CN110018146A - 一种基于荧光碳量子点检测钯离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于荧光碳量子点检测钯离子的方法，其特征在于，包括：步骤1：将体积比为5:1～6:1的蒸馏水与乙二胺混合，加入1mmoL的DTNB(即5,5'‑二硫代双(2‑硝基苯甲酸))，在室温的条件下超声处理10～15min；步骤2：将步骤1中所得溶液加入高压反应釜中进行碳化，温度设置为160～210℃，搅拌速度为350～400r/min，反应时间为12～24h；步骤3：取出步骤2所得的溶液，过滤，浓缩，再通过凝胶柱纯化、收集滤液，再次浓缩，干燥，得到绿色荧光碳量子点材料。本发明制备方法简单、操作方便，得到的探针可对Pd²⁺离子进行快速检测，对钯离子具有很好的选择性，灵敏性以及重现性等。同时发现其他金属离子、重金属离子以及氨基酸类物质对该检测体系干扰极小。

Description

一种基于荧光碳量子点检测钯离子的方法

技术领域

本发明涉及一种基于荧光碳量子点检测钯离子的方法，属于纳米材料制备以及应用技术领域。

背景技术

众所周知，重金属在化学、环境和物理等科学领域中发挥着重要作用。其中，钯属于贵金属。由于其特殊的性质，贵金属钯已经被广泛应用于各个领域。然而，钯的大量使用，也给环境带来很大的危害，这已经引起了人们的广泛关注。例如，负载钯及其化合物的排放不仅会大幅提高土壤、水体等不同环境中的钯含量，而且机体也会通过富集效应，在肝脏、脾、肾脏等器官累积，对身体造成严重的伤害。研究者发现，钯离子(Pd²⁺)可以与人体内的蛋白质、氨基酸等生物大分子结合发生作用后，扰乱细胞的信息传递与生理活动等过程。一些宏观症状表现为：如哮喘病、流感、恶心、过敏等身体疾病。因此，构建高效、快速、高选择性、高灵敏性和响应时间短的定量检测钯离子的方法是尤其重要的。

传统对钯离子的检测的方法有原子吸收法、电感耦合等离子质谱法和电化学法等，这些方法有选择性好、灵敏度高的特点，但是所需的仪器由于价格昂贵，操作复杂等缺点，限制了其应用。与这些检测方法相比，碳量子点荧光探针是近几年出现的一种新型纳米碳材料，它是一种近似球型，尺寸小于10nm的零维半导体纳米晶体。这种量子点克服了传统金属量子点的缺点，具有无毒、高荧光量子产率、水溶性好、生物相容性好、光稳定性好等优点。目前已经被广泛应用在环境监测、化学科学诊断、催化、生物传感及成像等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于贵金属Pd²⁺离子检测的碳量子点荧光探针的制备和应用，该碳量子点的发射波长在520nm附近，是一种绿色荧光碳量子点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于荧光碳量子点检测钯离子的方法，其特征在于，包括：

步骤1：将体积比为1:1～8:1的蒸馏水与乙二胺混合，加入DTNB(即5,5'-二硫代双(2-硝基苯甲酸))，在室温的条件下超声处理10～20min；

步骤2：将步骤1中所得溶液加入高压反应釜中进行碳化，温度设置为160～210℃，搅拌速度为350～400r/min，反应时间为12～24h；

步骤3：取出步骤2所得的溶液，过滤，浓缩，再通过凝胶柱纯化、收集滤液，再次浓缩，干燥，得到绿色荧光碳量子点材料。

优选地，所述的步骤1中的DTNB与乙二胺的用量比为0.5-1.5mmol：3-10mL。

优选地，所述的步骤3中的浓缩液干燥在真空干燥箱中进行，温度设置100～110℃，时间为18～24h。

本发明还提供了上述的制备方法所制备的绿色荧光碳量子点材料。

本发明还提供了应用上述的绿色荧光碳量子点材料检测Pd²⁺离子的方法，其特征在于，包括：

步骤1：将绿色荧光碳量子点材料溶于PBS缓冲溶液，配成母液；

步骤2：用PBS缓冲溶液配制Pd²⁺离子溶液；

步骤3：取母液，分别加入相同体积不同浓度、相同浓度不同体积或不同浓度不同体积的Pd²⁺离子溶液，用PBS缓冲溶液稀释至同一体积，放入荧光仪记录其荧光强度，再经线性拟合获得其荧光强度和Pd²⁺离子浓度的关系图；

步骤4：取待测溶液，加入母液，用PBS缓冲溶液稀释，放入荧光仪记录其荧光强度，根据上述的荧光强度和Pd²⁺离子浓度的关系图，计算待测溶液中的Pd²⁺离子浓度。

和现有方法相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明具有制备方法简单、原料易得、实验过程操作方便等优点。

(2)本发明所制备的绿色荧光碳量子点，发射波长在为520nm附近。该绿色荧光碳量子点可直接对Pd²⁺的检测，对其它金属离子和氨基酸类物质几乎没有影响，具有较好的选择性。

(3)本发明所制备的碳量子点水溶性好，便于对水体中的Pd²⁺进行检测，同时具有反应时间短，稳定性好等优点。

(4)本发明首先制备N，S共掺杂的碳量子点荧光探针，得到的碳量子点荧光探针可直接用于对贵金属Pd²⁺离子的检测。本发明制备方法简单、操作方便，得到的探针可对Pd²⁺离子进行快速检测，对钯离子具有很好的选择性，灵敏性以及重现性等。同时发现其他金属离子、重金属离子以及氨基酸类物质对该检测体系干扰极小。

附图说明

图1为实施例1的图片，其中，(a)为绿色荧光探针的透射电镜图，(b)为在330～460nm波长激发下获得的荧光发射谱图，(a)为可见光下图片，(b)为紫外灯下图片；(c)为绿色荧光碳量子点在水溶液中的紫外吸收和荧光光谱图(c)；(d)为绿色荧光碳量子点、Pd²⁺离子以及Pd²⁺-绿色荧光碳量子点复合体系的紫外可见吸收光谱图。

图2为实施例2的图片，其中，图(a)为绿色荧光碳量子点在不同pH条件下荧光强度的变化；图(b)为不同NaCl浓度对其影响。

图3为实施例3的图片，其中，图(a)是绿色荧光碳量子点随时间的稳定性变化；图(b)是随着Pd²⁺离子浓度的增加，碳量子点的猝灭图；绿色荧光碳量子点对金属离子选择性为图(c)，绿色荧光碳量子点对其他氨基酸类物质的选择性为图(d)。图3(e)是荧光强度和Pd²⁺离子浓度的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下实施例中所用到的各原料均为市售产品。

实施例1

1.制备绿色荧光碳量子点材料(λ_ex＝400nm)

(I)量取40mL的蒸馏水和7.2mL的乙二胺，将其混合，再加入1mmol的DTNB即5,5'-二硫代双(2-硝基苯甲酸),在室温的条件下超声时间20min，超声功率100W,溶液由无色变为深红；

(II)将上述溶液加入高压反应釜中进行碳化，温度设置为200℃，压力为1.5MPa，搅拌速度为370r/min，反应时间为18h；

(III)取出碳化所得的溶液，先经过0.22μm的罐装针头式过滤器过滤，利用旋转蒸发器对滤液进行浓缩，使液体浓缩到3～5mL左右，再通过凝胶柱(上海源叶生物科技有限公司，葡萄糖凝胶G-25/Sephadex G-25)纯化。凝胶在使用前，需浸泡在蒸馏水中，并每隔几分钟把上层浮沫撇去，其目的是去除凝胶中的杂质，同时所加入的凝胶为柱长的三分之一到二分之一。蒸馏水作为洗脱剂，收集滤液，再次通过旋转蒸发仪将滤液浓缩至3mL左右，最后放入真空干燥箱中进行干燥，温度设置100℃，时间为18h，最后得到绿色荧光碳量子点材料，冷藏待用。

图1(a)是该绿色荧光碳量子点的透射电镜图，从图中可以观察到量子点呈现出较好的分散性，碳量子点的粒径分布于2.5～7.5nm；图1(b)是在330～460nm波长激发下获得的荧光发射图谱。其中在可见光照射下的碳量子点的荧光照片，呈无色；在365nm紫外灯照射下的碳量子点的荧光照片，呈绿色；图1(c)是绿色荧光碳量子点在水溶液中的紫外吸收和荧光光谱。从图中可以看出碳量子点的激发波长在400nm左右，发射波长在520nm附近；图1(d)中曲线从上往下依次为Pd²⁺离子、Pd²⁺-绿色荧光碳量子点以及绿色荧光碳量子点的紫外吸收光谱图。

实施例2

1)用Na₂HPO₄·12H₂O和NaH₂PO₄·2H₂O和去离子水配制pH为1.0～14.0的PBS缓冲溶液；

2)称0.0400g实施例1制得的固体绿色荧光碳量子点材料，溶于50.0mL的去离子水中，配成0.8mg/mL的溶液；

3)移取0.2mL的0.8mg/mL的溶液，再分别加入pH为1～14的溶液直至4.0mL，快速搅拌10s，移入比色皿中，利用荧光仪记录其荧光强度，得到图2(a)。

4)实验发现，当pH为7或8时，荧光强度较大。再配制pH分别为7.2、7.4、7.6、7.8的PBS缓冲溶液，重复上述操作，测其荧光强度，发现当pH＝7.4时，溶液荧光强度最大。

5)图2(b)是绿色荧光碳量子点在不同浓度的NaCl溶液中其荧光表现出较佳的稳定性。

实施例3

1)配制0.8mg/mL绿色荧光碳量子点材料溶液。称取0.0400g实施例1制得的固体绿色荧光碳量子点材料，溶于50.0mL的PH＝7.4的PBS缓冲溶液，配成0.8mg/mL的溶液(作为母液)。

2)取0.2mL的母液，用PH＝7.4的PBS的缓冲溶液稀释至4mL，快速搅拌10s，移入4mL的比色皿中，放入荧光仪中记录此时的荧光强度，并作为0min。以后每隔10min记录一次荧光值，直至80min，得到图3(a)；

3)配制0.01M的PdCl₂溶液。取0.2mL的母液，用PH＝7.4的PBS的缓冲溶液稀释至4mL，快速搅拌10s，移入4mL的比色皿中，放入荧光仪中记录此时的荧光强度。再取0.2mL的母液，分别加入5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60μL的0.01M的PdCl₂溶液，用PH＝7.4的PBS的缓冲溶液稀释至4mL，快速搅拌10s，移入4mL的比色皿中，放入荧光仪中分别记录其荧光强度，得到图3(b)；

4)分别配制0.01M的CaCl₂、KI、NaCl、NiCl₂、FeCl₂、FeCl₃、CuCl₂、Ba(NO)₂、Hg(NO₃)₂、Sr(NO₃)₂的溶液，用PH＝7.4的PBS的缓冲溶液稀释。各自取50μL，加入0.2mL的母液，用PH＝7.4的PBS的缓冲溶液进行稀释至4mL，搅拌10s，移入4mL的比色皿中，放入荧光仪中分别记录其荧光强度，得到图3(c)；

5)分别配制0.01M的色氨酸、L-抗坏血酸、L-胱氨酸、L-高胱氨酸、L-胳氨酸、L-精氨酸、L-亮氨酸、L-脯氨酸、L-苏氨酸、L-异亮氨酸、多巴胺、葡萄糖的溶液，用PH＝7.4的PBS的缓冲溶液稀释。各自取50μL，加入0.2mL的母液，用PH＝7.4的PBS的缓冲溶液进行稀释至4mL，搅拌10s，移入4mL的比色皿中，放入荧光仪中分别记录其荧光强度，得到图3(d)。

6)配制浓度为0.01M的PdCl₂的溶液。分别取0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60μL，再加入0.2mL的母液，用pH＝7.4的PBS的缓冲溶液进行稀释至4mL，其分别对应Pd²⁺离子的浓度为0、12.5、25.0、37.5、50.0、62.5、75.0、87.5、100.0、112.5、125.0、137.5、150.0μM，搅拌10s，移入4mL的比色皿中，放入荧光仪中分别记录其荧光强度，再经线性拟合获得其荧光强度和Pd²⁺离子浓度的关系图，得到图3(e)。

(7)取未知待测样而且未经处理的待测溶液40μL，加入0.2mL的母液，用pH＝7.4的PBS缓冲溶液稀释至4mL，放入荧光仪(F97荧光分光光度计，参数：激发波长为400nm，发射波长为515nm)记录其荧光强度，根据上述的荧光强度和Pd²⁺离子浓度的关系图，计算待测溶液中的Pd²⁺离子的物质的量浓度。

Y＝－22.968X+3355.260 (1)

4mL×X＝40μL×C (2)

其中：

Y——荧光强度；

C——未知待测液中Pd²⁺离子的物质的量浓度，单位：mmol/L；

V——稀释后溶液的体积4mL。

X——Pd²⁺离子的浓度。

Claims (5)

1.一种绿色荧光碳量子点材料的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：将体积比为1:1～8:1的蒸馏水与乙二胺混合，加入DTNB，在室温的条件下超声处理10～20min；

步骤2：将步骤1中所得溶液加入高压反应釜中进行碳化，温度设置为160～210℃，搅拌速度为350～400r/min，反应时间为12～24h；

步骤3：取出步骤2所得的溶液，过滤，浓缩，再通过凝胶柱纯化、收集滤液，再次浓缩，干燥，得到绿色荧光碳量子点材料。

2.如权利要求1所述的绿色荧光碳量子点材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中的DTNB与乙二胺的用量比为0.5-1.5mmol：3-10mL。

3.如权利要求1所述的绿色荧光碳量子点材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的干燥在真空干燥箱中进行，温度设置100～110℃，时间为18～24h。

4.权利要求1-3中任一项所述的制备方法所制备的绿色荧光碳量子点材料。

5.应用权利要求4所述的绿色荧光碳量子点材料检测Pd²⁺离子的方法，其特征在于，包括：

步骤1：将绿色荧光碳量子点材料溶于PBS缓冲溶液，配成母液；

步骤2：用PBS缓冲溶液配制Pd²⁺离子溶液；

步骤3：取母液，分别加入相同体积不同浓度、相同浓度不同体积或不同浓度不同体积的Pd²⁺离子溶液，用PBS缓冲溶液稀释至同一体积，放入荧光仪记录其荧光强度，再经线性拟合获得其荧光强度和Pd²⁺离子浓度的关系图；

步骤4：取待测溶液，加入母液，用PBS缓冲溶液稀释，放入荧光仪记录其荧光强度，根据上述的荧光强度和Pd²⁺离子浓度的关系图，计算待测溶液中的Pd²⁺离子浓度。