CN103881708A

CN103881708A - 一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法及其应用

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Publication number: CN103881708A
Application number: CN201410037711.6A
Authority: CN
Inventors: 钱兆生; 单晓月; 丰慧; 柴鲁静; 马娟娟
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2014-01-26
Filing date: 2014-01-26
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-01-26
Also published as: CN103881708B

Abstract

本发明涉及碳量子点制备领域，尤其涉及一种一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法及其应用。其制备方法为：取对苯二酚，置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，按1.0g对苯二酚5mL丙酮的比例加入丙酮，然后取三溴化硼缓慢滴入反应釜中；将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在150～220℃下加热1～5h后，冷却至室温；用旋转蒸发的方式将上述反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得到硼掺杂碳量子点。制备得到的硼掺杂碳量子点可用于过氧化氢和葡萄糖含量的检测。

Description

一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法及其应用

技术领域

本发明涉及碳量子点制备领域，尤其涉及一种一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法及其应用。

背景技术

碳量子点以其独特的性能被认为是一种在光电器件、传感器、生物影像和光催化剂方面非常有应用前景的材料。与传统的有机染料和半导体量子点相比，碳量子点具有化学惰性、无光闪烁、低毒性和良好的生物相容性。然而偏低的量子产率限制了它们在生物科学方面的应用。为了解决这个问题，很多研究常采用聚合物或有机小分子钝化碳量子点表面提高其量子产率。此外，对碳量子点进行掺杂也是改善其化学性能和拓展其应用的很好的选择。用杂原子掺杂碳纳米材料可以有效改善其性能如表面及其化学结构和电化学性质。经掺杂的碳量子点可用于生物检测，生物传感。

目前，已有多种方法用来测定葡萄糖的含量，在这些方法中，应用最为广泛的是基于电化学传感的方法，电信号的变化而进行的葡萄糖测定。然而，这些传感器容易受到生物体系中其它一些电活性物质诸如抗坏血酸和尿酸的干扰。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种通过一步溶剂热法制备具有强荧光性质的硼掺杂碳量子点，并采用荧光测定方法用该硼掺杂碳量子点检测过氧化氢和葡萄糖的含量。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：

一种一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.取对苯二酚，置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，按1.0g对苯二酚5mL丙酮的比例加入丙酮，然后取三溴化硼缓慢滴入反应釜中；

B.将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在150～220℃下加热1～5h后，冷却至室温；

C.用旋转蒸发的方式将上述反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得到硼掺杂碳量子点。

作为优选，所述的对苯二酚和三溴化硼的摩尔比为1︰1～3。

作为优选，所述的步骤B中鼓风干燥箱的温度为200℃，加热时间为2h。

本发明还涉及硼掺杂碳量子点在检测过氧化氢含量中的应用。

硼掺杂碳量子点在检测过氧化氢含量的检测方法。其检测步骤为：将硼掺杂碳量子点溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸缓冲溶液混合均匀，再加入双氧水，超声3～8分钟，静置20～30分钟后测定荧光。

本发明还涉及硼掺杂碳量子点在检测葡萄糖含量中的应用。

硼掺杂碳量子点在检测葡萄糖含量的检测方法。其检测步骤为：将硼掺杂碳量子点溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸缓冲溶液混合均匀，再加入葡萄糖氧化酶和葡萄糖，超声3～8分钟，静置20～30分钟后测定荧光。

如图8所示，a1代表未掺硼的原始碳量子点的荧光谱图，b1代表在未掺硼的原始碳量子点内加入一定浓度和体积的过氧化氢后的荧光谱图，从图8中可以看出，未掺硼的原始碳点在10mM的过氧化氢作用下荧光强度降低了100。如图9所示，a2代表硼掺杂碳量子点的荧光谱图，b2代表在硼掺杂碳量子点内加入与图8中相同浓度和体积的过氧化氢后的荧光谱图，从图9中可以看出，硼掺杂碳量子点在10mM的过氧化氢作用下荧光几乎完全猝灭。对比图8和图9可以得出，过氧化氢对硼掺杂碳量子点有强烈的荧光猝灭效应，进一步试验发现，在一定范围内硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应与过氧化氢浓度呈现良好的线性关系，所以硼掺杂碳量子点可以应用于过氧化氢含量的检测。

由于过氧化氢对硼掺杂碳量子点有强烈的荧光猝灭效应，而且在一定范围内呈线性，葡萄糖氧化酶(GOx)又能高度专一性地催化葡萄糖与氧反应，使葡萄糖氧化成为葡萄糖酸和过氧化氢，通过检测过氧化氢的含量，从而能够间接地测定葡萄糖的含量。反应式如下：

因此，通过硼掺杂碳量子点对葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖产生的过氧化氢的荧光响应可以定量检测葡萄糖的含量。

本发明的有益效果在于：本发明采用一种简单、高效、温和的方法制备了具有强荧光性质的硼掺杂碳量子点，该操作成本低，制备工艺设备简易，使用鼓风箱即可完成，易于推广。所得的硼掺杂碳量子点荧光量子产率大大提高，最高达到14.8％。除了优异的光学、电化学性质之外，硼掺杂碳量子点毒性低、生物相容性好、耐光性好，并进一步应用于过氧化氢和葡萄糖的检测，发展了一种良好的葡萄糖生物传感器。通过酶催化分解产生过氧化氢而导致硼掺杂碳量子点的荧光信号降低，和传统的方法相比，此传感器不需要任何复杂的表面修饰过程，简单易行，选择性好，灵敏度高。

附图说明

图1为硼掺杂碳量子点的制备及检测过氧化氢和葡萄糖的流程示意图。

图2为实施例1的硼掺杂碳量子点TEM图片、高分辨透射电镜照片和分布粒径图。

图3为实施例1的硼掺杂碳量子点的荧光谱图及紫外灯下的照片。

图4为实施例1的硼掺杂碳量子点检测过氧化氢时，荧光强度随过氧化氢浓度变化图。

图5为实施例1的硼掺杂碳量子点检测过氧化氢时，相对荧光强度随过氧化氢浓度变化线性图(I₀表示不加双氧水时测得的荧光强度，I表示加入各种浓度的双氧水时测得的荧光强度)。

图6为实施例1的硼掺杂碳量子点检测葡萄糖时，荧光强度随葡萄糖浓度变化图。

图7为实施例1的硼掺杂碳量子点检测葡萄糖时，相对荧光强度随葡萄糖浓度变化线性图(I₀表示不加葡萄糖时测得的荧光强度，I表示加入各种浓度的葡萄糖时测得的荧光强度)。

图8为未掺硼的原始碳量子点的荧光谱图和加入过氧化氢后的荧光谱图。

图9为硼掺杂始碳量子点的荧光谱图和加入过氧化氢后的荧光谱图。

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

实施例1：一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法

如图1所示，称取1.0g对苯二酚，置于容积为25mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，加入5mL丙酮溶解，移取2.58mL三溴化硼缓慢滴入上述反应釜中，将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在200℃的条件下加热2小时。当高压反应釜冷却至室温时，用旋转蒸发的方式把反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得硼掺杂碳量子点。如图2中的aTEM成像结果显示，制备的硼掺杂碳量子点近似球形，大小均匀，分散性良好，无团聚现象，粒径大小主要分布在8～22nm的范围。如图2中的b、c高分辨透射电镜照片显示，硼掺杂碳量子点具有明显的晶格条纹结构，相邻晶形条纹间的距离为2.0～2.4

。如图3所示，在315nm的激发波长下，硼掺杂碳量子点在365nm处得到一个较强的发射峰，这与在紫外灯下荧光碳点发射的明亮蓝色荧光(插图)一致。

采用参比法测量荧光量子产率，计算公式为：Ф＝Ф_S[(I·A_s·n²)/(I_s·A·n_s ²)](Ф表示量子产率，I表示在最佳激发波长激发下荧光发射谱图的积分面积，A表示紫外光谱中最佳激发波长处的吸光度，n代表溶剂的折射率，下标s代指作为标准参照物硫酸奎宁，并且已知硫酸奎宁在激发波长200nm～400nm范围内的量子产率为0.577)，计算得出硼掺杂碳量子点量子产率为14.8％。

过氧化氢的检测：如图1所示，取15只5mL容量瓶，依次往容量瓶中加入1mL上述制备得到的硼掺杂碳量子点，2mL乙醇，1mL PBS(pH＝7.4，10mM)磷酸缓冲溶液，再分别加入300μL浓度不同的双氧水(0，0.025，0.05，0.1，0.3，0.5，0.75，1.0，1.5，2.5，4.0，6.5，8.0，9.0，10.0mM)，最后加PBS缓冲溶液稀释成5mL，超声5分钟，静置25分钟后加入石英比色皿中进行荧光分析，记录数据。如图4所示，随着过氧化氢浓度增加，硼掺杂碳量子点的荧光强度逐渐减弱，即随着过氧化氢浓度增加，过氧化氢对硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应逐渐增强。如图5所示，并在过氧化氢浓度为0.1～1.0mM的范围内，硼掺杂碳量子点的相对荧光强度与过氧化氢浓度呈现良好的线性关系，当过氧化氢浓度超过1.0mM时，硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应呈现缓慢的连续增长。根据此线性关系，通过检测过氧化氢待测溶液的相对荧光强度，便可计算得出待测过氧化氢溶液的浓度。

葡萄糖的检测：如图1所示，取15只5mL容量瓶，依次往容量瓶中加入1mL上述制备得到的硼掺杂碳量子点，2mL乙醇，1mL PBS(pH＝7.4，10mM) 磷酸缓冲溶液和500μL葡萄糖氧化酶(20mg/mL)，再加入500μL浓度不同的葡萄糖(0，8，25，50，80，120，200，350，500，800，1000，1200μM)，最后加PBS缓冲溶液稀释成5mL，超声5分钟，静置25分钟后加入石英比色皿中进行荧光分析，记录数据。如图6所示，随着葡萄糖浓度的增加，硼掺杂碳量子点的荧光强度逐渐减弱，即随着葡萄糖浓度增加，硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应逐渐增强。如图7所示，并在葡萄糖浓度为8～80μM的范围内，硼掺杂碳量子点的相对荧光强度与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系，根据此线性关系，通过检测待测葡萄糖溶液相对荧光强度，便可计算得出待测葡萄糖溶液的浓度。

实施例2：一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法

如图1所示，称取1.0g对苯二酚，置于容积为25mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，加入5mL丙酮溶解，移取1.72mL三溴化硼缓慢滴入上述反应釜中，将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在220℃的条件下加热5小时。当高压反应釜冷却至室温时，用旋转蒸发的方式把反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得硼掺杂碳量子点。

采用参比法测量荧光量子产率，计算公式为：Ф＝Ф_S[(I·A_s·n²)/(I_s·A·n_s ²)](Ф表示量子产率，I表示在最佳激发波长激发下荧光发射谱图的积分面积，A表示紫外光谱中最佳激发波长处的吸光度，n代表溶剂的折射率，下标s代指作为标准参照物硫酸奎宁，并且已知硫酸奎宁在激发波长200nm～400nm范围内的量子产率为0.577)，计算得出硼掺杂碳量子点量子产率为12.5％。

过氧化氢的检测：如图1所示，取15只5mL容量瓶，依次往容量瓶中加入1mL上述制备得到的硼掺杂碳量子点，2mL乙醇，1mL PBS(pH＝7.4，10mM)磷酸缓冲溶液，再加入300μL浓度不同的双氧水(0，0.025，0.05，0.1，0.3， 0.5，0.75，1.0，1.5，2.5，4.0，6.5，8.0，9.0，10.0mM)，最后加PBS缓冲溶液稀释成5mL，超声8分钟，静置30分钟后加入石英比色皿中进行荧光分析，记录数据。结果显示同实施例1，随着过氧化氢浓度增加，硼掺杂碳量子点的荧光强度逐渐减弱，即随着过氧化氢浓度增加，硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应逐渐增强。且在过氧化氢浓度为0.1～1.0mM的范围内，硼掺杂碳量子点的相对荧光强度与过氧化氢浓度呈现良好的线性关系，根据此线性关系，通过检测待测过氧化氢溶液的相对荧光强度，便可计算得出待测过氧化氢溶液的浓度。

葡萄糖的检测：如图1所示，取15只5mL容量瓶，依次往容量瓶中加入1mL上述制备得到的硼掺杂碳量子点，2mL乙醇，1mL PBS(pH＝7.4，10mM)磷酸缓冲溶液和500μL葡萄糖氧化酶(20mg/mL)，再加入500μL浓度不同的葡萄糖(0，8，25，50，80，120，200，350，500，800，1000，1200μM)，最后加PBS缓冲溶液稀释成5mL，超声8分钟，静置30分钟后加入石英比色皿中进行荧光分析，记录数据。结果显示同实施例1，随着葡萄糖浓度的增加，硼掺杂碳量子点的荧光强度逐渐减弱，即随着葡萄糖浓度增加，硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应逐渐增强。并在葡萄糖浓度为8～80μM的范围内，硼掺杂碳量子点的相对荧光强度与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系，根据此线性关系，通过检测待测葡萄糖溶液相对荧光强度，便可计算得出待测葡萄糖溶液的浓度。

实施例3：一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法

如图1所示，称取1.0g对苯二酚，置于容积为25mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，加入5mL丙酮溶解，移取0.86mL三溴化硼缓慢滴入上述反应釜中，将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在150℃的条件下加热1小时。当高压反应釜冷却至室温时，用旋转蒸发的方式把反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得硼掺杂碳量子点。

采用参比法测量荧光量子产率，计算公式为：Ф＝Ф_S[(I·A_s·n²)/(I_s·A·n_s ²)](Ф表示量子产率，I表示在最佳激发波长激发下荧光发射谱图的积分面积，A表示紫外光谱中最佳激发波长处的吸光度，n代表溶剂的折射率，下标s代指作为标准参照物硫酸奎宁，并且已知硫酸奎宁在激发波长200nm～400nm范围内的量子产率为0.577)，计算得出硼掺杂碳量子点量子产率为10.7％。

过氧化氢的检测：如图1所示，取15只5mL容量瓶，依次往容量瓶中加入1mL上述制备得到的硼掺杂碳量子点，2mL乙醇，1mL PBS(pH＝7.4，10mM)磷酸缓冲溶液，再加入300μL浓度不同的双氧水(0，0.025，0.05，0.1，0.3，0.5，0.75，1.0，1.5，2.5，4.0，6.5，8.0，9.0，10.0mM)，最后加PBS缓冲溶液稀释成5mL，超声3分钟，静置20分钟后加入石英比色皿中进行荧光分析，记录数据。结果显示同实施例1，随着过氧化氢浓度增加，硼掺杂碳量子点的荧光强度逐渐减弱，即随着过氧化氢浓度增加，过氧化氢对硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应逐渐增强。且在过氧化氢浓度为0.1～1.0mM的范围内，硼掺杂碳量子点的相对荧光强度与过氧化氢浓度呈现良好的线性关系，根据此线性关系，通过检测待测过氧化氢溶液的相对荧光强度，便可计算得出待测过氧化氢溶液的浓度。

葡萄糖的检测：如图1所示，取15只5mL容量瓶，依次往容量瓶中加入1mL上述制备得到的硼掺杂碳量子点，2mL乙醇，1mL PBS(pH＝7.4，10mM)磷酸缓冲溶液和500μL葡萄糖氧化酶(20mg/mL)，再加入500μL浓度不同的葡萄糖(0，8，25，50，80，120，200，350，500，800，1000，1200μM)，最后加PBS缓冲溶液稀释成5mL，超声3分钟，静置20分钟后加入石英比色皿中进行荧光分析，记录数据。结果显示同实施例1，随着葡萄糖浓度的增加，硼掺杂碳量子点的荧光强度逐渐减弱，即随着葡萄糖浓度增加，硼掺杂碳量子点的荧光猝灭效应逐渐增强。并在葡萄糖浓度为8～80μM的范围内，硼掺杂碳量子点的相对荧光强度与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系，根据此线性关系，通过检测待测葡萄糖溶液相对荧光强度，便可计算得出待测葡萄糖溶液的浓度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法，其特征在于，所述的对苯二酚和三溴化硼的摩尔比为1︰1～3。

3.根据权利要求1所述的一步溶剂热法制备硼掺杂碳量子点的方法，其特征在于，所述的步骤B中鼓风干燥箱的温度为200℃，加热时间为2h。

4.根据权利要求1～3任意一条制备方法得到的硼掺杂碳量子点在检测过氧化氢含量中的应用。

5.根据权利要求4所述的硼掺杂碳量子点在检测过氧化氢含量中的应用，其特征在于，检测包括如下步骤：将硼掺杂碳量子点溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸缓冲溶液混合均匀，再加入双氧水，超声3～8分钟，静置20～30分钟后测定荧光。

6.根据权利要求1～3任意一条制备方法得到的硼掺杂碳量子点在检测葡萄糖含量中的应用。

7.根据权利要求6所述的硼掺杂碳量子点在检测葡萄糖含量中的应用，其特征在于，检测包括如下步骤：将硼掺杂碳量子点溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸缓冲溶液混合均匀，再加入葡萄糖氧化酶和葡萄糖，超声3～8分钟，静置20～30分钟后测定荧光。