室温驱动腐植酸钠基碳纳米簇用于荧光比色检测银离子和温度传感

doi:10.7503/cjcu20230510

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 20230510.doi: 10.7503/cjcu20230510

室温驱动腐植酸钠基碳纳米簇用于荧光比色检测银离子和温度传感

李林¹^,²^,³(), 马静¹, 许畅琳¹, 陈彤瑶¹, 郭衡瑶¹, 李紫悠¹, 武文鑫¹

^1.太原师范学院化学与材料学院，晋中 030619
^2.山西省腐植酸工程技术研究中心，晋中 036019
^3.山西省蛋白质基功能材料实验室，晋中 036019

收稿日期:2023-12-13 出版日期:2024-06-10 发布日期:2024-03-12
通讯作者: 李林 E-mail:lilin@tynu.edu.cn
基金资助:
山西省基础研究计划项目(202203021221216);山西省科技创新平台研究基金(410220367);山西省高等学校教学改革项目(J20220930)

Room Temperature Driven Sodium Humate-protected Carbon Nanoclusters for Fluorescent and Colorimetric Sensing of Ag⁺ and Temperature

LI Lin¹^,²^,³(), MA Jing¹, XU Changlin¹, CHEN Tongyao¹, GUO Hengyao¹, LI Ziyou¹, WU Wenxin¹

^1.College of Chemistry and Materials，Taiyuan Normal University，Jinzhong 030619，China
^2.Humic Acid Engineering and Technology Research Center of Shanxi Province，Jinzhong 030619，China
^3.Laboratory of Protein?based Functional Materials of Shanxi Province，Jinzhong 030619，China

Received:2023-12-13 Online:2024-06-10 Published:2024-03-12
Contact: LI Lin E-mail:lilin@tynu.edu.cn
Supported by:
the Fundamental Research Program of Shanxi Province, China(202203021221216);the Research Fund of Science and Technology Innovation Platform of Shanxi Province, China(410220367);the Teaching Reform Innovation Programs of Higher Education Institutions of Shanxi Province, China(J20220930)

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摘要/Abstract

摘要：

基于氢键结合自组装策略, 以富含羟基的高生物相容性煤源腐植酸钠大分子和抗坏血酸为原料, 通过绿色经济的室温方法构建了一种低毒水溶性青色荧光碳纳米簇(HAN-CNCs). 研究发现，在pH=5.0 条件下, Ag⁺可与HAN-CNCs表面的C=N/C=O基团配位结合, 从而诱导HAN-CNCs发生荧光静态猝灭, 实现对Ag⁺较宽线性范围(5.0~300 μmol/L)和较低检出限(27.5 nmol/L)的特异灵敏检测. 进一步观察发现， Ag⁺与HAN-CNCs相互作用后, HAN-CNCs在日光灯下由淡黄色变为灰蓝色, 在紫外灯下由青色荧光变为蓝紫色, 基于此，将 HAN-CNCs制作成便携式纸基传感器, 通过手机分析测试条颜色的G/B值, 实现了Ag⁺的视觉比色荧光检测. 此外, HAN-CNCs在20~85 ℃范围内表现出优异的可逆热响应性能, 有望作为一种温度传感器. 荧光显微镜成像测试发现， HAN-CNCs在选择性检测活细胞中的Ag⁺时表现出低生物毒性和优异的细胞渗透性, 表明该传感系统可应用于评估人体潜在风险和健康安全.

关键词: 煤基腐植酸钠, 碳纳米簇, 室温驱动, 银离子比色荧光检测, 温度传感

Abstract:

Based on hydrogen bonding self-assembly strategy， hypotoxicity and water-soluble cyan fluorescent carbon nanoclusters（HAN-CNCs） were constructed to employ a highly-efficient green economy and room temperature synthesis method， which used ascorbic acid and high biocompatibility coal-based sodium humate with abundant hydroxy as raw materials. The as-prepared HAN-CNCs can be specifically quenched by Ag⁺ at pH of 5.0， with a wide detection range （5.0—300 μmol/L） and a low detection limit of 27.5 nmol/L. It was found that Ag⁺ can induce fluorescence static quenching of the HAN-CNCs， owing to the coordination interaction between Ag⁺ and amine groups or carbonyl groups on the surface of HAN-CNCs. More interestingly， the colorimetric detection of Ag⁺ could be additionally realized by visible color conversion （yellowish-rubricans） under the daylight lamp and the cyan fluorescence gradually changed to blue purple under the irradiation of an ultraviolet lamp. From this， the HAN-CNCs were employed in the fabrication portable test strip for colorimetry monitoring of Ag⁺via the green-blue（G/B） analysis. In addition， HAN-CNCs exhibit an excellent reversible thermal response in the range of 20—85 ℃ and have potential as a temperature sensor. Furthermore， the HAN-CNCs exhibited a low biotoxicity and an excellent cell permeability when selectively detecting Ag⁺ in living cells by fluorescence microscopy imaging， indicating that the sensing system can be effectively applied to assessing potential risks and health security.

Key words: Coal-based sodium humate, Carbon nanocluster, Room temperature driven, Colorimetric fluorescence detection of Ag⁺, Temperature sensing

中图分类号:

O657

TrendMD:

李林, 马静, 许畅琳, 陈彤瑶, 郭衡瑶, 李紫悠, 武文鑫. 室温驱动腐植酸钠基碳纳米簇用于荧光比色检测银离子和温度传感. 高等学校化学学报, 2024, 45(6): 20230510.

LI Lin, MA Jing, XU Changlin, CHEN Tongyao, GUO Hengyao, LI Ziyou, WU Wenxin. Room Temperature Driven Sodium Humate-protected Carbon Nanoclusters for Fluorescent and Colorimetric Sensing of Ag⁺ and Temperature. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20230510.

图/表 9

Fig.1 Effects of reaction conditions on fluorescence intensity of HAN⁃CNCs(A) Amount of AA; (B) reaction pH; (C) reaction temperature; (D) reaction time; (E) stirring speed.

Fig.2 UV⁃Vis absorption spectra(A), fluorescence spectra(B), excitation⁃independent emission spectra(C) and absorbance, excitation and emission spectra(D) of the HAN⁃CNCsInsets in (D): photographs of HAN⁃CuNCs under daylight and UV light irradiation of 365 nm.

Fig.3 Structure characterization of HAN⁃CNCs(A) FTIR spectra and (B) XPS spectra of HAN⁃CNCs; (C) high resolution XPS spectra of C1s; (D) N1s and (E) O1s; (F) XRD pattern of HAN⁃CNCs.

Fig.4 Morphologic analysis of HAN⁃CNCs(A) TEM image; (B) particle size; (C) SEM image; (D) EDS spectrum and percentage of major elements; (E) the element mapping of C, N, O.

Fig.5 Effect of different cations(A), fluorescence response in the presence of different concentrations of Ag+ the range of 5.0—500 μmol/L(B), the plot of fluorescence variation(F/F0) of HAN⁃CNCs by Ag+(C) and the linear relationship between F/F0 and concentration of Ag+ in the range of 5.0—300 μmol/L(D)Inset in (A): photographs with different cations under UV 365 nm irradiation.

Fig.6 Colorimetric fluorescence detection of Ag+ by HAN⁃CNCs(A) Different images of folding filter papers stained by HAN⁃CNCs under 365 nm UV irradiation; (B) the visualization detection of Ag+ using the colorimetric filter paper under the 365 nm UV lamp; (C) the linear relationship between VG/VB and concentrations of Ag+ in the range of 10.0—150 μmol/L.

Fig.7 Exploration of Ag+ detection mechanism(A) Fluorescence spectra; (B) UV⁃Vis spectra; (C) FTIR spectra of HAN⁃CNCs, Ag+ and HAN⁃CNCs⁃Ag+; (D) UV⁃Vis absorption spectra of HAN⁃CNCs in the presence of varying concentrations of Ag+; (E) fluorescence decay curves of HAN⁃CNCs and HAN⁃ CNCs⁃Ag+; (F) the linear relationship of F0/Fversus the concentrations of Ag+ over the range of 0—350 μmol/L at different temperatures.

Fig.8 Temperature responsiveness of HAN⁃CNCs(A) The fluorescence spectra of HAN⁃CNCs with temperature variation from 20 ℃ to 85 ℃; (B) The plot of fluorescence intensities of HAN⁃CNCs with temperature changing from 20 ℃ to 85 ℃; (C) The linear relationship between fluorescence intensities of HAN⁃CNCs and temperature in the range of 20—80 ℃; (D) The fluorescence intensities of HAN⁃CNCs when the temperature returned to 20 °C.

Fig.9 MCF⁃7 cells viability after 24 h and 48 h of incubation with different concentrations of HAN⁃CNCs(A); fluorescence microscope images of MCF⁃7 cells after incubation with HAN⁃CNCs(1.0 mg/mL) and HAN⁃CNCsAg+(1.0 mg/mL PEI⁃CuNCs and 100 μmol/l Ag+) for 5.0 h at 37 °C(B)(B) Scale bar: 50 μm.

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