CN110257058A - 一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点及其一步合成方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点的一步合成方法，以一水合柠檬酸和L‑半胱氨酸作为前驱体，在油胺介质下合成NS‑CNPs，具体包括如下步骤：将L‑胱氨酸和一水合柠檬酸按质量比1:1于150 mL三颈烧瓶内混合，加入40 mL油酸，于220℃下以1200 r/min磁力搅拌反应30 min，冷却后，以正己烷充分洗涤析出的产物，用超纯水溶解配制并以8000 rpm/min高速离心10 min，将上清液真空干燥，即得。本发明的荧光氮、硫共掺杂碳量子点可用于铁离子和抗坏血酸检测的荧光碳纳米粒子，其具有优异的灵敏度和高效的选择性，为铁离子和抗坏血酸的检测提供了一种便捷、快速的检测途径。

Description

一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点及其一步合成方法和应用
技术领域
本发明涉及铁离子和抗坏血酸的检测领域，具体涉及一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点及其一步合成方法和应用。
背景技术
众所周知，铁元素是血红素中重要的组成元素，其在血红素中的状态以Fe3+和Fe2+的形式存在，血红素在各种类型的细胞功能上起着至关重要的作用。因为它容易发生氧化还原反应以及拥有较强的亲和力所以它与有氧代谢和电子转移密切相关。然而，它的不足之处就在于一旦超过了其正常允许的最大限度，就会导致严重的紊乱，如组织损伤、器官衰竭，最严重可能会导致死亡。因此，建立灵敏而有选择性的分析方法至关重要。目前，铁离子以及在食品、临床、人体及不同工业品中得到大量应用。迄今为止，已经有许多种可以测定铁离子含量的方法，如原子吸收光谱法（AAS）、电子顺磁共振法（EPR）、质谱法、耦合等离子体光谱法（ICP-MS）、电化学法、分光光度计等。然而，这些方法仍然有很多缺点，例如，探针很难合成、样品预处理复杂、操作繁琐等问题。因此，建立其一种简单、快速、高效的方法测定Fe3+的方法]就显得十分重要。而与其他检测方法相比，荧光化学传感器有许多优点如高灵敏度，高选择性和实时快速响应监测。
另一方面，抗坏血酸（AA），也被称为维生素C，作为一种还原剂，在氧化还原反应中具有特殊的功能，例如，可以用作抗氧化剂和酶辅因子的相互关系。
AA除了它是人类饮食中的一种重要维生素,现在也已经被用于常见感冒、金属中毒、癌症的防治以及治疗癌症等方面。因此，它受到了相当多的关注,开发一种简便快速测定在食品和药物制剂中AA含量的分析方法至关重要，科学家们也在积极寻找。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点及其一步合成方法和应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点的一步合成方法，以一水合柠檬酸和L-半胱氨酸作为前驱体，在油胺介质下合成NS-CNPs，具体包括如下步骤：
将L-胱氨酸和一水合柠檬酸按质量比1:1于150 mL三颈烧瓶内混合，加入40 mL油酸，于220℃下以1200 r/min磁力搅拌反应30 min，冷却后，以正己烷充分洗涤析出的产物，用超纯水溶解配制并以8000 rpm/min高速离心10 min，将上清液真空干燥，即得。
本申请人通过“on-off”方式发现Fe3+可以显著地猝灭上述的荧光氮、硫共掺杂碳量子点的荧光且具有优异的灵敏度和高效的选择性，通过“on-off-on”方式发现AA可以显著的将上述的荧光氮、硫共掺杂碳量子点的荧光恢复，同样也具有优异的灵敏度和高效的选择性。
本发明以油酸为反应介质，L-胱氨酸和一水合柠檬酸为原料，通过溶剂热方法合成了一种可用于铁离子和抗坏血酸检测的荧光碳纳米粒子，其具有优异的灵敏度和高效的选择性，为铁离子和抗坏血酸的检测提供了一种便捷、快速的检测途径。
附图说明
图1为本发明实施例中NS-CNPs的TEM图（A）、（B）和XRD图（C）。
图2为本发明实施例中NS-CNPs的IR图。
图3为本发明实施例中NS-CNPs的X射线光电子能谱表征：
图中：（A）全谱；（B）碳谱；（C）氮谱；（D）硫谱。
图4为紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测定结果示意图；
图中：（A）NS-CNPs的紫外-可见吸收光谱图和荧光光谱图（插图为溶液在日光灯（左）和365 nm紫外灯（右）下的照射图）和（B）激发波长依赖性荧光光谱图。
图5 为本发明实施例中Fe3+和AA的荧光信号响应时间图。
图6为溶液pH值的影响示意图；
图中：（A）溶液pH值对AA的影响（B）溶液pH值对Fe3+猝灭的影响
（C）溶液pH值对AA荧光恢复的影响。
图7为不同离子的影响示意图。
图中：（A）不同离子对NS-CNPs的影响（B）不同离子对NS-CNPs+Fe3+荧光猝灭的影响；不同离子对NS-CNPs+AA的影响（D）不同离子对NS-CNPs+ Fe3++AA荧光恢复的影响。
图8为不同氨基酸对NS-CNPs+Fe3+的影响，插图依次为Fe3+ 、Fe3++AA、Fe3++Gly、Fe3++Val、Fe3++Phe、Fe3++Ala、Fe3++ His、Fe3++Trp在365 nm紫外灯下的照射图。
图9为铁离子浓度的影响示意图；
图中：（A）铁离子浓度对NS-CNPs荧光强度的影响；（B）铁离子浓度对NS-CNPs荧光猝灭率关系图。
图10为AA浓度的影响示意图；
图中：（A）AA浓度对NS-CNPs+Fe3+荧光强度的影响；（B）AA浓度对NS-CNPs+Fe3+荧光恢复率关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
试剂
L-胱氨酸（AR，天津阿法埃莎化学有限公司）；抗坏血酸 (AA)（AR，均购自西陇化工股份有限公司）；油酸、正己烷（AR，均购自西陇化工汕头市达濠精细化学品公司）；硫酸奎宁、实验用超纯水（18.2 МΩcm）以及本实施例中用到的其他试剂均为分析纯试剂，纯度均大于99 %
NS-CNPs的制备
本实施例采用溶剂热法一步合成制备NS-CNPs。将L-胱氨酸和一水合柠檬酸按质量比1:1于150 mL三颈烧瓶内混合，加入40 mL油酸，于220℃下以1200 r/min磁力搅拌反应30min。冷却后，以正己烷充分洗涤析出的产物，用超纯水溶解配制并以8000 rpm/min高速离心10 min，将上清液真空干燥，备用。
的结构特征
透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜由Tecnai-G2 F20高分辨透射电子显微镜（美国FEI公司）测得。X射线衍射光谱由Bruker DAVINCI D8 ADVANCE X射线衍射仪（德国Bruker AXS公司）测得。红外光谱图由Magna-IR-750傅立叶变换红外光谱仪（美国Nicolet公司）测得。X射线光电子能谱由Thermo-ESCALAB-250XI多功能成像光电子能谱（美国Thermo Fisher Scientific公司）测得。紫外可见光谱由SPECORD 200 PLUS紫外可见分光光度计（德国Analytik Jena公司）测得。荧光光谱由Cary Edipse荧光分光光度计（美国Agilent公司）测得。
从图1中的（A）和（B）中可以看出制备得到的产物NS-CNPs是较均匀的球形粒子。图1中的（C）是XRD图谱，如图所示在27.5°处有明显吸收峰，表明NS-CNPs的结晶度明显，推测NS-CNPs可能包括较少的羧基、羟基和氨基，从而导致水溶性一般。
如图2所示，3332.2 cm-1归属于O-H键伸缩振动。最强锋为2855.8 cm-1和2923.13cm-1说明了-CH2-基团存在，进而进一步说明合成产物应该是链式结构； 1652.43 cm-1说明了C=O基团的存在，1457.58 cm-1处的吸收峰可归属于C-N和C-S的伸缩振动，在指纹区718.92 cm-1处的特征峰是三嗪环的呼吸振动峰。
为了进一步探究NS-CNPs的化学结构，对其进行了X射线光电子能谱（XPS）表征。结果表明（如图3），NS-CNPs的表面主要含碳、氮、氧和硫原子，原子比分别为：C，48.47 %；N，17.03 %；O，19.65 %；S，14.85 %。其中C含量相对较高，说明该材料表面的碳化程度较高。
如图3（A）所示，在XPS全谱中出现了4个主峰，分别对应于C1s（284.61 eV）、N1s（400.26 eV）、O1s（528.18 eV）和S2p（163.49 eV）表明合成的物质含有C、N、O、S四种元素，其中图3（B）C1s谱可分解成 284.61、285.22、286.12 、 287.97和288.68 eV，分别对应于sp2C=C ，C=O，和N-C=N或 sp3C-C，C-N，C-O和 C-S 键；图3（C）N1s谱分解说明三种化学键的存在：C-N-C（400.26 eV）、N-(C)3（400.92 eV）和 N-H（401.58eV）；图3（D）S2p谱可分解成2个峰，分别对应C-S-C (163.49 eV)和 S-(C)3 (164.71 eV)。
荧光量子产率的测定
实验根据既定的测定方法计算NS-CNPs的荧光量子产率。选择标准品硫酸奎宁作为标准参照物，标准品硫酸奎宁溶解在0.1 M H2SO4中（折射率η为1.33），在340nm激发波长下荧光量子产率），NS-CNPs溶解在超纯水中（折射率η为1.33）。在相同激发条件下分别测量标准参照物和待测物的紫外吸收值（该浓度下溶液的吸光度值需小于0.1）和积分荧光强度，并分别作标准品和待测物的吸光度-荧光积分面积标准曲线，根据方程（1）计算荧光量子产率。
（1）
其中，φ代表样品的荧光量子产率，I是最大发射波长下的积分荧光强度，A是紫外吸光度，η代表溶剂的折射率（在水溶液中，η/ηR=1），下标R代表已知荧光量子产率的标准参照物。
的光学性质
为研究NS-CNPs的光学特性，进行了紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测定。如图4（A）所示，NS-CNPs在波长240和345 nm分别有一个吸收峰，240 nm荧光碳纳米粒子粒特征,这个峰归因于含三嗪结构的π-π*电子迁移。而345 nm处的吸收峰是典型的荧光纳米粒子的特征峰。同时，产物NS-CNPs的荧光图谱符合紫外吸收的特征。在荧光光谱中可知NS-CNPs的荧光激发波长和发射波长分别为340 nm和420 nm。NS-CNPs的水溶液在日光下透明，在365 nm紫外光灯照射下呈蓝色（图4 A）。
如图4（B）所示，随着激发波长从300-400 nm，发射峰的荧光强度在340 nm激发波长下达到最大然后逐渐降低，这可能是由于生成产物的荧光主要是基团发光，而且官能团比较单一，所以激发波长的改变只能改变发射波长的强度但不能改变其位置。
对Fe3+和AA的检测
将NS-CNPs用超纯水配制成一定浓度的溶液。在10 mL比色管中依次加入NS-CNPs溶液和不同浓度的Fe3+和AA溶液，超纯水定容后，测定荧光光谱（激发波长为340 nm，扫描范围为（350-650 nm）。NS-CNPs溶液的最终浓度为100 µg/mL。
根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的规定：检出限以浓度（或质量）表示，是指由特定的分析步骤能够合理地检测出的最小分析信号L求得的最低浓度（或质量）。可用下式计算：
L=KSb/S （2）
其中建议K值的取值为3。L代表该分析方法的最低检出浓度或质量；Sb代表空白样品多次测量的标准偏差（吸光度）；S代表该方法的灵敏度（即校准矫正曲线的斜率）。空白测定次数必须至少20次。
反应时间、pH值及常见离子和氨基酸对荧光强度的影响
为了了解NS-CNPs检测Fe3+和AA的荧光信号响应速度，实验研究了检测体系的荧光强度随时间的变化。
如图5中下方的线所示，检验Fe3+的荧光信号的响应时间时，加入20 μm的Fe3+后在360 nm处的荧光在1 min内迅速猝灭，猝灭率达到82.43%，15 min后猝灭率达88.84%，20min后荧光强度基本保持不变，表明猝灭Fe3+非常快速并且稳定。
如图5中上方的线所示，检验AA的荧光信号的响应时间时，加入40 μm的AA后在360nm处的荧光在1 min内迅速恢复，恢复率达到76.4%，5 min后荧光强度基本保持不变，表明AA恢复荧光强度同样快速、稳定。
pH值对荧光猝灭以及荧光恢复的影响如图6（B）所示，NS-CNPs的荧光强度在pH值（3-10范围）内不明显，在pH=11及以上时荧光强度略有下降但不是很明显，pH值对Fe3+，AA以及Fe3+-AA体系的影响与pH值对的影响规律基本类似，可以表面pH值对Fe3+，AA以及Fe3+-AA体系的影响不大。三个体系中pH=7时的荧光强度基本都为最大值，故选取该pH值进行后续实验。
往NS-CNPs溶液中各加入不同离子溶液，并在激发波长340 nm下扫描荧光光谱研究荧光碳纳米粒子对离子的识别选择性。从图7（A）（B）可以看出，Fe3+对NS-CNPs的荧光猝灭明显，猝灭率约为82.43%。而其它常见离子如K+、Na+等对NS-CNPs荧光强度的影响很小甚至可以忽略，说明Fe3+对该NS-CNPs具有良好的荧光猝灭选择性。
从图7（A）（C）可以看出，AA对NS-CNPs的荧光略有猝灭但不明显，从图7（B）（C）（D）可以看出，AA对NS-CNPs+ Fe3+的荧光有所恢复但无法复原成图7（A）的效果，这里面的原因就是AA对NS-CNPs发生了荧光猝灭。
从图8可以看出，AA对NS-CNPs+Fe3+的荧光恢复效果非常好，而其它常见氨基酸（Gly、Val、Phe、Ala、His、Trp）并没有对NS-CNPs+Fe3+的荧光产生恢复效果，说明AA对NS-CNPs+Fe3+的荧光恢复效果选择性良好。
NS-CNPs测定Fe3+和AA的灵敏度
为了研究NS-CNPs作为游离氯传感器的灵敏度，本实施例测量了NS-CNPs检测Fe3+的线性响应范围。图9（A）显示，NS-CNPs位于340 nm处的发射峰的荧光强度随Fe3+浓度的增大而逐渐减弱。NS-CNPs的荧光猝灭率与次氯酸的浓度在0-10 μM范围内呈良好的线性关系，线性相关系数为0.99967方法的检出限为36.6nM，方法灵敏度高。
本实施例测量了NS-CNPs-Fe3+检测AA的线性响应范围。图10（A）显示，NS-CNPs-Fe3 +位于340 nm处的发射峰的荧光强度随AA浓度的增大而逐渐增大。NS-CNPs-Fe3+的荧光恢复率与AA的浓度在0-30 μM范围内呈良好的线性关系，线性相关系数为0.99967方法的检出限为36.6 nM，方法灵敏度高。
准确度实验
表1 水样中Fe3+浓度的测定
为了验证核Fe3+浓度与NS-CNPs荧光材料的线性曲线关系，我们设计测定了3个含已知浓度Fe3+的待测水样。3个水样中Fe3+浓度的浓度均为0.2 μg·ml-1。加标回收实验（表1）表明，加标回收率在92.3%-98.8%，说明该方法测定核黄素的回收率良好，且实验数据的相对标准偏差低于4.35%，由此可得其精确度高，有应用于某种待测样品中Fe3+的含量检测的可能性。
表2 真实样品AA浓度的测定
为进一步证明方法的应用性，从药店购买三种维生素C片，结果见表4.2，有效成分通过计算分别为样品一2.5 mg、样品二2.5 mg、样品三5.78 mg，分别研磨后用超纯水充分溶解于250 ml容量瓶内，计算得维生素C片中有效成分的含量分别为样品一2.32 mg、样品二2.17 mg、样品三5.61 mg 与结果接近，并计算出检出限102.5 ng·ml-1。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点的一步合成方法，其特征在于：以一水合柠檬酸和L-半胱氨酸作为前驱体，在油胺介质下合成NS-CNPs。
2.如权利要求1所述的荧光氮、硫共掺杂碳量子点的一步合成方法，其特征在于：包括如下步骤：
将L-胱氨酸和一水合柠檬酸按质量比1:1于150 mL三颈烧瓶内混合，加入40 mL油酸，于220℃下以1200 r/min磁力搅拌反应30 min，冷却后，以正己烷充分洗涤析出的产物，用超纯水溶解配制并以8000 rpm/min高速离心10 min，将上清液真空干燥，即得。
3.一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点，其特征在于：采用如权利要求1-2任一项所述的方法制备所得。
4.如权利要求3所述的一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点的应用，其特征在于，其可用于Fe3+的检测。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，Fe3+可以显著地猝灭NS-CNPs的荧光。
6.如权利要求3所述的一种荧光氮、硫共掺杂碳量子点的应用，其特征在于，其可用于抗坏血酸的检测。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，Fe3+可以显著地猝灭NS-CNPs的荧光可以显著的将NS-CNPs的荧光恢复。
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