CN108384539B - 一种绿色荧光碳量子点、制备方法及其应用 - Google Patents

一种绿色荧光碳量子点、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳纳米材料技术领域，公开了一种绿色荧光碳量子点、制备方法及其应用，所述方法包括：(1)将2,3‑二氨基吡啶分散于有机溶剂中，得到前驱体溶液；(2)将所述前驱体溶液置于反应釜中反应即得包含所述绿色荧光碳量子点的溶液；(3)分离提纯包含所述绿色荧光碳量子点的溶液得到所述绿色荧光碳量子点。本发明以2,3‑二氨基吡啶为反应原料，利用溶剂热一步反应制得所述碳量子点，反应速度较快，且副产物和中间产物较少，原料易得且用量极少，成本低，可重复性好，量子产率高达21％。

Description

一种绿色荧光碳量子点、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种绿色荧光碳量子点、制备方法及其应用。
背景技术
亚硝酸盐是广泛存在于自然环境中的一种化学物质，由于它能防止细菌生长，所以常用于食品工业中作为食品添加剂，如粮食与蔬菜等食品中都含有一定量的亚硝酸盐。世界卫生组织和欧盟委员会食品科学委员会将亚硝酸盐每天摄入的最大量为0.07mg/Kg，过量的亚硝酸盐进入人体血液，会将含Fe(II)的正常血红蛋白氧化为含Fe(III)的高铁血红蛋白，进而使得正常的血红蛋白失去携氧能力，严重会令脑部缺氧，甚至导致死亡。此外，亚硝酸盐还能与仲胺、叔胺和酰胺等反应，生成强致癌物亚硝胺。因此，对食品中亚硝酸盐的定量分析具有非常重要的意义。
传统检测亚硝酸盐的方法有电化学法、紫外分光光度法和电感耦合等离子体质谱法等，然而，这些方法需要对样品进行预处理，所用检测仪器或试剂昂贵、运行时间长、灵敏度不高。相对于传统检测方法，荧光检测方法在高选择性、高灵敏性以及操作简单方面展示了独特的优势，但传统的荧光检测会使用到有机小分子荧光染料，该类染料存在易分解和抗漂白性差等缺陷。与之相比，碳量子点具有良好的化学稳定性和光稳定性，且其具有良好的水溶性、较低的毒性等优点，能很好地用于化学传感器。如：通过检测在外界物理或化学环境下荧光强度的改变，碳纳米点可以用来检测多种物质，例如葡萄糖、铜离子、银离子、铅离子等。
目前，碳量子点发出的光大多为蓝色荧光，其波长较短，而生物组织的自体荧光多为蓝色，因此该类碳纳米点在应用于生物成像时不利于靶信号与背景信号的区分；此外，蓝色光对组织的穿透性较差，限制了体内深层组织的光学成像，进而限制了碳量子点在生物学中的应用。为此，中国专利CN106829920A公开了一种绿色荧光碳量子点材料及其制备方法，所述绿色荧光碳量子点材料在360～440nm的波长激发下，绿色荧光碳量子点的发射波长在510～525nm之间，其是由一定体积比的植酸、蒸馏水和乙二胺在高压反应釜中经碳化反应得到，其中植酸为碳源，乙二胺为氮原子掺杂剂。该公开的技术是通过掺杂氮原子来调整碳量子点的发光行为，进而提高其发光能力，然而，上述技术对杂原子掺杂量的调控必须通过控制前驱体中各混合物组分的含量来实现，一旦碳源与掺杂剂的配比稍有不同，可能就会导致不同的发光行为，导致该方法的可重复性及稳定性较差。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服中现有的碳量子点因依赖多种小分子有机化合物组成的混合物作为前驱体存在稳定性较差的问题，从而提供一种操作简单、荧光效率高且稳定性好的绿色荧光碳量子点制备方法；进一步地，本发明还提供了利用上述方法制备的绿色荧光碳量子及其应用；同时，本发明还提供了包含所述绿色荧光碳量子点的试剂盒。
为此，本发明提供了一种制备绿色荧光碳量子点的方法，包括以下步骤：
(1)将2,3-二氨基吡啶分散于有机溶剂中，得到前驱体溶液；
(2)将所述前驱体溶液置于反应釜中反应即得包含所述绿色荧光碳量子点的溶液；
(3)分离提纯包含所述绿色荧光碳量子点的溶液得到所述绿色荧光碳量子点。
进一步地，所述分离提纯包括，对所述绿色荧光碳量子点的溶液进行离心，以除去沉淀。
进一步地，所述分离提纯还包括，将离心除去沉淀后的绿色荧光碳量子点的溶液置于截留分子量为800～1200Da的透析袋中透析处理至少3天、冷冻干燥透析袋中溶液至干，得所述绿色荧光碳量子点。
进一步地，步骤(1)所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、甲醇、乙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、四氯甲烷、正己烷中的一种或几种。
进一步地，步骤(2)所述反应温度为170～190℃，时间为9～11h。
更进一步地，步骤(2)所述反应温度为180℃，时间为10h。
本发明还提供了一种根据上述方法制备的绿色荧光碳量子点。
进一步地，所述绿色荧光碳量子点的粒径为3.0～5.0nm。
进一步地，所述绿色荧光碳量子点在430～446nm的光谱范围内具有吸收峰，在500～516nm的光谱范围内具有发射峰。
所述绿色荧光碳量子点，所述绿色荧光碳量子点在438nm处具有吸收峰，在508nm处具有发射峰。
本发明还提供了根据上述方法制备的绿色荧光碳量子点或上述绿色荧光碳量子点在检测亚硝酸盐中的应用。
进一步地，所述亚硝酸盐的浓度范围为2.8～40μmol/L。
本发明还提供了一种用于检测亚硝酸盐的试剂盒，包括根据上述方法制备的绿色荧光碳量子点或上述绿色荧光碳量子点。
本发明提供的绿色荧光碳量子点检测亚硝酸盐的工作原理为：未加入亚硝酸盐前，所述绿色荧光碳量子点吸收入射光的能量，基态中的电子跃迁到激发态；当激发态的电子回到基态时，形成电子/空穴辐射复合，产生荧光。当加入亚硝酸盐后，亚硝酸盐离子结合到绿色荧光碳量子点表面进行反应，进而促进了非辐射电子/空穴复合或能量转移，从而引起了所述绿色荧光碳量子点的荧光淬灭。
本发明的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种制备绿色荧光碳量子点的方法，以2,3-二氨基吡啶为反应原料，利用溶剂热一步反应制得所述碳量子点，反应速度较快，且副产物和中间产物较少，原料易得且用量极少，成本低，可重复性好，量子产率高达21％。
2.本发明提供的一种制备绿色荧光碳量子点的方法，包括对得到的碳量子点的溶液进行离心除沉淀的步骤，提高了碳量子点的分散性和均一性。
3.本发明提供的一种制备绿色荧光碳量子点的方法，还包括用特定截留分子量的透析袋处理碳量子点的溶液，进一步提高了所述碳量子点的均一性。
4.本方明提供的一种绿色荧光碳量子点，其呈类球形结构，颗粒尺寸小且大小比较均匀，不存在团聚现象，具有良好的分散性。
5.本发明提供的一种绿色荧光碳量子点，其荧光光谱的发射峰对应的波长为500～516nm，有效避免复杂生物体自身蓝光区背景机制的干扰，提高了所述碳量子米点作为传感器时检测的准确性。
6.本发明提供的碳纳米点的应用，其可以用于检测亚硝酸盐，利用碳点上的官能团和亚硝酸盐离子的反应，使绿色荧光碳量子点的荧光淬灭来检测亚硝酸盐，方法简单易行，灵敏度高，选择性好，还可实现活体细胞中亚硝酸盐离子的检测。
7.本发明提供的用于检测亚硝酸盐的试剂盒，检测限低至2.8nm，特异性高，操作简单，响应速度很快，无需大型仪器，通过荧光分光光度计即可识别检测结果，检测时间和成本具有很大的优势，有望大范围推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1的绿色荧光碳量子点的X射线光电子能谱图；
图2是本发明实施例1的绿色荧光碳量子点的透射电镜图；
图3是本发明实施例1的绿色荧光碳量子点的荧光吸收及发射谱图；
图4是本发明实施例1的绿色荧光碳量子点随着亚硝酸盐离子浓度变化的荧光光谱图；
图5是本发明实施例1的绿色荧光碳量子点的荧光淬灭程度与亚硝酸盐离子浓度的线性关系图；
图6是本发明实施例1的绿色荧光碳量子点在不同阴离子存在条件下的荧光相对强度。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供了一种绿色荧光碳量子点的制备方法，具体为：
称取0.2g 2,3-二氨基吡啶溶于20mL N,N-二甲基甲酰胺中，然后搅拌均匀，将混合液移入50mL容积聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，拧紧釜盖，在180℃条件下反应10小时。使反应釜自然冷却到室温，得到绿色荧光碳量子点水溶液。然后将溶液在10000转下离心15分钟，除去大的固体沉淀。将液体移入1000Da分子量的渗析袋中渗析72小时，收集渗析袋内液。将收集的内液反复冻干，得到固体粉末，即为所述绿色荧光碳量子点。以罗丹明6G为参考物质，基于公式QYS＝QYST(IS/IST)(AST/AS)(ηS/ηST)2(QY：量子产率，A：荧光积分面积，I：吸光度，η：折射率)，该碳量子点的荧光量子产率为21％。
用X射线光电子能谱XPS对上述碳量子点进行表征，XPS图谱如图1所示，在284eV、399eV及530eV处分别有1个峰，分别对应于C1s、N1s、O1s元素。用透射电镜观察上述碳纳米点，如图2所示，其粒径分布在3.0～5.0nm，呈圆球形，大小均一。配制0.2mg/mL的上述碳量子点溶液，在波长为438nm的激发光下，其荧光光谱的发射峰对应的波长为508nm，如图3所示。
实施例2
本实施例提供了一种绿色荧光碳量子点的制备方法，具体为：
称取0.2g 2,3-二氨基吡啶溶于20mL丙酮中，然后搅拌均匀，将混合液移入50mL容积聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，拧紧釜盖，在190℃条件下反应7小时。使反应釜自然冷却到室温，得到绿色荧光碳量子点水溶液。然后将溶液在10000转下离心15分钟，除去大的固体沉淀。将液体移入800Da分子量的渗析袋中渗析96小时，收集渗析袋内液。将收集的内液反复冻干，得到固体粉末，即为所述绿色荧光碳量子点。以罗丹明6G为参考物质，该碳量子点的荧光量子产率为19％。配制0.2mg/mL的上述碳量子点溶液，在波长为438nm的激发光下，其荧光光谱的发射峰对应的波长为506nm。
实施例3
本实施例提供了一种绿色荧光碳量子点的制备方法，具体为：
称取0.2g 2,3-二氨基吡啶溶于20mL乙酸乙酯中，然后搅拌均匀，将混合液移入50mL容积聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，拧紧釜盖，在170℃条件下反应11小时。使反应釜自然冷却到室温，得到绿色荧光碳量子点水溶液。然后将溶液在10000转下离心15分钟，除去大的固体沉淀。将液体移入1200Da分子量的渗析袋中渗析72小时，收集渗析袋内液。将收集的内液反复冻干，得到固体粉末，即为所述绿色荧光碳量子点。以罗丹明6G为参考物质，该碳量子点的荧光量子产率为20％。配制0.2mg/mL的上述碳量子点溶液，在波长为438nm的激发光下，其荧光光谱的发射峰对应的波长为510nm。
实施例4
本实施例提供了一种绿色荧光碳量子点的应用，将实施例1制得的绿色荧光碳量子点分散于去离子水中，配制成浓度为0.2mg/mL的碳量子点溶液，然后取10μL碳量子点溶液加到1mL磷酸盐缓冲液中，分别加入浓度为0,0.005,0.01,0.015,0.02,0.025,0.03,0.035,0.04,0.1,0.8,5,15,40μmol/L的亚硝酸盐溶液1μL，室温下混匀，用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，得到如图4所示的荧光曲线。由图4可以看出，随着亚硝酸盐浓度的增加，碳量子点溶液的荧光强度逐渐淬灭。绘制所述碳量子点溶液随亚硝酸盐浓度的增加对应的荧光强度下降的曲线，并对其进行拟合，得到拟合公式为F0/F＝0.013[NO3 -]+0.968(其中：F0为检测体系中未加亚硝酸盐对应的荧光强度值，F为检测体系中加入亚硝酸盐对应的荧光强度值)，相关系数R2为0.9907，检测限大约为2.8nm，如图5所示，由此可看出，所述碳纳米点的荧光强度变化与亚硝酸盐有很好的线性关系。
检测待测液中亚硝酸盐的浓度时，将待测液加入所述碳量子点溶液中，利用荧光分光光度计检测该体系的荧光强度，将荧光强度的变化值F0/F带入上述拟合公式，即可计算出待测液中所含的亚硝酸盐浓度。
实施例5
本实施例提供了一种用于检测亚硝酸盐的试剂盒，所述试剂盒包括实施例1-3任一实施例中的碳量子点。
实验例特异性实验
将实施例1制得的碳量子点分散于去离子水中，配制成浓度为0.2mg/mL的碳量子点溶液。取10μL碳量子点溶液，分别加入1μL浓度为0.2μmol/L的F-、NO3 -、Cl-、SO4 2-、Br-、CO3 2-、Ac-、HCO3 -、CN-、H2PO4 -、SO3 2-、PO4 3-、NO2 -的溶液，得到不同的混合溶液，室温下混匀，用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，激发波长选438nm，记录溶液荧光强度变化F0/F。如图6所示，由此可以看出，除了亚硝酸盐离子造成了明显的荧光淬灭现象外，其他阴离子对荧光强度的影响很小，所以本发明的碳量子点对亚硝酸盐离子具有很好的选择性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种绿色荧光碳量子点在检测亚硝酸盐中的应用，其特征在于，所述绿色荧光碳量子点的制备方法包括以下步骤：
（1）将2,3-二氨基吡啶分散于N,N-二甲基甲酰胺中，得到前驱体溶液；
（2）将所述前驱体溶液置于反应釜中反应即得包含所述绿色荧光碳量子点的溶液；所述反应温度为180℃，时间为10h；
（3）分离提纯包含所述绿色荧光碳量子点的溶液得到所述绿色荧光碳量子点；
所述分离提纯包括，对所述绿色荧光碳量子点的溶液进行离心，以除去沉淀；
所述分离提纯还包括，将离心除去沉淀后的绿色荧光碳量子点的溶液置于截留分子量为800～1200Da的透析袋中透析处理至少3天、冷冻干燥透析袋中溶液至干，得所述绿色荧光碳量子点。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述亚硝酸盐的浓度范围为2.8～40μmol/L。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述绿色荧光碳量子点在430～446nm的光谱范围内具有吸收峰，在500～516nm的光谱范围内具有发射峰。
4.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述绿色荧光碳量子点的粒径为3.0～5.0nm。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述绿色荧光碳量子点在438nm处具有吸收峰，在508nm处具有发射峰。
6.一种用于检测亚硝酸盐的试剂盒，其特征在于，包括根据权利要求1或2中所述的方法制备的绿色荧光碳量子点。
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CN116970389B (zh) * 2023-07-31 2024-05-10 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 一种绿色荧光碳点及其制备方法和应用

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