CN106629663B - 基于山竹的碳纳米点的制备方法及其作为荧光探针检测三价铁离子的应用 - Google Patents

Abstract

基于山竹的碳纳米点的制备方法及其作为荧光探针检测三价铁离子的应用，本发明涉及碳纳米点的制备方法和作为荧光探针检测三价铁离子的应用。本发明是要解决现有的碳纳米点的制备方法耗时长的技术问题。碳纳米点的制备方法：将山竹果肉放入坩埚焙烧干燥，得到固体；再将该固体在电热炉上加热，直至固体的颜色由白色变成黄棕色后，冷却，粉碎，得到黄棕色粉末；将黄棕色粉末用超纯水溶解，磁力搅拌，超声，离心提取上清液；将上清液过滤，透析，将得到的碳纳米点溶液真空干燥、粉碎，即得到碳纳米点粉末(MCDs)。该碳纳米点粉末可作为荧光探针与铁离子相互作用，使MCDs荧光猝灭并形成MCDs‑Fe³⁺复合物,从而实现对三价铁离子的检测。该荧光探针可用于荧光传感器领域。

Description

基于山竹的碳纳米点的制备方法及其作为荧光探针检测三价 铁离子的应用

技术领域

本发明涉及碳纳米点的制备方法和作为荧光探针检测三价铁离子的应用，属于纳米-荧光传感器领域。

背景技术

近年来，碳纳米点作为一种新型的荧光材料备受关注。它的表面除了含有丰富的羟基和羧基等水溶性官能团，还具有荧光强度高、光稳定性好、耐光漂白等优良的光学性能。因此具有低毒性和良好的水溶性的碳纳米点有较好的生物相容性，在细胞标记、细胞成像等方面有着广泛的应用前景。

重金属对身体和人体健康有很大危害。铁是其中的元素之一，并且广泛应用于工业生产和日用产品，最终将被释放到环境中。因此研究Fe³⁺与重要生物活性物质的相互作用，建立新的Fe³⁺检测方法，对于生物、化学、环境及医学等都有着特殊意义。

碳纳米点的制备方法已经被广泛研究。其中主要包括电化学制备法、强酸氧化法、激光辅助制备法、电弧放电法、高温热解法、水热合成法、微波法、超声法等。目前大多数方法都侧重于水热处理，虽然所用的原材料廉价易得，但是耗时较长。因此需要寻找一种以纯天然绿色廉价的自然资源为碳源，且制备简单、耗时较短的碳纳米点的制备方法。

发明内容

本发明是要解决现有的碳纳米点的制备方法耗时较长的技术问题，而提供基于山竹的碳纳米点的制备方法及其作为荧光探针检测三价铁离子的应用。该方法利用纯天然绿色水果山竹来制备碳纳米点，并建立一种新的荧光检测Fe³⁺的方法，该碳纳米点的制备操作简单、原料绿色、廉价易得。

本发明的基于山竹的碳纳米点的制备方法，按以下步骤进行：

(1)将山竹去壳后，取山竹果肉放入坩埚焙烧，去除水分，得到固体；

(2)再将坩埚放置在电热炉上加热，直至固体的颜色由白色变成黄棕色，冷却，粉碎，得到黄棕色粉末；

(3)将黄棕色粉末用超纯水溶解，磁力搅拌，超声，离心提取上清液；

(4)将上清液用0.45μM的微孔滤膜过滤，再用透析袋透析，将得到的碳纳米点溶液真空干燥、粉碎，即得到碳纳米点粉末(MCDs)。

上述制备的碳纳米点粉末可作为荧光探针检测三价铁离子，铁离子为水溶液中的铁离子或生命体中的铁离子。

其中，定性检测三价铁离子的方法具体是：

(1)将碳纳米点(MCDs)溶于超纯水中，形成MCDs水溶液，测定溶液的荧光光谱；

(2)上述的MCDs水溶液与待测水溶液混合，并调节至pH值6.0～8.3之间，测定其荧光光谱，如果混合溶液的荧光强度显著减弱，则可判定待测水溶液中含有三价铁离子。

定量检测水溶液中铁离子的方法为标准曲线法，具体如下：

(1)配制不同浓度的含Fe³⁺的标准系列样品，分别加入MCDs溶液，并调节至pH值6.0～8.3之间，并测试溶液的荧光光谱，读出最大荧光发射峰的荧光强度值，以铁离子的浓度为横坐标、以最大荧光发射峰的荧光强度值为纵坐标作图，绘出标准曲线；

(2)将MCDs水溶液与待测水溶液混合，再将pH值调节至与标准样品相同，测定其荧光光谱，读出最大荧光发射峰的荧光强度值，从标准曲线上读出待测水溶液中Fe³⁺浓度。

生命体中的铁离子的定性检测方法，如下：

将待测的生命体放置到含有MCDs水溶液中培养1～6h，然后用荧光显微镜检测生命体的活细胞，再把用MCDs培养后的生命体放入含有三价铁离子的水溶液中培养1～6h后，用荧光显微镜检测生命体的活细胞。

本发明我们利用绿色廉价的山竹制备了一种荧光碳纳米点，并利用荧光光谱法研究了碳纳米点(MCDs)与Fe³⁺的相互作用，使MCDs荧光猝灭并形成MCDs-Fe³⁺复合物，从而建立了一种基于山竹的碳纳米点作为荧光探针荧光猝灭检测Fe³⁺的方法，而且检测不受其它常见金属阳离子的明显干扰。本发明的基于山竹的碳纳米点的制备和作为荧光探针检测三价铁离子的方法。不仅可以用于检测水溶液中的铁离子，而且还可以通过细胞成像，检测生命体中的铁离子。

附图说明

图1为实施例1中MCDs、MCDs/Fe³⁺的透射电镜(TEM)图；

图2为实施例1中MCDs的激发和发射光谱图；

图3为实施例1中的浓度对MCDs荧光发射光谱的影响；

图4为实施例1的MCDs对常见金属离子的荧光响应图；

图5为实施例1的其它常见金属离子与Fe³⁺竞争时，MCDs的荧光变化图；

图6为实施例1中MCDs和不同浓度的Fe³⁺的混合溶液的荧光光谱图；

图7为实施例1中Fe³⁺浓度对MCDs的最大荧光发射峰强度的影响。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于山竹的碳纳米点的制备方法，按以下步骤进行：

(1)将山竹去壳后，取山竹果肉放入坩埚焙烧，去除水分，得到固体；

(2)再将坩埚放置在电热炉上加热，直至固体的颜色由白色变成黄棕色，冷却，粉碎，得到黄棕色粉末；

(3)将黄棕色粉末用超纯水溶解，磁力搅拌，超声，离心提取上清液；

(4)将上清液用0.25～0.45μM的微孔滤膜过滤，再用透析袋透析，将得到的碳纳米点溶液真空干燥、粉碎，即得到碳纳米点粉末(MCDs)。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤(1)中焙烧温度为100～120℃，焙烧时间为10min～30min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤(2)中粉碎后的黄棕色粉末的粒径为2～5nm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤(4)中透析袋的截留分子量(MWCO)为3000～4000道尔顿。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：具体实施方式一制备的碳纳米点粉末可作为荧光探针检测三价铁离子，铁离子为水溶液中的铁离子或生命体中的铁离子。

具体实施方式六：本实施方式的定性检测三价铁离子的方法具体是：

(1)将碳纳米点(MCDs)溶于超纯水中，形成MCDs水溶液，测定溶液的荧光光谱；

(2)上述的MCDs水溶液与待测水溶液混合，并调节至pH值6.0～8.3之间，测定混合液的荧光光谱，如果混合溶液的荧光强度显著减弱，则可判定待测水溶液中含有三价铁离子。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤(2)中所述的荧光强度显著减弱是指荧光强度降至原来的50％以下。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是步骤(2)中所述的荧光强度显著减弱是指荧光强度降至原来的40％以下。其它与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式的定量检测水溶液中铁离子的方法为标准曲线法，具体如下：

(1)配制不同浓度的含Fe³⁺的标准系列样品，分别加入MCDs溶液，并调节至pH值6.0～8.3之间，并测试溶液的荧光光谱，读出最大荧光发射峰的荧光强度值，以铁离子的浓度为横坐标、以最大荧光发射峰的荧光强度值为纵坐标作图，绘出标准曲线；

(2)将MCDs水溶液与待测水溶液混合，再将pH值调节至与标准样品相同，测定其荧光光谱，读出最大荧光发射峰的荧光强度值，从标准曲线上读出待测水溶液中Fe³⁺浓度。

具体实施方式十：本实施方式的生命体中的铁离子的定性检测方法，如下：

将待测的生命体放置到含有MCDs水溶液中培养1～6h，然后用荧光显微镜检测生命体的活细胞，再把用MCDs培养后的生命体放入待测水溶液中培养1～6h后，用荧光显微镜检测生命体的活细胞，如果出现荧光显著减弱，则可判定待测生命体中含有三价铁离子。

为使本领域技术人员进一步理解本发明，下面结合实施例和附图进一步说明本发明。

实施例1：本实施例的基于山竹的碳纳米点的制备方法，按以下步骤进行：

(1)将新鲜的山竹去壳后，取三瓣山竹果肉放入坩埚焙烧干燥10min；

(2)将坩埚放置在电热炉上加热，直至固体的颜色由白色变成黄棕色，自然冷却；

(3)将黄棕色粉末用100mL超纯水溶解，磁力搅拌，超声，离心提取上清液；

(4)将上清液用0.45μM的微孔滤膜过滤，再用MWCO＝3500的透析袋透析，将得到的碳纳米点溶液真空干燥，即得到碳纳米点粉末(MCDs)。

将本实施例的碳纳米点粉末(MCDs)加入到Fe³⁺溶液中，得到络合物MCDs/Fe³⁺，测试MCDs、MCDs/Fe³⁺的透射电镜(TEM)图如图1所示，其中图1A)为MCDs的TEM图，从图1A)可以看出MCDs的粒径大约为2-5nm左右，当TCDs溶液与Fe³⁺混合之后，形成的络合物MCDs/Fe³⁺的粒径变大，大约为25nm(如图1B所示)。

图2为本实施例1中的MCDs的激发和发射光谱图；其中曲线A为MCDs的激发光谱图，在260nm和365nm处有两个峰。其中曲线B为MCDs的发射光谱图，其最大荧光发射峰在440nm。

测试不同浓度的碳纳米点(MCDs)的荧光光谱变化，具体步骤如下：

称取300mg本实施例制备的MCDs于100mL容量瓶中，用超纯水溶解，振荡超声，定容至刻度，静置，其浓度为3mg/mL。移取不同体积的上述溶液于不同的5mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度，激发波长为330nm，室温条件下，利用荧光光谱仪，测定了不同浓度的MCDs水溶液的最大荧光发射峰强度；浓度对MCDs荧光发射光谱的影响图如图3所示，图中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分别代表MCDs的浓度为0.001mg/mL、0.005mg/mL、0.01mg/mL、0.04mg/mL、0.07mg/mL、0.1mg/mL、0.3mg/mL、0.7mg/mL、1mg/mL、3mg/mL。从图中可以看出，随着浓度的增加，MCDs的最大发射峰发生红移。最大发射峰荧光强度分别为21.10、22.74、27.04、70.15、100.6、135.7、213.6、168.8、114.6、18.66.可以看出，当MCDs的浓度为0.3mg/mL时，其荧光强度最大。

再测试本实施例制备的MCDs对不同金属离子的荧光响应情况，具体步骤如下：

MCDs浓度为0.3mg/mL时，向MCDs的Tirs缓冲水溶液(pH＝7.3)中分别加入400μmoL/L Fe³⁺和其它常见的金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)，激发波长为330nm，测定了MCDs对不同金属离子的荧光响应；得到的不同金属离子的荧光响应图如图4所示，从图4可以看出，当pH＝7.3时，MCDs对不同金属离子的荧光响应不同，发现MCDs可以高选择性识别Fe³⁺，且大多数金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)均不猝灭MCDs溶液的荧光光谱，仅有Fe³⁺显著猝灭MCDs的荧光强度，Cu^{2 +}稍微猝灭了MCDs的荧光。其中：纵坐标表示最大荧光发射峰的荧光强度值，横坐标表示金属离子种类。

测试其它金属离子对MCDs-Fe³⁺荧光光谱的影响，其具体步骤如下：

MCDs浓度为0.3mg/mL时，向MCDs的Tirs缓冲水溶液(pH＝7.3)中再加入400μmoL/LFe³⁺和400μmoL/L的其它常见的金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)，Fe³⁺与其它金属离子共存、其它金属离子浓度与Fe³⁺浓度相同的条件下，在激发波长330nm下，测定了其它金属离子对MCDs-Fe³⁺荧光光谱的影响。得到的其它常见金属离子与Fe³⁺竞争时MCDs的荧光变化图如图5所示，从图5可以看出其它常见的金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)对MCDs/Fe³⁺的荧光光谱均无明显干扰，仅Cu²⁺轻微的猝灭了MCDs/Fe³⁺的荧光强度，使MCDs/Fe³⁺在440nm处的荧光强度从61减弱到53。

将3mg本实施例制备的MCDs溶解于10mL中性纯水中，并加入1mL，浓度为0.1mol/L的Tris缓冲溶液，用NaOH调节溶液的pH＝7.3，此时MCDs的浓度为0.3mg/mL，Tris浓度为0.01mol/L。之后再向该溶液中加入不同体积的0.05mol/L的Fe³⁺，在激发波长330nm下，测定Fe³⁺浓度在0-1635μmol/L范围内MCDs荧光光谱，得到的MCDs和不同浓度的Fe³⁺的混合溶液的荧光光谱图如图6所示，从图6可以看出，随着混合溶液中Fe³⁺浓度的增加，MCDs在440nm处的荧光峰强度逐渐减弱，从而可以实现MCDs对Fe³⁺的荧光检测。以Fe³⁺浓度为横作标、以最大荧光发射峰强度为纵作标作图，得到的Fe³⁺浓度对MCDs的最大荧光发射峰强度的影响曲线图如图7所示，从图7的插图可知，Fe³⁺浓度在15-175μmol/L范围时，MCDs在440nm处的荧光强度与Fe³⁺浓度呈现出良好的线性关系(线性相关系数R²＝0.9803)，对空白样进行20次平行测定，按3σ/K(σ为空白样的标准偏差，K为线性方程的斜率)并计算出检出限为5.25×10^{- 8}mol/L，说明本实施例制备的MCDs可以高灵敏的检测Fe³⁺。

将酵母细胞在本实施例制备的MCDs溶液(0.3mg/mL)中37℃下培养2h，然后用400μM Fe³⁺溶液在37℃下处理上述酵母细胞，并且卵化2h，分别用荧光显微镜进行观察，发现MCDs在酵母细胞中的荧光成像，呈现明亮的蓝色荧光；而用400μM Fe³⁺溶液卵化的酵母细胞，其荧光显著猝灭。说明本实施例制备的基于山竹的碳纳米点可以在细胞生命体内检测Fe³⁺。

实施例2：本实施例的基于山竹的碳纳米点的制备方法，按以下步骤进行：

(1)将新鲜的山竹去壳后，取三瓣山竹果肉放入坩埚焙烧干燥20min；

(2)将坩埚放置在电热炉上加热，直至固体的颜色由白色变成黄棕色，自然冷却；

(3)将黄棕色粉末用150mL超纯水溶解，磁力搅拌，超声，离心提取上清液；

(4)将上清液用0.45μM的微孔滤膜过滤，再用透析袋(MWCO＝3500)透析，将得到的碳纳米点溶液真空干燥，即得到碳纳米点粉末(MCDs)。

本实施例制备的MCDs浓度为0.3mg/mL时，向MCDs的HEPES缓冲水溶液(pH＝7.3)中分别加入400μmoL/L Fe³⁺和其它常见的金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn^{2 +}、Cd²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)，激发波长为330nm，测定了MCDs对不同金属离子的荧光响应；发现MCDs高选择性识别Fe³⁺，且大多数金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)均不猝灭MCDs溶液的荧光光谱，仅有Fe³⁺显著猝灭MCDs的荧光强度。

将3mg本实施例制备的MCDs溶解于10mL中性纯水中，并加入1mL，浓度为0.1mol/L的HEPES缓冲溶液，用NaOH调节溶液的pH＝7.3，此时MCDs的浓度为0.3mg/mL，HEPES浓度为0.01mol/L。之后再向该溶液中加入不同体积的0.05mol/L的Fe³⁺，在激发波长330nm下，测定Fe³⁺浓度在0-1000μmol/L范围内MCDs荧光光谱，发现随着混合溶液中Fe³⁺浓度的增加，MCDs在440nm处的荧光峰强度逐渐减弱，从而可以实现MCDs对Fe³⁺的荧光检测。而且Fe³⁺浓度在0-150μmol/L范围时，MCDs在440nm处的荧光强度与Fe³⁺浓度呈现出良好的线性关系(线性相关系数R²＝0.9902)，对空白样进行20次平行测定，按3σ/K(σ为空白样的标准偏差，K为线性方程的斜率)并计算出检出限为5.22×10^-8mol/L，说明本实施例制备的MCDs可以高灵敏的检测Fe³⁺。

实施例3：本实施例的基于山竹的碳纳米点的制备方法，按以下步骤进行：

(1)将新鲜的山竹去壳后，取三瓣山竹果肉放入坩埚焙烧干燥30min；

(2)将坩埚放置在电热炉上加热，直至固体的颜色由白色变成黄棕色，自然冷却；

(3)将黄棕色粉末用150mL超纯水溶解，磁力搅拌，超声，离心提取上清液；

(4)将上清液用0.45μM的微孔滤膜过滤，再用MWCO＝3500的透析袋透析，将得到的碳纳米点溶液真空干燥，即得到碳纳米点粉末(MCDs)。

本实施例制备的MCDs浓度为0.3mg/mL时，向MCDs的HEPES缓冲水溶液(pH＝7.3)中分别加入400μmoL/L Fe³⁺和其它常见的金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn^{2 +}、Cd²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)，激发波长为330nm，测定了MCDs对不同金属离子的荧光响应；发现MCDs高选择性识别Fe³⁺，且大多数金属离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Al³⁺)均不猝灭MCDs溶液的荧光光谱，仅有Fe³⁺显著猝灭MCDs的荧光强度。

将3mg本实施例制备的MCDs溶解于10mL中性纯水中，并加入1mL，浓度为0.1mol/L的HEPES缓冲溶液，用NaOH调节溶液的pH＝8.0，此时MCDs的浓度为0.3mg/mL，HEPES浓度为0.01mol/L。之后再向该溶液中加入不同体积的0.05mol/L的Fe³⁺，在激发波长330nm下，测定Fe³⁺浓度在0-1250μmol/L范围内MCDs荧光光谱，发现随着混合溶液中Fe³⁺浓度的增加，MCDs在440nm处的荧光峰强度逐渐减弱，从而可以实现MCDs对Fe³⁺的荧光检测。而且Fe³⁺浓度在0-125μmol/L范围时，MCDs在440nm处的荧光强度与Fe³⁺浓度呈现出良好的线性关系(线性相关系数R²＝0.9943)，对空白样进行20次平行测定，按3σ/K(σ为空白样的标准偏差，K为线性方程的斜率)并计算出检出限为5.20×10^-8mol/L，说明本实施例制备的MCDs可以高灵敏的检测Fe³⁺。

将酵母细胞在本实施例制备的MCDs溶液(0.3mg/mL)中37℃下培养2h，然后用400μM Fe³⁺溶液在37℃下处理上述酵母细胞，分别用荧光显微镜进行观察，发现MCDs在酵母细胞中的呈明亮的蓝色荧光；而用Fe³⁺溶液处理的上述酵母细胞的蓝色荧光显著减弱。说明本实施例制备的基于山竹的碳纳米点可以在细胞生命体内检测Fe³⁺。

Claims (3)

1.一种基于山竹的碳纳米点的应用，其特征在于该碳纳米点作为荧光探针检测三价铁离子，其中的铁离子为水溶液中的铁离子或生命体中的铁离子；其中碳纳米点的制备方法按以下步骤进行：

(1) 将山竹去壳后，取山竹果肉放入坩埚焙烧干燥，去除水分，得到固体；其中焙烧温度为100~120℃，焙烧时间为10min~30min；

(2) 再将坩埚放置在电热炉上加热，直至固体的颜色由白色变成黄棕色，冷却，粉碎，得到黄棕色粉末；

(3) 将黄棕色粉末用超纯水溶解，磁力搅拌，超声，离心提取上清液；

(4) 将上清液用0.25~0.45μM的微孔滤膜过滤，再用透析袋透析，将得到的碳纳米点溶液真空干燥、粉碎，即得到碳纳米点粉末。

2.根据权利要求1所述的一种基于山竹的碳纳米点的应用，其特征在于定性检测三价铁离子的方法具体是：

(1) 将碳纳米点粉末溶于超纯水中，形成碳纳米点粉末水溶液，测定溶液的荧光光谱；

(2) 上述的碳纳米点粉末水溶液与待测水溶液混合，并调节至pH值6.0~8.3之间，测定混合液的荧光光谱，如果混合溶液的荧光强度降至原来的50%以下，则可判定待测水溶液中含有三价铁离子。

3.根据权利要求1所述的一种基于山竹的碳纳米点的应用，其特征在于定量检测水溶液中铁离子的方法为标准曲线法，具体如下：

(1) 配制不同浓度的含Fe³⁺的标准系列样品，分别加入碳纳米点粉末溶液，并调节至pH值6.0~8.3之间，并测试溶液的荧光光谱，读出最大荧光发射峰的荧光强度值，以铁离子的浓度为横坐标、以最大荧光发射峰的荧光强度值为纵坐标作图，绘出标准曲线；

(2) 将碳纳米点粉末水溶液与待测水溶液混合，再将pH值调节至与标准样品相同，测定其荧光光谱，读出最大荧光发射峰的荧光强度值，从标准曲线上读出待测水溶液中Fe³⁺浓度。