CN107043623A - 一种红色荧光碳纳米点的制备及检测三价铁离子、抗坏血酸的方法 - Google Patents

一种红色荧光碳纳米点的制备及检测三价铁离子、抗坏血酸的方法 Download PDF

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Abstract

一种红色荧光碳纳米点的制备及检测三价铁离子、抗坏血酸的方法，属于金属离子检测领域。利用柠檬酸、硫脲、丙酮为原料，放置于水热釜中，在160℃下反应8小时，得到红色荧光碳纳米点。配制碳纳米点溶液，向其中加入不同浓度的三价铁离子溶液，在荧光分光光度计中测量其荧光强度变化，绘制荧光强度随铁离子浓度变化的曲线并拟合，得到拟合公式。利用抗坏血酸能够还原三价铁离子的特性，通过加入不同浓度的抗坏血酸溶液，使荧光恢复，绘制荧光强度随抗坏血酸浓度变化的曲线并拟合。本方法可以检测三价铁离子和抗坏血酸浓度，简单易行。

Description

一种红色荧光碳纳米点的制备及检测三价铁离子、抗坏血酸 的方法
技术领域
本发明属于金属离子检测领域，尤其是一种利用红色荧光碳量子点制备及检测三价铁离子、抗坏血酸的方法。
背景技术
碳点是一种新型的荧光纳米材料，具有多色发光、低毒，优越的生物相容性和良好的光稳定性等性质。因此，碳点在离子检测、生物成像和光电转换方面有越来越广的应用。
铁离子是生命系统中一种不可或缺的元素，在诸多生命过程中起着重要作用。铁石构成血红蛋白的、肌红蛋白及多种酶的重要成分，如果体内缺少铁，会影响血红蛋白、肌红蛋白的合成，可使某些酶的活性降低，从而引起很多生理上的变化，导致各种疾病。因此，保持体内铁离子在一定水平，对人体健康有很重要的作用。水是生命存在不可或缺的物质，水中的铁离子如果超标，会对生命产生严重的后果，因此有必要对水体进行铁离子浓度的检测。
碳点具有较低的毒性，良好的水溶性，较高的光稳定性和优异的化学稳定性等特点，能够用于化学传感器。通过检测在外界物理或化学环境下荧光强度的改变，碳点可以用来检测多种物质，例如葡萄糖(Shan X,Chai L,Ma J,et al.Analyst,2014,139(10):2322-2325.)，银离子(Qian Z,Ma J,Shan X,et al.Chemistry–A European Journal,2014,20(8):2254-2263.)，铅离子(Wee SS,Ng Y H,Ng S M.Talanta,2013,116:71-76.)等。
目前碳点的发光大多集中在蓝光和绿光区，关于红光碳点的报道较少。利用廉价易得的原料，使用操作简单的方法得到荧光效率较高的红光碳点仍然具有一定挑战性。利用碳点作为探针检测三价铁离子，操作方法简单，灵敏度高，选择性好。因此，方便快捷地检测环境水体中的三价铁离子浓度有很重要的作用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有荧光检测技术中对分子、离子的检测局限性而提供的一种利用碳点表面官能团检测三价铁离子的应用。
本发明提供一种红色发光碳纳米点作为检测三价铁离子等的荧光探针的应用，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种红色荧光碳纳米点的制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向反应釜中加入反应原料柠檬酸、硫脲和反应溶剂丙酮，于150-180℃(优选160℃)烘箱中反应5-10小时(优选8小时)；
(2)将反应后的溶液取出置于离心管内，除去反应残渣不溶物，得到碳纳米点溶液；
(3)配置石油醚和乙酸乙酯体积比为3：1的洗脱液，将得到的碳纳米点进行洗脱，取下层沉淀，放入60℃烘箱干燥。
(4)用研钵将干燥后的固体研磨成粉末，得到红棕色粉末为红色荧光的碳点。
柠檬酸和硫脲的质量比1:(1-2)，优选1:1.3。
一种红色荧光碳纳米点检测三价铁离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将一定碳纳米点水溶液与一定体积不同浓度的三价铁离子的水溶液混合，得到混合溶液；所有混合溶液中，碳纳米点的浓度一定，三价铁离子的浓度范围为0～10μM，放入荧光分光光度计中；
(2)通过荧光分光光度计测试碳量子点的最佳激发波长，并将荧光分光光度计的激发波长调整为最佳激发波长，记录不同浓度的三价铁离子溶液的荧光强度；
(3)绘制碳量子点溶液随铁离子浓度的增加而荧光强度下降的变化曲线，选取其中的线性部分进行拟合并得出拟合公式；
(4)将待测三价铁离子水溶液按照步骤(1)的方法配置碳纳米点和三价铁离子混合溶液；按照步骤(2)的最佳激发波长通过荧光分光光度计测定荧光强度值，将所得荧光强度带入步骤(3)的拟合公式得到铁离子浓度。
一种红色荧光碳纳米点检测抗坏血酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将红色荧光碳纳米点水溶液分别与三价铁离子的水溶液混合，得到混合溶液；所有混合溶液中，红色荧光碳纳米点的浓度一定，三价铁离子的浓度范围为0～10μM，放入荧光分光光度计中；
(2)通过荧光分光光度计测试碳量子点的最佳激发波长，并将荧光分光光度计的激发波长调整为最佳激发波长，记录步骤(1)混合溶液的荧光强度；
(3)分别将一定体积不同浓度的抗坏血酸溶液加入到步骤(1)所得的红色荧光碳纳米点溶液和三价铁离子的混合溶液中；
(4)通过荧光分光光度计测试分别加入不同浓度的抗坏血酸后的混合溶液的荧光强度，溶液的荧光强度随抗坏血酸浓度的增加而增加，拟合出公式；
(5)按照步骤(3)将一定体积的待测的抗坏血酸溶液加入到步骤(1)的混合溶液中，通过荧光分光光度计测试荧光强度，带入到步骤(4)拟合出的公式中，得到抗坏血酸的浓度。
检测抗坏血酸的方法时，步骤(1)三价铁离子和红色荧光碳纳米点的用量关系为三价铁离子不完全猝灭红色荧光碳纳米点的荧光性。
上述检测三价铁离子、抗坏血酸时，拟合公式也可以采用相对不加三价铁离子、抗坏血酸时的下降量进行拟合。激发波长选为560nm。
本发明的优点是：
1、本发明制备了一种红色荧光的碳量子点，同时利用碳点上的官能团和三价铁离子的络合反应，使荧光碳量子点的荧光猝灭来检测铁离子，进一步通过抗坏血酸能进一步恢复荧光碳量子点的荧光性来检测抗坏血酸。
2、本发明测试方法简单易行，灵敏度高，选择性好。
3、碳点和三价铁离子的混合溶液可以检测抗坏血酸，操作方便，检测快速高效。
附图说明
图1本发明体系下的碳量子点的透射电镜图(变为灰度后是否清楚)；
图2碳点的荧光强度随荧光发射波长的变化曲线；
图3不同铁离子浓度对荧光强度的影响；
图4碳点的荧光强度下降ΔF随加入三价铁离子浓度的变化曲线；
图5碳点溶液在Fe3+浓度为0～4μM范围内的线性荧光响应Stern-Volmer曲线；
图6不同抗坏血酸浓度对碳点和三价铁离子混合溶液的荧光强度的影响。
图7碳点和三价铁离子的混合溶液在抗坏血酸浓度为0～2μM范围内，荧光强度增加ΔF随抗坏血酸浓度的变化曲线。
图8不同金属离子对碳点荧光强度的影响；
图9碳点对不同金属离子溶液中对三价铁离子的选择性。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加明确，结合实例对本发明进行说明。下面给出的本发明的实施例，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实例1
本发明所用碳量子点，采用如下步骤制备：
(1)向20mL反应釜中加入0.58g柠檬酸、0.76g硫脲和10mL丙酮，于160℃烘箱中反应8小时。
(2)将反应后的溶液取出置于离心管内，设置转速9000rpm，离心10分钟，除去反应残渣不溶物。
(3)配置石油醚和乙酸乙酯体积比为3：1的洗脱液，将得到的碳纳米点进行洗脱，取下层沉淀，放入60℃烘箱干燥。
(4)用研钵将干燥后的固体研磨成粉末，得到红棕色粉末为红色荧光的碳点。
(5)配制20μg/mL的碳量子点溶液，利用荧光分光光度计测试其荧光性质，得到最佳激发波长为560nm。
(6)向石英荧光比色皿中加入3mL上述配制好的碳量子点溶液。
(7)使用移液枪分别将FeCl3溶液加入到上述碳量子点溶液中，使之最终浓度为0～10μM。用吸管搅拌均匀，静置1分钟。
(8)用荧光分光光度计测试上述混合溶液的荧光强度，激发波长选为560nm，记录溶液荧光强度变化曲线，如图3所示。
(9)绘制碳量子点溶液随三价铁离子浓度(0～4μM)增加荧光强度下降的曲线，并对其进行拟合，得到拟合公式为ΔF＝20.29+390.22[Fe3+]，如图4所示。
(10)将上述步骤(5)中配制的碳量子点溶液加入石英荧光比色皿中，将待检测含三价铁离子溶液加入上述石英荧光比色皿中。
(11)利用荧光分光光度计测试上述混合溶液的荧光强度，激发波长选为560nm，记录其最大荧光强度，并计算其荧光强度下降ΔF。
(12)将荧光强度下降ΔF带入步骤(9)中的拟合公式，计算出待检测溶液中所含的三价铁离子浓度。
(13)步骤(15)表明铁离子浓度为2.3μM。
实例2
(1)配制20μg/mL的碳量子点溶液，利用荧光分光光度计测试其荧光性质，得到最佳激发波长为560nm。
(2)向石英荧光比色皿中加入3mL上述配制好的碳量子点溶液。
(3)使用移液枪将FeCl3溶液加入到上述碳量子点溶液中，使之最终浓度为4μM，用吸管搅拌均匀，静置1分钟。
(4)用荧光分光光度计测试上述混合溶液的荧光强度，激发波长选为560nm，记录溶液荧光强度。
(5)向碳点和三价铁离子混合溶液中加入不同浓度的抗坏血酸溶液，使抗坏血酸最终浓度为0～2μM，用吸管搅拌均匀，静置1分钟。
(6)用荧光分光光度计测试上述混合溶液的荧光强度，激发波长选为560nm，记录溶液荧光强度变化曲线，如图6所示。
(7)绘制碳量子点溶液随抗坏血酸浓度增加荧光强度上升的曲线，并对其进行拟合，得到拟合公式为ΔF＝87.13+915.71[AA]，如图7所示。
(8)将上述步骤(1)中配制的碳量子点溶液加入石英荧光比色皿中，将待检测含抗坏血酸溶液加入上述石英荧光比色皿中。
(9)利用荧光分光光度计测试上述混合溶液的荧光强度，激发波长选为560nm，记录其最大荧光强度，并计算其荧光强度增加ΔF。
(10)将荧光强度增加ΔF带入步骤(7)中的拟合公式，计算出待检测溶液中所含的抗坏血酸浓度。
(11)步骤(10)表明抗坏血酸浓度为1.6μM。
实例3
(1)向3mL含有20μg/mL的碳量子点溶液中分别加入10μL含有1mM Fe3+、Li+、Na+、K+、Ag+、Zn2+、Pb2+、Ni2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+、Co2+、Cd2+、Au3+、Cr3+的溶液，得到不同的混合溶液，搅拌均匀后静置1分钟。
(2)用荧光分光光度计测试上述混合溶液的荧光强度，激发波长选为560nm，记录溶液荧光强度变化ΔF。
(3)从图8可以看出，碳点溶液对三价铁离子有很好的选择性。
实例4
(1)向3mL含有20μg/mL的碳量子点溶液中分别加入10μL含有1mM Li+、Na+、K+、Ag+、Zn2+、Pb2+、Ni2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+、Co2+、Cd2+、Au3+、Cr3+的溶液，得到不同的混合溶液。
(2)向上述不同的混合溶液中加入相同量的三价铁离子溶液，用吸管搅拌均匀，静置1分钟。
(3)用荧光分光光度计测试上述混合溶液的荧光强度，激发波长选为560nm，记录溶液最大荧光强度。
(4)从图9可以看出，Li+、Na+、K+、Ag+、Zn2+、Pb2+、Ni2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+、Co2+、Cd2+、Au3 +、Cr3+等离子的存在不会对三价铁离子的检测造成干扰。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。在不脱离本发明原理的基础上，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种红色荧光碳纳米点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向反应釜中加入反应原料柠檬酸、硫脲和反应溶剂丙酮，于150-180℃烘箱中反应5-10小时；柠檬酸和硫脲的质量比1:(1-2)；
(2)将反应后的溶液取出置于离心管内，除去反应残渣不溶物，得到碳纳米点溶液；
(3)配置石油醚和乙酸乙酯体积比为3：1的洗脱液，将得到的碳纳米点进行洗脱，取下层沉淀，放入60℃烘箱干燥。
(4)用研钵将干燥后的固体研磨成粉末，得到红棕色粉末为红色荧光的碳点。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，柠檬酸和硫脲的质量比1:1.3。
3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)160℃烘箱中反应8小时。
4.按照权利要求1-3任一项方法制备得到的红色荧光碳纳米点。
5.一种红色荧光碳纳米点检测三价铁离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将一定碳纳米点水溶液与一定体积不同浓度的三价铁离子的水溶液混合，得到混合溶液；所有混合溶液中，碳纳米点的浓度一定，三价铁离子的浓度范围为0～10μM，放入荧光分光光度计中；
(2)通过荧光分光光度计测试碳量子点的最佳激发波长，并将荧光分光光度计的激发波长调整为最佳激发波长，记录不同浓度的三价铁离子溶液的荧光强度；
(3)绘制碳量子点溶液随铁离子浓度的增加而荧光强度下降的变化曲线，选取其中的线性部分进行拟合并得出拟合公式；
(4)将待测三价铁离子水溶液按照步骤(1)的方法配置碳纳米点和三价铁离子混合溶液；按照步骤(2)的最佳激发波长通过荧光分光光度计测定荧光强度值，将所得荧光强度带入步骤(3)的拟合公式得到铁离子浓度。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，激发波长选为560nm。
7.一种红色荧光碳纳米点检测抗坏血酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将红色荧光碳纳米点水溶液分别与三价铁离子的水溶液混合，得到混合溶液；所有混合溶液中，红色荧光碳纳米点的浓度一定，三价铁离子的浓度范围为0～10μM，放入荧光分光光度计中；
(2)通过荧光分光光度计测试碳量子点的最佳激发波长，并将荧光分光光度计的激发波长调整为最佳激发波长，记录步骤(1)混合溶液的荧光强度；
(3)分别将一定体积不同浓度的抗坏血酸溶液加入到步骤(1)所得的红色荧光碳纳米点溶液和三价铁离子的混合溶液中；
(4)通过荧光分光光度计测试分别加入不同浓度的抗坏血酸后的混合溶液的荧光强度，溶液的荧光强度随抗坏血酸浓度的增加而增加，拟合出公式；
(5)按照步骤(3)将一定体积的待测的抗坏血酸溶液加入到步骤(1)的混合溶液中，通过荧光分光光度计测试荧光强度，带入到步骤(4)拟合出的公式中，得到抗坏血酸的浓度。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，激发波长选为560nm。
9.按照权利要求7的方法，其特征在于，步骤(1)三价铁离子和红色荧光碳纳米点的用量关系为三价铁离子不完全猝灭红色荧光碳纳米点的荧光性。
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