CN110562954B - 一种荧光碳点探针的制备方法及在检测Fe2+的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种荧光碳点探针的制备方法及在检测Fe2+的应用，该碳点探针步骤如下：以3‑羧基苯硼酸和无水乙二胺为原料，在高温下水热合成碳点；其检测Fe2+的应用步骤为：取多份碳点探针溶液，向其加入不同体积的Fe2+，分别通过荧光法和比色法测量溶液的荧光强度和紫外吸收强度，建立相应的检测线性关系，向含有Fe2+的待测溶液中加入探针溶液，测其荧光强度和紫外吸收强度，通过对比标准曲线，得到待测溶液中Fe2+的浓度。该方法制备的碳点粒径小且均匀，具有双激发独立的发射波长，量子产率高；合成的碳点水溶性好，可用比色法和荧光法对Fe2+进行双重定量检测，过程简单，选择性高，从而建立对Fe2+双重检测的传感器。
Description
技术领域
本发明属于化学检测技术领域，具体涉及一种荧光碳点探针的制备方法及在检测Fe2+的应用。
背景技术
当前社会环境污染越来越严重，特别是重金属离子的水质污染问题一直威胁着人们的身体健康，然而对这些重金属离子的检测是许多科学研究者研究的课题，如何寻找一种物美价廉的材料来检测重金属离子也是人们一直关注的问题。随着纳米技术的发展，碳点作为新型的纳米材料在近些年来一直备受人们的关注，由于其优异的特性，比如：光稳定性，化学稳定性，良好的水溶性，生物相容性，低毒性。利用这些特性可以取代传统的半导体量子点在生物成像，光催化，能量转换，药物输送，光学传感等领域有很好的应用。碳点的粒径通常在1-10nm之间，合成方法多样，起初以电化学、电化学氧化、燃烧等方法合成出碳点，然而随着新的制备方法的出现，如：微波合成路线，超声辅助路径，水热/溶剂热处理，酸性氧化等，合成出碳点的荧光性能逐渐提高，利用这一特性可以发展一种检测Fe2+的方法。此外，目前很少有碳点作为探针来检测Fe2+的工作，因此，以碳点为基础发展一种基于荧光光谱以及比色双重检测Fe2+的方法具有一定的应用前景。
发明内容
针对以上的问题，本发明的目的是提供一种荧光碳点探针的制备方法及利用该碳点探针通过荧光光谱及紫外吸收光谱双重检测 Fe2+的方法，其操作过程简单，选择性高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种荧光碳点探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)荧光碳点制备：将3-羧基苯硼酸充分分散在装有超纯水的 100mL烧杯中，待分散均匀后，向3-羧基苯硼酸的超纯水混合溶液中逐滴滴加无水乙二胺，室温搅拌至混合溶液变得无色澄清透明；
(2)碳点探针溶液制备：将步骤(1)所得的澄清透明溶液转入反应釜中反应6～10h，反应结束后，冷却至室温，先用0.22μm的过滤膜过滤，过滤后的溶液用1000Da透析袋透析20-24h得到碳点探针溶液，室温保存，留待备用。
在步骤(1)中，所述3-羧基苯硼酸与无水乙二胺摩尔比为1∶(1～6)，所述3-羧基苯硼酸和超纯水的用量比为1：(130-150)，即1g的3-羧基苯硼酸溶于130-150mL的超纯水中。
在步骤(2)中，所述反应釜的反应温度为160～190℃，反应时间6～10h。
在步骤(2)中，所述所得的碳点探针的粒径为4～7nm。
本发明还包括上述荧光碳点探针的制备方法制备得到的荧光碳点探针即该荧光碳点探针在检测Fe2+的应用，包括以下步骤：
(1)荧光法检测Fe2+：
a.标准工作溶液的配置：取不同体积的Fe2+原液，向其加入相同用量的荧光碳点探针溶液，超纯水定容至1ml，形成系列标准工作溶液；
b.用荧光光谱仪在激发波长为400nm下，测定不同浓度Fe2+溶液的荧光强度，以Fe2 +浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标，建立标准工作曲线；
c.将与步骤b中相同浓度的荧光碳点探针水溶液加入到待测Fe2+溶液中，测量混合溶液的荧光强度，将测得的荧光强度值代入上述步骤b所得的标准曲线，得到待测溶液中Fe2+浓度；
(2)比色法检测Fe2+：
a.标准工作溶液的配置：取不同体积的Fe2+原液，向其加入相同用量的荧光碳点探针溶液，超纯水定容至3ml，形成系列标准工作溶液；
b.用紫外-可见分光光度计测定不同浓度Fe2+溶液在400nm波长的吸收强度，以Fe2 +浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，建立标准工作曲线；
c.将与步骤b中相同浓度的荧光碳点探针水溶液加入到待测Fe2+溶液中，测量混合溶液的吸光度，将测得的吸光度值代入上述步骤b 所得的标准曲线，得到待测溶液中Fe2+浓度。
在步骤(1)的a步骤中，所述荧光碳点探针溶液的浓度为3～7 mg/ml；所述Fe2+的初始浓度为1mM，所述标准工作溶液的Fe2+浓度范围在25～550μM，检测限为0.22μM。优选地，所述荧光探针水溶液的浓度为5mg/ml。
在步骤(2)的a步骤中，所述荧光碳点探针溶液的浓度为3～7 mg/ml；所述Fe2+的初始浓度为10mM，所述标准工作溶液的Fe2+浓度范围在66～333μM，检测限为0.80μM。优选地，所述荧光探针水溶液的浓度为5mg/ml。
本发明的有益效果如下：
(1)制备方法简单，不需要繁琐的分离操作步骤，合成的碳点粒径小且均匀，光稳定性好，水溶性好，量子产率高，具有双激发独立的发射波长。
(2)本发明所述的碳点作为探针检测Fe2+的方法，检测过程简单，灵敏度高，检测限低。
(3)本发明所述的碳点与传统碳点检测Fe2+的方法有所不同，本发明的碳点探针可通过荧光与紫外双重检测Fe2+，很好的提高了探针对Fe2+的选择性。
附图说明
图1是荧光碳点的透射电子显微镜照片；
图2是荧光碳点的荧光激发发射谱图和紫外激发发射谱图；
图3是3-羧基苯硼酸与乙二胺摩尔比为1∶1的不同激发波长对应荧光发射光谱图；
图4是3-羧基苯硼酸与乙二胺摩尔比为1∶2的不同激发对应荧光发射谱图；
图5是3-羧基苯硼酸与乙二胺摩尔比为1∶4的不同激发对应荧光发射谱图；
图6是3-羧基苯硼酸与乙二胺摩尔比为1∶6的不同激发对应荧光发射谱图；
图7是荧光检测Fe2+谱图；
图8是荧光检测Fe2+线性关系图；
图9是紫外检测Fe2+谱图；
图10是紫外检测Fe2+线性关系图；
其中，图3-图6中，曲线a是350nm激发波长对应发射光谱图，曲线b是360nm激发波长对应发射光谱图，曲线c是370nm激发波长对应发射光谱图，曲线d是380nm激发波长对应发射光谱图，曲线e是390nm激发波长对应发射光谱图，曲线f是400nm激发波长对应发射光谱图，曲线g是410nm激发波长对应发射光谱图，曲线h 是420nm激发波长对应发射光谱图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
称取0.250g 3-羧基苯硼酸加入到装有35mL超纯水的100mL烧杯中，室温搅拌至分散均匀后，向3-羧基苯硼酸的超纯水混合溶液中逐滴滴加100μl无水乙二胺，室温搅拌至混合溶液变得无色澄清透明；将上述澄清透明的溶液转入反应釜中，180℃温度下反应8h，反应结束后，冷却至室温，先用0.22μm的过滤膜过滤，过滤后的溶液用 1000Da透析袋透析24h得到碳点探针溶液(透析的目的是进一步纯化，除去可能未反应的小分子)；合成出的碳点探针水溶液在紫外灯下呈蓝色，不同激发波长所对应的发射波长如图3所示。
实施例2
称取0.250g 3-羧基苯硼酸加入到装有35mL超纯水的100mL烧杯中，室温搅拌至分散均匀后，向3-羧基苯硼酸的超纯水混合溶液中逐滴滴加200μl无水乙二胺，室温搅拌至混合溶液变得无色澄清透明；将上述澄清透明的溶液转入反应釜中，180℃温度下反应8h，反应结束后，冷却至室温，先用0.22μm的过滤膜过滤，过滤后的溶液用 1000Da透析袋透析24h得到碳点探针溶液(透析的目的是进一步纯化，除去可能未反应的小分子)；合成出的碳点探针形貌如图1所示，荧光激发发射谱图和紫外激发发射谱图如图2所示，其水溶液在紫外灯下呈绿色，不同激发波长所对应的发射波长如图4所示。
实施例3
称取0.250g 3-羧基苯硼酸加入到装有35mL超纯水的100mL烧杯中，室温搅拌至分散均匀后，向3-羧基苯硼酸的超纯水混合溶液中逐滴滴加400μl无水乙二胺，室温搅拌至混合溶液变得无色澄清透明；将上述澄清透明的溶液转入反应釜中，180℃温度下反应8h，反应结束后，冷却至室温，先用0.22μm的过滤膜过滤，过滤后的溶液用 1000Da透析袋透析24h得到碳点探针溶液(透析的目的是进一步纯化，除去可能未反应的小分子)；合成出的碳点探针水溶液在紫外灯下呈绿色，不同激发波长所对应的发射波长如图5所示。
实施例4
称取0.250g 3-羧基苯硼酸加入到装有35mL超纯水的100mL烧杯中，室温搅拌至分散均匀后，向3-羧基苯硼酸的超纯水混合溶液中逐滴滴加600μl无水乙二胺，室温搅拌至混合溶液变得无色澄清透明；将上述澄清透明的溶液转入反应釜中，180℃温度下反应8h，反应结束后，冷却至室温，先用0.22μm的过滤膜过滤，过滤后的溶液用 1000Da透析袋透析24h得到碳点探针溶液(透析的目的是进一步纯化，除去可能未反应的小分子)；合成出的碳点探针水溶液在紫外灯下呈蓝色，不同激发波长所对应的发射波长如图6所示。
实施例5
荧光法检测Fe2+：
(1)标准曲线的建立，步骤如下：
从实施例2中取50μl(5mg/ml)的荧光碳点探针溶液，分别滴加不同体积(初始的系列体积数分别为0μl、25μl、50μl、100μl、150μl、 200μl、250μl、300μl、350μl、400μl、450μl、500μl、550μl)、初始浓度为1mM的Fe2+，用超纯水定容至1ml，形成标准溶液；用荧光光度计在400nm的激发波长下，分别测出上述标准溶液的荧光强度，得到荧光光谱图(如图7所示)；以Fe2+浓度为横坐标，标准溶液的荧光强度为纵坐标作图，得到标准曲线(如图8所示)，Fe2+浓度在25～350μM 范围内有很好的线性关系，在此浓度范围内线性方程为： F0-F/F0＝0.01092+0.00159[CFe 2+]，线性系数R＝0.997，检测限为0.22μM；
(2)实际样品的测定，步骤如下：
将待测溶液、实施例2中50μl(5mg/ml)的荧光碳点探针溶液混合，定容至1ml，使用荧光分光光度计在400nm的激发波长下，检测待测溶液的荧光强度，将其带入标准曲线中，得到待测溶液中Fe2+的浓度。
实施例6
比色法检测Fe2+：
(1)标准曲线的建立，步骤如下：
从实施例2中取150μl(5mg/ml)的荧光碳点探针溶液，分别滴加不同体积(初始的系列体积数分别为0μl、20μl、30μl、40μl、50μl、 60μl、70μl、80μl、90μl、100μl)、初始浓度为10mM的Fe2+，用超纯水定容至3ml；用紫外-可见吸收分光光度计检测上述标准溶液的吸光度，得到紫外-可见吸收光谱图(如图9所示)；以Fe2+浓度为横坐标、400nm处紫外吸收强度为纵坐标得到标准工作曲线(如图10 所示)，Fe2+浓度在66～333μM范围内有很好的线性关系，在此浓度范围内线性方程为：A-A0＝0.02489+0.00152[CFe 2+]，线性系数R＝0.997，检测限为0.80μM；
(2)实际样品的测定，步骤如下：
将待测溶液、实施例2中150μl(5mg/ml)的荧光碳点探针溶液混合，定容至3ml，使用紫外-可见吸收分光光度计检测待测溶液的紫外吸收强度，将其带入标准曲线中，得到待测溶液中Fe2+的浓度。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (3)
1.一种荧光碳点探针在检测Fe2+的应用，其特征在于，包括以下步骤：
（1）荧光法检测Fe2+：
a.标准工作溶液的配置：取不同体积的Fe2+原液，向其加入相同用量的荧光碳点探针溶液，超纯水定容至1ml，形成系列标准工作溶液；
b.用荧光光谱仪在激发波长为400 nm下，测定不同浓度Fe2+溶液的荧光强度，以Fe2+浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标，建立标准工作曲线；
c.将与步骤b中相同浓度的荧光碳点探针水溶液加入到待测Fe2+溶液中，测量混合溶液的荧光强度，将测得的荧光强度值代入上述步骤b所得的标准曲线，得到待测溶液中Fe2+浓度；
（2）比色法检测Fe2+：
a.标准工作溶液的配置：取不同体积的Fe2+原液，向其加入相同用量的荧光碳点探针溶液，超纯水定容至3 ml，形成系列标准工作溶液；
b.用紫外-可见吸收光谱仪测定不同浓度Fe2+溶液在400 nm波长的吸收强度，以Fe2+浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，建立标准工作曲线；
c.将与步骤b中相同浓度的荧光碳点探针水溶液加入到待测Fe2+溶液中，测量混合溶液的吸光度，将测得的吸光度值代入上述步骤b所得的标准曲线，得到待测溶液中Fe2+浓度；
其中，荧光碳点探针的制备方法，包括如下步骤：
（1）荧光碳点制备：将3-羧基苯硼酸充分分散在装有超纯水的100mL烧杯中，待分散均匀后，向3-羧基苯硼酸的超纯水混合溶液中逐滴滴加无水乙二胺，室温搅拌至混合溶液变得无色澄清透明；
（2）碳点探针溶液制备：将步骤（1）所得的澄清透明溶液转入反应釜中反应6~10 h，反应结束后，冷却至室温，先用0.22 μm的过滤膜过滤，过滤后的溶液用1000 Da透析袋透析20-24h得到碳点探针溶液，室温保存，留待备用；
在步骤（1）中，所述3-羧基苯硼酸与无水乙二胺摩尔比为1:（1~6），所述3-羧基苯硼酸和超纯水的用量比为1：（130-150），即1g的3-羧基苯硼酸溶于130-150mL的超纯水中；
在步骤（2）中，所述反应釜的反应温度为160~190 ℃，反应时间6~10 h；
在步骤（2）中，所述所得的碳点探针的粒径为4~7nm。
2.根据权利要求1所述的一种荧光碳点探针在检测Fe2+的应用，其特征在于，在步骤（1）的a步骤中，所述荧光碳点探针溶液的浓度为3~7 mg/ml；所述标准工作溶液的Fe2+浓度范围在25~550 μM。
3.根据权利要求1所述的一种荧光碳点探针在检测Fe2+的应用，其特征在于，在步骤（2）的a步骤中，所述荧光碳点探针溶液的浓度为3~7 mg/ml；所述标准工作溶液的Fe2+浓度范围在66~333 μM。
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