CN108998011A - 具有多离子荧光响应的碳量子点及其制备方法和在植物分类学中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有多离子荧光响应的碳量子点及其制备方法和在植物分类学中的应用。取海藻酸钠、色氨酸、柠檬酸和氢氧化钠，充分研磨制得混合粉末；将混合粉末置于反应釜中，加热反应；自然冷却至室温，产物用超纯水溶解，离心、取上清液进行透析后冷冻干燥制得。本发明的碳量子点具有多离子荧光响应性，通过碳量子点‑金属离子‑植物提取液传感体系的荧光强度变化可以构建荧光传感器阵列，通过对荧光数据处理可以对植物进行合理的分类。本发明基于碳量子点的植物分类方法具有优良的化学稳定性，生物相容性以及低毒性，同时荧光性能良好，且检测速度快，结果准确性和可靠性高；其制备方法工艺简单、易于操作，制备成本低，易于推广。

Description

具有多离子荧光响应的碳量子点及其制备方法和在植物分类 学中的应用

技术领域

本发明属于荧光纳米材料、高分子材料和植物分类学领域，具体涉及一种用于植物分类的碳量子点(CQDs)的制备方法和应用。

背景技术

长期以来，植物分类学偏重以植物器官的外部形态特征作为分类的依据。传统植物分类主要的工作是根据植物营养器官和生殖器官形态的差别进行分类和命名。随着近些年科学的进步，特别是生态学、细胞学、生物化学、分子生物学的发展，这些学科的成就渗透到植物分类学，产生了新的研究方向。例如，以细胞学中植物染色体的数目和形态等作为分类的依据，解决了传统植物分类中的大量疑难问题。

近些年研究发现植物形成过程中各种化学成分的遗传变异和植物科、属系统的演化是基本一致的。亲缘关系近的植物类群会有类似的化学成分和产物，例如，红豆杉科植物含紫杉类生物碱，而三尖杉属植物含粗榧碱和刺桐类生物碱，二者化学成分不同，产生途径各异，因而将该科与红豆杉科分开独立成科。因此，根据植物化学成分研究植物类群分类具有合理性。这种利用植物化学的特征作为分类依据的方法成为化学分类学。

发明内容

本发明创造的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种无毒性，溶液稳定性好，并且具有高灵敏性的用于植物分类的碳量子点及其制备方法。通过碳量子点荧光强度的变化可以检测不同种类的植物。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，具有多离子荧光响应的碳量子点，制备方法包括如下步骤：

1)取海藻酸钠、色氨酸、柠檬酸和氢氧化钠，充分研磨制得混合粉末；

2)将步骤1)中制得的混合粉末置于聚四氟乙烯内胆的反应釜中，加热反应；

3)产物自然冷却至室温，用超纯水溶解，之后依次经过离心、取上清液、将上清液进行透析后冷冻干燥，得到具有多离子荧光响应的碳量子点。

优选的，上述的具有多离子荧光响应的碳量子点，按质量比，海藻酸钠：色氨酸：柠檬酸：氢氧化钠＝20：10：2：1。

优选的，上述的具有多离子荧光响应的碳量子点，步骤2)中，于200～220℃下，加热反应7-8小时。

优选的，上述的具有多离子荧光响应的碳量子点，所述的透析，透析用透析袋的截留分子量为14kDa。

上述的具有多离子荧光响应的碳量子点作为植物分类试剂在化学、植物学、生物工程学和生物化学中的应用。

优选的，上述的具有多离子荧光响应的碳量子点作为植物分类试剂在植物分类学中的应用。方法如下：将上述的具有多离子荧光响应的碳量子点溶解于溶剂中，然后按顺序加入金属离子和植物提取液，监测溶液的荧光强度。本发明中，当向含有具有多离子荧光响应的碳量子点的溶液中加入特定金属离子溶液会导致其荧光发射强度减弱；向荧光猝灭的碳量子点溶液中加入植物提取液会导致其荧光发射强度逐渐恢复或继续减弱，从而检测植物中的化学成分。所述的特定金属离子是Cd²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Ag⁺、或Mn²⁺。

优选的，所述的溶剂为水、乙醇、氯仿或者细胞。

优选的，具有多离子荧光响应的碳量子点溶解于溶剂中，得浓度为0.1-100mg/ml的溶液。

优选的，所述的植物提取液的制备方法是：将采集的新鲜、完整的植物树叶经过高温杀青、烘干、研磨成粉末，按料液比1g:2.0-3.0L，取植物树叶粉末和乙醇水溶液，在80℃下回流搅拌1小时，减压蒸馏除去提取液中的乙醇，得到溶剂为水的植物粗提液，离心取滤液。

本发明创造的有益效果是：本发明提供的碳量子点具有多离子荧光响应性，通过碳量子点-金属离子-植物提取液传感体系的荧光强度变化可以构建荧光传感器阵列，通过对荧光数据处理可以对植物进行合理的分类。本发明基于碳量子点的植物分类方法具有优良的化学稳定性，生物相容性以及低毒性，同时荧光性能良好，且检测速度快，结果准确性和可靠性高；其制备方法工艺简单、易于操作，制备成本低，易于推广。本发明基于碳量子点的植物分类试剂具有优良的化学稳定性，生物相容性以及低毒性，同时光学性能良好，且检测速度快，结果准确性和可靠性高，检测限低；该检测剂用于检测银离子和巯基丁二酸时可重复使用。

附图说明

图1是制备的具有多离子荧光响应的碳量子点的透射电镜图。

图2是制备的具有多离子荧光响应的碳量子点的紫外-可见光吸收谱图。

图3是制备的具有多离子荧光响应的碳量子点的荧光发射光谱图。

图4是制备的具有多离子荧光响应的碳量子点的红外吸收谱图。

图5是制备的具有多离子荧光响应的碳量子点的X射线光电子能谱图。

图6a是制备的具有多离子荧光响应的碳量子点对Cd²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Hg²⁺金属离子溶液荧光响应性图。

图6b是制备的具有多离子荧光响应的碳量子点对Ag⁺、Mn²⁺金属离子溶液荧光响应性图。

图7是碳量子点-金属离子传感体系对七种不同植物树叶提取液荧光响应性图(荧光指纹图谱)。

图8是碳量子点-金属离子-树叶提取液传感器阵列荧光数据的主成份分析散点图。

图9是碳量子点-金属离子-树叶提取液传感器阵列荧光数据的系统聚类分析树状图。

具体实施方式

一种具有多离子荧光响应的碳量子点，其制备方法包括如下步骤：

1)将海藻酸钠、色氨酸、柠檬酸和氢氧化钠充分研磨，制得混合粉末；按质量比，海藻酸钠：色氨酸：柠檬酸：氢氧化钠＝20：10：2：1。

2)将步骤1)中制得的混合粉末置于聚四氟乙烯内胆的反应釜中，于200～220℃下，加热反应7-8小时；

3)待步骤2)中反应结束后，将反应物自然冷却至室温，用超纯水溶解，之后依次经过离心、取上清液、将上清液用截留分子量为14kDa的透析袋进行透析后冷冻干燥，得到具有多离子荧光响应碳量子点。

具有多离子荧光响应的碳量子点作为植物分类试剂在植物化学分类学中的应用。方法如下：

1)植物提取液：将采集的新鲜、完整的植物树叶经过高温杀青、烘干、研磨成粉末，取0.4克植物叶片粉末于100毫升乙醇-水溶液(乙醇体积分数75％)中，在80℃下回流搅拌1小时。使用减压蒸馏将提取液中的乙醇蒸出，得到溶剂为水的植物粗提液。将植物粗提液离心除去固体沉淀后标定至同一体积。

2)将具有多离子荧光响应的碳量子点溶解于溶剂中，得浓度为0.1-100mg/ml的溶液，然后按顺序加入金属离子和植物树叶提取液，监测溶液的荧光强度。

所述的溶剂为水、乙醇、氯仿或者细胞。

所述的特定金属离子是Cd²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Ag⁺、或Mn²⁺。

当向含有具有多离子荧光响应的碳量子点的溶液中加入特定浓度金属离子溶液会导致其荧光发射强度减弱；向荧光猝灭的碳量子点溶液中加入植物树叶提取液会导致其荧光发射强度逐渐恢复或继续减弱。通过碳量子点-金属离子-植物树叶提取液传感体系的荧光强度变化，使用SPSS软件对碳量子点荧光传感器阵列对植物测试的数据进行主成分分析和系统聚类分析，构建荧光传感器阵列，从而对植物进行植物化学分类。

以下通过非限定性实例进一步详细说明本发明。

实施例1

(一)具有多离子荧光响应的碳量子点的制备

称取0.2g海藻酸钠，0.1g色氨酸，0.02g柠檬酸，0.01g氢氧化钠在研钵中充分研磨并混合均匀后，置于聚四氟乙烯内胆的反应釜中，210℃下加热7小时，待反应物冷却至室温后，用10mL超纯水溶解。在10000转/分钟下离心10分钟，取上清液。以截留分子量为14kDa的透析袋透析48小时，将溶液取出，冷冻干燥，得到具有多离子荧光响应的碳量子点，于2-4摄氏度下保存。

(二)检测

1、将制备的具有多离子荧光响应的碳量子点，进行透射电镜扫描，结果如图1所示，从图1可见，制备的碳量子点平均粒径为3nm，且分布均匀，成均匀分布的球形颗粒。

2、具有多离子荧光响应的碳量子点的紫外-可见光吸收光谱检测：将制备的碳量子点，进行紫外-可见光吸收光谱检测，结果如图2所示，从图2可见，225nm左右和265nm左右的两个吸收峰分别是π-π*跃迁和n-π*跃迁，可以证明碳量子点结构的形成。

3、具有多离子荧光响应的碳量子点的荧光最佳激发波长检测：将制备的碳量子点用超纯水配成溶液，在荧光光谱仪中用330-400nm激发波长荧光测试荧光光谱图，结果如图3所示，从图3可见，制备的碳量子点在330-400nm激发波长下荧光强度先增强后降低，最佳激发波长为370nm，从图3可见没有红移现象发生。

4、具有多离子荧光响应碳量子点的红外吸收光谱检测：将制备的碳量子点，进行红外吸收光谱检测，结果如图4所示，从图4可见，制备的碳量子点表面具有-NH₂和-COOH等亲水官能团。

5、具有多离子荧光响应碳量子点的X射线光电子能谱检测：将制备的碳量子点，进行X射线光电子能谱检测，结果如图5所示，从图5可见，制备的碳量子点的C、N、O、Na四种元素的质量比为：76.03：4.9：17.51：1.55。

(三)应用

1、具有多离子荧光响应的碳量子点对不同金属离子溶液荧光响应性：

选取制备的碳量子点样品用超纯水配成溶液，在紫外可见光谱仪中在光源370nm波长下用超纯水配制溶液吸光度A＝0.1，将吸光度为0.1的碳量子点溶液分为6组，每组10mL，分别加入超纯水和浓度为50mmol/L的Cd²⁺溶液、Cr³⁺溶液、Fe³⁺溶液、Hg²⁺溶液、Ag⁺溶液、Mn²⁺溶液，分别制得被测液中金属离子浓度为100μmol/LCd²⁺、150μmol/L Cr³⁺、120μmol/L Fe³⁺、30μmol/L Hg²⁺、600μmol/L Ag⁺、200μmol/L Mn²⁺，观察各组溶液在光源370nm波长的荧光变化。图6a和图6b中，I₀为碳量子点荧光最高强度值，I为加入金属离子后的荧光最高强度值，由图6a和图6b可以看出，制备的碳量子点对不同离子响应性均有响应且响应程度不同，这说明制备的碳量子点具有多离子荧光响应性。

2、用六种碳量子点-金属离子荧光传感器对不同种类的植物树叶提取液荧光荧光响应性：

选取制备的5mL吸光度A＝0.1的碳量子点分别与100μmol/L的Cd²⁺溶液、150μmol/L的Cr³⁺溶液、120μmol/L的Fe³⁺溶液、30μmol/L的Hg²⁺溶液、600μmol/L的Ag⁺溶液、200μmol/L的Mn²⁺溶液组成荧光传感器并分别命名为S1-S6。向每个传感器中分别加入300μL植物树叶提取液，观察各组溶液在光源370nm波长的荧光变化。图7中I₀为碳量子点-金属离子荧光传感器荧光最高强度值，I为加入植物树叶提取液后的荧光最高强度值，由图7可以看出，六个荧光传感器对不同植物均有响应且响应程度不同，这说明制备的碳量子点传感器阵列具有区分鉴别植物的能力。

3、对碳量子点荧光传感器阵列进行主成分分析：

使用SPSS软件对制备的碳量子点荧光传感器阵列对植物测试的数据进行主成分分析，得到的散点图如图8所示。图8中每种植物的五个散点为五次重复测试所得，每种植物的散点分别聚集在一起且与其他植物的散点分开，每种植物都有各自的散点区域，这说明制备的碳量子点传感器阵列对不同植物有着差异性识别的能力。

4、对碳量子点荧光传感器阵列进行系统聚类分析：

使用SPSS软件对制备的碳量子点荧光传感器阵列对植物测试的数据进行系统聚类分析，得到的树状图如图9所示。图9中距离表示植物提取液成分和含量的相似程度，传统植物分类方法中亲缘关系相近的植物距离相近，这说明制备的碳量子点传感器阵列有着对不同植物进行分类的能力。

Claims (10)

1.具有多离子荧光响应的碳量子点，其特征在于，制备方法包括如下步骤：

1)取海藻酸钠、色氨酸、柠檬酸和氢氧化钠，充分研磨制得混合粉末；

2)将步骤1)中制得的混合粉末置于聚四氟乙烯内胆的反应釜中，加热反应；

3)产物自然冷却至室温，用超纯水溶解，之后依次经过离心、取上清液、将上清液进行透析后冷冻干燥，得到具有多离子荧光响应的碳量子点。

2.根据权利要求1所述的具有多离子荧光响应的碳量子点，其特征在于：按质量比，海藻酸钠：色氨酸：柠檬酸：氢氧化钠＝20：10：2：1。

3.根据权利要求1所述的具有多离子荧光响应的碳量子点，其特征在于：步骤2)中，于200～220℃下，加热反应7-8小时。

4.根据权利要求1所述的具有多离子荧光响应的碳量子点，其特征在于：所述的透析，透析用透析袋的截留分子量为14kDa。

5.权利要求1所述的具有多离子荧光响应的碳量子点作为植物分类试剂在化学、植物学、生物工程学和生物化学中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，具有多离子荧光响应的碳量子点作为植物分类试剂在植物分类学中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：方法如下：将权利要求1所述的具有多离子荧光响应的碳量子点溶解于溶剂中，然后按顺序加入金属离子和植物提取液，监测溶液的荧光强度。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的溶剂为水、乙醇、氯仿或者细胞。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：具有多离子荧光响应的碳量子点溶解于溶剂中，得浓度为0.1-100mg/ml的溶液。

10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的植物提取液的制备方法是：将采集的新鲜、完整的植物树叶经过高温杀青、烘干、研磨成粉末，按料液比1g:2.0-3.0L，取植物树叶粉末和乙醇水溶液，在80℃下回流搅拌1小时，减压蒸馏除去提取液中的乙醇，得到溶剂为水的植物粗提液，离心取滤液。