CN106629677A - 一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法 - Google Patents

一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于化工领域，涉及一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法，将柠檬酸和一定摩尔比的青霉胺置于烧杯中，溶解于水，形成混酸溶液；将得到的混酸溶液转移至高压反应釜，加热反应，冷冻干燥，得到功能化石墨烯量子点；将功能化石墨烯量子点溶于水，得到石墨烯水溶液；将缓冲溶液与含Fe3+的溶液混合，与制备的石墨烯量子点水溶液反应一定时间，然后在荧光分光光度计上测定荧光强度，并以此计算样品中Fe3+的含量。本发明以柠檬酸和青霉胺为混合碳源通过一步水热反应制备出功能化石墨烯量子点，利用Fe3+与此量子点的特异结合产生显著的荧光猝灭实现了补铁保健品中Fe3+的高灵敏和高选择的测定。

Description

一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备 方法
技术领域
本发明属于化工领域，涉及一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法。
背景技术
石墨烯量子点具有良好的化学稳定性、优良的光电学性能、低毒性和耐光性等特点，被广泛应用于传感器、纳米材料制备和生物成像等诸多方面(F.X.Wang,Z.Y.Gu,W.Lei,W.J.Wang,X.F.Xia,Q.L.Hao,Graphene quantum dots as a fluorescent sensingplatform for highly efficient detection of copper(II)ions,Sens.Actuators B190(2014)516-522)。目前，石墨烯量子点的制备方法主要有自上而下合成法和自下而上合成法。前者是通过氧化法将微米级的氧化石墨烯片切割成纳米级的石墨烯量子点。此方法不仅耗时，产率低，而且得到的石墨烯量子点结构不稳定。后者是将含碳的小分子化合物通过热裂解法得到石墨烯量子点。此方法所制备的石墨烯量子点含有丰富的羧基、羟基等亲水基团，且石墨烯片更为完整(D.Jiang,Y.P.Chen,N.Li,W.Li,Z.G.Wang,J.L.Zhu,H.Zhang,B.Liu,S.Xu,Synthesis of luminescent graphene quantum dots with highquantum yield and their toxicity study,PloS One.10.12(2015)e0144906)。近年，功能化石墨烯量子点合成与在分析化学领域中的应用成为一个研究热点。
测定Fe3+的分析方法有电化学方法、分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子质谱法等(F.A.Aydina,M.Soylak,Separation,preconcentration and inductivelycoupled plasma-mass spectrometric(ICP-MS)determination of thorium(IV),titanium(IV),iron(III),lead(II)and chromium(III)on 2-nitroso-1-naphtholimpregnated MCI GEL CHP20P resin,J.Hazard.Mater.173.1(2010)669-674)。这些分析方法都存在一些缺点，如需要使用昂贵的仪器、复杂操作以及繁琐的生物样品前处理，这给微量Fe3+的检测带来不便。近年石墨烯量子点被广泛应用于Fe3+的测定，但基于现有石墨烯量子点荧光法测定Fe3+在方法的灵敏度和选择性仍不够理想。
铁是人体必需的微量元素，是红细胞合成血红素的必要物质。铁在人体内主要作为血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素等组成部分而参与体内氧的运输和组织呼吸过程(N.Abbaspour,R.Hurrell,R.Kelishadi,Review on iron and its importance forhuman health,J.Res.Med.19.2(2014))。人体长期缺铁会导致贫血、反应迟钝和头晕耳鸣等问题，尤其是婴儿、儿童和孕妇。由于Fe3+在人体液环境中易反应形成难溶性的氢氧化铁，不仅难以被人体吸收利用，而且还可能产生对细胞膜、蛋白质和DNA的破坏和诱导羟基自由基产生。因此，目前补铁保健品都是采用Fe2+为铁源。然而，补铁保健品在生产、运输等环节都可能与空气接触而导致Fe2+被氧化生成Fe3+。测定Fe2+中的Fe3+具有现实意义。
发明内容
发明目的：提供一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法。设计合成青霉胺功能化石墨烯量子点。通过引入青霉胺功能基团显著提高了石墨烯量子点的荧光强度。利用功能化石墨烯量子点片上功能基团及它们在空间的分布所形成的独特空间构型实现对Fe3+高选择和高灵敏的荧光响应，解决目前石墨烯量子点荧光法测定Fe2+中微量Fe3+在方法灵敏度和选择性方面的不足。
技术方案：本发明提供了一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法，该制备方法包括如下步骤:
1.一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法，其特征是步骤为：1)将柠檬酸和一定摩尔比的青霉胺混合，溶解于水，形成混酸溶液；2)将由步骤1)所制备的混酸溶液转移至高压反应釜，加热反应，冷冻干燥，得到功能化石墨烯量子点；3)将由步骤2)所制备的功能化石墨烯量子点溶于水，得到石墨烯量子点水溶液；4)将酸碱缓冲溶液与含Fe3+溶液混合，加入由步骤3)所制备的石墨烯量子点水溶液，反应一定时间，然后在荧光分光光度计上测定荧光强度，并以此计算样品中Fe3+的含量。
2.步骤1)中所述的青霉胺为D-青霉胺、L-青霉胺、N-乙酰基-D-青霉胺等含有巯基青霉胺的衍生物中的任何一种。
3.步骤1)中所述的柠檬酸和青霉胺的摩尔比在1:0.01-1:1。
4.步骤2)中所述的加热反应的温度和时间分别在120-250℃和1-5h。
5.步骤3)中所述的石墨烯量子点水溶液的浓度在0.1-0.5mg/mL。
6.步骤4)中所述的的缓冲溶液是pH在2-6之间的BR缓冲溶液和PBS缓冲溶液中的任何一种。
7.步骤4)中所述的步骤4)所述的Fe3+和石墨烯量子点的质量比在1:50-1:100000。
8.步骤4)中所述的反应一定时间在1-30min。
本发明与现有的技术相比具有如下优点：
(1)石墨烯量子点片的形成与青霉胺功能基团的引入在一步水热反应中完成，得到的功能化石墨烯量子点不仅具有丰富的功能基团而且有高的稳定性。与现有的两步法相比，本发明所提供的功能化石墨烯量子点的制备方法更为简单和高效。
(2)将青霉胺基团的引入到石墨烯片的边缘基团中极大地增强了产品的荧光强度。本发明所制备的功能化石墨烯量子点具有更高的荧光量子产率。
(3)极好的选择性。独特的功能基团和空间结构使青霉胺功能化石墨烯量子点唯有与Fe3+结合产生明显地荧光猝灭，方法的选择性明显优于现有方法。
(4)与贵金属和半导体量子点相比，青霉胺功能化石墨烯量子点还具有生产成本低和无毒的优点。
具体实施方式
下面用实例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。
下列实施实例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或者按照制造厂商将建议的条件。本发明中所述的“室温”、“常压”是指日常操作间的温度和气压，一般为25℃，一个标准大气压。
下述实施例中，所用的荧光分光光度计为CARY Eclipse荧光分光光度计，设置的激发波长为356nm，狭缝宽度为2.5-5nm。
实施实例1
称取2g柠檬酸与1.4g的D-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为200℃下反应2.5h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.2mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点溶液、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝2的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应10min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为1.3×10-7M。
实施实例2
称取2g柠檬酸与0.02g的D-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为180℃下反应2h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.1mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝5的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应5min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为的检出限为2×10-6M。
实施实例3
称取2g柠檬酸与3.2的D-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为250℃下反应5h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.5mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝1.81的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应3min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为3×10-6M。
实施实例4
称取2g柠檬酸与1.3g的L-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为200℃下反应2h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，用将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.3mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝1.81的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应10min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为3×10-7M。
实施实例5
称取2g柠檬酸与1.7g的N-乙酰基-D-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为180℃下反应3.5h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.25mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝3.5的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应30min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为5×10-7M。
实施实例6
称取2g柠檬酸与0.6g的D-青霉胺与0.8g的L-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为250℃下反应3.5h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.1mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝4.5的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应10min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为1×10-6M。
实施实例7
称取2g柠檬酸与1.8g的L-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为150℃下反应1h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.1mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝2的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应5min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为5×10-6M。
实施实例8
称取2g柠檬酸与0.7g的D-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为240℃下反应2h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.2mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝4.5的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应25min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为6×10-7M。
实施实例9
称取2g柠檬酸与1g的1.3g的D-青霉胺与N-乙酰基-D-青霉胺于烧杯中，加入30mL二次蒸馏水搅拌至溶解，将烧杯中的混合溶液转移至50mL的高压反应釜中，在温度为220℃下反应3h。将所制得的石墨烯量子点溶液冷冻干燥，将冷冻干燥得到的石墨烯量子点用二次蒸馏水配制质量浓度为0.35mg/mL的石墨烯量子点溶液。取200μL石墨烯量子点、200μL的Fe3+样品溶液和0.6mL的pH＝3的BR缓冲溶液，摇匀，室温下反应10min，在荧光分光光度计上测定激发波长为356nm时的发射波长的荧光强度。方法对Fe3+的检出限为7×10-7M。

Claims (8)

1.本发明公开了一种对Fe3+超灵敏荧光响应的功能化石墨烯量子点的制备方法，其主要特征包括以下步骤：1)将柠檬酸和一定摩尔比的青霉胺混合，溶解于水，形成混酸溶液；2)将由步骤1)所制备的混酸溶液转移至高压反应釜，加热反应，冷冻干燥，得到功能化石墨烯量子点；3)将由步骤2)所制备的功能化石墨烯量子点溶于水，得到石墨烯量子点水溶液；4)将酸碱缓冲溶液与含Fe3+溶液混合，加入由步骤3)所制备的石墨烯量子点水溶液，反应一定时间，然后在荧光分光光度计上测定荧光强度，并以此计算样品中Fe3+的含量。
2.如权利1中所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的青霉胺为D-青霉胺、L-青霉胺、N-乙酰基-D-青霉胺等含有巯基的青霉胺衍生物中的任何一种。
3.如权利1中所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的柠檬酸和青霉胺的摩尔比在1:0.01-1:1。
4.如权利1中所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的加热反应的温度和时间分别在120-250℃和1-5h。
5.如权利1中所述的方法，其特征在于，步骤3)所述的石墨烯量子点水溶液的浓度在0.1-0.5mg/mL。
6.如权利1中所述的方法，其特征在于，步骤4)所述的缓冲溶液是pH在2-6之间的BR缓冲溶液和PBS缓冲溶液中的任何一种。
7.如权利1中所述的方法，其特征在于，步骤4)所述的Fe3+和石墨烯量子点的质量比在1:50-1:100000。
8.如权利1中所述的方法，其特征在于，步骤4)所述的反应一定时间的时间在1-30min。
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