CN111141711B - 一种基于氮化碳量子点的亚硝酸盐检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于氮化碳量子点的亚硝酸盐检测方法，包括如下步骤：1)提供一在激发波长下发荧光的氮化碳量子点g‑CNQDs；2)将显色剂与含有亚铁离子Fe²⁺的盐结合形成有色络合物；3)将所述氮化碳量子点g‑CNQDs与所述有色络合物混合，所述氮化碳量子点g‑CNQDs的荧光猝灭；4)加入亚硝酸盐样本，所述有色络合物中的Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，氮化碳量子点的荧光恢复，表明亚硝酸盐的存在。本发明成功的制备了绿光的氮化碳量子点g‑CNQDs。并引入显色剂，通过内滤效应与氧化还原作用，设计了一种快速检测亚硝酸盐的方法。

Description

一种基于氮化碳量子点的亚硝酸盐检测方法

技术领域

本发明属于荧光探针检测技术领域，尤其涉及一种基于氮化碳量子点的可视化荧光探针检测亚硝酸盐的方法。

背景技术

亚硝酸根离子(NO₂ ^-)是一种对人类有害和潜在的污染物，被广泛用作防腐剂，腐蚀抑制剂和施肥剂。亚硝酸盐在体内过量积累会带来很多不良影响，特别对婴儿和儿童，可能导致高血红蛋白血症和中枢神经系统出生缺陷。一些医学问题如食管癌或胃癌也被认为与亚硝酸盐离子的过量摄入有关。在胃中的酸性条件下，亚硝酸盐可与胺或酰胺相互作用，形成高致癌的N-亚硝胺化合物，诱发癌症，高血压和神经退行性疾病。在这种背景下，准确分析食品和生理系统中的亚硝酸盐成为一个相当重要的课题。迄今为止，研究者们提出了各种分析技术，包括气相色谱，离子色谱，毛细管电泳和电化学分析来检测亚硝酸盐。这些传统方法虽然灵敏可靠，但大多涉及到专业和昂贵的设备，繁琐的样品预处理，极大地妨碍了它们的实际应用。相比之下，荧光分析法具有简便，响应快速，优异的选择性和灵敏度以及低检测限等特征。据报道已有一些荧光分析法检测亚硝酸盐，这样方法建立在以量子点，金属团簇有机荧光团或其他材料为探针的基础上，然而这些荧光探针由于其自身的一些缺点比如灵敏度低、选择性不够、无法可视化，限制了它们在实际检测上的应用。石墨相氮化碳量子点是一种新兴的发光量子点材料，有着高量子产率，易于合成和修饰，低细胞毒性和高生物相容性的优势，当前对于氮化碳量子点荧光探针的研究呈现出蓬勃发展的趋势，发展基于氮化碳量子点的荧光探针用于亚硝酸盐的快速检测具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于氮化碳量子点的亚硝酸盐检测方法，将氮化碳量子点g-CNQDs作为荧光探针，能够有效地检测亚硝酸盐。

为了实现上述目的，在基础的实施方案中，本发明提供了一种基于氮化碳量子点的亚硝酸盐检测方法，包括如下步骤：

1)提供一在激发波长下发荧光的氮化碳量子点(g-CNQDs)；

2)将显色剂与含有亚铁离子(Fe²⁺)的盐结合形成有色络合物；

3)将所述氮化碳量子点(g-CNQDs)与所述有色络合物混合，所述氮化碳量子点(g-CNQDs)的荧光猝灭；

4)加入亚硝酸盐样本，所述有色络合物中的Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，氮化碳量子点的荧光恢复，表明亚硝酸盐的存在。

根据本发明的方法，在一种优选的实施方式中，步骤1)中，采用低温固相合成法制备发荧光的氮化碳量子点(g-CNQDs)，包括如下步骤：将0.05-1.0g的氮源和0.01-0.1g的柠檬酸盐混合并研磨均匀，得到混合物，然后将所述混合物在100-200℃下加热反应0.5-4h，将反应得到的固体洗涤后离心分散到水中，透析18-30h后得到纯化的氮化碳量子点(g-CNQDs)。优选地，所述氮化碳量子点(g-CNQDs)在400nm的激发波长下发绿光。

反应起始原料氮源与柠檬酸盐反应的摩尔比不同时，所合成的g-CNQDs的荧光对有色络合物有不同的响应。优选地，氮源与柠檬酸盐的摩尔比为9：1时，合成的g-CNQDs有最佳的猝灭效果。更优选地，所述柠檬酸盐中H⁺浓度为40μM。

优选地，上述洗涤为采用乙醇洗涤三次，上述透析采用透析膜透析24h。

上述氮源选自尿素、氨水和聚乙烯亚胺中的一种或多种。

根据本发明的方法，在一种优选的实施方式中，步骤2)中，Fe²⁺与显色剂的最佳络合摩尔比为1：4，此时生成的络合物对g-CNQDs的荧光猝灭作用最大。优选地，Fe²⁺浓度为75μM，显色剂溶液浓度为300μM。

根据本发明的方法，在一种优选的实施方式中，有色络合物与氮化碳量子点的摩尔比为9：1。

根据本发明的方法，在一种优选的实施方式中，步骤2)中，所述显色剂选自红菲绕啉、邻二氮菲和亚甲基蓝中的一种或多种。

根据本发明的方法，在一种优选的实施方式中，步骤2)中，所述含有Fe²⁺的溶液选自硫酸亚铁、氯化亚铁、碘化亚铁中的一种或多种。

根据本发明的方法，在一种优选的实施方式中，将5-50μL 5mM含有Fe²⁺的溶液，5-50μL HCl以及亚硝酸盐溶液温育5-40min，得到混合溶液。然后，将10-100μL、10mM的显色剂溶液和10-100μL氮化碳量子点分别加入上述混合溶液中，并继续培养10-100min，在400nm的激发波长下记录荧光光谱，在紫外-可见分光光度计上记录吸收光谱。

本发明的有益效果如下：

通过上述技术方案，本发明采用显色剂与亚铁离子结合形成有色络合物，并通过内滤效应猝灭氮化碳量子点的荧光。当有亚硝酸盐存在时，Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，无法形成有色络合物，内滤效应过程被阻碍，进而恢复氮化碳量子点的荧光。根据这种荧光信号与溶液颜色变化，本发明设计了检测亚硝酸盐的氮化碳量子点探针。本发明将这个方法用于实际水样与火腿肠样品中亚硝酸盐的检测，并且获得了满意的结果。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的g-CNQDs的TEM示意图；

图2a为g-CNQDs溶液中分别加入BPS与不同金属离子时的荧光光谱示意图；图2b为g-CNQDs溶液中加入BPS的不同金属络合物后的照片；

图3a和3c为加入不同浓度的亚硝酸盐溶液的g-CNQDs/BPS-Fe²⁺体系的UV-vis光谱(a)与荧光光谱(c)，图3b为(A₀-A)/A₀与亚硝酸盐浓度在0～62.5μM内的线性关系曲线示意图；图3d为(F-F₀)/F₀与亚硝酸盐浓度在0～40μM内的线性关系曲线示意图。

图4a-4b为g-CNQDs中加入BPS(g-CNQDs+BPS)；g-CNQDs中加入BPS与Fe²⁺(g-CNQDs+BPS+Fe²⁺)；g-CNQDs中加入BPS，Fe²⁺与亚硝酸盐(g-CNQDs+BPS+Fe²⁺+NO₂ ^-)的UV-vis光谱(a)与荧光光谱(b)。

图5为加入亚硝酸盐后，随着时间增加，体系的荧光逐渐增加情况示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。应当理解的是，这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

除非另有特别说明，本发明实施例中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。以下详细描述制备方法。

实施例1

本发明实施例一种基于氮化碳量子点的亚硝酸盐检测方法，包括如下步骤：

1)采用低温固相合成法制备绿光g-CNQDs：首先，将0.101g(1.68mM)尿素和0.055g(0.187mM)柠檬酸钠在玛瑙研钵中混合并研磨均匀，然后将混合粉末转入高压反应釜中并在180℃下加热反应1h。最后，将反应得到的固体用乙醇离心(8000rpm，10min)三次后分散到水中，用透析膜透析24h后即得到纯化的g-CNQDs。采用TEM和HRTEM图像表征g-CNQDs的形态。如图1所示，所制备的g-CNQDs为球形且晶格间距为0.213nm。

2)红菲绕啉-亚铁离子络合物对氮化碳量子点的荧光猝灭作用：分别新鲜制备5mM硫酸亚铁溶液和10mM红菲绕啉(BPS)水溶液。首先，根据Fe²⁺与BPS的体积比为1：2，将Fe²⁺溶液和BPS溶液加入到4mL离心管中以制备BPS-Fe²⁺复合物；然后，连续加入75μL步骤1)制得的g-CNQDs溶液，用超纯水将溶液稀释至2mL。最后，在轻轻摇动混合物1min后，在400nm的激发波长下收集荧光光谱。其中，BPS-Fe²⁺复合物对氮化碳量子点的摩尔比为9：1。红菲绕啉(BPS)作为Fe²⁺的显色剂，能与Fe²⁺特异性结合生成稳定的红色络合物(BPS-Fe²⁺)，并且该络合物能使g-CNQDs在515nm处的荧光显著猝灭，如图2a和2b所示。

3)对亚硝酸盐的检测如下：将30μL Fe²⁺溶液，20μL HCl以及香肠样品中不同浓度的亚硝酸盐溶液温育10min。然后，将60μL上述BPS溶液和75μL上述g-CNQDs分别加入上述混合溶液中，并继续培养30min。最后，在400nm的激发波长下记录荧光光谱，在紫外分光光度计上UV-vis吸收光谱。图3a和3c为加入不同浓度的亚硝酸盐溶液的g-CNQDs/BPS-Fe²⁺体系的UV-vis光谱(a)与荧光光谱(c)，图3b为(A₀-A)/A₀与亚硝酸盐浓度在0～62.5μM内的线性关系曲线；图3d为(F-F₀)/F₀与亚硝酸盐浓度在0～40μM内的线性关系曲线示意图。

本实施例中，用裸眼和紫外分光光度计研究了体系分别加入络合物以及亚硝酸盐后的情况。当BPS与Fe²⁺形成络合物后，会引起体系颜色和吸光度变化。溶液会从无色变为红色，且在535nm处会显示出吸收峰。在加入亚硝酸盐后，由于将Fe²⁺被亚硝酸盐氧化为Fe³⁺，无法形成红色的BPS-Fe²⁺，因此溶液颜色发表现为无色。同时，体系在535nm处的吸光度降低。

其中，香肠样品中不同浓度的亚硝酸盐溶液的制备参照如下方法：水样取自自来水和沙湖水。对于水样预处理，将水样以12000rpm的转速离心15min以获得上清液，然后通过0.22μm过滤器过滤。对于香肠样品的预处理，将几个粉碎的样品和超纯水在70℃下搅拌10min，然后过滤以从香肠样品中提取亚硝酸盐。将不同浓度的亚硝酸盐标准溶液加入到水样和香肠样品中。

从图3c可以看出，随着亚硝酸盐浓度从0到80μM增加，体系在515nm处的荧光强度逐渐增强。如图3d所示，(F₀-F)/F₀与亚硝酸盐浓度在0～40μM范围内有良好的线性关系，校准函数为(F₀-F)/F₀＝0.010C+0.118(R²＝0.992)。其中F₀和F分别代表体系不存在和存在亚硝酸盐的情况下的荧光强度。基于3σ/k原则，计算出检测限(LOD)为50nM，σ是空白信号的标准偏差(S/N＝3)，k是校准曲线的斜率。表1将本申请的方法与一些已报道用于测定亚硝酸盐的其他分析方法进行对比，表明本申请的方法具有更宽的线性范围或更低的检测限。此外，本申请的探针相对于已报道的有机探针具有更易合成的优势。

表1不同荧光探针检测亚硝酸盐的线性范围和检测限的比较

BPS-Fe²⁺的吸收光谱在400～600nm范围内，且在535nm有一宽的吸收峰。而g-CNQDs的最大激发波长和发射波长分别为400nm和515nm。BPS-Fe²⁺的吸收光谱与g-CNQDs的激发和发射光谱都可重叠，但与g-CNQDs发射光谱的重叠程度更大。BPS-Fe²⁺对g-CNQDs荧光的猝灭来自于内过滤效应。内过滤效应(Inner filter effect，IFE)是一种重要的非辐射能量转换模型，也是一种重要的荧光猝灭机制。当检测系统中猝灭剂的吸收光谱与荧光体的激发或发射光谱重叠时，所产生的荧光猝灭现象称为IFE。IFE通过将吸收体的吸收信号转化为荧光信号，大大增强了检测的灵敏度和选择性；另一方面，IFE不需要受体与荧光体之间建立化学键连接，为探针的建立提供了灵活性与便捷性。因此，IFE有着很大的优势可以用于一些分析物的检测。

g-CNQDs的荧光能被络合物BPS-Fe²⁺通过内滤效应猝灭，而猝灭的荧光在加入亚硝酸盐发生氧化还原反应后恢复，同时伴随着溶液颜色的变化。根据这些变化可建立用于检测亚硝酸盐的比色荧光探针，线性检测范围是0-40μM，最低检测浓度是50nM。

实施例2

1)采用低温固相合成法制备绿光荧光的氮化碳量子点。首先，0.05g的氨水和0.01g的柠檬酸钠在玛瑙研钵中混合并研磨均匀，然后将混合粉末转入高压反应釜中并在100℃下加热反应4h。最后，将反应得到的固体用乙醇洗涤三次后离心分散到水中，用透析膜透析20h后即得到纯化的氮化碳量子点。

2)分别新鲜制备5mM氯化亚铁和10mM的BPS显色溶液。首先，根据Fe²⁺与显色溶液的体积比为1：2，将不同量的Fe²⁺溶液和BPS显色溶液加入到4mL离心管中以制备不同浓度的复合物。然后，连续加入10μL氮化碳量子点的溶液，用超纯水将溶液稀释至2mL。混匀后在400nm的激发波长下采集荧光光谱。

3)首先将5μL 5mM Fe²⁺溶液，5μL HCl以及不同量的亚硝酸盐溶液温育5min。然后，将10μL 10mM的BPS显色溶液和10μL氮化碳量子点分别加入上述混合溶液中，并继续培养10min。最后，在400nm的激发波长下记录荧光光谱，在紫外-可见分光光度计上记录吸收光谱。

图4a-4b为g-CNQDs中加入BPS(g-CNQDs+BPS)；g-CNQDs中加入BPS与Fe²⁺(g-CNQDs+BPS+Fe²⁺)；g-CNQDs中加入BPS，Fe²⁺与亚硝酸盐(g-CNQDs+BPS+Fe²⁺+NO₂ ^-)的UV-vis光谱(a)与荧光光谱(b)。

如图4a-4b所示，g-CNQDs/BPS体系在515nm处呈现出荧光发射峰(曲线a),当加入Fe²⁺后，g-CNQDs在515nm处的荧光强度被显著淬灭(曲线b)。然而，当体系还存在亚硝酸盐时，则g-CNQDs仍能发射荧光(曲线c)。因此，根据这种荧光与溶液颜色变化，可以建立一种荧光分析法与比色检测用于双模式检测亚硝酸盐。

实施例3

1)采用低温固相合成法制备绿光荧光的氮化碳量子点。首先，1.0g的聚乙烯亚胺和0.1g的柠檬酸钠在玛瑙研钵中混合并研磨均匀，然后将混合粉末转入高压反应釜中并在200℃下加热反应0.5h。最后，将反应得到的固体用乙醇洗涤三次后离心分散到水中，用透析膜透析30h后即得到纯化的氮化碳量子点。

2)分别新鲜制备5mM碘化亚铁溶液和10mM显色溶液亚甲基蓝。首先，根据Fe²⁺与显色溶液的体积比为1：2，将不同量的Fe²⁺溶液和显色溶液加入到4mL离心管中以制备不同浓度的复合物。然后，连续加入100μL氮化碳量子点的溶液，用超纯水将溶液稀释至2mL。混匀后在400nm的激发波长下采集荧光光谱。

3)首先将50μL 5mM Fe²⁺溶液，50μL HCl以及不同量的亚硝酸盐溶液温育40min。然后，将100μL 10mM的显色溶液亚甲基蓝和100μL氮化碳量子点分别加入上述混合溶液中，并继续培养100min。最后，在400nm的激发波长下记录荧光光谱，在紫外-可见分光光度计上记录吸收光谱。图5为加入亚硝酸盐后，随着时间增加，体系的荧光逐渐增加情况。加入亚硝酸盐后，体系的荧光逐渐增加并在25min后基本保持稳定。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。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，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于氮化碳量子点的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)提供一在激发波长下发荧光的氮化碳量子点g-CNQDs；

2)将显色剂与含有亚铁离子的盐结合形成有色络合物；

3)将所述氮化碳量子点g-CNQDs与所述有色络合物混合，所述氮化碳量子点g-CNQDs的荧光猝灭；

4)加入亚硝酸盐样本，所述有色络合物中的Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，氮化碳量子点的荧光恢复，表明亚硝酸盐的存在；

所述显色剂选自显色剂选自红菲绕啉、邻二氮菲和亚甲基蓝中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，步骤1)中，采用低温固相合成法制备发荧光的氮化碳量子点g-CNQDs，包括如下步骤：将0.05-1.0g的氮源和0.01-0.1g的柠檬酸盐混合并研磨均匀，得到混合物，然后将所述混合物在100-200℃下加热反应0.5-4h，将反应得到的固体洗涤后离心分散到水中，透析18-30h后得到纯化的氮化碳量子点g-CNQDs。

3.根据权利要求2所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，所述氮源与柠檬酸盐的摩尔比为8-10：1，所述柠檬酸盐中H⁺浓度为30-50μM。

4.根据权利要求3所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，所述氮源与柠檬酸盐的摩尔比为9：1，所述柠檬酸盐中H⁺浓度为40μM。

5.根据权利要求2所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，所述氮源选自尿素、氨水和聚乙烯亚胺中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，步骤2)中，Fe²⁺与显色剂的最佳络合摩尔比为1：3-5，Fe²⁺浓度为60-90μM，显色剂溶液浓度为240-360μM。

7.根据权利要求6所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，步骤2)中，Fe²⁺与显色剂的最佳络合摩尔比为1：4，Fe²⁺浓度为75μM，显色剂溶液浓度为300μM。

8.根据权利要求1所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，步骤2)中，所述含有亚铁离子的盐选自硫酸亚铁、氯化亚铁、碘化亚铁中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，将5-50μL 5mM含有Fe²⁺的溶液，5-50μL HCl以及亚硝酸盐溶液温育5-40min，得到混合溶液；然后，将10-100μL、10mM的显色剂溶液和10-100μL氮化碳量子点分别加入上述混合溶液中，并继续培养10-100min，在400nm的激发波长下记录荧光光谱，在紫外-可见分光光度计上记录吸收光谱。

10.根据权利要求1-9任一项所述的亚硝酸盐检测方法，其特征在于，有色络合物与氮化碳量子点的摩尔比为9：1。

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