一种硅纳米颗粒探针及其制备方法、应用
阅读说明：本技术 一种硅纳米颗粒探针及其制备方法、应用 (Silicon nanoparticle probe and preparation method and application thereof ) 是由 潘聪洁 马龙飞 覃雪珍 温巧巧 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于硅纳米材料技术领域,提供了一种硅纳米颗粒探针及其制备方法、应用,以3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷作为硅源,阿米酚为还原剂,通过一锅水热法得到荧光硅纳米颗粒探针,硅纳米颗粒探针的粒径为2.0～3.6nm；其制备方法包括如下：S1、搅拌溶解得到混合物；S2、进行高温反应,冷却至室温得到硅纳米颗粒溶液；S3、将得到的硅纳米颗粒溶液进行透析得到硅纳米颗粒探针SiNPs。本发明制备的硅纳米颗粒探针SiNPs具有优异的抗光漂白性、耐盐稳定性、水分散性以及生物相容性,且建立了用于定量测定姜黄素的高选择性、高灵敏度的荧光/比色双模式检测方法；也用于可视化检测姜黄素的试纸。(The invention belongs to the technical field of silicon nano materials, and provides a silicon nano particle probe, and a preparation method and application thereof, wherein a fluorescent silicon nano particle probe is obtained by using 3- [2- (2-aminoethylamino) ethylamino ] propyl-trimethoxy silane as a silicon source and amoebol as a reducing agent through a one-pot hydrothermal method, and the particle size of the silicon nano particle probe is 2.0-3.6 nm; the preparation method comprises the following steps: s1, stirring and dissolving to obtain a mixture; s2, carrying out high-temperature reaction, and cooling to room temperature to obtain a silicon nanoparticle solution; and S3, dialyzing the obtained silicon nanoparticle solution to obtain the silicon nanoparticle probe SiNPs. The silicon nanoparticle probe SiNPs prepared by the invention has excellent photobleaching resistance, salt-tolerant stability, water dispersibility and biocompatibility, and a high-selectivity and high-sensitivity fluorescent/colorimetric dual-mode detection method for quantitatively determining curcumin is established; also used for the test paper for visually detecting the curcumin.)
技术领域
本发明属于硅纳米材料技术领域，具体涉及一种硅纳米颗粒探针及其制备方法、应用。
背景技术
姜黄素是从姜黄属植物姜黄中提取得到的一种多酚类活性物质，主要应用于染料、食品着色剂和医药保健品等。现代医学表明姜黄素具有降血糖、抗炎、抗氧化、抗癌等多种药理作用，且毒性低、不良反应小。但是过量使用姜黄素会使人体的DNA失活，导致细胞内ATP水平降低，引发组织坏死等不可逆的影响。因此，建立快速、灵敏检测姜黄素的新方法具有重要意义。目前，姜黄素的常用检测方法主要有高效液相色谱法、电化学分析法和薄层色谱法等。这些方法大多操作复杂、仪器昂贵且分析检测成本高。分光光度法由于操作简单、成本低、选择性和灵敏度高等优点引起了人们的广泛关注并建立了一系列检测姜黄素的分析方法。例如，以磁性分子印迹聚合物为探针建立了测定食品样品中姜黄素的紫外-可见分光光度法；通过氮、硫、磷和氯元素掺杂的方法合成了荧光碳纳米材料并将其作为"off-on"荧光探针用于姜黄素的检测。但是以上方法在检测姜黄素时存在纳米材料制备耗时、毒性高、使用有机溶剂以及检测模式单一等缺点，限制了这些材料的广泛应用。因此，发展一种简单、高灵敏和高选择性的双模式检测姜黄素的方法具有重要的意义。
荧光硅纳米颗粒(SiNPs)是一种新型荧光探针，由于其具有优异的光学稳定性、低毒性、良好的水溶性和生物相容性而被广泛关注。目前，水溶性SiNPs的合成方法主要有室温搅拌法、微波辅助法和水热法等。其中，一锅水热法因操作简单、仪器便宜、反应条件相对温和以及制备的SiNPs量子产率高而被广泛应用。目前，基于SiNPs已构筑了多种荧光探针用于金属离子、爆炸物、pH以及生物活性物质等的检测。基于此，本发明以新型硅纳米颗粒SiNPs为探针，构筑快速、高效、灵敏检测姜黄素的荧光/比色新方法具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供了一种硅纳米颗粒探针及其制备方法，以3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷作为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法得到硅纳米颗粒探针SiNPs，该硅纳米颗粒探针SiNPs具有优异的耐盐性、pH稳定性以及抗光漂白能力，应用于姜黄素的测定，选择性好、灵敏度高；也用于姜黄素的可视化检测。
本发明的目的之一是提供一种硅纳米颗粒探针，以3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷作为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法得到硅纳米颗粒探针SiNPs，所述硅纳米颗粒探针的粒径为2.0～3.6nm。
本发明的目的之二是提供上述硅纳米颗粒探针的制备方法，包括如下步骤：
S1、在容器中加入去离子水，搅拌过程中加入3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷，然后加入HCl溶液以及阿米酚，搅拌溶解得到混合物；
S2、将S1得到的混合物转移至反应釜中进行高温反应，冷却至室温得到硅纳米颗粒溶液；
S3、将S2得到的硅纳米颗粒溶液进行透析得到硅纳米颗粒探针溶液。
优选的，S1中，所述去离子水与3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷的体积比为4:1。
优选的，S1中，所述HCl摩尔浓度为1M，所述去离子水与HCl的体积比为4：0.5～1。
优选的，S1中，所述阿米酚和HCl的质量体积比为2.0～5.0mg：500～1000μL。
优选的，S2中，所述高温反应的温度为160～200℃，反应时间为4～8h。
优选的，S3中，所述透析过程中的截留分子量为1000Da，透析的时间为7h。
本发明的目的之三是提供上述硅纳米颗粒探针在定量检测姜黄素的应用，包括以下步骤，
步骤1：将硅纳米颗粒探针溶液用pH为7.4的PBS缓冲溶液稀释使得混合溶液的总体积为2mL，作为空白对照；
步骤2、在硅纳米颗粒探针中加入不同浓度的姜黄素溶液，并加入pH为7.4的PBS缓冲溶液使得混合溶液的总体积为2mL；混合溶液充分混匀后孵育1min，得到不同浓度姜黄素混合测试溶液，测定溶液在444nm激发波长下的荧光发射光谱或紫外-可见吸收光谱；以不同浓度姜黄素混合测试溶液及其对应的空白对照来建立荧光法或者比色法的标准曲线；
步骤3、将需要检测的溶液按照步骤2的方法制备成待测试溶液；
按照荧光法测定荧光强度，带入标准曲线后计算姜黄素的含量；或者按照比色法测定吸光度值带入标准曲线后，计算姜黄素的含量。
优选的，荧光法测定姜黄素的线性范围为0.05～50μM，检测限为15.2nM；比色法测定姜黄素的线性范围为1～40μM，检测限为0.30μM。
本发明的目的之四是提供上述硅纳米颗粒探针在可视化检测姜黄素的应用，包括以下步骤：
将定性滤纸浸泡到硅纳米颗粒探针SiNPs溶液中20min后取出来并置于50℃下干燥、冷却至室温后，将滤纸切成条状；将含有姜黄素的溶液滴到制备的试纸条上，待溶剂自然蒸发后，滤纸颜色反生变化后说明存在姜黄素，其中，可视化检测姜黄素的浓度大于等于0.02mM。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、本发明以3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法制备了绿色硅纳米颗粒探针SiNPs，该硅纳米颗粒探针SiNPs制备方法操作简单、条件温和，所制备的硅纳米颗粒探针SiNPs具有优异的耐盐性、pH稳定性以及抗光漂白能力；硅纳米颗粒探针SiNPs的荧光在加入姜黄素后被淬灭，其淬灭机理为内过滤效应IFE和静电作用。
2、本发明建立了一种高灵敏和高选择性检测姜黄素的荧光/比色双模式新方法，所建立的测定姜黄素的方法选择性好、灵敏度高，应用于实际样品姜黄素保健品和咖喱粉中姜黄素的测定，加标回收率良好；制备的硅纳米颗粒探针SiNPs试纸也用于姜黄素的可视化检测。
附图说明
图1为本发明中制备硅纳米颗粒探针SiNPs的工艺流程图；
图2为本发明中制备的硅纳米颗粒探针SiNPs的透射电子显微镜图谱；
图3为本发明中制备的硅纳米颗粒探针SiNPs的红外光谱图谱；
图4为本发明中制备的硅纳米颗粒探针SiNPs的X光电子能谱图谱；
图5为本发明制备的硅纳米颗粒探针SiNPs在不同pH时的归一化荧光强度；
图6为本发明制备的硅纳米颗粒探针SiNPs在不同浓度NaCl溶液中的归一化荧光强度；
图7为本发明制备的硅纳米颗粒探针SiNPs在激发波长为444nm的光源下照射不同时间的荧光强度；
图8为本发明制备的硅纳米颗粒探针SiNPs对无机离子以及无机离子和姜黄素混合物的响应；
图9为本发明制备的硅纳米颗粒探针SiNPs对有机化合物以及有机化合物和姜黄素混合物的响应；
图10为本发明制备的硅纳米颗粒探针SiNPs用于可视化检测姜黄素图；
其中，a为日光，b为365nm紫外线灯。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围，除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
实施例1
一种硅纳米颗粒探针，以3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷AEEA作为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法得到硅纳米颗粒探针SiNPs，硅纳米颗粒探针SiNPs的粒径为2.0～3.6nm。
上述硅纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：
S1、在20mL圆底烧瓶中加入4mL去离子水，搅拌过程中加入1mL的AEEA，然后加入750μL浓度为1M的HCl溶液以及2.0mg阿米酚，充分搅拌溶解得到混合物；
S2、将S1得到的混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中，在200℃条件下反应6h，自然冷却至室温得到硅纳米颗粒溶液；
S3、将S2得到的硅纳米颗粒溶液在截留分子量为1000Da的透析袋中透析7h得到硅纳米颗粒探针SiNPs。
硅纳米颗粒探针SiNPs溶液储存在4℃的冰箱中以用于后面的检测。
如图2所示，实施例1制备的SiNPs形状规则、分布均匀，粒径范围为2.0～3.6nm，平均直径为2.89nm。
如图3和4所示，实施例1制备的SiNPs表面富含亲水性基团氨基和羟基。
对SiNPs的热稳定性、抗光漂白性、耐盐性以及不同pH值时的荧光强度进行考察，如图5为pH对SiNPs归一化荧光强度的影响，图6为NaCl浓度对SiNPs归一化荧光强度的影响，图7为光照时间对SiNPs荧光强度的影响；如图5、图6和图7所示，所制备的SiNPs具有优异的pH稳定性、耐盐性以及抗光漂白性。此外，该SiNPs对温度敏感，随着温度的逐渐增加，SiNPs的荧光不断被淬灭，SiNPs的荧光强度和温度在5～85℃范围内呈现良好的线性关系，表明SiNPs可作为温度探针应用于温度测量。
上述硅纳米颗粒探针在定量检测姜黄素的应用，荧光法测定姜黄素的建立方法包括以下步骤：
步骤1、将硅纳米颗粒探针溶液用pH为7.4的PBS缓冲溶液稀释使得混合溶液的总体积为2mL，作为空白对照；在激发波长为444nm条件下测定SiNPs的荧光发射光谱，激发波长和发射波长的狭缝宽度均为5nm；
步骤2、在硅纳米颗粒探针中加入不同浓度的姜黄素溶液，并加入pH为7.4的PBS缓冲溶液使得混合溶液的总体积为2mL；混合溶液充分混匀后孵育1min，得到不同浓度姜黄素混合测试溶液；按照步骤1中设定的参数测定荧光发射光谱；所有实验均在室温条件下进行；
步骤3、荧光法测定姜黄素的建立方法：在最佳检测条件下，对该检测系统的性能进行了评估，SiNPs的荧光强度随着姜黄素浓度的增加而逐渐降低，且猝灭效率log(F0/F)(F0和F分别为SiNPs溶液在未加和加入姜黄素后在500nm发射波长处的荧光强度)与姜黄素浓度(C姜黄素)在0.05～50μM范围内存在良好的线性关系，线性回归方程为log(F0/F)＝0.0317C姜黄素+0.0246(R2＝0.992，R为相关系数)，检测极限为15.2nM；
此外，比色法测定姜黄素的建立方法包括以下步骤：
步骤1、将硅纳米颗粒探针溶液用pH为7.4的PBS缓冲溶液稀释使得混合溶液的总体积为2mL，作为空白对照；在紫外分光光度计中测定紫外-可见吸收光谱；
步骤2、在硅纳米颗粒探针中加入不同浓度的姜黄素溶液，并加入pH为7.4的PBS缓冲溶液使得混合溶液的总体积为2mL；混合溶液充分混匀后孵育1min，得到不同浓度姜黄素混合测试溶液；在紫外分光光度计中测定紫外-可见吸收光谱；所有实验均在室温条件下进行；
步骤3、比色法测定姜黄素的建立方法：在最佳检测条件下，对该检测系统的性能进行了评估，随着姜黄素浓度的增加，SiNPs溶液的吸光度值(A)逐渐升高，且SiNPs溶液在363nm处的A值与姜黄素浓度在1～40μM范围内具有良好的线性相关性，线性回归方程为A＝0.0110C姜黄素+2.30(R2＝0.988)，检测极限为0.30μM。
对硅纳米颗粒探针SiNPs对姜黄素的选择性按照如下步骤进行考察：
将硅纳米颗粒探针溶液用pH为7.4的缓冲溶液稀释；在硅纳米颗粒探针溶液中加入无机离子或有机化合物溶液如氨基酸、维生素、麦芽糖、葡萄糖和尿素等，并加入PBS缓冲溶液使得混合溶液的总体积为2mL(混合溶液中无机离子或有机化合物的浓度均为200μM)；混合溶液充分混匀后孵育1min，在激发波长为444nm条件下测量SiNPs的荧光发射光谱，激发波长和发射波长的狭缝宽度均为5nm。
硅纳米颗粒探针SiNPs对姜黄素的抗干扰能力按照如下步骤进行考察：将硅纳米颗粒探针溶液用pH为7.4的缓冲溶液稀释；在硅纳米颗粒探针溶液中加入姜黄素以及无机离子或有机化合物溶液如氨基酸、维生素、麦芽糖、葡萄糖和尿素等，并加入PBS缓冲溶液使得混合溶液的总体积为2mL(混合溶液中姜黄素的浓度为10μM，无机离子或有机化合物的浓度均为200μM)；混合溶液充分混匀后孵育1min，在激发波长为444nm条件下测量SiNPs的荧光发射光谱，激发波长和发射波长的狭缝宽度均为5nm。
图8为硅纳米颗粒探针SiNPs对无机离子以及无机离子和姜黄素混合物的响应，图9为硅纳米颗粒探针SiNPs对有机化合物以及有机化合物和姜黄素混合物的响应；由图8和9可知，在SiNPs溶液中加入以上干扰物质后，SiNPs在500nm的荧光强度基本没有变化；此外，在SiNPs溶液中加入姜黄素和这些干扰物质的混合溶液后，该体系在500nm的荧光强度和只加入姜黄素时未发生明显变化。表明本发明中制备的硅纳米颗粒探针SiNPs具有优异的选择性和抗干扰能力，可用于实际样品中姜黄素的检测。
将所建立的方法应用于姜黄素保健品和咖喱粉中姜黄素的测定，包括以下步骤：
分别称取0.1g姜黄素保健胶囊内容物(样品1、2)溶于10mL甲醇中，0.5g咖喱粉(样品3)溶于7mL去离子水中，超声处理30min，在16500r/min、30℃下离心30min，取上清液，稀释至合适的浓度，用于定量检测；
用PBS缓冲溶液(10mM，pH7.4)稀释SiNPs溶液，加入实际样品溶液，室温下孵育1min，在444nm激发波长下测量SiNPs的荧光发射光谱；将SiNPs在500nm的荧光强度带入荧光线性方程log(F0/F)＝0.0317C姜黄素+0.0246(R2＝0.992)，计算得到所对应三种实际样品中姜黄素的含量，分别为909.9、90.48、14.40mg/g；另外，通过额外加入一系列已知浓度的姜黄素溶液，研究了该方法的加标回收情况，加标回收率在95.80％到105.70％之间，相对标准偏差小于5.83％(n＝3)，表明该方法可用于实际样品中姜黄素的检测，具有良好的重现性。
上述硅纳米颗粒探针在定性检测姜黄素的应用，包括以下步骤：
将定性滤纸浸入到SiNPs溶液中；浸泡20min后，将滤纸从溶液中移取出来并置于50℃的烘箱中干燥；待滤纸自然冷却至室温后，将滤纸切成条状；将10μL不同浓度的姜黄素溶液分别滴到制备的试纸条上；待溶剂自然蒸发后，在日光和365nm紫外线灯下分别观察滤纸条的颜色变化以及荧光淬灭情况确定姜黄素是否存在；上述实验均在室温下进行。
如图10所示，其中，a为日光，b为365nm紫外线灯，向滤纸条上滴加姜黄素后，在姜黄素浓度为0.02mM下，滤纸条的颜色发生变化，随姜黄素浓度的逐渐增大，滤纸条的颜色变为砖红色；且在365nm紫外线灯下观察到滤纸条的荧光淬灭。此外，随着姜黄素浓度逐渐增加，砖红色逐渐加深，且滤纸条的荧光淬灭程度逐渐增强。结果表明SiNPs滤纸条可用于检测姜黄素。
实施例2
一种硅纳米颗粒探针，以AEEA作为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法得到SiNPs，SiNPs的粒径为2.0～3.6nm。
上述硅纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：
S1、在20mL圆底烧瓶中加入8mL去离子水，搅拌过程中加入2mL的AEEA，然后加入1000μL浓度为1M的HCl溶液以及4.0mg阿米酚，充分搅拌溶解得到混合物；
S2、将S1得到的混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中，在200℃条件下反应8h，自然冷却至室温得到硅纳米颗粒溶液；
S3、将S2得到的硅纳米颗粒溶液在截留分子量为1000Da的透析袋中透析7h得到SiNPs。
SiNPs溶液储存在4℃的冰箱中以用于后面的检测。
实验证明，本实施例所获得的SiNPs的表征数据及检测姜黄素的数据与实施例1无实质性差别。
实施例3
一种硅纳米颗粒探针，以AEEA作为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法得到SiNPs，SiNPs的粒径为2.0～3.6nm。
上述硅纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：
S1、在20mL圆底烧瓶中加入4mL去离子水，搅拌过程中加入1mL的AEEA，然后加入750μL浓度为1M的HCl溶液以及2.0mg阿米酚，充分搅拌溶解得到混合物；
S2、将S1得到的混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中，在160℃条件下反应6h，自然冷却至室温得到硅纳米颗粒溶液；
S3、将S2得到的硅纳米颗粒溶液在截留分子量为1000Da的透析袋中透析7h得到SiNPs。
SiNPs溶液储存在4℃的冰箱中以用于后面的检测。
实验证明，本实施例所获得的SiNPs的表征数据及检测姜黄素的数据与实施例1无实质性差别。
实施例4
一种硅纳米颗粒探针，以AEEA作为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法得到SiNPs，SiNPs的粒径为2.0～3.6nm。
上述硅纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：
S1、在20mL圆底烧瓶中加入4mL去离子水，搅拌过程中加入1mL的AEEA，然后加入750μL浓度为1M的HCl溶液以及4.0mg阿米酚，充分搅拌溶解得到混合物；
S2、将S1得到的混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中，在180℃条件下反应8h，自然冷却至室温得到硅纳米颗粒溶液；
S3、将S2得到的硅纳米颗粒溶液在截留分子量为1000Da的透析袋中透析7h得到SiNPs。
SiNPs溶液储存在4℃的冰箱中以用于后面的检测。
实验证明，本实施例所获得的SiNPs的表征数据及检测姜黄素的数据与实施例1无实质性差别。
实施例5
一种硅纳米颗粒探针，以AEEA作为硅源，阿米酚为还原剂，通过一锅水热法得到SiNPs，SiNPs的粒径为2.0～3.6nm。
上述硅纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：
S1、在20mL圆底烧瓶中加入4mL去离子水，搅拌过程中加入1mL的AEEA，然后加入500μL浓度为1M的HCl溶液以及5.0mg阿米酚，充分搅拌溶解得到混合物；
S2、将S1得到的混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中，在200℃条件下反应4h，自然冷却至室温得到硅纳米颗粒溶液；
S3、将S2得到的硅纳米颗粒溶液在截留分子量为1000Da的透析袋中透析7h得到SiNPs。
SiNPs溶液储存在4℃的冰箱中以用于后面的检测。
实验证明，本实施例所获得的SiNPs的表征数据及检测姜黄素的数据与实施例1无实质性差别。
需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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