CN105038782A - 耐酸性碳量子点的制备及在铀离子检测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于荧光碳纳米材料的应用技术领域，具体涉及耐酸性碳量子点的制备及在铀离子检测中的应用。本发明以柠檬酸和乙二胺为前驱体、采用常压微等离子体辅助制备耐酸性碳量子点，该制备方法具有快速、简单、能耗低、无需后续修饰等优点。制备得到的碳量子点具有很好的耐酸性能，能够在强酸和高盐溶液中稳定发光，且荧光强度不因含铀废水中其他离子的存在而发生变化，实现了对铀的选择性检测。所述碳量子点对铀的检出浓度较低，当铀的浓度为0-75ppm时，荧光强度与铀浓度之间呈良好的线性关系，检出限低于1ppm。

Description

耐酸性碳量子点的制备及在铀离子检测中的应用

技术领域

本发明属于荧光碳纳米材料的应用技术领域，具体涉及耐酸性碳量子点的制备及在铀离子检测中的应用。

背景技术

在铀的开采、提取、加工和回收的过程中会产生大量的含铀废水，需要对铀的浓度进行监测，以保证各个工艺的顺利进行。该废水除了含有铀外，还经常含有较高浓度的硝酸或硝酸根。传统的金属离子检测方法如ICP-MS等，虽然检测灵敏度较高，但操作取样繁琐，所用仪器昂贵且笨重，无法实现废水中铀的快速实时监测。荧光方法具有灵敏度高、检测快速、可以实时在线监测等优点。目前发展的用于铀浓度检测的荧光探针虽然可以进行饮用水和细胞中铀的高灵敏度检测，但是一般要在近中性条件下进行，并且不能耐受高盐溶液，不适于工业废水中铀的检测。因此需要发展新的在强酸和高盐溶液下稳定的荧光探针用于工业废水中铀的检测。

碳量子点是一种具有荧光特性的新型无机碳纳米材料，具有荧光发射可调、激发光谱宽、光稳定性高、尺寸小等优点。制备碳量子点的原料来源广泛、低廉，其表面大量的功能团便于实现碳量子点的功能化修饰。通过选择碳量子点的制备原料和制备方法可以获得具有特定性质的碳量子点，实现在强酸和高盐溶液中的稳定发光以及对铀的选择性检测。

碳量子点在检测探针方面主要应用于金属离子、生物分子、阴离子以及有机小分子等的检测。其中在金属离子检测方面主要应用于水样中Cu²⁺的检测(文献2：Liu,S.；Tian,J.；Wang,L.；Zhang,Y.；Qin,X.；Luo,Y.；Asiri,A.M.；AlYoubi,A.O.；Sun,X.AdvancedMaterials2012,24,2037-2041.)或细胞中Cu²⁺的检测(文献3：Salinas-Castillo,A.；Ariza-Avidad,M.；Pritz,C.；Camprubí-Robles,M.；Fernández,B.；Ruedas-Rama,M.J.；Megia-Fernández,A.；Lapresta-Fernández,A.；Santoyo-Gonzalez,F.；Schrott-Fischer,A.ChemicalCommunications2013,49,1103-1105.)，对Cr³⁺、Al³⁺、Fe³⁺离子的检测(文献4：Liu,L.；Li,Y.；Zhan,L.；Liu,Y.；Huang,C.ScienceChinaChemistry2011,54,1342-1347.)，对Hg²⁺离子的检测(文献5：Goncalves,H.M.；Duarte,A.J.；DaSilva,J.C.E.BiosensorsandBioelectronics2010,26,1302-1306.)，对Fe³⁺(文献6：Qu,K.；Wang,J.；Ren,J.；Qu,X.Chemistry-AEuropeanJournal2013,19,7243-7249.)的检测等。而碳量子点对铀的检测鲜有研究。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了耐酸性碳量子点的制备及在铀离子检测中的应用。

耐酸性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)将柠檬酸和乙二胺共混于去离子水中，搅拌得到澄清溶液，并将所得溶液置于反应器中；

(2)对步骤(1)所得溶液进行常压微等离子体放电处理：将反应器置于实验台上，调节氩气气流为40-80mL/min，调节恒流电源的输出电流为2-10mA，放电电压为1500-3000V；阴极为铂丝电极，阳极为不锈钢氩气管；实验开始后，将阴极铂丝电极浸没在溶液中，阳极的氩气管缓慢下降，直至放电开始；

(3)放电结束后，对所得溶液透析，得到耐酸性碳量子点溶液。

优选地，所述柠檬酸与乙二胺的摩尔比为1:(0.1-10)；所述常压微等离子体放电处理的时间为1-60min；对所得溶液透析的具体方法是将溶液用透析袋透析24h。

更优选地，所述柠檬酸与乙二胺的摩尔比为1:1；所述常压微等离子体放电处理的时间为1min，2min，5min，10min，30min或60min；所述透析袋的截留分子量为3000Da。

以上所述方法制备得到的碳量子点。

所述碳量子点在强酸条件下和高盐条件下保持稳定。

所述强酸条件为在3mol·L^-1HNO₃溶液中，所述高盐条件为溶液中含2mol·L^-1的NaCl或NaNO₃。

所述碳量子点在检测铀离子方面的应用。

优选地，所述铀离子的浓度为2-235ppm。

更优选地，所述铀离子的浓度为2-75ppm。

所述碳量子点的荧光强度与所述铀离子的浓度为线性关系，检测限低于1ppm。

本发明的有益效果是：本发明以柠檬酸和乙二胺为前驱体、采用常压微等离子体辅助制备耐酸性碳量子点，该制备方法具有快速、简单、能耗低、无需后续修饰等优点。制备得到的碳量子点具有很好的耐酸性能，能够在强酸和高盐溶液中稳定发光，且荧光强度不因含铀废水中其他离子的存在而发生变化，实现了对铀的选择性检测。所述碳量子点对铀的检出浓度较低，当铀的浓度为0-75ppm时，荧光强度与铀浓度之间呈良好的线性关系，检出限低于1ppm。

附图说明

图1：实施例1制备的碳量子点的透射电镜图。

图2：(a)实施例5制备的碳量子点在水溶液以及3mol·L^-1HNO₃溶液中的荧光光谱图(350nm激发)；(b)水热合成的碳量子点在水溶液以及3mol·L^-1HNO₃溶液中的荧光光谱图(350nm激发)。

图3：实施例5制备的碳量子点在水溶液以及高盐溶液中的荧光光谱图(350nm激发)。

图4：实施例5制备的碳量子点在空白硝酸稀溶液和铀浓度为50ppm溶液中的荧光光谱图(350nm激发)。

具体实施方式

下面结合附图，以不同反应时间所制备的碳量子点的具体实例对本发明做进一步阐述。实施例1

将25mL的烧杯用去离子水冲洗干净，烘干备用。称取1.051g柠檬酸放入烧杯中，量取335μL的乙二胺倒入烧杯，并向其中加入10mL去离子水，搅拌使其变为澄清溶液。将溶液倒入反应器皿中，将反应器放在试验台上，调节氩气气流为60mL/min，两个放电电极分别在反应器的正上方，阴极为铂丝电极，阳极为内径180μm氩气管。调节恒流电源的输出电流为6mA，电压约为2400V。实验开始后，将阴极铂丝电极浸没在溶液中，阳极的氩气管缓慢下降，直至放电开始，此时开始用秒表计时，保持放电稳定地持续1min。放电结束后将所得溶液在透析袋(截留分子量：3000Da)中透析24h，得到耐酸性碳量子点溶液。溶液的颜色随着反应时间的增加而逐渐加深，从淡黄色到棕黄色。

用荧光光谱仪测试表明，所制备的碳量子点荧光强度最高的峰是在350nm激发波长下，峰位置在430nm左右。而且随着反应时间的不同，所制备碳量子点的荧光强度激发波长以及峰位置基本没有偏移，表明随着反应时间的增长，所生成的碳量子点种类并没有变化，而是量的增加导致颜色逐渐加深。透射电镜TEM测试(图1)表明，碳量子点的直径在2.3nm，粒度均匀且呈球形。

实施例2

保持放电稳定地持续2min，其他均与实施例1相同。

实施例3

保持放电稳定地持续5min，其他均与实施例1相同。

实施例4

保持放电稳定地持续10min，其他均与实施例1相同。

实施例5

保持放电稳定地持续30min，其他均与实施例1相同。

实施例6

保持放电稳定地持续60min，其他均与实施例1相同。

实施例7：碳量子点在水溶液以及3mol·L^-1HNO₃溶液中荧光强度的比较

将实施例5制备的碳量子点溶液分别用去离子水和3mol·L^-1HNO₃稀释200倍，用可见光分光光度计测定，其吸光度为0.039左右。之后用荧光光谱仪在350nm激发波长下分别测定碳量子点水溶液和碳量子点的硝酸溶液的荧光强度(图2a)。从图中可以看出本发明所制备的碳量子点在强酸下的荧光强度和水溶液中的荧光强度相比略有下降，而相同的溶液以水热合成法(200℃，5h)所制备的碳量子点在3mol·L^-1HNO₃溶液中荧光强度相较于水溶液中碳量子点的荧光强度基本趋于零(图2b)，说明本发明制备的碳量子点具有很好的耐酸稳定性，这拓宽了碳量子点在酸性甚至强酸性体系中的应用范围，在酸性体系中的金属离子检测等方面存在潜在应用价值。

实施例8：碳量子点在水溶液、2mol·L^-1NaNO₃以及2mol·L^-1NaCl溶液中荧光强度的比较

将实施例5制备的碳量子点溶液分别用去离子水、2mol·L^-1NaNO₃以及2mol·L^-1NaCl稀释100倍，用荧光光谱仪在350nm激发波长下分别测定碳量子点在三种溶液中的荧光强度(图3)。从图中可以看出本发明所制备的碳量子点在高盐条件下的荧光强度与在去离子水溶液中的荧光强度相比，变化不超过10％，说明本发明制备的碳量子点具有很好的耐高盐稳定性。实施例9：碳量子点在铀离子检测方面的应用

用1mol·L^-1HNO₃配制pH＝5的硝酸稀溶液；选取pH＝5，铀浓度为50ppm的溶液进行实验。用硝酸稀溶液和含铀溶液分别将实施例5制备的碳量子点溶液稀释100倍，然后用荧光光谱仪测两种溶液的荧光强度(图4)，图中可以明显看出，由于铀的存在导致荧光淬灭，荧光强度下降，在实验条件下，铀的浓度为50ppm，荧光强度的峰值下降约29％，说明本发明所制备碳量子点可以用于铀的检测，并且检测浓度较低。

本发明还探究了碳量子点对于不同浓度铀的检测情况。实验配制了pH为5的不同浓度的铀溶液，包括2ppm,5ppm,10ppm,20ppm,50ppm,75ppm,100ppm,235ppm。之后将实施例5制备的碳量子点溶液稀释100倍检测铀，用荧光光谱仪测试其荧光强度的变化规律，并对数据进行拟合。拟合结果显示，碳量子点的荧光强度随着铀浓度的增加逐渐降低；当铀的浓度为0-75ppm时，荧光强度与铀浓度之间呈良好的线性关系，拟合方程为y＝1721430-9600.17x，R²高达0.996，检出限低于1ppm。

同时，本发明研究了碳量子点对于其他金属离子的选择性，选用的离子有Ag⁺,Ba²⁺,Ca²⁺,Cd²⁺,Cr³⁺,Cs⁺,Ni²⁺,Mg²⁺,Rb⁺,Sr²⁺和Zn²⁺，各金属离子溶液的pH＝5，浓度为1mmol/L。结果发现加入上述金属离子后，碳量子点的荧光强度基本不变，说明碳量子点对于其他金属离子没有检测性能。

以上实验表明，通过本发明制备的碳量子点对于铀有很好的检测性能，且选择性很高，检出限比较低，在工业废水中铀的检测方面具有良好的应用前景。

Claims (10)

1.耐酸性碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将柠檬酸和乙二胺共混于去离子水中，搅拌得到澄清溶液，并将所得溶液置于反应器中；

(2)对步骤(1)所得溶液进行常压微等离子体放电处理：将反应器置于实验台上，调节氩气气流为40-80mL/min，调节恒流电源的输出电流为2-10mA，放电电压为1500-3000V；阴极为铂丝电极，阳极为不锈钢氩气管；实验开始后，将阴极铂丝电极浸没在溶液中，阳极的氩气管缓慢下降，直至放电开始；

(3)放电结束后，对所得溶液透析，得到耐酸性碳量子点溶液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柠檬酸和乙二胺的摩尔比为1:(0.1-10)；所述常压微等离子体放电处理的时间为1-60min；对所得溶液透析的具体方法是将溶液用透析袋透析24h。

3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，所述柠檬酸和乙二胺的摩尔比为1:1；所述常压微等离子体放电处理的时间为1min，2min，5min，10min，30min或60min；所述透析袋的截留分子量为3000Da。

4.根据权利要求1-2任一项所述方法制备得到的碳量子点。

5.根据权利要求4所述的碳量子点，其特征在于，所述碳量子点在强酸条件下和高盐条件下保持稳定。

6.根据权利要求5所述的碳量子点，其特征在于，所述强酸条件为在3mol·L^-1HNO₃溶液中，所述高盐条件为溶液中含2mol·L^-1的NaCl或NaNO₃。

7.权利要求4所述的碳量子点在检测铀离子方面的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述铀离子的浓度为2-235ppm。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述铀离子的浓度为2-75ppm。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，碳量子点的荧光强度与所述铀离子的浓度为线性关系，检测限低于1ppm。