本發(fā)明屬于化學(xué)領(lǐng)域中利用熒光碳納米點對多巴胺和Al³⁺的檢測和邏輯門操作的應(yīng)用。

背景技術(shù)：
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多巴胺是一種在大腦中很重要的神經(jīng)傳遞素，由神經(jīng)細(xì)胞釋放然后傳遞信號至其他神經(jīng)細(xì)胞。但是大腦中不正常水平的多巴胺是與一些疾病相關(guān)聯(lián)的，例如帕金森病和老年癡呆癥。另一方面，像Al³⁺這樣的金屬離子在很多生命活動中，比如在人體的微量元素方面，扮演著至關(guān)重要的角色。很多研究已經(jīng)表明，過量的Al³⁺攝入會導(dǎo)致腎功能衰竭，骨質(zhì)疏松以及神經(jīng)障礙。因此，檢測多巴胺和Al³⁺在控制生物體和環(huán)境系統(tǒng)中的濃度方面是至關(guān)重要的。到目前為止，包括液相色譜法，化學(xué)發(fā)光，毛細(xì)管電泳以及熒光技術(shù)等多種方法已經(jīng)被用于多巴胺的測定。然而，這些方法中的大多數(shù)都會受到時間長，花費(fèi)高以及需要復(fù)雜的儀器的限制。比如對Al³⁺的檢測，傳統(tǒng)的檢測方法像火焰原子吸收法，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法等都很昂貴、復(fù)雜和不方便快速的在線傳感。

熒光探針作為一種有效的傳感器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于檢測污染物。熒光探針能夠產(chǎn)生明顯的熒光信號變化用于物質(zhì)的定性和定量分析。雖然以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)制作的量子點(QDs)已經(jīng)被作為一種有效的熒光探針來使用，但是它的潛在的高毒性以及較差的生物相容性限制了其應(yīng)用。熒光碳納米點(CDs)，作為另一種納米顆粒，具有很高的水溶性，很強(qiáng)的化學(xué)惰性，易于功能化以及很好的生物相容性等優(yōu)點。因此，這種碳點(CDs)主要被應(yīng)用在生物成像，光電器件，醫(yī)療診斷，光催化和傳感器方面。然而，這些方法中的大多數(shù)都僅僅能檢測一種物質(zhì)。已公開的關(guān)于檢測多巴胺和Al³⁺的這種熒光探針幾乎沒有。

基于以上考慮，我們合成了一種制備方法簡單、成本較低的碳點(CNDs)作為熒光探針。這種碳點(CNDs)在檢測多巴胺和Al³⁺離子的過程中表現(xiàn)出了高效率、高靈敏性、光穩(wěn)定性等優(yōu)點。更重要的是，已合成的這種碳點(CNDs)展示出了對多巴胺和Al³⁺很高的選擇性和敏感性，檢測限分別達(dá)到了0.0078μM和0.0329μM。目前這種方法已經(jīng)成功的應(yīng)用于對人體尿液和血清樣品中的多巴胺的檢測以及對環(huán)境水樣中的Al³⁺的檢測。由于這些獨(dú)特的性質(zhì)，用這種碳點(CNDs)還可以進(jìn)行邏輯門操作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明改進(jìn)了現(xiàn)有檢測方法毒性高，生物相容性差，水溶性不好并且只能檢測一種物質(zhì)的缺點，實現(xiàn)了利用熒光碳點對多巴胺和Al³⁺的雙重檢測，并利用這種性質(zhì)進(jìn)行邏輯門的構(gòu)造。

本發(fā)明利用這種熒光碳點(CNDs)和多巴胺結(jié)合之后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光碳點的熒光猝滅從而實現(xiàn)了對多巴胺的檢測。用不同濃度的多巴胺測得不同熒光強(qiáng)度的數(shù)據(jù)可得到方程F₀/F-1＝0.2328+0.0979c，其中F₀為不加入多巴胺時的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為多巴胺濃度為c時的熒光強(qiáng)度，相關(guān)系數(shù)為0.9943。多巴胺濃度范圍在20μM到80μM。從而推算出對于多巴胺的檢測限為0.0078μM。

本發(fā)明利用上述中的碳點多巴胺的結(jié)合物，CNDs-多巴胺，實現(xiàn)對Al³⁺的檢測。檢測機(jī)理為：在CNDs-多巴胺中加入Al³⁺后，Al³⁺會和多巴胺進(jìn)行結(jié)合，從而釋放出了具有熒光性質(zhì)的碳點(CNDs)，導(dǎo)致熒光的恢復(fù)，進(jìn)而可以利用熒光強(qiáng)度的改變實現(xiàn)對Al³⁺的檢測。通過對熒光強(qiáng)度和Al³⁺濃度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，得到方程F₀/F-1＝-0.0058-0.0069c，其中F₀為不含有Al³⁺時的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為Al³⁺濃度為c時的熒光強(qiáng)度，相關(guān)系數(shù)為0.9928。從而推算出對于Al³⁺的檢測限為0.0329μM。

利用上述性質(zhì)，構(gòu)建了一種以多巴胺和Al³⁺為基礎(chǔ)的邏輯門，通過多巴胺和Al³⁺對熒光強(qiáng)度的影響來實現(xiàn)對輸出信號的控制。

本發(fā)明對上述檢測過程中的干擾性因素進(jìn)行了深入研究，包括溫度，pH值，穩(wěn)定時間以及離子強(qiáng)度對碳點(CNDs)熒光強(qiáng)度的影響。干擾性測試是在磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行。測試結(jié)果表明溫度對熒光強(qiáng)度幾乎沒有影響，對pH值的測試中我們發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)酸(pH＜6)或者強(qiáng)堿(pH＞10)下，碳點(CNDs)的熒光發(fā)生猝滅，且pH值為7.0時有最高的熒光發(fā)射強(qiáng)度，這個pH值和生物體內(nèi)的環(huán)境很相似，這表明了這種碳點(CNDs)可以在生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。穩(wěn)定時間測試結(jié)果顯示：這種碳點在空氣中暴露30天之后依然保持著很強(qiáng)的熒光強(qiáng)度。離子強(qiáng)度測試顯示：KCl對結(jié)果的影響也很小，這說明這種碳點(CNDs)可以在實際檢測中有很好的應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的碳點(CNDs)的結(jié)構(gòu)表征。

圖2(a)是本發(fā)明的碳點(CNDs)對多巴胺的敏感性研究及濃度的檢測：橫坐標(biāo)為波長(nm)，縱坐標(biāo)為熒光強(qiáng)度；圖2(b)是碳點(CNDs)對多巴胺的選擇性測試。

圖3(a)(b)是本發(fā)明的碳點(CNDs)對Al³⁺的敏感性研究及濃度的檢測；圖3(c)是不含多巴胺的碳點對Al³⁺的敏感性測試；圖3(d)是碳點(CNDs)對Al³⁺選擇性的測試。

圖4是本發(fā)明的碳點(CNDs)受溫度、pH值、放置時間及碳點的濃度對熒光強(qiáng)度影響的測試。

圖5是本發(fā)明的碳點(CNDs)構(gòu)建邏輯門操作的原理示意圖。

具體實施方式

參照附圖1-5對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明

實施例1

本發(fā)明的碳點(CNDs)的合成：將1.92g無水檸檬酸和6.81g4，7，10-三氧-1，13-十三烷二胺溶解在20ml蒸餾水中，然后轉(zhuǎn)移至50ml的高壓釜中，在200℃下加熱5h。當(dāng)反應(yīng)釜冷卻至室溫時我們得到了透明的褐色溶液，之后我們加入氫氧化鈉去調(diào)節(jié)上述溶液的pH值到14。接著進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到固體，然后再溶解到乙醇里，不溶物將會通過離心除去，留下上清液。最后，上清液進(jìn)一步由透析袋(Mw＝3000)放在蒸餾水中透析4天。最后，純的碳點(CNDs)將由旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到。

本發(fā)明的碳點(CNDs)的表征：用透射電子顯微鏡(TEM)來得到碳點(CNDs)的結(jié)構(gòu)。圖1a表示碳點(CNDs)在水溶液中高度分散并且平均直徑在3.9nm。我們也可以清晰地看到，碳點(CNDs)是呈球形的。用傅立葉變換紅外線分光鏡(FT-IR)來進(jìn)一步研究碳點(CNDs)表面的功能基團(tuán)以及化學(xué)組成(如圖1b)。在3430cm^-1，3228cm^-1，1656cm^-1和1114cm^-1處出現(xiàn)的峰剛好和-OH，-NH₂，C＝O，C-O的一致。由此我們可以推斷碳點(CNDs)表面-NH₂和-COOH這兩個親水基團(tuán)。這些親水基團(tuán)加強(qiáng)了碳點(CNDs)的水溶性，也使得碳點(CNDs)在水溶液中的檢測應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大了。1400cm^-1處的峰來自于-NHCO-，這表明在制備碳點(CNDs)時發(fā)生了?；磻?yīng)。

另外，X射線光電子能譜分析(XPS)用來研究碳點表面總成分以及表面元素分析(如圖1c所示)。透析后顯示X光電子能譜圖顯示了三個峰，分別在285eV，400eV和532eV，分別表示C1s，N1s和O1s。碳點C1s的高分辨率表明了由于C-C，C-N和C＝O的結(jié)合能，分別在285eV，286eV，288eV出現(xiàn)峰值(如圖1d所示)。N1s譜圖顯示有兩個峰在400eV左右，分別表示C-N-C和N-H(如圖1e所示)。O1s譜圖分成三個峰，相當(dāng)于C＝O，C-OH和C-O-C基團(tuán)(如圖1f所示)。結(jié)果與傅立葉變換紅外光譜圖一致。

實施例2

本發(fā)明中使用的碳點(CNDs)對多巴胺敏感性、選擇性以及濃度的檢測。

(a)把多巴胺按照濃度從0μM to 200μM逐漸加入到碳點(CNDs)溶液中，檢測熒光強(qiáng)度的變化以及不同多巴胺濃度(20μM到80μM)和熒光猝滅效率F0/F-1之間的線性關(guān)系。結(jié)果表明隨著多巴胺的加入，熒光強(qiáng)度逐漸減少，說明這種碳點(CNDs)對于多巴胺的敏感性很好并且具有很低的檢測限0.0078μM。

(b)不同物質(zhì)對熒光猝滅的影響對照。A.空白樣品B.鄰苯二酚C.對苯二酚D.間苯二酚E.二聯(lián)酚F.5-甲基-3-苯二酚G.多巴胺。測試表明本發(fā)明中使用的碳點(CNDs) 對多巴胺選擇性很好。

實施例3

本發(fā)明中使用的碳點(CNDs)對Al³⁺敏感性、選擇性以及濃度的檢測。

(a)在含有1mM的多巴胺的碳點(CNDs)溶液中逐漸加入Al³⁺(濃度從0μM到200μM)觀察到熒光強(qiáng)度明顯升高，表明了碳點(CNDs)-多巴胺體系對Al³⁺的敏感性很好。

(b)熒光猝滅效率和Al³⁺濃度的線性關(guān)系，其中Al³⁺濃度范圍在4μM to 40μM之間符合很好的線性關(guān)系。推算出具有較低的檢測限0.0329μM。

(c)不含多巴胺的碳點溶液對Al³⁺的敏感性測試。結(jié)果顯示不含多巴胺的碳點對Al³⁺的敏感性很差，熒光強(qiáng)度變化很小。

(d)碳點對Al³⁺的選擇性測試。通過加入不同金屬離子觀察熒光強(qiáng)度的變化。其中1：CNDs-多巴胺2：Co²⁺；3：Ba²⁺；4：Zn²⁺；5：Ce³⁺；6：Al³⁺；7：Ni²⁺；8：Cr³⁺；9：Hg²⁺；10：Mn²⁺；11：Cu³⁺；12：Ag⁺；13：La³⁺；14：Na⁺；15：Ca²⁺；16：Mg²⁺；17：Pb²⁺；18：K⁺；19：Pd²⁺；20：Fe³⁺；21：Cd²⁺.結(jié)果顯示Al³⁺對熒光強(qiáng)度影響最大，表明這種碳點對Al³⁺有很好的選擇性。

實施例4

溫度、pH值、放置時間及碳點的濃度對熒光強(qiáng)度影響的測試。

(a)不同溫度與熒光強(qiáng)度之間的關(guān)系表明，溫度對熒光強(qiáng)度影響很小。

(b)pH值與熒光強(qiáng)度的關(guān)系曲線表明：在pH為7的時候熒光強(qiáng)度最高，由于生物體內(nèi)環(huán)境的pH值約為7左右，所以可以利用這種性質(zhì)在生物領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

(c)時間與熒光強(qiáng)度變化曲線說明了：在30天以內(nèi)熒光強(qiáng)度下降的很少，依然保持著較高的熒光強(qiáng)度

(d)不同的KCl濃度和熒光強(qiáng)度的關(guān)系曲線說明了：在0-2M的KCl濃度變化區(qū)間內(nèi)熒光強(qiáng)度改變量很小。這種優(yōu)點對實際應(yīng)用中有很大的幫助。

實施例5

本發(fā)明用于真實樣品檢測：為了測試碳點(CNDs)檢測多巴胺的可行性，我們在生物流體里檢測。我們選用人類尿液和血清來作為真實樣品來檢測該探針對多巴胺的檢測。事先準(zhǔn)備好的碳點和多巴胺加入到稀釋50倍的尿液和血清中，基于線性關(guān)系(如圖4a所示)，得到了多巴胺的檢測結(jié)果?？偨Y(jié)于表1中，得到的數(shù)據(jù)都一致表明了該碳點(CNDs)能檢測多巴胺。實驗結(jié)果表明真實樣品中的有機(jī)或者無機(jī)物質(zhì)并沒有影響到多巴胺的檢測，確認(rèn)了這種先進(jìn)的探針檢測實際樣品中多巴胺的可行性。

表1 Determination of dopamine in human urine and serum samples(n＝3)

Al³⁺離子與碳點(CNDs)-多巴胺體系之間的特異性結(jié)合表明或許我們可以直接運(yùn)用該體系來檢測實際樣品中的Al³⁺離子。所以我們?nèi)×俗匀唤缰械乃?湖水和自來水)來測試。如表2可知，我們得到了滿意的結(jié)果。很顯然，自然界水中的成分并沒有影響Al³⁺離子的檢測，暗示著該探針有著很大的潛能去檢測復(fù)雜樣品中的Al³⁺離子。

表2 Determination of Al³⁺in lake water and tap water samples(n＝3).

實施例6

本發(fā)明中的碳點(CNDs)構(gòu)建邏輯門的原理示意圖。

輸入信號：含有多巴胺或者Al³⁺，值為1，否則為0 輸出信號：熒光恢復(fù)，值為1，熒光猝滅值為0(激發(fā)波長為423nm)

只有碳點(CNDs)時，多巴胺＝0 Al³⁺＝0 有熒光＝1

碳點(CNDs)多巴胺體系中，多巴胺＝1 Al³⁺＝0 熒光猝滅＝0

碳點(CNDs)和Al³⁺體系中 多巴胺＝0 Al³⁺＝1 有熒光＝1

碳點(CNDs)多巴胺、Al³⁺體系中 多巴胺＝1 Al³⁺＝1 熒光恢復(fù)＝1

根據(jù)此原理可以構(gòu)建可操作的邏輯門。