CN107236541B - 氮掺杂石墨烯量子点的制备方法及抗坏血酸的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，包括：A)将碳氮源、三甲基苯、硫酸和乙醇混合后注入有序介孔二氧化硅中，在60～100℃下加热2～8h，再在120～180℃下反应3～10h，然后在700～1000℃氮气气氛下加热1～5h，得到介孔碳/氮/二氧化硅纳米复合物；所述碳氮源为吡咯或喹啉；B)将所述碳/氮/二氧化硅纳米复合物在浓硝酸蒸汽中反应，得到氮掺杂石墨烯量子点。本发明还提供了一种抗坏血酸的检测方法。实验结果表明，本发明提供的方法制备得到的N‑GQDs粒径尺寸均一，分布较窄，分散性良好，具有较好的水溶性。以其作为荧光探针对抗坏血酸具有良好的选择性，且具有良好的准确度。

Description

氮掺杂石墨烯量子点的制备方法及抗坏血酸的检测方法
技术领域
本发明属于荧光检测技术领域，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法及抗坏血酸的检测方法。
背景技术
抗坏血酸(AA)又称维生素C，大量存在于食品、动物体液及人体中，广泛参与机体的氧化、还原等代谢过程，其在生物化学过程中起着至关重要的作用，是生命体中重要的抗氧化剂、辅酶因子及神经传递素相关酶的组成成分。众所周知，AA的缺乏将导致坏血病的发生，但是摄入过量也会引起尿结石、腹泻、胃痉挛等。因此，准确、简便地检测AA的含量是至关重要的。
传统的用于抗坏血酸检测的方法主要有：光学法、色谱法、电化学法、流动注射分析法、高效液相色谱法等，然而这些方法存在设备费用昂贵、操作复杂和费时等缺点。因此发展简单、快速、低成本的抗坏血酸检测技术对环境、生命、医学以及工农业生产等都具有重要的意义。近年来，人们致力于抗坏血酸检测的化学传感器的研究。其中，荧光传感法(即荧光探针法)成为了当前广泛应用的分析方法。荧光传感法因其灵敏度高和便捷等优点，是检测重金属、有机小分子等物质的强有力的工具。但是常用的荧光探针如半导体量子点和有机荧光分子，或者毒性高或者光稳定性差。
石墨烯量子点(Graphenequantumdots，GQDs)是一种由少数几层石墨烯片组成的碳基纳米材料，具有化学惰性高、毒性低、生物相容性好和光稳定性高等优点，在超级电容器、光伏器件、生物成像等领域具有广泛的应用。目前合成GQDs的方法主要有两大类：自上而下和自下而上法。这两种制备方法各有优缺点，例如自下而上法可以较好地调控GQDs的尺寸和形貌，但是其合成过程不仅耗时而且需特定的有机前驱体，更重要的是所制备的GQDs水溶性差、分散性低。相对而言，自上而下法可以简便、大规模地制备水溶性的GQDs。但是这种方法也具有分离困难、尺寸难以控制等缺点。为了获得粒径及层数可控的石墨烯量子点，一些科研人员发展了一种限域空间内制备GQDs的方法。例如：有课题组采用自下而上的方法，在层状镁铝水滑石材料的二维限域空间内插层了柠檬酸盐，并在二维空间的限域作用下，通过水热处理柠檬酸盐，获得了层数可控的石墨烯量子点。但是，如何利用纳米级反应空间，采用自上而下的方法，限域制备粒径可控的高性能荧光氮掺杂石墨烯量子点，还未被开发出来。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法及抗坏血酸的检测方法，本发明提供的方法可获得尺寸均一、光稳定性高的氮掺杂石墨烯量子点，以其作为荧光探针，可快速完成抗坏血酸的检测，且准确性良好。
本发明提供了一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，包括：
A)将碳氮源、三甲基苯、硫酸和乙醇混合后注入有序介孔二氧化硅中，在60～100℃下加热2～8h，再在120～180℃下反应3～10h，然后在700～1000℃氮气气氛下加热1～5h，得到碳/氮/二氧化硅纳米复合物；所述碳氮源为吡咯或喹啉；
B)将所述碳/氮/二氧化硅纳米复合物在浓硝酸蒸汽中反应，得到氮掺杂石墨烯量子点。
本申请以有序介孔二氧化硅作为纳米反应器，将其介孔孔壁上覆盖少层含氮石墨烯形成有序介孔N/C/二氧化硅纳米复合物，然后使用硝酸蒸汽作为剪刀制备出了尺寸可控、水溶性好的N-GQDs。更重要的是，N/C/二氧化硅的介孔结构利于N-GQDs的快速分离，从而避免了复杂、乏味的离心过程。此外，将未反应的N/C/二氧化硅在空气条件下煅烧去除碳成份，可以回收利用此纳米反应器。总之，所用的酸蒸汽切断法和原位过滤策略实现了石墨烯量子点的高产率制备和简易分离。通过使用限域的纳米反应器，所获得的石墨烯量子点粒径均一、分散性好，解决了自上而下法合成N-GQDs分离困难、产率低和尺寸难以控制等难题。研究表明，石墨烯量子点富含羟基和羧基等含氧官能团不仅使其具有极佳的水溶性，而且以Fe3+为荧光淬灭剂形成Fe3+-N-GQDs体系，加入生物小分子AA作为还原剂，实现对AA的turn-on检测，并实施了鱼血中AA的检测，获得令人满意的回收率。
本发明以有序介孔二氧化硅为模板，所述有序介孔二氧化硅按照以下方法制备：
将正硅酸乙酯、三嵌段共聚物P123、水和浓盐酸混合均匀，100～130℃条件下反应20～28h，将得到的产品洗涤、干燥后在空气条件下，500～580℃退火4～8h，得到有序介孔二氧化硅。
其具体操作步骤如下：
将正硅酸乙酯、三嵌段共聚物P123、水和浓盐酸混合均匀。将此溶液转移至高压反应釜中，100～130℃条件下反应20～28h。反应结束后，用大量的超纯水和乙醇洗涤并过滤，所得产品在50～60℃下干燥。最终，将烘干后的产品在空气条件下，500～580℃退火4～8h，得到有序介孔二氧化硅SBA-15。
其中，三嵌段共聚物P123的重均分子量(Mw)为3000～10000，优选为4000～6000，更优选为5800。
获得有序介孔二氧化硅模板后，将碳氮源、三甲基苯、硫酸和乙醇混合后注入有序介孔二氧化硅中，在60～100℃下加热2～8h，再在120～180℃下反应3～10h，然后在700～1000℃氮气气氛下加热1～5h，得到碳/氮/二氧化硅纳米复合物；其中，所述碳氮源为吡咯或喹啉。其中，有序介孔SiO2(SBA-15)为模板，喹啉或吡咯作为碳氮源，三甲基苯作为扩孔剂、硫酸作为催化剂，反应后得到聚喹啉/SiO2或聚吡咯/SiO2，然后在700～1000℃氮气气氛下加热1～5h，得到碳/氮/二氧化硅纳米复合物。
其中，所述碳氮源、三甲基苯、硫酸和乙醇的摩尔比为1：2～7：1～4：0.1～0.6。
得到碳/氮/二氧化硅纳米复合物后，将其在浓硝酸蒸汽中反应，利用简易的硝酸蒸气切断策略，在密闭反应釜的空间内，氧化切断有序介孔N/C/SiO2孔壁表面的含氮碳层，获得氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)。
具体而言，所述步骤B具体为：
将碳/氮/二氧化硅纳米复合物放入玻璃器皿中，将所述玻璃器皿放入含有浓硝酸的反应釜中，120～160℃加热1～3h，将玻璃器皿原位过滤，得到氮掺杂石墨烯量子点溶液。
首先，将制备好的碳/氮/二氧化硅纳米复合物放入玻璃器皿中。其次，将玻璃器皿放入含有浓硝酸的反应釜中。再次，将此反应釜放入120～160℃烘箱中加热1～3h。最后，将反应后的玻璃器皿原位过滤，收集黄色滤液，为N-GQDs溶液。
此外，本发明还包括：将过滤后的沉淀在空气条件下，520～580℃退火3～6h，回收有序介孔二氧化硅。
得到氮掺杂石墨烯量子点溶液后，将0.15～0.3mLN-GQDs溶液用1.6～2mL超纯水(≥18.2MΩ)稀释，然后以20nm为间隔的激发波长激发N-GQDs，狭缝为5～10nm进行荧光测试。实验结果表明，激发波长是340nm时，它的荧光发射峰强度最大。因此，我们选择340nm为激发波长用于以下荧光实验。
取制备的N-GQDs溶液和超纯水于石英比色皿中，首先加入Fe3+溶液，得到测试体系，测定不同AA浓度下的荧光强度，以荧光强度对AA浓度绘制传感曲线图，然后用于检测抗坏血酸。
本发明还提供了一种抗坏血酸的检测方法，包括：
按照上述技术方案所述的制备方法制备氮掺杂石墨烯量子点溶液；
将所述氮掺杂石墨烯量子点溶液与Fe3+溶液混合，得到Fe3+-N-GQDs混合液；
向所述Fe3+-N-GQDs混合液中加入待测物，测定得到的溶液的荧光强度，根据预定的标准曲线计算待测物中抗坏血酸的含量。
其中，所述预定的标准曲线按照以下方法得到：
按照上述技术方案所述的制备方法制备氮掺杂石墨烯量子点溶液；
将所述氮掺杂石墨烯量子点溶液与Fe3+溶液混合，得到Fe3+-N-GQDs混合液；
向所述Fe3+-N-GQDs混合液中加入系列浓度的抗坏血酸溶液，测定得到的溶液的荧光强度，建立恢复的荧光强度比F/F0与浓度的工作曲线，其中，F为加入抗坏血酸溶液后的荧光强度，F0为未加入抗坏血酸溶液时的荧光强度。
本发明利用纳米反应器限域N-GQDs的制备方法并利用N-GQDs的荧光“开关”模式专一性检测AA，是基于选用有序介孔SiO2作为纳米反应器，在其孔壁表面覆盖纳米级厚度且可调的含氮石墨烯层，获得有序介孔N/C/SiO2复合物，利用酸蒸汽氧化切断策略及介孔限域作用，制备粒径、层数可控的N-GQDs。N-GQDs表面的富氧官能团特别是酚羟基和羧基是其对Fe3+具有较好选择性的主要因素。此外，N-GQDs表面的羧基对Fe3+也具有较大的贡献。基于以上分析，当Fe3+加入到N-GQDs溶液之后形成了Fe-N-GQDs配合物，这个配合物利于光生电子从N-GQDs到Fe3+的转移，从而淬灭荧光，加入AA后，利用Fe3+作为氧化剂，通过加入具有还原作用及配位作用的AA改变氮掺杂石墨烯量子点的配位环境，进而恢复N-GQDs的荧光发射，达到turn-on检测AA的目的。实验结果表明，本发明提供的方法制备得到的N-GQDs粒径尺寸均一，分布较窄，直径在1.7～3.9nm范围之间；分散性良好，均匀分散排布，高度小于2.0nm，说明所合成的N-GQDs由1-5层石墨烯构成；由大量的C、O及微量的N元素构成，具有较好的水溶性。以该量子点作为荧光探针对抗坏血酸具有良好的选择性，且对抗坏血酸的检测具有良好的准确度。
附图说明
图1为本发明中使用的玻璃器皿。
图2为本发明实施例2制备的N-GQDs的透射电镜图。
图3为本发明实施例2制备的N-GQDs的原子力显微镜图(a)及高度图(b)。
图4为本发明实施例2制备的N-GQDs的XPS谱图。
图5为本发明实施例3Fe3+-N-GQDs对AA的传感应用图，不同浓度AA下的Fe3+-N-GQDs溶液的荧光光谱图(AA浓度从上到下依次是：0,10，20，30，40，50，60，70，80，90和100μM)。
图6为本发明实施例3Fe3+-N-GQDs对AA检测的工作曲线，F0和F分别是340nm激发下，AA缺乏和存在下的荧光强度。
图7为本发明实施例3Fe3+-N-GQDs在50μM不同生物小分子存在下的淬灭性能，从左到右分别为：尿酸(AA)、果糖(Fru)、葡萄糖(Glc)、乙醇(Et)、L-半胱氨酸(Cys)、L-谷氨酸(L-GlA)、L-亮氨酸(L-Leu)和L-苯丙氨酸(L-Phe)。
具体实施方式
实施例1有序介孔的含氮高分子/SiO2复合材料的制备
将正硅酸乙酯、三嵌段共聚物P123(Mw＝5800)、水和浓盐酸混合均匀。将此溶液转移至高压反应釜中，110℃条件下反应24h。反应结束后，用大量的超纯水和乙醇洗涤并过滤，所得产品在60℃下干燥。最终，将烘干后的产品在空气条件下，550℃退火6h，得到有序介孔二氧化硅SBA-15。
取摩尔比为1：5：3：0.4的吡咯、三甲基苯、硫酸和乙醇混合溶液孕注到SBA-15中，先在80℃烘箱中加热6h，随后在160℃烘箱中反应8h，然后所得样品在800℃氮气气氛下加热4h，得到碳/氮/二氧化硅纳米复合物。
实施例2氮掺杂石墨烯量子点的制备
将实施例1制备好的碳/氮/二氧化硅纳米复合物放入如图1所示的玻璃器皿中，然后放入含有浓硝酸的反应釜中，再将此反应釜放入120～160℃烘箱中加1～3h。最后，将反应后的玻璃器皿原位过滤，收集黄色滤液，为N-GQDs溶液。
对所述N-GQDs溶液进行检测，结果参见图2、图3和图4，图2为本发明实施例2制备的N-GQDs的透射电镜图；图3为本发明实施例2制备的N-GQDs的原子力显微镜图及高度图；图4为本发明实施例2制备的N-GQDs的XPS谱图。
由图2可见N-GQDs粒径尺寸均一，分布较窄，直径在1.7～3.9nm范围之间。通过统计分析100个量子点的尺寸，该量子点的平均粒径约为2.5nm。
从图3中N-GQDs的AFM图中可看出，N-GQDs分散性良好，均匀分散排布，与它的TEM结果吻合。所获得的N-GQDs高度小于2.0nm，说明所合成的N-GQDs由1-5层石墨烯构成。
图4中N-GQDs的XPS全谱图显示了一个弱的N1s(405eV)的特征峰和两个明显的C1s(284eV)和O1s(532eV)的特征峰，表明该量子点由大量的C、O及微量的N元素构成，其中氮含量和氧含量分别约为5.304％和32.509％。N-GQDs高的氧含量使其具有较好的水溶性，为其应用提供了可能。
实施例3AA的检测
将0.15～0.3mL实施例2制备的N-GQDs溶液用1.6～2mL超纯水(≥18.2MΩ)稀释，然后以20nm为间隔的激发波长激发N-GQDs，狭缝为5～10nm进行荧光测试。实验结果表明，激发波长是340nm时，它的荧光发射峰强度最大。因此，我们选择340nm为激发波长用于以下荧光实验。
将实施例2制备的N-GQDs过滤液用超纯水(≥18.2MΩ)稀释获得检测液。然后加入50μM的Fe3+溶液，形成Fe3+-N-GQDs检测平台，然后加入AA，测定不同AA浓度下的荧光强度，而恢复的荧光强度比F/F0与加入的AA量成线性关系，绘制标准曲线。
结果参见图5和图6，图5为本发明实施例3Fe3+-N-GQDs对AA的传感应用图，不同浓度AA下的Fe3+-N-GQDs溶液的荧光光谱图(AA浓度从上到下依次是：0,10，20，30，40，50，60，70，80，90和100μM)；图6为本发明实施例3Fe3+-N-GQDs对AA检测的工作曲线，F0和F分别是340nm激发下，AA缺乏和存在下的荧光强度。
图5和6表明随着AA浓度的增加，淬灭的N-GQDs荧光逐渐恢复，且恢复的荧光强度比F/F0在0.5-40μM范围内成一定的线性关系。线性方程为F/F0＝1.04461+0.05575*CAA(R＝0.993)，式中F为加入AA后的荧光强度，F0为未加入AA时的荧光强度。本发明的传感器对AA的线性范围较宽，展现了其优势。
实施例4Fe3+-N-GQDs对AA的选择性测试及N-GQDs的光稳定性测试
将Fe3+-N-GQDs检测液放入石英比色皿中，然后分别加入50μM的干扰物质多巴胺、尿酸、葡萄糖、果糖、乙醇、L-半胱氨酸、L-谷氨酸、L-亮氨酸和L-苯丙氨酸。结果参见图7，图7为本发明实施例3Fe3+-N-GQDs在50μM不同生物小分子存在下的淬灭性能，从左到右分别为：尿酸(AA)、果糖(Fru)、葡萄糖(Glc)、乙醇(Et)、L-半胱氨酸(Cys)、L-谷氨酸(L-GlA)、L-亮氨酸(L-Leu)和L-苯丙氨酸(L-Phe)。
由图7可知，相比于以上干扰物质极小的荧光增强，当50μMAA加入到Fe3+-N-GQDs后，荧光增强为原来的4.89倍。这些结果表明所制备的Fe3+-N-GQDs对AA具有好的选择性。
实施例5检测鱼血中的AA
水样取自鱼血浆，用其配制已知浓度的AA标准溶液。将Fe3+-N-GQDs检测液放入石英比色皿中。然后分别加入10，30，40μM的Fe3+，测定荧光强度，利用工作曲线计算AA的含量。利用本发明的荧光传感器检测到的AA的浓度为9.53μM,30.45μM，42.48μM，AA的回收率各是95.3±0.5％，101.5±1.0％和106.2±0.8％(表1)：
表1
Figure BDA0001351118580000071
从表1中可以看出：本发明所述的N-GQDs可以应用于鱼血中AA的检测，且具有较高的准确度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，包括：
A)将碳氮源、三甲基苯、酸和乙醇按1:2～7:1～4:0.1～0.6的摩尔比混合后注入有序介孔二氧化硅中，在60～100℃下加热2～8h，再在120～180℃下反应3～10h，然后在700～1000℃氮气气氛下加热1～5h，得到碳/氮/二氧化硅纳米复合物；所述碳氮源为吡咯或喹啉；
所述有序介孔二氧化硅按照以下方法制备：将正硅酸乙酯、三嵌段共聚物P123、水和浓盐酸混合均匀，100-130℃条件下反应20～28h，将得到的产品洗涤、干燥后在空气条件下，500-～580℃退火4～8h，得到有序介孔二氧化硅；
B)将所述碳/氮/二氧化硅纳米复合物在浓硝酸蒸汽中反应，得到氮掺杂石墨烯量子点。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B具体为将碳/氤氮/二氧化硅纳米复合物放入玻璃器皿中，将所述玻璃器皿放入含有浓硝酸的反应釜中，120～160℃加热1～3h，将玻璃器皿原位过滤，得到氮掺杂石墨烯量子点溶液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，还包括：
将过滤后的沉淀在空气条件下，520～580℃退火3～6h，回收有序介孔二氧化硅。
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