只使用单一的传感单元，即只能对单一的信息作出响应，无法同时测量多个检测物。单一传感单元的单通道传感器虽对特定物质具有较强的选择性，但当遇到成分较为复杂或试样中含有多种结构相似的组分时，测量容易受到干扰，导致测量结果出现偏差。而在分析测量领域，各种研究、应用对传感器在测量精度、可靠性等方面都提出了更高的要求，更高效、可靠的多维信息获取与处理方式逐渐受到人们的青睐。如何高效、可靠地获取组分复杂的分析物的信息并在实际的检测工作中对这些信息加以利用，已成为分析化学研究的一个重要课题。

阵列传感器的工作原理与动物嗅觉相似，待测物与阵列传感器产生相互作用，阵列传感器的传感单元与被检物相互作用并作出响应，将被检物化学信号转换为电信号进行输出，随后对阵列传感器所输出的电信号进行适当的预处理，最后通过软件分析进行模式识别，便可得到最后的判别结果。阵列传感器的单一传感单元遇到不同的物质时，可作出不同的响应，与此同时，不同的传感单元遇到同一种分子时，它们也会相互产生不同的响应，如此一来，即构成阵列传感器，因此阵列传感器具有广谱响应和交互响应的特点。通过不同传感单元对不同物质的交互响应，阵列传感器对试样响应后，可形成被检物中各个组分相应的特征图谱，从而实现对特定物质的识别检测。因此阵列传感器相比单通道传感器，可在被检物中同时检测与识别多种物质。与传统的使用单一传感单元的传感器不同的是，阵列传感器的传感单元不需要对某一特定物质有特别强的选择性，而应该满足以下几项要求：①传感单元具有一定的选择性，在遇到数种不同的物质时能分别作出不同的响应；②传感单元具有一定的交互敏感能力，即对同一试样，同一传感单元要能与试样中的不同组分同时产生不同程度的响应；③为了确保在测量过程中信号足够稳定，传感单元的化学及光学性质需具有较好的稳定性，也能在一定程度上延长阵列传感器的使用寿命。

荧光阵列传感器具有无需参照体系、灵敏度高、输出信号多样(荧光强度、最大发射波长、光谱形状、荧光寿命等)等优点，已经成为了近年来阵列传感器研究领域中的焦点。要构建性能优秀的荧光阵列传感器，需以良好的传感单元构建传感阵列。

量子点(quantum dots，QDs)，又被称为半导体纳米晶(nanocrystals，NCs)，是一种具有独特光学性能的准零维半导体纳米材料，量子点分子的直径一般在1-10nm之间，通常由II-VI族、III-V族和IV族元素组成^[10]，常见的量子点有硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硫化锌量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、碳量子点、硅量子点等。硅量子点(SiQDs)是一种具有优异光学性能的准零维半导体纳米材料，其不仅拥有独特的光电特性，还具有无毒无害、价格低廉、抗光漂白、生物相容性好等优点。

量子点发射荧光本质上是一种光致发光现象。量子点作为一种半导体材料，其价电子受到共价键的束缚。而在特定波长的光的照射下，光子被价带上的电子吸收，电子受到激发而跃迁到导带，同时产生等量的空穴。由于导带上处于激发态的电子不稳定，将重新跃回价带被空穴捕获，同时将跃迁到导带时所吸收的能量，以光辐射的形式释放。一般的体相半导体材料晶体缺陷较多，因而具有较深的电子陷阱，这使得会有更多在价带上跃迁到导带的电子被电子陷阱捕获，导致只有少部分电子能够跃迁回价带并发射光子。被电子陷阱捕获的大多数电子以非辐射的形式淬灭，只有很少一部分电子能以辐射跃迁的方式回到价带或再次吸收一定能量后重新跃迁回导带。因此，半导体材料的电子陷阱越深，其发光效率就会越低。而相比体相半导体材料，量子点的电子陷阱较浅，因此而具有更强的荧光性能。

硫醇是指含有巯基的一类有机化合物，如乙硫醇、辅酶A、巯基丙酸等。除此之外，还有常见的生物硫醇如各种酶、肽、生物膜，以及谷胱甘肽、半胱氨酸和同型半胱氨酸等小分子的硫醇化合物。近年来处于研究热点的荧光探针一般用于检测小分子的硫醇化合物。目前已较为成熟的对硫醇检测的方法包括紫外吸收法、比色法、化学发光法及荧光检测法等，以及经典的测定硫醇化合物所用的方法如电化学分析法及高效液相色谱法等。

发明内容

本发明的一个目的是针对以上要解决的技术问题，提供一种稳定性好、灵敏度高、选择性强地分析检测硫醇化合物的光学传感器。

本发明的另一个目的是提供上述光学传感器的制备方法。

本发明的又一个目的是提供一种分析检测硫醇化合物的方法。

为了实现以上发明目的，本发明提供了一种基于硅量子点的荧光阵列传感器，其包括第一传感单元、第二传感单元和第三传感单元，其中第一传感单元由蓝色荧光硅量子点和Hg²⁺离子组成，第二传感单元由蓝色荧光硅量子点和Ag⁺离子组成，第三传感单元由蓝色荧光硅量子点和Cu²⁺离子组成。

优选地，所述蓝色荧光硅量子点通过水热法合成制得。

另一方面，本发明还提供了所述基于硅量子点的荧光阵列传感器的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：制备蓝色荧光硅量子点使用液；

步骤2：制备第一传感单元；

步骤3：制备第二传感单元；

步骤4：制备第三传感单元。

优选地，所述蓝色荧光硅量子点的制备步骤如下：取0.56g一水柠檬酸，加入4mL去离子水充分溶解，注入2mL N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺，剧烈搅拌10min后，将混合液在160℃干燥箱反应4h，然后自然冷却到室温，得到蓝色荧光硅量子点粗产品，将所述蓝色荧光硅量子点粗产品透析12h，得到蓝色荧光硅量子点溶液，离心，过滤，将其稀释10倍，得到蓝色荧光硅量子点使用液。

优选地，所述第一传感单元的制备步骤如下：将BF-SiQDs使用液200μL用PBS缓冲液配成2mL溶液，pH值为5.9，加入Hg²⁺30μM。

优选地，所述第二传感单元的制备步骤如下：将BF-SiQDs使用液200μL用PBS缓冲液配成2mL溶液，pH值为8.0，加入Ag⁺100μM。

优选地，所述第三传感单元的制备步骤如下：将BF-SiQDs使用液200μL用PBS缓冲液配成2mL溶液，pH值为8.0，加入Cu²⁺100μM。

本发明还提供了所述基于硅量子点的荧光阵列传感器用于分析检测硫醇化合物的用途。

本发明还提供了一种用于分析检测硫醇化合物的方法，其包括以下步骤：将硫醇化合物样品分别加入所述基于硅量子点的荧光阵列传感器的第一传感单元、第二传感单元和第三传感单元中，测定加入前后的荧光信号强度变化。

优选地，硫醇化合物以浓度为500μM的溶液形式加入。

量子点的电子-空穴再结合效率会在分析物与量子点相互作用后发生变化，导致量子点的荧光淬灭或增强，单一量子点即对不同的分析物作用后便能有不同程度的荧光淬灭或增强，从而实现对分析物的识别。水溶性硅量子点大多带有大量的氨基和羧基，可以对特定的物质进行识别与分析。本发明的阵列传感器可以同时对具有多种组分的待测物进行识别和检测、减少相似组分的干扰，普适性更好。

本发明通过水热法制备的蓝色荧光硅量子点(BF-SiQDs)可与Hg²⁺、Ag⁺、Cu²⁺结合发生荧光淬灭，形成传感单元，传感单元与硫醇化合物作用后的荧光强度将发生不同程度的变化。基于此可将BF-SiQDs应用于构建用于测定微量硫醇化合物的多通道荧光阵列传感器。本发明的基于蓝色荧光硅量子点的Hg²⁺、Ag⁺、Cu²⁺三通道阵列传感器能够有效区分溶液中的微量谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(CYS)、巯基丙酸(MPA)等三种硫醇化合物。

综上，本发明采用水热法合成BF-SiQDs方法简单、操作简便，制得的BF-SiQDs具有良好的光学性能、成本低廉、无毒无害、生物相容性好、结果可靠、灵敏度高。

附图说明

图1是水热法合成BF-SiQDs的过程示意图。

图2是BF-SiQDs的紫外-可见光吸收光谱。

图3是BF-SiQDs的红外光谱。

图4是BF-SiQDs在350nm波长激发下的荧光光谱。

图5是基于Hg-SiQDs单通道传感器对三种硫醇化合物的特征指纹图谱。

图6是基于Ag-SiQDs单通道传感器对三种硫醇化合物的特征指纹图谱。

图7是基于Cu-SiQDs单通道传感器对对三种硫醇化合物的特征指纹图谱。

图8是基于Hg-SiQDs、Ag-SiQDs、Cu-SiQDs的三通道阵列传感器对三种硫醇化合物的特征指纹图谱。

图9是基于Hg-SiQDs、Ag-SiQDs、Cu-SiQDs的三通道阵列传感器对三种硫醇化合物响应后的LDA图。

图10是Hg-SiQDs、Ag-SiQDs、Cu-SiQDs的三通道阵列传感器对三种硫醇化合物响应后的HCA图。

图11是BF-SiQDs荧光淬灭与恢复原理示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。

实施例1：蓝色荧光硅量子点(BF-SiQDs)的合成

取0.56g一水柠檬酸，加入4mL去离子水充分溶解，注入2mL N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺(DAMO)，剧烈搅拌10min后，将混合液转移至反应釜中，在160℃干燥箱反应4h，然后自然冷却到室温，得到BF-SiQDs粗产品。合成步骤如图1所示。将粗产品用透析袋(MWCO：1000Da)透析12h，得到BF-SiQDs溶液，离心，过滤，将其稀释10倍，得到BF-SiQDs使用液。

图2为制得的BF-SiQDs的紫外-可见光吸收光谱。由图谱可见，BF-SiQDs在紫外-可见光区内有较强的吸收，且在360nm处有一明显的吸收峰，这说明所制得的BF-SiQDs粒径比较均匀。

图3为BF-SiQDs的红外光谱图。如图所示，查阅文献对比，3429cm^-1处为N-H有伸缩振动峰，2930cm^-1处有—CH₂—的伸缩振动峰，1566cm^-1处有N-H的弯曲振动峰，在1382cm^-1处有C-H键的弯曲振动峰，在1115cm^-1处有Si-O-Si的伸缩振动峰，与文献基本一致。由红外光谱可知，所合成的BF-SiQDs表面存在大量的氨基。

图4为BF-SiQDs在350nm波长激发下的荧光光谱，从图中可以观察到，发射波长在380nm到400nm之间时，发射波长几乎没有发生变化，说明量子点粒径分布较为均匀。其最大发射波长为457nm。

实施例2：阵列传感器的构建

利用不同阳离子(Hg²⁺、Ag⁺、Cu²⁺)分别于BF-SiQDs组成阵列传感器对谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(CYS)、2-巯基丙酸(MPA)进行区分和识别。

分别取9份实施例1所得BF-SiQDs使用液(每份200μL)，用PBS缓冲液(Hg²⁺组pH＝5.9，Ag⁺组、Cu²⁺组pH＝8.0)各配成2mL溶液，分为三组，使得每组有三支溶液，向其中一组各加入Hg²⁺30μM，一组各加入Ag⁺100μM，一组各加入Cu²⁺100μM。使得BF-SiQDs的荧光淬灭，分别测定荧光强度。

分别向上述各组溶液中的其中一支加入500μM GSH，一支加入500μM CYS，一支加入500μM MPA。将所有溶液在37℃下反应30min。

按上述步骤重复5次平行实验。最后一共可以得到三个通道×三种分析物×五次重复的数据矩阵，将这些数据导入Spss软件进行判别分析。

实验采集了各溶液在加入硫醇化合物前后的荧光强度变化，通过计算得到(F-F₀)/F₀的数值并利用这些数值作图即可得到各硫醇化合物的“特征指纹图谱”(图5-图8)。

图5示出了基于Hg-SiQDs单通道传感器对三种硫醇化合物的特征指纹图谱，图6示出了基于Ag-SiQDs单通道传感器对不同硫醇化合物的区分和识别能力，图7示出了基于Cu-SiQDs单通道传感器对不同硫醇化合物的区分和识别能力。

分析三幅特征指纹图谱，作出分类矩阵数据表(如以下表1所示)，可发现，当把单独的一种阳离子与BF-SiQDs结合作为传感单元时，单通道的传感器对三种硫醇化合物的识别能力十分有限。只有Ag-SiQDs可以较准确地识别出GSH与MPA两种硫醇。Cu-SiQDs可识别出GSH一种硫醇。

表1：三种基于BF-SiQDs的单通道传感器识别和区分三种硫醇化合物的分类矩阵数据表

分析物	Hg	Ag	Cu
				GSH	20％	100％	100％
CYS	80％	80％	60％
				MPA	60％	100％	40％

为构建Hg-SiQDs、Ag-SiQDs、Cu-SiQDs的三通道阵列传感器，将三个通道得到的特征指纹图谱结合进行判别分析，图8示出了基于Hg-SiQDs、Ag-SiQDs、Cu-SiQDs的三通道阵列传感器对三种硫醇化合物的特征指纹图谱。

将该阵列传感器得到的数据进行线性判别式分析(LDA)，结果如图9所示。LDA图以散点图为基础，每一个点代表一个试样，点与点之间的距离代表不同试样间特征差异的大小。从图中可看出，同一种硫醇化合物的平行测量点相对集中，不同的硫醇化合物的测量点之间没有重叠，所有样品均能被成功区分。

对所得的结果再进行HCA聚类分析树状图，如图10所示。HCA分析结果显示，绝大部分样品都能被成功识别，其中有一CYS样品未能正确识别，GSH、CYS、MPA的识别率分别为100％、80％、100％。

综上，当硫醇化合物浓度为500μM时，以Hg-SiQDs、Ag-SiQDs、Cu-SiQDs构建的荧光阵列传感器对GSH、CYS、MPA三种硫醇化合物具有良好的识别能力，阵列传感器的灵敏度较好。

BF-SiQDs用于构建阵列传感器的荧光淬灭及恢复机理

BF-SiQDs在350nm波长的紫外光激发下可发射出荧光，其最大发射波长在457nm。

当BF-SiQDs与金属阳离子结合时，量子点表面上的缺陷增多，电子陷阱加深，跃迁回价带并发射光子的电子减少，荧光淬灭。

当加入待测硫醇化合物时，巯基易与金属离子结合。以Cu²⁺与CYS为例，Cu²⁺与巯基形成Cu2+-S键，这一作用与SiQDs与Cu²⁺之间的相互作用形成竞争，使得Cu²⁺从SiQDs表面分离，此时SiQDs荧光恢复，如图11所示。

由于各种硫醇中巯基的还原性、亲核性不同，与不同的金属离子的络合能力也不同，基于这一原理硫醇分子与不同的传感单元相互作用，荧光信号便能发生不同程度的变化，从而构建阵列传感器，达到检测的目的。