CN110451483A

CN110451483A - 一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法

Info

Publication number: CN110451483A
Application number: CN201910822946.9A
Authority: CN
Inventors: 王彩霞; 乔成奎; 谢汉忠; 郭琳琳; 罗静; 庞荣丽; 李君�; 庞涛
Original assignee: Zhengzhou Fruit Research Institute CAAS
Current assignee: Zhengzhou Fruit Research Institute CAAS
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2019-11-15
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: CN110451483B

Abstract

本发明公开了一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，该方法是以猕猴桃为碳源，通过一步水热反应合成荧光碳量子点。本发明使用新鲜的猕猴桃样品为整颗果实，采取四分法对猕猴桃样品进行处理，能够确保后期数据的准确性及实验的可重复性。猕猴桃样品使用液氮处理，制备的粉末样品均匀且最大程度保留猕猴桃中的原物质，并且避免样品反复解冻过程中，样品变质，影响实验的可重复性，对实验结果造成干扰。本发明通过对比不同方法制备的荧光碳量子点的荧光性能，发现N掺杂效果优于S，N原子共掺杂以及乙二胺进行的碳量子点表面修饰。本发明制备的荧光碳量子点荧光性能优异并且具有良好的上转换性能，原料来源易得，合成方法绿色，简易。

Description

一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法

技术领域

本发明属于纳米功能材料的技术开发领域，具体涉及一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法。

背景技术

碳量子点是一类尺寸小于10nm的纳米材料，通常情况下，碳量子点在波长为365nm的紫外激发下，可以发射荧光，其发射波长具有高度的波长依赖性。大部分荧光发射光谱可以从激发波长200nm至420nm范围内激发来收集，还有一些碳量子点的激发波长接近红光波段。碳量子点的另外一个功能就是可以实现上转换荧光，以长波长激发收集短波长荧光。由于碳量子点的组成具有大量的羟基、羧基、氨基等活性基团，因此通过对碳量子点的组成成分和表面结构进行调控，可以实现碳量子点的特异性荧光识别功能。

食品安全问题一直是研究的热门对象，其中主要针对食品中可能对人体产生危害的无机盐离子，有机农药和生物毒素进行检测技术的开发研究。其中，液相色谱仪，液相色谱-串联质谱联用仪和气相色谱-串联质谱联用仪等为主要的检测手段，但是其检测条件苛刻，不适于目标物的快速检测。因此设计开发具有特殊光学性能的碳量子点，以期实现对不同介质中各种无机物，有机污染物及生物毒素的快速检测。

目前，公开有采用不同生物质作为碳源合成具有不同荧光功能的荧光碳量子点的方法。但很多生物质碳源用作原料时，往往进行烘干脱水处理，在烘干过程中很多源物质被破坏，对进一步探讨碳量子点的结构组成不利。且目前还未见以猕猴桃为原料，讨论不同合成条件下制备的荧光碳量子点光谱报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：猕猴桃样品切片后，用液氮处理打成粉末，粉末样品于-80℃储存；

步骤二：有以下两种方式：

方式(a)：将粉末样品与高纯水混合，混匀后进行水热反应，反应结束后自然冷却到室温；

方式(b)：将粉末样品与高纯水混合，然后加入含氮化合物，混匀后进行水热反应，反应结束后自然冷却到室温；

步骤三：对步骤二所得产物进行离心，微孔滤膜过滤，透析袋透析，冷冻干燥，得到产品。

步骤一中用液氮处理打成粉末的具体方法为：将切片后的猕猴桃样品装入器皿中，然后倒入液氮，使猕猴桃样品完全浸泡在液氮中充分冷冻，再将冷冻的片状猕猴桃样品打成粉末。

粉末样品参照国家标准GB/T 5491-1985的四分法取猕猴桃样，然后随机选取猕猴桃的不同部位进行制样。

步骤二(a)和(b)中粉末样品和高纯水的混合物中固液比为0.15-0.75g：20-29ml；步骤二(b)中粉末样品、高纯水混合物中的固体和含氮化合物的重量比为0.15-0.75g：0.05g-0.5g。

步骤二(b)中含氮化合物为乙二胺、三乙胺、尿素、硫脲或氨基硫脲。

优选的，步骤二(b)中含氮化合物为乙二胺。

步骤二中水热反应的温度为160℃-200℃，水热反应的时间为4-12h。

优选的，步骤二中水热反应的温度为180℃-200℃，水热反应的时间为5-12h。

更优选的，步骤二中水热反应的温度为180℃，水热反应的时间为6h。

步骤三中离心条件为10000rpm，5min；微孔滤膜孔径为0.22μm；透析采用1000Da的透析袋，透析时间为24h；冷冻温度为-50℃。

一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法所合成的荧光碳量子点。

本发明的有益效果：

1、本发明使用新鲜的猕猴桃样品为整颗果实，采取四分法对猕猴桃样品进行处理，能够确保后期数据的准确性及实验的可重复性。猕猴桃样品使用液氮处理，制备的粉末样品均匀且最大程度保留猕猴桃中的原物质(类胡萝卜素、单宁、维生素C、叶绿素、有机酸等易降解物质)，并且避免样品反复解冻过程中，样品变质，影响实验的可重复性，对实验结果造成干扰。

2、以猕猴桃为碳源，不经任何修饰获得的碳量子点虽具有发光性能，但是荧光量子产率(QY)较低，经调试不同加热温度(160-200℃)，时间(4-12h)，体积(15-30ml)和质量(0.15-0.75g)的组合条件，在最优条件下合成的碳量子点在纯水中的荧光量子产率仅有0.07％，此外其紫外吸收光谱在284nm处有较强吸收，是由于sp²区域的π-π*跃迁。为了提高碳量子点的QY，本试验进行N原子掺杂和S，N原子共掺杂以及碳量子点表面修饰。首先经适量乙二胺掺杂的碳量子点的QY达到27.85％，其紫外吸收光谱分别在285nm和339nm处有较强吸收，前者是由于sp²区域的π-π*跃迁，后者归因于n-π*跃迁；然而经硫脲掺杂的QY为0.43％，并且紫外吸收光谱发生蓝移，在259nm处有较强吸收，S，N原子共掺杂在此实验中对提高QY并未取得良好的结果。此外，通过乙二胺对碳量子点进行表面结构修饰，其荧光从草绿色变为蓝色，但是荧光强度并未有显著提升，并且未见强烈的紫外吸收峰，可见在此实验体系中N掺杂效果优于S，N原子共掺杂以及乙二胺进行的碳量子点表面修饰。后续通过一系列实验，通过对比不同条件下的紫外吸收光谱，发现不进行掺杂的多个样品和S，N原子共掺杂的多个样品，紫外吸收光谱受反应物浓度和反应温度、时间及掺杂物含量的影响不大，保持一致；然而，氮原子掺杂的样品受反应温度影响改变较大，双紫外吸收峰发生改变；然而改变反应物浓度、反应时间则对紫外吸收光谱影响不大，这一发现为后续的工作提供有效研究信息。

3、反应温度和反应物浓度代表参加反应的物质量，即主要影响碳量子点结构的电子跃迁能量，导致光谱性能差异性。以猕猴桃为碳源，不经任何修饰获得的碳量子点，通过反复实验，发现180℃和200℃为反应的最适温度，在此温度下反应物添加质量在0.15-0.75g，反应时间需控制在4-6h，时间过短影响碳量子点合成，时间过长也会降低碳量子点的QY，并且浪费资源。本发明在步骤二样品粉末的高纯水混合溶液中加入含氮化合物，混合均匀后于反应釜中进行水热反应。水热加热过程中通过调试水热反应的温度及混合物浓度，获得一系列不同反应条件下的产物。

4、本发明以猕猴桃为碳源，设计开发具有特殊光学性能的碳量子点，经氮掺杂处理的碳量子点在紫外吸收光谱中285nm和339nm处有较强的吸收峰，出现了明显的双紫外吸收峰，最优激发波长红移，另外较强的QY可以有效的避免实际应用中因基质效应造成的荧光信号干扰，提高检测结果的精准度。此外，光谱实验发现Fe³⁺对优化合成的碳量子点具有猝灭效果，通过紫外光谱测试，发现Fe³⁺与碳量子点有较强的相互作用，后期可以针对不同介质中各种无机物，有机污染物及生物毒素与Fe³⁺络合，使碳量子点的荧光恢复，为实现目标物的快速检测提供方法路径。另外，经硫脲掺杂的合成产物中，S-N原子的协同机理并未提高N原子的利用率，QY并未明显提高，并且紫外吸收光谱发生明显蓝移，为进一步调控碳量子点结构提供有用的信息参考。

5、本发明通过一步水热反应合成的荧光碳量子点，荧光性能优异并且具有良好的上转换性能，原料来源易得，合成方法绿色，简易。

附图说明

图1为实施例1获得样品的紫外吸收光谱及其在350nm(a)和700nm(b)激发光下的荧光发射光谱。

图2为实施例1在不同激发波长下的荧光发射图谱。

图3为实施例2获得样品的紫外吸收光谱及其在350nm(a)和700nm(b)激发光下的荧光发射光谱。

图4为实施例2在不同激发波长下的荧光发射图谱。

图5为实施例2获得样品的加入不同浓度Fe³⁺的荧光光谱图。图中，箭头表示Fe³⁺浓度。

图6为实施例3获得样品的紫外吸收光谱及其在290nm(a)和700nm(b)激发光下的荧光发射光谱。

图7为实施例3在不同激发波长下的荧光发射图谱。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例1

一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤(不掺杂)：

步骤一：新鲜的猕猴桃样品切片后，将切片后的猕猴桃样品装入器皿中，然后倒入液氮，使猕猴桃样品完全浸泡在液氮中充分冷冻，再将冷冻的片状猕猴桃样品打成粉末，粉末样品于-80℃储存；

步骤二：取5g粉末样品溶解在20ml高纯水中，超声混匀，经微波水分测定仪扣除样品水分则混合物实际固液比为0.75g：24ml，然后将混合物转移至反应釜内于200℃下进行水热反应12h，反应结束后自然冷却到室温；

步骤三：对步骤二所得产物进行离心，离心条件为10000rpm，5min；0.22μm微孔滤膜过滤，采用1000Da的透析袋透析24h，经处理的产物水溶液经-50℃冷冻干燥，得到产品。

产品性能检测：

将步骤三获得的产品，使用高纯水配制成浓度为5mg/ml的母液，作为样品1号，4℃冰箱保存待测。

样品1号在365手持式紫外灯的照射下，溶液荧光为草绿色。通过紫外分光光度计和荧光分光光度计对样品1号进行光学测试，其紫外吸收光谱在284nm处有较强吸收，归因于π-π*跃迁，并发现其具有良好的水溶性，样品浓度在3.3μg/ml-112.7μg/ml具有良好的线性关系，线性回归方程为：y＝0.06+0.11x，R＝0.9980。在350nm激发光下测得其最大荧光发射强度在435nm处，并且在700nm的激发光下，收集到最大荧光发射强度在437nm处，其呈现优异的上转换荧光(图1)，并且具有激发光依赖性(图2)。以硫酸奎宁为标准物，测得样品1号在水中的荧光量子产率(QY)为0.07％，说明不经任何修饰获得的碳量子点虽具有发光性能，但是QY较低，如果应用于实际复杂基质中检测易受基质干扰，降低检测结果的精准度。

实施例2

一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤(N掺杂)：

步骤二：取5g粉末样品溶解在25ml高纯水中，超声混匀，经微波水分测定仪扣除样品水分则混合物实际固液比为0.75g：29ml，再向混合物中加入250μl乙二胺，混匀后转移至反应釜内于180℃下进行水热反应6h，反应结束后自然冷却到室温；

产品性能检测：

将步骤三获得的产品，使用高纯水配制成浓度为5mg/ml的母液，作为样品2号，4℃冰箱保存待测。

样品2号在365手持式紫外灯的照射下，溶液荧光为强蓝光。通过紫外分光光度计和荧光分光光度计对样品2号进行光学测试，其紫外吸收光谱分别在285nm和339nm处有较强吸收，前者是由于π-π*跃迁，后者归因于n-π*跃迁；其具有良好的水溶性，样品浓度在3.3μg/ml-1480.6μg/ml具有良好的线性关系，线性回归方程为：y＝0.03+0.0013x，R＝0.9992。此外，样品的最大激发光红移，在350nm激发光下测得其最大荧光发射强度在435nm处，并且在700nm的激发光下，收集到最大荧光发射强度在439nm处，其呈现优异的上转换荧光(图3)，并且具有激发光依赖性(图4)。以硫酸奎宁为标准物，样品2号经测算在水中荧光量子产率为27.85％，说明氮掺杂改变了碳量子点导带的费米能级，从而提高QY，另外较强的QY可以有效避免实际应用中因基质效应造成的荧光信号干扰，提高检测结果的精准度。此外，对样品性能进行初步探讨，荧光光谱实验发现Fe³⁺对碳量子点具有猝灭效果(图5)，样品荧光强度随着浓度Fe³⁺的增加逐渐减弱，且线性回归方程为：y＝0.96-0.013x，R＝0.9975。

实施例3

一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤(S，N共掺杂)：

步骤二：取5g粉末样品溶解在25ml高纯水中，超声混匀，经微波水分测定仪扣除样品水分则混合物实际固液比为0.75g：29ml，再向混合物中加入0.25g硫脲，混匀后转移至反应釜内于180℃下进行水热反应5h，反应结束后自然冷却到室温；

产品性能检测：

将步骤三获得的产品，使用高纯水配制成浓度为5mg/ml的母液，作为样品3号，4℃冰箱保存待测。

样品3号在365手持式紫外灯的照射下，溶液荧光为草绿色。通过紫外分光光度计和荧光分光光度计对样品3号进行光学测试，紫外吸收光谱发生蓝移25nm，在259nm处有较强紫外吸收，并发现其具有良好的水溶性，样品浓度在3.3μg/ml-173.8μg/ml具有良好的线性关系，线性回归方程为：y＝0.005+0.019x，R＝0.9995。此外，样品的最大激发光蓝移，在290nm激发光下测得其最大荧光发射强度在352nm处，并且在700nm的激发光下，收集到最大荧光发射强度在428nm处，其呈现优异的上转换荧光(图6)，并且具有良好的激发光依赖性(图7)。以硫酸奎宁为标准物，经测算样品3号在水中荧光量子产率为0.43％，说明经硫脲掺杂的合成产物中，S-N原子的协同机理并未提高N原子的利用率，QY并未明显提高，并且紫外吸收光谱发生明显蓝移，为进一步调控碳量子点结构提供有用的信息参考。

对比例

一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤(碳量子点表面修饰)：

步骤二：取5g粉末样品溶解在25ml高纯水中，超声混匀，经微波水分测定仪扣除样品水分则实际固液比为0.75g：29ml，混匀后转移至反应釜内于200℃反应4h，反应结束后自然冷却到室温；然后向反应釜中添加250μl的乙二胺，混匀后置于180℃反应6h；

产品性能检测：

将步骤三获得的产品，使用高纯水配制成浓度为5mg/ml的母液，作为样品4号，4℃冰箱保存待测。

样品4号在365手持式紫外灯的照射下，溶液荧光为蓝光。通过紫外分光光度计对样品4号进行光学测试，发现紫外光谱无明显的吸收峰，经测试荧光量子产率为3.23％，并无明显提高，说明在此实验中碳量子点表面修饰能提高QY，但没有氮掺杂的效果明显。

制备方法的条件筛选：

以上述步骤一制备的粉末为样品，改变步骤二的原料比例和反应温度、时间以及掺杂物含量，步骤三的方法和性能检测同实施例1，分析不同条件对产品性能的影响，结果见表1。

表1不同条件及制备产品的性能

(1)通过对比不同条件下的紫外吸收光谱，发现不进行掺杂的多个样品，紫外吸收光谱受反应物浓度和反应温度、时间的影响不大，最大紫外吸收峰在284nm处保持一致，荧光QY平均在0.09％。

(2)通过对比不同条件下的紫外吸收光谱，发现S，N原子共掺杂的多个样品，紫外吸收光谱受反应物浓度和反应温度、时间及掺杂物含量的影响不大，最大紫外吸收峰蓝移在254nm(±5nm)保持一致；然而荧光量子产率不同，实施例3为0.43％，6-3为0.21％，7-3为0.24％，8-3为0.5％，说明不同条件影响荧光碳量子结构的电子跃迁能量，导致荧光量子产率不同。

(3)通过对比不同条件下的光谱，发现氮原子掺杂的样品受温度、时间和氮掺杂量影响均较大。首先温度影响较大，180℃下合成的产物为双峰，此时反应时间为QY的决定因素，在4h时QY为19.5％，6h时QY为27.85％和12h时QY为17.0％。而在200℃下为单峰，且最大紫外吸收峰值跟乙二胺的添加含量有关，在乙二胺含量为250μl，最大吸收峰值为337nm；在乙二胺含量为500μl和750μl时，最大吸收峰值在300nm左右，此时反应时间和氮掺杂量对QY影响不大，平均在14.35％。对比试验说明在一定的温度下反应物浓度、时间和氮掺杂量对荧光碳量子结构影响较大，最终影响电子跃迁能量，导致荧光量子产率不同。这一发现为后续工作提供有效研究信息。即在此实验中选取实施例2为氮掺杂的最优条件组合，QY为27.85％。

Claims

1.一种以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二：有以下两种方式：

2.根据权利要求1所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，步骤一中用液氮处理打成粉末的具体方法为：将切片后的猕猴桃样品装入器皿中，然后倒入液氮，使猕猴桃样品完全浸泡在液氮中充分冷冻，再将冷冻的片状猕猴桃样品打成粉末。

3.根据权利要求1所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，步骤二(a)和(b)中粉末样品和高纯水的混合物中固液比为0.15-0.75g：20-29ml；步骤二(b)中粉末样品、高纯水混合物中的固体和含氮化合物的重量比为0.15-0.75g：0.05g-0.5g。

4.根据权利要求1所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，步骤二(b)中含氮化合物为乙二胺、三乙胺、尿素、硫脲或氨基硫脲。

5.根据权利要求4所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，优选的，步骤二(b)中含氮化合物为乙二胺。

6.根据权利要求1所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，步骤二中水热反应的温度为160℃-200℃，水热反应的时间为4-12h。

7.根据权利要求6所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，优选的，步骤二中水热反应的温度为180℃-200℃，水热反应的时间为5-12h。

8.根据权利要求7所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，更优选的，步骤二中水热反应的温度为180℃，水热反应的时间为6h。

9.根据权利要求1所述的以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，步骤三中离心条件为10000rpm，5min；微孔滤膜孔径为0.22μm；透析采用1000Da的透析袋，透析时间为24h；冷冻温度为-50℃。

10.一种如权利要求1-9任一项所述以猕猴桃为原料合成荧光碳量子点的制备方法所合成的荧光碳量子点。