CN110669510A - 碳量子点荧光探针溶液及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳量子点荧光探针溶液及其制备方法和应用，所述碳量子点荧光探针溶液通过将碳源和氮源混合经水热反应制备得到，所述碳源为乳糖；所述氮源为柠檬酸铵；所述碳源与氮源的摩尔比为1:20～30；在激发光为290nm至340nm时，所述碳量子点荧光探针溶液的荧光发射峰均在430nm左右。本发明的碳量子点荧光探针可以应用于工业废水达标排放中六价铬离子的精准检测。

Description

碳量子点荧光探针溶液及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于工业废水治理技术领域，具体涉及一种碳量子点荧光探针及其制备和在六价铬离子检测中的应用。
背景技术
工业废水中的重金属是环境污染的主要源头，我国制革行业的重金属废水年均排放量近1亿吨，电镀废水年均排放量近40亿吨。浙江省是制革和电镀大省，根据《浙江省重金属污染综合防治规划(2010年～2015年)》，铬的排放总量占浙江省工业重金属排放总量的95.02％；制革和电镀两大行业铬的排放量占铬总排放量的98.97％，即使达标排放也仍有大量的重金属进入环境，远远超出了大自然所能承受的限度。铬Cr(VI)有强毒性，可与人体的蛋白质及各种酶发生相互作用，使他们失去活性，对人体有致癌的危害。
因此，如何实现实时有效地监视环境中的重金属离子，研究开发准确、快速、简便和经济的分析材料及方法显得尤为迫切和至关重要。发展低成本、高灵敏、高选择、易操作的痕量重金属检测技术将成为社会和技术共同发展的必然要求，这对水体质量的分析、监测和评价以及动植物的生存健康等都具有非常重要的意义。
碳量子点(carbon quantum dots，CQDs)因其优异的性能，被用于六价铬离子的检测，但传统采用碳量子点的检测方法中，针对特定量的碳量子点对大范围内六价铬离子均有不同程度猝灭，笼统性较强，检测结果不精准。
发明内容
本发明提供一种碳量子点荧光探针溶液及用该荧光探针溶液快速定量检测水中六价铬离子的方法，实现工业废水达标排放的精准检测。
一种碳量子点荧光探针溶液，通过将碳源和氮源混合经水热反应制得，所述碳源为乳糖；所述氮源为柠檬酸铵；所述碳源与氮源的摩尔比为1:20～30；在激发光为290nm至340nm时，所述碳量子点荧光探针溶液的荧光发射峰均在 430nm左右。
以290nm至340nm激发，碳量子点的荧光发射峰保持不变，均在430nm左右出现最大发射峰，此处的430nm左右是指430nm±5nm。
可选的，所述碳量子点荧光探针溶液中单个碳量子点的粒径为6～8nm。
可选的，所述碳源与氮源的摩尔比为1:25。
荧光分析法因其设备简单、直观、选择性好、实时原位、灵敏度高、检测下限浓度较低，在环境监测中倍受青睐。荧光分析法的关键不仅在于检测仪器的性能，更为重要的是必须具有快速响应、高灵敏性、高可靠性的荧光探针材料。本发明方法制备得到的荧光探针，是碳量子点形成的团簇，粒径比传统的单个碳量子点大4-5倍，更加稳定，均匀，借助扫描电镜即可看到微观形貌；该荧光探针的发射不受激发影响，以290nm至340nm激发，其荧光发射峰均在 430nm(±5nm)保持不变，由此，可用紫外灯作为实时检测的激发光源。
本发明的荧光探针在一定浓度下对0.1～0.6mg/L六价铬离子有良好的猝灭效应，猝灭程度与金属离子浓度呈线性关系，而工业废水达标排放标准中六价铬离子浓度为小于0.5mg/L，因此本发明制备的荧光探针可应用于工业废达标排放中重金属离子的实时快速精准检测。
本发明还提供如所述的碳量子点荧光探针溶液在定量检测六价铬离子中的应用。
本发明还提供一种六价铬离子的定量检测方法，包括如下步骤：
取待测溶液，加入所述的碳量子点荧光探针溶液，调节反应体系pH至 5.5～7.5，避光猝灭反应；检测反应液的荧光强度，代入标准曲线计算得到待测溶液中的六价铬离子浓度；猝灭反应前反应体系中碳量子点荧光探针的浓度与六价铬离子的浓度比为2.0mg/L～2.5mg/L：0.1mg/L～0.6mg/L；所述碳量子点荧光探针的浓度是以碳计。
可选的，采用330nm激发光，430nm发射光做荧光检测。
可选的，猝灭反应前反应体系中碳量子点荧光探针的浓度与六价铬离子的浓度比为2.353mg/L：0.1mg/L～0.6mg/L。当反应体系中碳量子点荧光探针的浓度为2.353mg/L，猝灭反应前反应液的荧光强度为200(±5)。
可选的，所述标准曲线制备方法包括：取所述的碳量子点荧光探针溶液，分别与含六价铬离子的不同溶液混合，用pH6.5的磷酸缓冲溶液定容反应体系，六价铬浓度在0.1～0.6mg/L范围内，避光猝灭反应30min，检测各反应液的荧光强度，以荧光强度为纵坐标、六价铬离子浓度为横坐标，绘制标准曲线。
可选的，做空白对照的六价铬离子浓度为0的反应液的荧光强度为200(± 5)。
六价铬离子浓度在0.1～0.6mg/L范围内，荧光强度的猝灭程度与金属离子浓度能更好的呈线性关系。六价铬离子浓度为0的反应液的荧光强度为200(±5) 用于说明碳量子点荧光探针溶液的用量，荧光强度跟量子点的用量有关，当反应体系中碳量子点荧光探针溶液的用量满足荧光强度为200(±5)、六价铬离子浓度在0.1～0.6mg/L范围内，能更好的呈现线性关系，可以快速定量检测铬离子的浓度。
可选的，调节猝灭反应体系的pH为6.0～7.0。
可选的，调节猝灭反应体系的pH为6.5。
该CQDs的荧光性与pH密切相关，最适pH条件下，与特定浓度范围的六价铬离子溶液反应结合荧光分析技术，快速检测水体中Cr(VI)离子，实现工业废水达标排放的快速检测。
一种可选的标准曲线线性方程式为：y＝-0.1649x+192.57。
本发明还提供一种碳量子点荧光探针溶液的制备方法，包括：将碳源和氮源混合进行水热反应，水热反应产物离心去沉淀后得初始溶液；初始溶液经透析纯化，制得碳量子点荧光探针溶液；所述碳源为乳糖；所述氮源为柠檬酸铵；所述碳源与氮源的摩尔比为1:20～30，在激发光为290nm至340nm内，所述碳量子点荧光探针溶液的荧光发射峰均在430nm左右。
可选地，所述碳源与氮源的摩尔比为1:24～26。可选地，所述碳源与氮源的摩尔比为1:25。
可选的，纯化所用透析袋的截留分子量小于等于3.5kD。
可选的，纯化所用透析袋的截留分子量为1kD～2kD。
可选的，纯化所用透析袋的截留分子量为1kD。
本发明以生物质基绿色碳水化合物乳糖和柠檬酸铵为原料，两种前驱物均易溶易混、无毒，以一定水量搅拌混匀即可。水热反应在水热釜中进行，水热反应温度170℃～180℃，水热反应时间3h～5h。水热反应产物自然冷却至室温后先超声再进行离心分离，超声时间和离心时间分别为1小时左右。
可选的，反应温度为180℃；反应时间为4h。
透析纯化过程中数次换水，直至透析袋外水溶液在透析2小时后不变色为终止。
可选的，每隔30min换一次水，每次加水量为70mL，更换7次水，直至透析袋外水溶液在透析2小时后不变色为终止。
本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明采用生物质基绿色碳水化合物——乳糖和柠檬酸铵为前驱体，一步加热法合成得到氮杂、富碳、具有良好的水溶性、以团簇状稳定、大小均匀、荧光发射行为可调、荧光性能稳定的碳量子点。在激发光为290nm至340nm 内，所述碳量子点荧光探针溶液的荧光发射峰均在430nm左右。
(2)一步加热法属于自下而上的合成方法，该方法得到的荧光探针更稳定。
(3)本发明的碳量子点荧光探针对一定浓度的铬离子实现较准确的检测，与六价铬离子溶液反应，在一定条件下与荧光猝灭程度与金属离子浓度呈线性关系，通过碳量子点使用的控制，对一定浓度的六价铬离子可实现精准检测。
附图说明
图1中(a)和(b)分别为碳量子点水溶液在254nm和365nm紫外灯照下图片，对照为水。
图2为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的UV-Vis吸收光谱图。
图3为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的紫外吸收和荧光发射光谱图。
图4为不同pH条件下实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的荧光光谱图。
图5为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的透射电镜图片。
图6为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的扫描电镜图片。
图7为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的傅里叶变换红外光谱图。
图8为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的X-射线粉末衍射(XRD) 图。
图9为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液的拉曼(Raman)图。
图10为实施例1制备得到的碳量子点荧光探针溶液检测六价铬离子的结果图。
图11为荧光猝灭检测原理示意图。
具体实施方式
实施例1碳量子点的合成及性能表征
合成方法：称取0.3603g乳糖、6.0805g柠檬酸铵(摩尔比1：25)置于烧杯中，加入30mL去离子水搅拌混匀；将混合溶液置于50mL容量聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，180℃加热4h；反应后的产物自然冷却至室温，超声1h，离心(12000r/min)1h，获得碳量子点初始溶液。使用截流分子质量MD为3.5kD 的透析袋对制备的碳量子点初始液进行透析，每隔30min换一次水，每次加水量为70mL，共七次；得到蓝绿色碳量子点水溶液。
本实施例所得碳量子点水溶液在紫外灯照下有较强荧光如图1所示，对照为水。
所得碳量子点水溶液的紫外可见(UV-Vis)吸收光谱如图2所示，由图2 可发现在240和330nm左右出现了两个特征吸收峰，分别为碳量子点的π→π* 跃迁和n→π*跃迁吸收峰。
以290nm至340nm激发，碳量子点的荧光发射峰保持不变，均在430nm左右出现最大发射峰，表明该量子点具有荧光不依赖激发的独特荧光性(图3)。将此430nm处荧光发射峰作为以下研究的发射峰。
本实施例所得碳量子点溶液，反应体系pH对荧光发射的强度有较大影响，表征结果如图4所示，在pH6.5的磷酸缓冲溶液中，荧光发射强度最大。因此，可选的，反应体系pH为6.0～7.0。
将本实施例所得碳量子点水溶液分散后直接滴在铺有超薄碳膜的铜网上观察，如图5所示，可以看出制备的碳点粒子大小均匀，成椭圆形球体，粒径6～8nm，有明显得晶格条纹约为0.36nm。大约每4个碳量子点会聚集成一个大的碳簇，团簇粒径约为30*40nm。碳簇大小均匀，稳定，超声分散不会打破稳定结构。
将本实施例所得碳量子点溶液滴度至单晶硅片光滑表面，冷冻干燥后直接观察微观形貌，如图6所示，与现有文献报道不同，该实施例制备的碳量子点可以在扫描电镜下清楚的看到，类圆形颗粒分散，颗粒大小均匀，粒径在10nm 以下，与透射电镜结果对应。但，冷冻干燥过程会破坏碳簇结构，因此，该探针在应用时直接取液体，不做干燥获得粉末样。
本实施例所得碳量子点的傅里叶变换红外光谱图如图7所示，从碳量子点的红外光谱上可以看出其具有丰富的C＝C双键和C＝O双键类的不饱和键，可与如重金属离子等发生反应，大量的羟基使其具有良好的亲水性。
图8为本实施例制备得到的碳量子点的X-射线粉末衍射(XRD)图，碳量子点的XRD显示其在25゜处出现较强的碳材料标志衍射峰，与透射电镜看到的材料有明显晶格一致。
图9为本实施例制备得到的碳量子点的拉曼(Raman)图，Raman图中看出，碳材料特有的D峰(1367cm-1)和G峰(1584cm-1)比例为0.736，表明晶格的缺陷较少。
实施例2碳量子点荧光检测水中六价铬离子的应用
透析后的碳量子点稀释配制成碳量子点母液(实施例1制备)(浓度为 23.53mg/L，以碳计)，荧光强度约2000±50，取1mL该碳量子点母液与浓度为 0.1～0.6mg/L的六价铬离子在10mL pH6.5的磷酸缓冲溶液中反应30min，其荧光强度有不同程度的下降，发生了猝灭反应，且在六价铬离子为0.1～0.6mg/L体系中，猝灭程度随铬离子浓度增大而增加，呈线性趋势(如图10)。
在该特定浓度的碳量子点(碳量子点母液稀释10倍，即碳量子点的反应浓度为2.353mg/L，荧光强度为200(±5))溶液中增加铬离子含量(浓度>0.6mg/L)，猝灭程度不再线性增加，且增加量较小，表明一定量的碳量子点只能与特定量的铬离子之间猝灭程度呈线性关系。
透析后的碳量子点稀释配制成碳量子点母液(实施例1制备)(浓度为 23.53mg/L，以碳计)，荧光强度约2000±50，取1mL该碳量子点母液与未知浓度的六价铬离子混合定容在10mL磷酸缓冲溶液中反应30min，其荧光强度有不同程度的下降，发生了猝灭反应，检测荧光强度。
荧光强度值在定性检测范围(95～200)，可拟合标准方程计算得出离子浓度；荧光强度值低于95±5，则铬离子浓度高于0.6mg/L，成倍数稀释铬离子溶液后再猝灭反应，直至反应后荧光强度值在线性范围内，拟合方程换算铬离子浓度；荧光猝灭率小于10％(±0.5％)，则铬离子浓度低于0.1mg/L。
本发明方法检测结果与标准方法检测结果对比如表1：
表1本检测方法与标准方法的比较
Figure BDA0002213019250000091
用本发明的荧光猝灭法检测在线性范围内，标准偏差为0.0127mg/L，多个平行样取平均后的检测结果与标准方法接近，可在工业废水达标排放中实现快速检测参考。
以上实施例中以生物质基绿色碳水化合物乳糖和柠檬酸铵为原料，按特定比例混合，两种前驱物均易溶易混、无毒，以一定水量搅拌混匀即可。混合液至于反应釜中特定温度和特定时间得到产物，反应产物自然冷却至室温，一定时间的超声和离心获得碳量子点原液。使用截留分子量MD为3.5kD的透析袋透析，中间更换多次水，得到蓝绿色碳量子点溶液。碳量子点以荧光强度为指标做浓度稀释，以一定浓度与六价铬离子溶液混合，特定pH(6.5)避光猝灭反应30min，水溶液中六价铬离子浓度为0.1～0.6mg/L时，荧光猝灭程度与金属离子浓度呈线性关系，可以快速检测铬离子的浓度。工业废水排放标准要求的低于0.5mg/L恰在此精准范围内。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.碳量子点荧光探针溶液，通过将碳源和氮源混合经水热反应制得，其特征在于，所述碳源为乳糖；所述氮源为柠檬酸铵；所述碳源与氮源的摩尔比为1:20～30；在激发光为290nm至340nm时，所述碳量子点荧光探针溶液的荧光发射峰均在430nm左右。
2.根据权利要求1所述的碳量子点荧光探针溶液，其特征在于，所述碳量子点荧光探针溶液中单个碳量子点的粒径为6～8nm。
3.根据权利要求1所述的碳量子点荧光探针溶液，其特征在于，所述碳源与氮源的摩尔比为1:25。
4.如权利要求1～3任一项权利要求所述的碳量子点荧光探针溶液在定量检测六价铬离子中的应用。
5.六价铬离子的定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
取待测溶液，加入权利要求1～3任一项权利要求所述的碳量子点荧光探针溶液，调节反应体系pH至5.5～7.5，避光猝灭反应；检测反应液的荧光强度，代入标准曲线计算得到待测溶液中的六价铬离子浓度；猝灭反应前反应体系中碳量子点荧光探针的浓度与六价铬离子的浓度比为2.0mg/L～2.5mg/L：0.1mg/L～0.6mg/L；所述碳量子点荧光探针的浓度是以碳计。
6.根据权利要求5所述的定量检测方法，其特征在于，避光猝灭反应体系的pH为6.0～7.0。
7.根据权利要求6所述的定量检测方法，其特征在于，所述标准曲线制备方法包括：取如权利要求1～3任一项权利要求所述的碳量子点荧光探针溶液，分别与含六价铬离子的不同溶液混合，用pH6.5的磷酸缓冲溶液定容反应体系，六价铬浓度在0.1～0.6mg/L范围内，避光猝灭反应30min，检测各反应液的荧光强度，以荧光强度为纵坐标、六价铬离子浓度为横坐标，绘制标准曲线。
8.根据权利要求7所述的定量检测方法，其特征在于，六价铬离子浓度为0的反应液的荧光强度为200±5。
9.一种碳量子点荧光探针溶液的制备方法，其特征在于，包括：
将碳源和氮源混合进行水热反应，水热反应产物离心去沉淀后得初始溶液；初始溶液经透析纯化，制得碳量子点荧光探针溶液；所述碳源为乳糖；所述氮源为柠檬酸铵；所述碳源与氮源的摩尔比为1:20～30，在激发光为290nm至340nm内，所述碳量子点荧光探针溶液的荧光发射峰均在430nm左右。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，水热反应条件为：反应温度为180℃；反应时间为4h。
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