CN110591704A - 一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法及在检测Fe3+的应用 - Google Patents

一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法及在检测Fe3+的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有上下转换荧光的聚合物碳点制备及对Fe3+的检测应用，步骤如下：1.以聚乙烯亚胺和5‑氨基水杨酸为原料制备荧光聚合物碳点探针溶液；2.将聚合物碳点探针溶液与已知浓度的Fe3+溶液混合，分别在360nm和710nm激发波长下，根据荧光强度随Fe3+浓度的变化建立标准曲线；3.将相同量的探针溶液加入到待测溶液中，依据荧光强度实现待测样品中Fe3+的定量检测。本发明的聚合物碳点合成方法简单，荧光探针水溶性好，激发独立，荧光性能稳定，量子产率高，可在激发波长为360nm和710nm即利用下转换和上转换对Fe3+进行双重定量检测，对实际样中Fe3+的检测分析灵敏度和选择性高。

Description

一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法及在检测Fe3+的应用
技术领域
本发明属于化学检测技术领域，具体涉及一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法及在检测Fe3+的应用。
背景技术
铁是过渡金属中最常见的一种元素，且在生物医学上起着重要的作用，存在血红蛋白中的铁可以运输氧气。铁主要分布在人体中的血红蛋白，组织，肌肉，骨髓，酶中，绝大部分铁以三价铁的形式存在人体中，铁离子在人体中起着至关重要的作用。铁离子可以从富含铁的物质中获取，如：红肉，鱼类，家禽，豆制品等。但过渡摄取铁会对人体的组织以及器官产生影响，甚至会有致癌的风险。因此，建立一种检测铁的方法十分有必要。近几年来，荧光光谱法作为一种灵敏度高，选择性好，低能耗的方法，在光学传感，特别是在离子检测方面应用十分广泛。
聚合物碳点作为碳材料家族的一员，与碳点具有相似的物理或化学结构，尺寸小于10nm形状近似球形的荧光纳米颗粒，除具有优良的光学性能外，还具有良好的生物相容性，低毒性，廉价易得等优点，被广泛应用于生物成像，光学传感，环境监测，催化等领域。目前，已报道的聚合物碳点很少具有上下转换效应，利用这一特性，可以发展一种对Fe3+双重检测的方法。因此，以聚合物碳点为探针利用上下转换效应对Fe3+双重检测的方法具有一定的应用前景。
发明内容
针对以上的问题，本发明提供一种上下转换荧光的聚合物碳点制备及在检测Fe3+的应用，其聚合物碳点合成方法简单，荧光性能稳定，量子产率高，可在激发波长为360nm和710nm即利用下转换和上转换对Fe3+进行双重检测，检测精度高，检测限低，操作方便，大大提升了探针对Fe3+的选择性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法，包括以下步骤：
(1)荧光聚合物碳点的制备：将聚乙烯亚胺充分溶解在装有超纯水的50mL烧杯中，待溶解完全后，向聚乙烯亚胺的水溶液中加入 5-氨基水杨酸混合均匀，室温搅拌30-60min；
(2)聚合物碳点探针溶液的制备：将步骤(1)所得的混合溶液转移至油浴加热锅中反应2～14h，反应结束后，冷却至室温，先用 1000Da透析袋透析72-96h得到聚合物碳点溶液，然后再用0.22μm 的PTFE膜过滤得到聚合物碳点探针溶液，室温保存，留待备用。
在步骤(1)中，所述聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为10： (1-20)，所述聚乙烯亚胺和超纯水的用量比为1：(200-300)，即1g 的聚乙烯亚胺溶于200-300mL的超纯水中。
在步骤(2)中，所述油浴加热锅的反应温度60～100℃，反应时间2～14h。
步骤(2)中，所述制备的聚合物碳点粒径在3～6nm，所述聚合物碳点探针溶液浓度为3mg/ml。
本发明还包括上述具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法制备得到的聚合物碳点探针及该聚合物碳点探针在检测Fe3+的应用，包括以下步骤：
a.标准工作溶液的配制：取不同浓度的Fe3+溶液，并分别往其中加入35μl上述步骤(2)得到的荧光聚合物碳点探针溶液，再用超纯水定容至1ml，形成一系列标准溶液；
b.用荧光光谱仪在激发波长为350～400nm，分别测量步骤a所述的标准溶液的荧光光谱图，以Fe3+浓度为横坐标，标准溶液在505nm 的荧光强度为纵坐标，得到标准工作曲线；
实际样中Fe3+的检测：向待测样品中加入相同量的荧光探针溶液，在激发波长为350～400nm情况下，测其荧光强度，根据步骤a的标准工作曲线计算Fe3+的实际浓度；
c.用荧光光谱仪在激发波长为650～770nm，分别测量步骤a所述的标准溶液的荧光光谱图，以Fe3+浓度为横坐标，标准工作溶液在 505nm的荧光强度为纵坐标，得到工作标准曲线；
实际样中Fe3+的检测：向待测样品中加入相同量的荧光探针溶液，在激发波长为650～770nm情况下，测其荧光强度，根据步骤a的标准工作曲线计算Fe3+的实际浓度。
在b步骤中，所述标准溶液中的Fe3+的浓度范围在2～60μM，检测限是0.36μM；所述激发波长为350～400nm，优选地，激发波长为 360nm。
在c步骤中，所述标准溶液中的Fe3+的浓度范围在2～60μM，检测限是0.35μM；所述激发波长为650～770nm，优选地，激发波长为 710nm。
本发明的有益效果：
(1)本发明合成的水溶性聚合物碳点合成方法简单，荧光性能稳定，量子产率高，可作为一种潜在的荧光标记物应用于光学成像，生物成像，光学传感等领域。
(2)本发明所述的上转换荧光聚合物碳点的制备及其用于Fe3+的检测，检测过程方便，灵敏度高，检测限低。
(3)本发明与传统荧光探针检测Fe3+不同的是，本探针可在激发波长为360nm和710nm即利用下转换和上转换对Fe3+双重检测，大大提升了本探针对Fe3+的选择性，同时，提高了对Fe3+检测的精确度，进一步的展示了本探针在实际水样中检测Fe3+的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例1在聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸不同的质量比条件下制备的聚合物碳点的发射光谱图(激发波长360nm)；
其中，曲线a表示聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为10:1，曲线b表示聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为2:1，曲线c表示聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为1:1，曲线d表示聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为1:1.5，曲线e表示聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为1:2；
图2是本发明实施例1制备的聚合物碳点的透射电子显微镜照片 (插图为碳点粒径分布图，其中，聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1)；
图3-A至图3-D是本发明实施例1制备的聚合物碳点的X射线光电子能谱图(聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1)；
其中，图3-A是聚合物碳点的XPS谱图；图3-B是聚合物碳点的碳元素分峰谱图，其中C＝C/C-C(284.3eV),C-N(284.9 eV),C-O(285.6eV),C＝O(287.6eV)；图3-C是聚合物碳点的氮元素分峰谱图，其中C-N-C(398.5eV),N-C3(399.3eV),N-H(400.1eV)；图3-D是聚合物碳点的氧元素分峰谱图，其中C＝O(530.5 eV),C-OH(531.2eV),C-O-C(531.9eV)；
图4是本发明实施例1制备的聚合物碳点在350～400nm激发波长下的荧光发射光谱图(聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1)；
其中，曲线1是350nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线2 是360nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线3是370nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线4是380nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线5是390nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线6是400nm 激发波长下的荧光发射光谱图；
图5是本发明实施例2在不同温度下制备的聚合物碳点荧光发射谱图(聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2:1，反应时间为12h)；
其中，曲线(1)是在60℃下合成的聚合物碳点荧光发射谱图，曲线(2)是在80℃下合成的聚合物碳点荧光发射谱图，曲线(3)是在100℃下合成的聚合物碳点荧光发射谱图；
图6是本发明实施例3制备在不同反应时间下制备的荧光光谱图 (聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1)；
其中，曲线(a)是2h反应时间下制备的荧光发射光谱图，曲线 (b)是4h反应时间下制备的荧光发射光谱图，曲线(c)是6h反应时间下制备的荧光发射光谱图，曲线(d)是8h反应时间下制备的荧光发射光谱图，曲线(e)是12h反应时间下制备的荧光发射光谱图；
图8是本发明实施例4制备的聚合物碳点作探针在360nm激发波长下检测Fe3+的标准曲线图(实施例1在聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1条件下制备的聚合物碳点)；
图7是本发明实施例1制备的聚合物碳点的在650～770nm激发波长下的荧光发射光谱图(聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1)；
其中，曲线(1)是650nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线曲线(2)是670nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线(3)是690nm 激发波长下的荧光发射光谱图，曲线(4)是710nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线(5)是730nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线(6)是750nm激发波长下的荧光发射光谱图，曲线(7)是770nm 激发波长下的荧光发射光谱图；
图9是本发明实施例5制备的聚合物碳点作探针在710nm激发波长下检测Fe3+的标准曲线图，插图为线性关系图(实施例1在聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1条件下制备的聚合物碳点)；
图10是本发明制备的聚合物碳点下转换法检测实际水样中Fe3+， Spiked(μΜ)表示加入已知Fe3+的浓度，Found(μΜ)表示根据标准曲线计算出Fe3+的浓度，Recovery(％)表示恢复率，RSD(n＝3，％)表示相对标准偏差。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
称取100mg聚乙烯亚胺加入到装有20mL超纯水的50mL烧杯中，待溶解完全后，向聚乙烯亚胺的水溶液中加入50mg5-氨基水杨酸混合均匀(聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为2∶1，反应同时可以改变5-氨基水杨酸加入的量；即：聚乙烯亚胺的质量为100mg，分别加入10mg、50mg、100mg、150mg和200mg的5-氨基水杨酸，聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为10∶1，2∶1，1∶1，1∶1.5和 1∶2，)，室温搅拌30-60min；将上述混合溶液转移至油浴加热锅中， 80℃温度下反应12h，反应结束后，冷却至室温，先用1000Da透析袋透析96h得到聚合物碳点溶液(每12h换一次水，透析的目的是纯化，除去可能未反应的小分子)，然后再用0.22μm的PTFE膜过滤得到聚合物碳点探针溶液；
不同原料配比所得的聚合物碳点水溶液荧光相近，各样品的最佳激发均在360nm附近，最佳发射波长在505nm附近，如图1所示；其中，聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1所得的聚合物碳点的形貌如图2所示，粒径在3～6nm；合成出的聚合物碳点结构表征如图3-A至图3-D所示，所得聚合物碳点具有独特的荧光性质，当激发波长在350～400nm下，发射光谱不随激发波长的变化而变化，最强的发射波长在505nm，如图4所示，当激发波长在650～770nm下，发射光谱不随激发波长的变化而变化，最强的发射波长在505nm，如图7所示。
实施例2
称取100mg聚乙烯亚胺3份，分别加入到装有20mL超纯水的 50mL烧杯中，待溶解完全后，向每份聚乙烯亚胺的水溶液中加入50 mg 5-氨基水杨酸混合均匀，室温搅拌30-60min；分别将上述混合溶液转移至油浴加热锅中，分别在60℃、80℃和100℃温度下反应12h，反应结束后，冷却至室温，先用1000Da透析袋透析96h得到聚合物碳点溶液(每12h换一次水，透析的目的是纯化，除去可能未反应的小分子)，然后再用0.22μm的PTFE膜过滤得到聚合物碳点探针溶液。不同温度下合成的聚合物碳点荧光发射谱图如图5所示，当激发波长为360nm，最大发射波长均在505nm左右，且在80℃下合成的聚合物碳点荧光强度最佳。
实施例3
称取100mg聚乙烯亚胺5份，分别加入到装有20mL超纯水的 50mL烧杯中，待溶解完全后，向每份聚乙烯亚胺的水溶液中加入50 mg5-氨基水杨酸混合均匀，室温搅拌30-60min；分别将上述混合溶液转移至油浴加热锅中，在80℃温度下分别反应2h、4h、6h、8h 和12h，反应结束后，冷却至室温，先用1000Da透析袋透析96h得到聚合物碳点溶液(每12h换一次水，透析的目的是纯化，除去可能未反应的小分子)，然后再用0.22μm的PTFE膜过滤得到聚合物碳点探针溶液。不同反应时间所得的聚合物碳点水溶液荧光光谱图，如图6所示。
实施例4
(1)取实施例1中聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1所得的聚合物碳点探针溶液35μl(3mg/ml)，分别滴加一系列不同浓度的Fe3+，用超纯水定容至1ml，形成标准溶液；
(2)使用荧光光谱仪测量激发波长为360nm下溶液的荧光光谱，记录其最大荧光强度；并以Fe3+浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，得到标准曲线，如图8所示；
实际样品的测定，步骤如下：
采用标准加入法，向待测水样(加入确定浓度的Fe3+)中加入相同量实施例1中的聚合物碳点探针溶液，在激发波长为360nm下，测其最大荧光强度，根据标准曲线计算出实际Fe3+的浓度，参照表1。
实施例5
(1)取实施例1中聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸质量比为2∶1所得的聚合物碳点探针溶液35μl(3mg/ml)，分别滴加一系列不同浓度的Fe3+，用超纯水定容至1ml，形成标准溶液。
(2)用荧光光谱仪测量激发波长为710nm下溶液的荧光光谱，记录其最大荧光强度；并以Fe3+浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，得到标准曲线，如图9所示；
实际样的测定，步骤如下：
采用标准加入法，向待测水样(加入确定浓度的Fe3+)中加入相同量实施例1中的聚合物碳点探针溶液，在激发波长为710nm下，测其最大荧光强度，根据标准曲线计算出实际Fe3+的浓度。
与已报道的荧光探针比较，本发明的荧光聚合物碳点探针在检测 Fe3+方面具有明显优势。本发明的荧光聚合物碳点在上转换以及下转换对Fe3+进行双重检测，检测限低，测定结果更准确。
以上所述仅为本发明的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)荧光聚合物碳点的制备：将聚乙烯亚胺充分溶解在装有超纯水的50mL烧杯中，待溶解完全后，向聚乙烯亚胺的水溶液中加入5-氨基水杨酸混合均匀，室温搅拌30-60min；
(2)聚合物碳点探针溶液的制备：将步骤(1)所得的混合溶液转移至油浴加热锅中反应2～14h，反应结束后，冷却至室温，先用1000Da透析袋透析72-96h得到聚合物碳点溶液，然后再用0.22μm的PTFE膜过滤得到聚合物碳点探针溶液，室温保存，留待备用。
2.根据权利要求1所述的一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述聚乙烯亚胺和5-氨基水杨酸的质量比为10：(1-20)，所述聚乙烯亚胺和超纯水的用量比为1：(200-300)，即1g的聚乙烯亚胺溶于200-300mL的超纯水中。
3.根据权利要求1所述的一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述油浴加热锅的反应温度60～100℃，反应时间2～14h。
4.根据权利要求1所述的一种具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述制备的聚合物碳点粒径在3～6nm，所述聚合物碳点探针溶液浓度为3mg/ml。
5.如权利要求1-4任意一项所述的具有上下转换荧光的聚合物碳点的制备方法制备得到的聚合物碳点探针。
6.如权利要求5所述的一种聚合物碳点探针在检测Fe3+的应用，其特征在于，包括以下步骤：
a.标准工作溶液的配制：取不同浓度的Fe3+溶液，并分别往其中加入35μl上述步骤(2)得到的荧光聚合物碳点探针溶液，再用超纯水定容至1ml，形成一系列标准溶液；
b.用荧光光谱仪在激发波长为350～400nm，分别测量步骤a所述的标准溶液的荧光光谱图，以Fe3+浓度为横坐标，标准溶液在505nm的荧光强度为纵坐标，得到标准工作曲线；
实际样中Fe3+的检测：向待测样品中加入相同量的荧光探针溶液，在激发波长为350～400nm情况下，测其荧光强度，根据步骤a的标准工作曲线计算Fe3+的实际浓度；
c.用荧光光谱仪在激发波长为650～770nm，分别测量步骤a所述的标准溶液的荧光光谱图，以Fe3+浓度为横坐标，标准工作溶液在505nm的荧光强度为纵坐标，得到工作标准曲线；
实际样中Fe3+的检测：向待测样品中加入相同量的荧光探针溶液，在激发波长为650～770nm情况下，测其荧光强度，根据步骤a的标准工作曲线计算Fe3+的实际浓度。
7.根据权利要求6的一种聚合物碳点探针在检测Fe3+的应用，其特征在于，在b步骤中，所述标准溶液中的Fe3+的浓度范围在2～60μM，检测限是0.36μM。
8.根据权利要求6的一种聚合物碳点探针在检测Fe3+的应用，其特征在于，在c步骤中，所述标准溶液中的Fe3+的浓度范围在2～60μM，检测限是0.35μM。
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