CN106010509B - 一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器及应用。在20‑60℃范围内，荧光硅纳米粒子的荧光对温度不敏感，而异硫氰酸罗丹明B的荧光对温度有较好的响应性，且两者的荧光发射峰互不干扰，所以将异硫氰酸罗丹明B和荧光硅纳米粒子通过共价键结合起来，合成了一种新型荧光比率型温度传感器。与现有的荧光温度传感器相比，本发明具有以下优点：传感器水溶性较好，制备简单、成本低、生物相容性较好，且检测方法简捷快速、灵敏度和精确度高，抗干扰性强。藉于此，该传感器适于实际生产应用及推广，在细胞内温度监控、细胞成像、环境监控等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器、制备方法及 应用

技术领域

本发明涉及材料制备和分析检测技术领域，主要是提供一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器、制备方法及应用。

背景技术

众所周知，温度是一种重要的物理参数。在生物系统，温度控制着细胞的各种生理反应，与复杂的细胞环境中的各种生理活动紧密相关，如细胞的结构与功能、各种酶反应、细胞分裂、基因表达以及新陈代谢。这主要是因为温度能影响细胞内各类反应的平衡常数和反应动力学，例如，由于细胞内新陈代谢的差异，恶性肿瘤细胞组织的温度比正常细胞要高。温度不仅对生物系统影响巨大，还对化学系统有着不可忽视的作用。不同的温度会促使反应朝不同温度进行，如可逆反应；合适的温度不仅可以提高化学反应速率，还可以减少副产物的生成。而温度与生理和化学领域息息相关，故而准确检测这些体系的温度显得至关重要。

目前，温度传感器的种类很多，常见的如基于NIPAM的温敏性材料、稀土金属掺杂的量子点等。虽然这些温度传感器灵敏度和精确度较高，但是存在许多问题，如测试条件苛刻，适宜温度范围窄，对细胞伤害较大，适用性较差等。

本专利所制备的异硫氰酸罗丹明B修饰的硅纳米粒子是一种比率型荧光温度传感器，制备成本较低、荧光强度高、生物相容性好；它具有两个不同的荧光发射峰，分别位于445nm和576nm处；且当温度逐渐上升时，来自异硫氰酸罗丹明B的荧光强度呈现规律性的下降，而来自荧光硅纳米粒子的荧光强度基本保持不变；重要的是，两个荧光强度的比值（I₅₇₆/I₄₄₅）与温度（20~60℃）呈现出较好的线性关系。基于该温度传感器的以上优点，该异硫氰酸罗丹明B修饰的硅纳米粒子具有较好的荧光比率型温度响应特征，且有希望在细胞温度监控、细胞成像等领域得到广泛应用。

总之，本专利提供了一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器及应用，由于其各方面的优异性能，我们有理由相信它在生物、化学以及环境应用的巨大潜力和光明前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器及应用，该传感器制备方法简单，创造性地将荧光硅纳米粒子和温敏性异硫氰酸罗丹明B共价键结合起来，合成了这种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器，进一步研究表明，该荧光硅纳米粒子对温度在20~60℃范围内有灵敏的比率荧光响应特征，是一类较好的温度传感材料。

本发明的目的是通过下述方式实现的：一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器，其特征是，将异硫氰酸罗丹明B和荧光硅纳米粒子通过共价键结合起来，得到基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器。

一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）向柠檬酸钠水溶液中充氮气，除去其中的氧气，向溶液中注射一定量的γ-氨丙基三甲氧基硅烷（APTES），氮气保护下继续搅拌30分钟，将混合溶液密封在水热反应釜中，于160℃的烘箱中反应3~8小时；反应液经透析处理，得到表面为氨基的荧光硅纳米粒子溶液。

（2）将一定量的异硫氰酸罗丹明B与荧光硅纳米粒子溶液充分混合，反应48小时，反应液经透析处理，从而得到一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器。

合成示意如下：

所述步骤（1）中，APTES与柠檬酸钠的质量比优选为8~9倍；所述步骤（2）中，荧光硅纳米粒子与异硫氰酸罗丹明B的质量比为10~40倍，优选为15~25倍。

一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器在温度检测方面的应用。

所述的一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器在温度检测方面的应用，检测包括以下步骤：

（1）标准回归方程：在不同温度下（20~60℃），测定该温度传感器样品在360nm激发时的荧光强度，将两个荧光强度的比值（I₅₇₆/I₄₄₅）与温度（20~60℃）进行线性拟合，得到标准回归方程。

（2）温度的测定：将待测样与一定浓度的传感器溶液混合至温度稳定后，在360nm激发下，测定溶液的荧光强度，将两个荧光强度的比值（I₅₇₆/I₄₄₅）与标准回归方程对比，得到待测样的温度。

所述的标准回归方程为I₅₇₆/I₄₄₅= 0.5808-0.0062*X,（R²=0.9978），X为温度（℃），检测范围为20~60℃。

本发明通过共价键结合的方式，创造性地将荧光硅纳米粒子与温敏性的异硫氰酸罗丹明B结合起来，形成一种温度敏感性的比率型荧光传感器。我们所制备的荧光硅纳米粒子基本上不具有波长依赖性，其荧光强度对温度不敏感，并且粒子表面具有一定数量的氨基，有利于对纳米粒子实现进一步功能化；再者，异硫氰酸罗丹明B是一种温敏性荧光染料，这些先天条件使荧光比率型温度传感器的制备成为可能。以360nm的激发光激发下，荧光发射光谱出现两个不同的发射峰，分别为荧光硅纳米粒子的发射峰（445nm）和异硫氰酸罗丹明B的荧光发射峰（576nm）；当温度逐渐升高时，异硫氰酸罗丹明B的荧光强度持续地、有规律地下降，而荧光硅纳米粒子的荧光强度没有产生明显变化；且两者的荧光强度比例与温度呈现良好的线性关系。基于此，异硫氰酸罗丹明B修饰的荧光硅纳米粒子对温度表现出较好的响应性。另外，该荧光纳米粒子具有较小的尺寸，约2~3nm，且具有较好的水溶性和生物相容性，在生物和环境系统具有巨大的应用前景。

总而言之，本发明提供了一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器及应用，该比率型传感器制备简单，成本较低，荧光较强，生物相容性较好，有望在分析化学、环境科学以及生命科学等技术领域得到广泛应用。

附图说明

图1为该比率型温度传感器样品的原子力表面形貌图。

图2为比率型温度传感器的紫外吸收光谱图。

图3为比率型温度传感器的荧光发射光谱图

图4为未修饰的荧光硅纳米粒子在不同温度（℃）下的荧光发射光谱变化图（ λ_ex =360 nm），温度分别为 20℃、30℃、35℃、40℃、50℃、60℃。

图5为比率型温度传感器在不同温度（℃）下的荧光发射光谱变化图（ λ_ex = 360nm），温度分别为 20℃、30℃、35℃、40℃、50℃、60℃。

图6为比率型温度传感器在不同温度下的荧光发射峰强度的比值（I₅₇₆/I₄₄₅）与温度的线性拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

荧光硅纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：

（1）将一定质量的柠檬酸三钠配成水溶液，在氮气保护下，将相对柠檬酸三钠质量8~9倍的APTES注射到上述溶液中，反应30分钟，再将混合溶液转移到水热反应釜中密封，置于160℃的烘箱中反应5小时；

（2）将步骤（1）反应得到的溶液在去离子水中透析4次（每6小时换一次水），透析袋的截留分子量为500Da，从而制得一种蓝色荧光的硅纳米粒子水溶液，调整其浓度为10mg/mL。

实施例2：

（1）分别取10mL实施例1制得的荧光硅纳米粒子水溶液于3个烧瓶中，编号分别为S1、S2、S3，然后依次加入2.5/5.0/10.0mg异硫氰酸罗丹明B并充分溶解，再用0.1mol/L的NaOH水溶液将混合溶液的pH调成弱碱性（pH约为8~9），然后避光搅拌反应48小时。

（2）反应后的溶液在水中透析4次（每6小时换一次水），透析袋的截留分子量为500Da，从而得到一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器，平均粒径为2~3nm，如图1所示。

实施例3：比率型温度传感器的光谱性质

取实施例2的S2样品100μL于5mL的比色皿中，用去离子水稀释至3mL，然后测试其紫外可见吸收光谱，见图2，吸收光谱中出现两个特征吸收峰，分别为350nm和556nm，由此可见硅纳米粒子和异硫氰酸罗丹明B成功地结合在了一起；再以360nm为激发波长，测定其荧光光谱，见图3，测试结果表明：该温度传感器样品在445nm和576nm处出现荧光发射峰。

实施例4：未修饰的荧光硅纳米粒子的温度响应性检测

取实施例1的样品200μL于5mL的比色皿中，用去离子水稀释至3mL，以360nm为激发波长，分别测定其在不同温度下（20~60℃）的荧光光谱，见图4，结果表明：未修饰的荧光硅纳米粒子对温度无明显响应性。

实施例5：绘制标准回归曲线，得到标准回归方程，步骤如下：

（1）量取实施例2的S2样品100μL于5mL的比色皿中，用去离子水稀释至3mL，以360nm为激发波长，分别测定其在不同温度下（20~60℃）的荧光光谱，见图5。测试结果表明：该温度传感器在576nm出的荧光强度随着温度的逐渐上升呈现规律性的下降，而445nm处的荧光强度基本保持不变。

（2）将（1）中的两个荧光强度比值（I₅₇₆/I₄₄₅）与温度（20~60℃）进行线性拟合，得到一条I₅₇₆/I₄₄₅与温度相关的线性曲线，见图6。得到标准回归方程I₅₇₆/I₄₄₅= 0.5808-0.0062*X,（R²=0.9978），X为温度（℃），检测范围为20~60℃。

实施例6：待测样温度的测定：

量取实施例2的S2样品100μL与待测水样2.9ml混合于5mL的比色皿中，至温度稳定后，在360nm激发下，测定溶液的荧光强度，将两个荧光强度的比值（I₅₇₆/I₄₄₅）代入标准回归方程，得到待测样的温度。将测出的温度与用温度计量取的温度进行对比，结果表明，用该方法测得的温度与用温度计方法测出的温度基本一致，标准偏差在10%以内。

上述实施例用来解释说明本发明，而非对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明所做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器，其特征是，将异硫氰酸罗丹明B和荧光硅纳米粒子通过共价键结合起来，得到基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器，其制备方法包括以下两个步骤：

（1）向柠檬酸钠水溶液中充氮气，除去其中的氧气，向溶液中注射一定量的γ-氨丙基三甲氧基硅烷APTES，氮气保护下继续搅拌30分钟，将混合溶液密封在水热反应釜中，于160℃的烘箱中反应3~8小时；反应液经透析处理，得到表面为氨基的荧光硅纳米粒子溶液，APTES与柠檬酸钠的质量比为8~9倍；

（2）将一定量的异硫氰酸罗丹明B与荧光硅纳米粒子溶液充分混合，反应48小时，反应液经透析处理，从而得到一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器，荧光硅纳米粒子与异硫氰酸罗丹明B的质量比为15~25倍。

2.权利要求1所述的一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器在温度检测方面的应用。

3.根据权利要求2所述的一种基于荧光硅纳米粒子的比率型温度传感器在温度检测方面的应用，其特征在于，检测包括以下步骤：

（1）标准回归方程：在不同温度下20~60℃，测定该温度传感器样品在360nm激发时的荧光强度，将两个荧光强度的比值I₅₇₆/I₄₄₅与温度20~60℃进行线性拟合，得到标准回归方程；

（2）温度的测定：将待测水样与一定浓度的传感器溶液混合至温度稳定后，在360nm激发下，测定溶液的荧光强度，将两个荧光强度的比值I₅₇₆/I₄₄₅与标准回归方程对比，得到待测水样的温度。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述的标准回归方程为I₅₇₆/I₄₄₅= 0.5808-0.0062*X，R²=0.9978，X为温度，检测范围为20~60℃。