CN108467729A - 一种碳点纳米探针及其制备方法与应用 - Google Patents

一种碳点纳米探针及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳点纳米探针及其制备方法与应用。本发明通过将对苯二胺、硫脲溶于乙醇溶剂后，加入浓硝酸，得到混合液，将混合液转移到水热反应釜中，在140~200℃温度下进行水热反应6~14h，得到水热反应产物；将水热反应产物用柱色谱纯化得到红色碳点R‑CDs溶液，将该R‑CDs溶液减压蒸馏旋干后得到干燥棕红色固体R‑CDs；将R‑CDs溶于含有三乙胺的无水二氯甲烷溶液中，加入2，4‑二硝基苯磺酰氯反应完全后，对反应产物用柱色谱纯化，减压蒸馏旋干后得到干燥棕黄色固体碳点纳米探针CD‑DNS。该探针识别基团为2，4‑二硝基苯磺酰胺，可被苯硫酚选择性断裂，释放出R‑CDs，吸收强度发生变化，从而实现苯硫酚的选择性检测，该检测不受其他生物硫醇的干扰，具有很好的选择性。

Description

一种碳点纳米探针及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种碳点纳米探针、制备方法、碳点纳米探针在检测实际样品中苯硫酚含量方面的应用。
背景技术
苯硫酚是化学工业中一种很重要的分子，可广泛应用于农药、聚合物和药品的制备。然而，长时间暴露于苯硫酚的溶液和蒸汽中会对中枢神经和其他神经系统造成一些损害，如呼吸急促、中枢神经系统损害、肌肉无力、后肢麻痹、昏迷、甚至是死亡。因此，考虑到它们的高毒性和持续的环境问题，实现高选择性和高灵敏度的检测苯硫酚很有必要。
由于脂肪硫醇物质的干扰，构建高选择性检测苯硫酚的探针具有很大的挑战。但是，与脂肪硫醇相比，苯硫酚的pK a（∼6.5）低于这些生物硫醇（∼8.5），因此，中性条件下，苯硫酚的解离程度高于相应的生物硫醇。基于这个区别，很多课题组开发了一些可区分检测苯硫酚的光学探针（例如，Anal. Chem. 2014, 86, 3037~3042；Anal. Chem. 2016, 88,2266~2272）。在众多的检测苯硫酚的分析方法中，比色法是实现目标物质检测的最方便和最有效的方法，例如，Yoon等人利用比色法构建了检测苯硫酚的光学探针，以酚酞衍生物为发色团，2，4-二硝基苯醚为识别基团。然而在这些基于比色法的光学探针中，发色团多为有机小分子，光稳定性较差。因此，开发一种更有效的、可高选择性和高灵敏度检测苯硫酚的方法是非常必要的。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种碳点纳米探针，该探针发色团为红色CDs，粒径为2.0~4.8纳米的球形颗粒，表面含有大量氨基，当激发波长为500nm时，该CDs有两个发射带中心，波长分别为526nm和624nm；识别基团为2，4-二硝基苯磺酰胺，磺酰胺键可被苯硫酚选择性断裂，释放出CDs，吸收强度发生变化，从而实现苯硫酚的选择性检测。
本发明的再一目的在于提供上述碳点纳米探针的制备方法，该方法简单、成本低、产率高、无毒环保。
本发明的再一目的在于提供上述碳点纳米探针在检测实际样品中苯硫酚含量方面的应用，该检测方法灵敏度高、选择性好，且简单易行。
本发明是这样实现的，一种碳点纳米探针，该探针具体为：
（1）发色团为红色碳点R-CDs，粒径为2.0~4.8纳米的球形颗粒，表面含有大量氨基，当激发波长为500nm时，该红色碳点R-CDs有两个发射带中心，波长分别为526nm和624nm；
（2）识别基团为2，4-二硝基苯磺酰胺，通过酰胺键链接到CDs表面，构成纳米探针CD-DNS。其中，苯硫酚可与该识别基团选择性反应，释放出CDs，吸收光谱强度发生变化，从而实现苯硫酚的选择性检测。
本发明进一步公开了上述碳点纳米探针的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）将对苯二胺、硫脲溶于乙醇溶剂后，加入浓硝酸，得到混合液，将混合液转移到水热反应釜中，在140~200℃温度下进行水热反应6~14h，得到水热反应产物；其中，所述对苯二胺、硫脲、乙醇和硝酸的质量体积比为0.1g：0.1g：10mL：（20~60μL）；
（2）将步骤（1）得到的水热反应产物用柱色谱分离纯化得到红色碳点R-CDs溶液，将该R-CDs溶液减压蒸馏旋干后得到干燥棕红色红色碳点R-CDs；
（3）将步骤（2）得到的红色碳点R-CDs溶于含有三乙胺的无水二氯甲烷溶液中，加入2，4-二硝基苯磺酰氯反应完全后，对反应产物用柱色谱纯化，减压蒸馏旋干后得到干燥棕黄色固体碳点纳米探针CD-DNS；其中，所述R-CDs、三乙胺、二氯甲烷溶液、2，4-二硝基苯磺酰氯的质量体积比为20mg：（0~60μL）：20mL：（60~300mg）。
优选地，在步骤（1）中，所述水热反应的温度为180℃。
优选地，在步骤（2）中，所述柱色谱纯化中展开剂包括按体积比为30：1的二氯甲烷、甲醇。
优选地，在步骤（3）中，所述柱色谱纯化中展开剂包括按体积比为20：1的二氯甲烷、甲醇。
本发明进一步公开了上述碳点纳米探针在检测实际水样中苯硫酚含量方面的应用。该应用更具体的方法为：
该方法包括以下步骤：
（1）通过微量滤膜过滤自来水和护城河水；
（2）用磷酸盐缓冲（20 mM，pH 7.4）调节水样的pH值；
（3）将不同浓度的苯硫酚储备液加入到这些样品中，随后加入探针CD-DNS，测定苯硫酚的浓度；25℃下共同培养4min后，检测400nm处的紫外-可见吸收强度。
本发明克服现有技术的不足，提供一种碳点纳米探针及其制备方法与应用。作为一类新型的基于碳元素的纳米材料，近年来CDs获得了极大的关注，它具有光稳定性高、生物相容性好、毒性低等特点，这些独特的性质使得CDs成为光学响应中特别有用的工具之一。其中，以苯二胺类为原料的CDs拥有较为卓越的荧光性质，如高量子产率、长激发和发射波长，在此基础上，本发明以对苯二胺和硫脲为碳源，利用一锅溶剂热合成法，在酸性条件下制备CDs，随后通过共价键将2，4-二硝基苯磺酰基键合到CDs的表面，得到探针CD-DNS。在室温下，当苯硫酚与CD-DNS溶液相互混合后，由于苯硫酚强的亲核能力，使CD-DNS表面的磺酰胺键断裂，释放出CDs，紫外-可见吸收强度急剧增加。该纳米探针可实现水中苯硫酚的选择性检测，不受生物硫醇的干扰。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明所用R-CDs具有水溶性好、光稳定性好且易于功能化的优点；
（2）本发明具有制备技术简单、成本低、产率高、生产易于放大等优点；
（3）本发明CD-DNS可高灵敏度和高选择性的检测苯硫酚，检测限为13nM。此外，该检测不受其他生物硫醇的干扰，具有很好的选择性。
附图说明
图1是实例3中CDs的透射电镜图；
图2是实例3中CDs的粒径分布图；
图3是实例3中CDs的红外光谱图；
图4是实例3中CDs的不同激发下的发射光谱图；
图5是实例3中CDs的光稳定性；
图6是实例7中CD-DNS的红外光谱图；
图7是实例7中CD-DNS中加入苯硫酚后的动力学；
图8是实例7中CD-DNS中加入苯硫酚后的紫外-吸收光谱图；
图9是实例7中CD-DNS中加入苯硫酚后线性曲线；
图10是实例7中CD-DNS对干扰物，如金属离子、生物小分子等选择性的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1 R-CDs的制备
（1）将0.1g对苯二胺和0.1g 尿素溶解于含有0μL浓硝酸的l0mL乙醇溶液中，制得混合液；
（2）将（1）得到的混合液转移到25mL反应釜中，随后在180℃下反应12小时；
（3）步骤（2）得到的产物中没有R-CDs。
实施例2 R-CDs的制备
（1）0.1g对苯二胺和0.1g 尿素溶解于含有20μL HNO3的l0mL乙醇溶液中，制得混合液；
（2）将（1）得到的混合液转移到25mL反应釜中，随后在180℃下反应8小时；
（3）将步骤（2）得到的产物进行纯化，得到R-CDs溶液；其中，纯化R-CDs所用的方法为柱色谱分离，展开剂为二氯甲烷：甲醇=30：1；
（4）将（3）中的溶液减压蒸馏干燥后得到红色碳点R-CDs，产率为3.2wt %，我们选择罗丹明B为标准物质（乙醇中的量子产率为0.66），测定其量子产率为0.06。
实施例3
（1）0.1g对苯二胺和0.1g尿素溶解于含有40μL HNO3的l0mL乙醇溶液中，制得混合液；
（2）将（1）得到的混合液转移到25mL反应釜中，随后在180℃下反应8小时；
（3）将步骤（2）得到的产物进行纯化，得到R-CDs溶液；其中，纯化R-CDs所用的方法为柱色谱分离，展开剂为二氯甲烷：甲醇=30：1；
（4）将（3）中的溶液减压蒸馏干燥后得到红色碳点R-CDs，产率为18.4wt %，我们选择罗丹明B为标准物质（乙醇中的量子产率为0.66），测定其量子产率为0.106。
制备R-CDs的透射电镜图和尺寸分布图分别见图1和图2。图中数据表明所合成的CDs为球形颗粒，其尺度为2.0~4.8纳米左右。
制备的R-CDs的红外光谱图见图3。由红外光谱图可知R-CDs表面含有大量的官能团，如−NH2（3302cm−1），脂肪族CH2（3006cm−1），O=C−O−（1750cm−1）；以上数据说明该R-CDs具有好的水溶性。
制备的R-CDs的不同激发下的发射光谱图见图4，其中激发波长分别是激发波长为465nm、470nm、475nm、480nm、485nm、490nm、495nm和500nm激发下的荧光光谱图。图中数据表明R-CDs具有激发波长不依赖的特点，且具有两个发射中心，分别是526nm和624nm。
制备的R-CDs的光稳定性图见图5。用氙灯照射60 min后（150W，狭缝宽度5：5），所述CDs的荧光强度仍然保持稳定，这表明它们具有好的光稳定性，其中1为526nm处的发射强度，2为624nm处的发射强度。
实施例4
（1）0.1g对苯二胺和0.1g尿素溶解于含有60μL HNO3的l0mL乙醇溶液中，制得混合液；
（2）将（1）得到的混合液转移到25mL反应釜中，随后在180℃下反应14小时；
（3）将步骤（2）得到的产物进行纯化，得到R-CDs溶液；其中，纯化R-CDs所用的方法为柱色谱分离，展开剂为二氯甲烷：甲醇=30：1；
（4）将（3）中的溶液减压蒸馏干燥后得到红色碳点R-CDs，产率为17.6wt %，我们选择罗丹明B为标准物质（乙醇中的量子产率为0.66），测定其量子产率为0.102。
实施例5
（1）将实施例3中得到的R-CDs（20mg）溶于含有三乙胺（0μL）的二氯甲烷溶液（20mL）；
（2）向上述混合液中加入2，4-二硝基苯磺酰氯（100mg），反应完全后（过程用薄层色谱检测），柱色谱纯化（展开剂为二氯甲烷：甲醇=20：1）；
（3）将（2）中的溶液减压蒸馏干燥后得到CD-DNS，产率很低。
实施例6
（1）将实施例3中得到的R-CDs（20mg）溶于含有三乙胺（20μL）的二氯甲烷溶液（20mL）；
（2）向上述混合液中加入2，4-二硝基苯磺酰氯（100mg），反应完全后（过程用薄层色谱检测），柱色谱纯化（展开剂为二氯甲烷：甲醇=20：1）；
（3）将（2）中的溶液减压蒸馏干燥后得到CD-DNS，产率为20 wt %。
实施例7
（1）将实施例3中得到的R-CDs（20mg）溶于含有三乙胺（40μL）的二氯甲烷溶液（20mL）；
（2）向上述混合液中加入2，4-二硝基苯磺酰氯（200mg），反应完全后（过程用薄层色谱检测），柱色谱纯化（展开剂为二氯甲烷：甲醇=20：1）；
（3）将（2）中的溶液减压蒸馏干燥后得到CD-DNS，产率为40 wt %。
CD-DNS的红外光谱图见图6。由红外光谱图可知碳点表面含有大量的官能团，如−NH（3295cm−1），−NO2（1547cm−1）；以上数据说明2，4-二硝基苯磺酰胺被成功修饰在了CDs表面。
实施例8
（1）将实施例3中得到的R-CDs（20mg）溶于含有三乙胺（60μL）的二氯甲烷溶液（20mL）；
（2）向上述混合液中加入2，4-二硝基苯磺酰氯（300mg），反应完全后（过程用薄层色谱检测），柱色谱纯化（展开剂为二氯甲烷：甲醇=20：1）；
（3）将（2）中的溶液减压蒸馏干燥后得到CD-DNS，产率为38 wt %。
实施例9
配制浓度为1mM的苯硫酚储备液和实施例7得到的浓度为1mg/mL的纳米探针CD-DNS储备液；向20μg/mL CD-DNS的磷酸缓冲溶液（pH=7.4）中加入苯硫酚溶液（0.5μM），在室温下检测紫外-可见吸收光谱的动力学实验。如图7所示，反应4min后，反应达到平衡。
实施例10
配制浓度为1mM的苯硫酚储备液和实施例7得到的浓度为1mg/mL的纳米探针CD-DNS储备液；向20μg/mL CD-DNS的磷酸缓冲溶液（pH=7.4）中加入不同浓度的苯硫酚溶液，在室温下进行紫外-可见吸收光谱测定。
CD-DNS溶液随苯硫酚浓度变化的紫外-可见吸收光谱图见图8，其中1～11的浓度分别为0、0.1μM、0.2μM、0.3μM、0.4μM、0.5μM、0.6μM、0.7μM、0.8μM、0.9μM和1μM。由图中数据可以看出随着加入的苯硫酚含量的增加，400nm处的紫外吸收强度逐渐增强。
CD-DNS在400nm的紫外-可见吸收强度与苯硫酚浓度的线性关系见图9，苯硫酚的浓度分别为0、0.1μM、0.2μM、0.3μM、0.4μM、0.5μM、0.6μM、0.7μM、0.8μM、0.9μM和1μM。通过计算可得该方法的检出限为13nM，这些结果说明CD-DNS可检测溶液中苯硫酚的含量，且灵敏度很高。
实施例11
实施例7得到的CD-DNS溶液对苯硫酚的选择性实验见图10。向20μg/mL CD-DNS的磷酸缓冲溶液（pH = 7.4）中加入其他干扰的物质，如氨基酸（Glu、His、Ser、Thr和Val）、金属离子（Ag+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ca2+）、阴离子（SCN－、ClO－、NO3 －）、生物硫醇（Cys、Hcy、GSH）、Vc、NaHS、
N3 －，浓度均为0.5mM；C6H5SH、p-CH3-C6H4SH、p-CH3O-C6H4SH、p-NO2-C6H4SH的浓度均为1μM。图中数据表明干扰物质都不会使紫外-可见吸收强度发生变化，说明CD-DNS可实现苯硫酚的高选择性检测。
实施例 12
在实施例7得到的CD-DNS对实际样品进行处理后，对实际样品中苯硫酚含量进行检测，结果如下表1所示：
表1 实际水样中苯硫酚浓度的检测
使用之前，通过微量滤膜过滤自来水和护城河水。用磷酸盐缓冲（20mM，pH 7.4）调节水样的pH值。将不同浓度的苯硫酚储备液加入到这些样品中，随后加入探针CD-DNS，测定苯硫酚的浓度。在25℃下共同培养4min后，检测400nm处的紫外吸收强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种碳点纳米探针，其特征在于，该探针具体为：
（1）发色团为红色碳点R-CDs，粒径为2.0~4.8纳米的球形颗粒，表面含有大量氨基，当激发波长为500nm时，该R-CDs有两个发射带中心，波长分别为526nm和624nm；
（2）识别基团为2，4-二硝基苯磺酰胺，通过酰胺键链接到CDs表面，构成纳米探针CD-DNS。
2.一种碳点纳米探针的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将对苯二胺、硫脲溶于乙醇溶剂后，加入浓硝酸，得到混合液，将混合液转移到水热反应釜中，在140~200℃温度下进行水热反应6~14h，得到水热反应产物；其中，所述对苯二胺、硫脲、乙醇和硝酸的质量体积比为0.1g：0.1g：10mL：（20~60μL）；
（2）将步骤（1）得到的水热反应产物用柱色谱分离纯化得到红色碳点R-CDs溶液，将该R-CDs溶液减压蒸馏旋干后得到干燥棕红色红色碳点R-CDs；
（3）将步骤（2）得到的红色碳点R-CDs溶于含有三乙胺的无水二氯甲烷溶液中，加入2，4-二硝基苯磺酰氯，室温搅拌反应完全后，对反应产物用柱色谱纯化，减压蒸馏旋干后得到干燥棕黄色固体碳点纳米探针CD-DNS；其中，所述R-CDs、三乙胺、二氯甲烷溶液、2，4-二硝基苯磺酰氯的质量体积比为20mg：（0~60μL）：20mL：（60~300mg）。
3.如权利要求2所述的碳点纳米探针的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述水热反应的温度为180℃。
4.如权利要求3所述的碳点纳米探针的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述柱色谱纯化中展开剂包括按体积比为30：1的二氯甲烷和甲醇。
5.如权利要求4所述的碳点纳米探针的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述柱色谱纯化中展开剂包括按体积比为20：1的二氯甲烷和甲醇。
6.权利要求1所述的碳点纳米探针在检测实际水样中苯硫酚含量方面的应用。
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