CN108774519A - 一种以绿豆壳为碳源的碳量子点及其制备方法和在检测抗坏血酸中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以绿豆壳为碳源的碳量子点及其制备方法和在检测抗坏血酸中的应用。将绿豆壳经高温灼烧后的灰分研磨后分散到二次蒸馏水中，并经离心、过滤、透析后得到碳量子点溶液。利用碳量子点和银纳米粒子和银离子构建复合荧光探针，利用荧光分析法构建线性关系曲线，进而实现对抗坏血酸的定量检测。该方法成本低廉、灵敏度高、线性关系好、操作简便易行、选择性较好。

Description

一种以绿豆壳为碳源的碳量子点及其制备方法和在检测抗坏 血酸中的应用

技术领域

本发明涉及一种以绿豆壳为碳源的碳量子点及其制备方法和在检测抗坏血酸中的应用。

背景技术

碳量子点(CQDs或CDs)是纳米材料领域一个备受关注的荧光纳米材料，仅近几年里，基于碳量子点的研究，在制备和应用方面均取得了许多突破性的进展。碳量子点的主要合成途径通常分为自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-dowm)两类。不同于金属量子点，碳量子点的提取物为对生命体无毒害作用的碳材料，并且不会污染环境，因此它的研究领域涉及更加广泛。如今，人们更加期待它在疾病探测、药物运输等领域的研究。碳量子点在诸多领域的应用，为各个领域的发展提供了更大的空间和可能。相对于传统的半导体量子点和有机染料，碳量子点不仅保持了碳材料无毒、生物相容性好等优点，而且拥有发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、容易大规模合成等优势，因而具有重要的应用价值。

抗坏血酸又称维生素C，是一种很重要的微量元素，在人体内，维生素C参与重要的生命活动。作为人体内一种重要的抗氧化剂，维生素C可以降低过氧化酶基底的氧化能力。除此之外，在植物的理论研究中，维生素C也同样扮演着重要的角色。随着经济的快速发展，建立一种灵敏、准确检测抗坏血酸含量的方法至关重要。抗坏血酸在人体内能促进胶原蛋白和粘多糖的合成，增加微血管的致密性，降低其通透性及脆性，增加机体抵抗力。缺乏时，引起造血机能障碍、贫血、微血管壁通透性增加，脆性增强和血管容易破裂出血，严重时肌肉、内脏出血死亡，这些症状在临床上通常称为坏血病。抗坏血酸是人体所必须的由外界提供的营养物质。

鉴于抗坏血酸对人类的重要性，近年来发展了一系列新的测定方法，而且经典方法也得到了许多改进。其中，某些方法要求的实验条件较为苛刻和操作技术较高，而有些方法步骤复杂繁琐，不利于快速分析的要求。

发明内容

本发明提供了一种以绿豆壳为碳源的碳量子点及其制备方法和在检测抗坏血酸中的应用。利用碳量子点、银纳米粒子和银离子构建复合荧光探针，利用荧光分析法构建线性关系曲线，进而实现对抗坏血酸的定量检测。该方法成本低廉、灵敏度高、线性关系好、操作简便易行、选择性较好。

本发明采取的技术方案为：

一种以绿豆壳为碳源的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：将绿豆壳清洗后干燥，然后在240～260℃下高温煅烧4～6h得到灰分；将灰分研磨成粉末，并将粉末加入到二次蒸馏水中超声分散，并经离心、上清液过滤、滤液透析后得到碳量子点溶液。

进一步地，所述干燥的温度和时间为80℃、6小时；所述高温煅烧的温度和时间分别优选250℃、4h。

所述粉末与二次蒸馏水的比值为1g：40～60mL，优选为1g：50mL。

所述超声的时间为1～1.5h；优选为1h。

所述离心的条件为：离心机转速7000～10000rpm/min，离心时间为20～35min；优选为：离心机转速8000rpm/min，离心时间为25min。

所述过滤指的是经过0.22μm微孔膜过滤，所述透析指的经截留分子量为3500Da的透析袋中进行透析2～3h；优选为透析2h。

本发明还提供了根据上述制备方法制备得到的碳量子点，其分布均匀，平均粒径为6nm。

本发明以廉价的绿豆壳为碳源，所得碳量子点具备良好的荧光性能和光稳定性，其在激发波长为364nm时，在445nm波长处具有最强的荧光强度，且荧光发射峰的峰形良好。且制备过程操作简单，所使用的溶剂只有水，是一种绿色无污染的制备方法。

本发明还提供了根据所述的制备方法制备得到的碳量子点在检测抗坏血酸中的应用。

本发明还提供了一种抗坏血酸的检测方法，包括以下步骤：将碳量子点溶液与银纳米粒子溶液和硝酸银溶液混合，得到CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针溶液，并调节pH为7.0，然后向CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针溶液中加入不同终浓度的抗坏血酸水溶液，测试各体系在364nm激发波长下的荧光强度；以抗坏血酸浓度为横坐标，各体系在445nm处的荧光强度值为纵坐标构建线性曲线，进而测得待测液中抗坏血酸的浓度。

进一步地，所述碳量子点溶液、银纳米粒子溶液、硝酸银溶液的体积之比为1：0.5～1：20～25，优选为1：0.7：22；

银纳米粒子溶液、硝酸银溶液的浓度分别为3.05～3.73μmol·L^-1、19.39～23.70μmol·L^-1。

进一步地，所述银纳米粒子溶液、硝酸银溶液的浓度分别优选为3.39μmol·L^-1、21.55μmol·L^-1。

进一步地，所述线性曲线的线性方程为Y＝1583.6-121C，其中Y为445nm处的荧光强度值；C为抗坏血酸浓度，单位为μM；线性相关系数为R＝-0.997，检测限最低可以达到0.2μM。

本发明提供的碳量子点在检测抗坏血酸的应用及抗坏血酸的检测方法中，通过构建CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针，在银纳米粒子的成核催化作用下，抗坏血酸与银离子在银纳米粒子表面很容易发生还原反应，产生更多的银纳米粒子，进而由于银纳米粒子与碳量子点之间的荧光共振能量转移，使CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针的荧光发生淬灭，并且随着AA浓度的增加，对体系的荧光强度猝灭效果也显著增加，并且在一定的浓度范围内具有线性关系，进而可实现对待测AA浓度的定量检测。

与现有技术相比，本发明公开的以绿豆壳为碳源的碳量子点的制备方法环保简单，可直接利用碳量子点与银纳米粒子和银离子的复合荧光探针实现对AA的定量检测，该检测方法灵敏度高、线性关系好、操作简便易行、选择性好、抗干扰能力强。

附图说明

图1为实施例1中碳量子点的TEM图；

图2为在不同激发波长之下的实施例1中的碳量子点的荧光发射光谱图；

图3为向CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针溶液中加入不同浓度AA溶液后的荧光发射光谱图；

图4为以AA浓度对检测体系在445nm处的荧光强度值构建的线性关系图；

图5为AgNPs的TEM图；

图6为向CDs中分别加入Ag⁺、Ag⁺和AA的荧光发射光谱图；

图7为向CDs中分别加入Ag⁺和AgNPs、Ag⁺和AgNPs和AA的荧光发射光谱图；

图8为CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针对AA检测的原理示意图；

图9为向AgNPs/Ag⁺加入AA溶液后的紫外光谱图；

图10为碳量子点的紫外吸收光谱图(a)、发射光谱图(b)和激发光谱图(c)；

图11为CDs/AgNPs/Ag⁺体系检测抗坏血酸的选择性和抗干扰实验图。

具体实施方式

实施例1

一种以绿豆壳为碳源的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

取30g绿豆壳洗净置于干燥箱中于80℃下干燥6小时后取出，待冷却至室温。称取9g干燥的绿豆壳置于坩埚中，将坩埚放入马弗炉中，温度设置在250℃，时间设置在4h。焙烧4h后，将马弗炉中的坩埚取出待冷却至室温，称量其烧后的绿豆壳重量为6g。将此6g绿豆壳置于研钵中研磨成粉，称取1g粉末于圆底烧瓶中，加入50ml的二次蒸馏水混合摇匀，放入超声仪中超声60min。超声完成后，于高速离心机中以8000r/min速度离心25min，得上清液；将上层清液用0.22μm滤膜过滤，滤液离心纯化后，将所得液体放入截留分子量为3500Da的透析袋中透析2h，取透析袋外溶液，即得碳量子点溶液。

通过高分辨率透射电镜对CDs的形貌进行分析，如图1所示。由图1可知，CDs为球形，平均粒径6nm左右，且分布较为均匀。

分别取上述碳量子点溶液1ml于10ml比色管中，同时各加入稀硝酸或氢氧化钠溶液调节pH至7.0，然后分别测定320～400nm激发波长范围分别所对应的荧光发射光谱图，如图2所示。由图2可知，在激发波长为364nm时，CDs在445nm波长处具有最强的荧光发射强度，且峰形较好，故后面对AA检测时荧光测定时激发波长均设定λ_ex＝364nm。

实施例2

实施例1得到的碳量子点溶液在检测抗坏血酸中的应用及抗坏血酸的检测方法。

包括以下步骤：

将实施例1得到的碳量子点溶液1mL与0.7mL浓度为3.39μmol·L^-1银纳米粒子溶液和22mL浓度为21.55μmol·L^-1硝酸银溶液混合，得到CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针溶液，并加入稀硝酸或氢氧化钠溶液调节pH为7.0，然后向CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针溶液中加入不同终浓度的抗坏血酸水溶液，测试各体系在364nm激发波长下的荧光强度，如图3所示；以抗坏血酸浓度为横坐标，各体系在445nm处的荧光强度值为纵坐标构建线性曲线，如图4所示，在0～9μM范围内可以得到一个良好的线性关系，线性方程为Y＝1583.6-121C，其中，Y为各体系在445nm波长处的荧光强度值，C为AA的浓度，单位为μM；线性相关系数R＝-0.997，检测限最低可以达到0.2μM；进而测得待测液中抗坏血酸的浓度。

所述银纳米粒子溶液的制备方法为：将0.2ml 18mM的硝酸银溶液加入40ml二次蒸馏水中，将烧杯置于磁力搅拌器上，搅拌下加入0.2ml 17mM的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液作为保护剂，匀速搅拌下逐滴加入新配置的1.2mL 10mM的硼氢化钠(NaBH4)，用保鲜膜将烧杯口封住，继续磁力搅拌活化20min后，即可得到淡黄色均匀的银纳米粒子(AgNPs)溶液，产物置于4℃冰箱中备用。通过透射电镜对AgNPs的形貌进行分析，如图5所示。由图5可知，AgNPs，粒径为3～6nm，且分布较为均匀。

实施例3

碳量子点对AA的检测机理探讨

取四份实施例1中的碳量子点溶液0.422ml于10ml比色管中，分别编号为A、B、C、D。然后向A管中加入硝酸银溶液0.2ml 1000μmol·L^-1；向B管中加入硝酸银溶液0.2ml 1000μmol·L^-1、抗坏血酸1ml 80μmol·L^-1；向C管中加入硝酸银溶液0.2ml 1000μmol·L-1、AgNPs溶液1ml 1μmol·L^-1；向D管中加入硝酸银溶液0.2ml 1000μmol·L^-1、AgNPs溶液1ml1μmol·L^-1、抗坏血酸1ml80μmol·L^-1；同时各加入稀稀硝酸或氢氧化钠溶液调节pH至7.0。然后测试在364nm激发波长下，各组的荧光发射光谱，如图6、7所示。

从图中可以看出，银纳米粒子几乎不影响碳量子点/银离子复合体系的荧光，且只有在同时加入银纳米粒子和抗坏血酸的时候，其体系荧光强度才会急剧降低。说明了银纳米粒子可以在几十秒内快速催化低浓度的抗坏血酸还原银离子而生成大颗粒的银纳米粒子从而来猝灭碳量子点/银离子复合体系的荧光，即说明银纳米粒子在检测体系中是作为AA与银离子发生氧化还原反应的催化剂存在的。

由于在CDs/AgNPs/Ag⁺体系中的银纳米粒子的成核催化作用下，抗坏血酸与银离子在银纳米粒子表面很容易发生还原反应，生产更多的纳米银，如图8所示。

向银纳米粒子和银离子的混合溶液中加入抗坏血酸溶液，测试AA加入前后体系的紫外光谱图，如图9所示，随着抗坏血酸浓度的加入，AgNPs/Ag⁺在416-550nm处的吸收峰增强，说明有大量的银纳米粒子生产。

产生大量的银纳米粒子对CDs/AgNPs/Ag⁺体系的荧光猝灭是由荧光共振能量转移引起的，如图10所示，碳量子点在364nm激发波长下的发射光谱(445nm处的最大值)和445nm发射波长下的激发光谱(364nm处的最大值)与银纳米粒子吸收光谱(426nm处吸收峰吸收峰最强)很好地重叠。荧光共振能量转移需要荧光团发射或激发带与银纳米粒子表面等离子体共振带产生良好重叠。

实施例4

选择性实验

一个稳定优良的荧光探针，必须有较好的选择性和抗干扰能力。为了探究此种荧光纳米复合材料的抗干扰能力，本实验选择了一些常见物质尿酸(UA)、邻苯二酚(Cate)、没食子酸(GA)、精氨酸(Arg)、异亮氨酸(Ile)、赖氨酸(Lys)、苯丙氨酸(Phe)和半胱氨酸(Cys)，以上这些物质同AA的终浓度均为9μM，实验结果如图11所示，加入抗坏血酸使体系的荧光猝灭程度最大，并且除抗坏血酸外，其他生物分子对CDs/AgNPs/Ag⁺体系荧光的猝灭程度几乎可以忽略。实验结果表明，CDs/AgNPs/Ag⁺体系在检测抗坏血酸时具有很好的选择性和抗干扰性。

上述参照实施例对一种以绿豆壳为碳源的碳量子点及其制备方法和在检测抗坏血酸中的应用进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以绿豆壳为碳源的碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将绿豆壳清洗后干燥，然后在240～260℃下高温煅烧4～6h得到灰分；将灰分研磨成粉末，并将粉末加入到二次蒸馏水中超声分散，并经离心、上清液过滤、滤液透析后得到碳量子点溶液。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉末与二次蒸馏水的比值为1g：40～60mL。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述超声的时间为1～1.5h。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述离心的条件为：离心机转速7000～10000rpm/min，离心时间为20～35min。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述过滤指的是经过0.22μm微孔膜过滤，所述透析指的经截留分子量为3500Da的透析袋中进行透析2～3h。

6.根据权利要求1所述的制备方法制备得到的碳量子点。

7.根据权利要求1所述的制备方法制备得到的碳量子点在检测抗坏血酸中的应用。

8.一种抗坏血酸的检测方法，其特征在于，将权利要求1所述的制备方法制备得到的碳量子点溶液与银纳米粒子溶液和硝酸银溶液混合，得到CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针溶液，并调节pH为7.0，然后向CDs/AgNPs/Ag⁺复合荧光探针溶液中加入不同终浓度的抗坏血酸水溶液，测试各体系在364nm激发波长下的荧光强度；以抗坏血酸浓度为横坐标，各体系在445nm处的荧光强度值为纵坐标构建线性曲线，进而测得待测液中抗坏血酸的浓度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳量子点溶液、银纳米粒子溶液、硝酸银溶液的体积之比为1：0.5～1：20～25；银纳米粒子溶液、硝酸银溶液的浓度分别为3.05～3.73μmol·L^-1、19.39～23.70μmol·L^-1。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述线性曲线的线性方程为Y＝1583.6-121C，其中Y为445nm处的荧光强度值；C为抗坏血酸浓度，单位为μM；线性相关系数为R＝-0.997，检测限最低可以达到0.2μM。