CN111234815A - 一种生物质碳量子点荧光检测器的制备及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种生物质碳量子点荧光检测器的制备及使用方法，包括以下步骤：采用提取过藻蓝蛋白的废弃藻渣，制备碳量子点溶液；向碳量子点溶液中加入不同浓度梯度的Fe(Ⅲ)标准溶液，将所得混合溶液置于荧光比色皿中，检测并记录荧光强度，根据荧光强度‑Fe(Ⅲ)浓度间的定量公式做数据拟合，得到标准曲线；将真实水样离心、过滤去除大颗粒物质后，与碳量子点溶液混合均匀，置入荧光比色皿中，使用荧光光度计测定荧光比色皿中溶液的荧光强度，将荧光强度带入到标准曲线中，即可得到样品中的Fe(Ⅲ)含量。本发明利用藻蓝蛋白提取工艺中产生的生物质藻渣，一步法制备蓝色碳量子点荧光检测器，建立了更优的多阶动力学检测模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质碳量子点荧光检测器的制备及使用方法，属于微量元素检测技术领域。
背景技术
水体中存在的重金属离子会对生态环境及公共健康造成不可忽视的影响。以三价铁为例，Fe(Ⅲ)离子参与了人体中数个重要的代谢途径(物质代谢，酶催化等)，人体对Fe(Ⅲ)的过多摄入会引发血色病等严重的疾病。同时，由于三价铁离子的强氧化性，环境水体中Fe(Ⅲ)的浓度过高会严重干预自然氧化还原化学过程。因此，具有高灵敏度及准确性的水体Fe(Ⅲ)检测方法很有必要。被广泛运用的Fe(Ⅲ)检测方法有吸收光谱法，电化学分析法，液相色谱法及电感耦合原子发射光谱法(ICP-AES)等。但高额的操作费用、繁琐的处理过程难以满足即时的检测需求。因此，便捷准确，基于纳米荧光材料的荧光分析法被认为是重金属离子检测的“未来方法”。
可调谐的发射光性能及高量子产率使量子点材料成为制备纳米荧光检测器的最佳选择，但常见的半导体量子点的水溶性较差且对环境及人体具有高毒副作用。为改善这些缺陷，发展了表面钝化，硅氧化膜包裹等多种改进措施。但大多数方法会降低量子点的固有性能且需要复杂的修饰工序。作为替代，多篇文献报道了低毒性，高水溶性，高环境及生物适应性的荧光碳量子点。其中，生物质基制备的碳量子点作为廉价易得且环境友好的新型纳米材料在检测，生物成像，纳米医学，光催化等多个领域应用潜力巨大。
生物质基碳量子点荧光检测器在检测重金属离子方面具有多种优势，但重金属离子与荧光源作用的动力学过程尚存在争议。斯特恩-沃尔默方程(SV方程)是描述动态荧光淬灭过程的基本动力学方法。基于此发展出了部分拟合、二元拟合等多个动力学模型来解释该动力学过程。然而，这些模型都是基于实验数据做出的数学变换，难以适用于不同的荧光系统，甚至阻碍了对荧光淬灭机理的进一步探究。
发明内容
本发明的目的是提出一种生物质碳量子点荧光检测器的制备及使用方法，解决了现有的量子点的水溶性较差且对环境及人体具有高毒副作用的问题，同时还解决了现有模型都是基于实验数据做出的数学变换，难以适用于不同的荧光系统，甚至阻碍了对荧光淬灭机理的进一步探究的问题。
一种生物质碳量子点荧光检测器的制备方法，所述制备方法为：
将提取过藻蓝蛋白的废弃藻渣与超纯水混合均匀，将混合物在水热反应釜中150℃水热反应12小时，水冷至室温后将溶液取出，高速离心后过0.22μm滤膜去除大颗粒，透析1-2天除去小分子荧光物质，得到碳量子点溶液，冷冻干燥后得到碳量子点固体粉末，称重后溶于水制备不同溶度的碳量子点溶液；
进一步的，使碳量子点溶液不产生浓度-荧光强度抑制效应且检测铁元素时具有最大的线性范围的浓度为100mg/L。
一种生物质碳量子点荧光检测器的使用方法，应用于制备出的一种生物质碳量子点荧光检测器，所述使用方法包括以下步骤：
步骤一、向碳量子点溶液中加入不同浓度梯度的Fe(Ⅲ)标准溶液，将所得混合溶液置于荧光比色皿中，检测并记录荧光强度，根据荧光强度-Fe(Ⅲ)浓度间的定量公式做数据拟合，得到标准曲线，其中，所述定量公式为一个多阶动力学检测模型公式，所述公式如下：
lg(F0/F-1)＝lg KSV+ilg[Q]
式中，F为待测样品荧光强度，F0为量子点原始荧光强度，Q为Fe(Ⅲ)浓度，Ksv与i分别为动态淬灭常数与反应阶数，是经数据拟合获取的模型参数；
步骤二、将真实水样离心、过滤去除大颗粒物质后，与碳量子点溶液混合均匀，置入荧光比色皿中，使用荧光光度计测定荧光比色皿中溶液的荧光强度，将荧光强度带入到标准曲线中，即可得到样品中的Fe(Ⅲ)含量。
本发明的有益效果是：本发明利用藻蓝蛋白提取工艺中产生的危险废弃生物质藻渣(高盐含量)，一步法水热制备蓝色碳量子点荧光检测器，无需进一步的纯化与表面修饰，建立了高灵敏度，全浓度覆盖的多阶动力学检测模型，适用于各种水体中三价铁离子的快速检测。具有以下主要优点：
(1)原料为废弃生物质回用，储量大且成本低廉，提供处置途径同时实现资源回收；
(2)制备工艺简单，绿色无毒，对环境无毒副作用，适合大规模制备；
(3)新型检测方法灵敏度高，结果准确，检测范围广，无理论检测上限；
(4)样品预处理简单，无需其余检测方法中强酸消化，环境危害小；
(5)检测工序操作简单且快速，适用性广；
(6)定量公式根据荧光淬灭的机理推导得出，高灵敏度，全浓度适用。
附图说明
图1为碳量子点的结构性质图，其中，图1(a)为透射电镜图及粒径分布图；图1(b)为X射线光电子能谱(C1s峰)图；图1(c)为X射线光电子能谱(O1s峰)图；图1(d)为红外光谱图；图1(e)为X射线衍射图谱；
图2为碳量子点的光学性质图，其中，图2(a)为激发-发射荧光光谱图；图2(b)为紫外可见光吸收光谱、荧光发射光谱及荧光激发光谱图；图2(c)为不同激发波长下发射光谱图；图2(d)为荧光寿命曲线图；
图3为碳量子点荧光稳定性评价图，其中，图3(a)为不同溶剂下的荧光发射光谱图；图3(b)为不同pH下荧光强度图；图3(c)为不同离子强度下荧光强度图；图3(d)为荧光强度随紫外光照射时间衰减曲线图；
图4为荧光强度与三价铁浓度的定量关系图；
图5为本发明的一种生物质碳量子点荧光检测器的制备及使用方法的技术路线图；
图6为多阶动力学模型在不同的荧光淬灭体系的应用示意图，其中，图6(a)为亚甲基蓝结构式；图6(b)为调整坐标后的线性拟合；图6(c)为荧光强度-三价铁浓度定量关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图5所示，本发明提供了一种生物质碳量子点荧光检测器的制备方法的一实施例，所述制备方法为：
将提取过藻蓝蛋白的废弃藻渣与超纯水混合均匀，将混合物在水热反应釜中150℃水热反应12小时，水冷至室温后将溶液取出，高速离心后过0.22μm滤膜去除大颗粒，透析1-2天除去小分子荧光物质，得到碳量子点溶液，冷冻干燥后得到碳量子点固体粉末，称重后溶于水制备不同溶度的碳量子点溶液；
在本部分优选实施例中，使碳量子点溶液不产生浓度-荧光强度抑制效应且检测铁元素时具有最大的线性范围的浓度为100mg/L。
一种生物质碳量子点荧光检测器的使用方法，应用于制备出的一种生物质碳量子点荧光检测器，所述使用方法包括以下步骤：
步骤一、向碳量子点溶液中加入不同浓度梯度的Fe(Ⅲ)标准溶液，将所得混合溶液置于荧光比色皿中，检测并记录荧光强度，根据荧光强度-Fe(Ⅲ)浓度间的定量公式做数据拟合，得到标准曲线，其中，所述定量公式为一个多阶动力学检测模型公式，所述公式如下：
lg(F0/F-1)＝lg KSV+ilg[Q]
式中，F为待测样品荧光强度，F0为量子点原始荧光强度，Q为Fe(Ⅲ)浓度，Ksv与i分别为动态淬灭常数与反应阶数，是经数据拟合获取的模型参数；
步骤二、将真实水样离心、过滤去除大颗粒物质后，与碳量子点溶液混合均匀，置入荧光比色皿中，使用荧光光度计测定荧光比色皿中溶液的荧光强度，将荧光强度带入到标准曲线中，即可得到样品中的Fe(Ⅲ)含量。
具体的，本发明首次利用提取藻蓝蛋白后的微藻废渣为原料，一步法水热制备蓝色碳量子点荧光检测器，并发展了从荧光形成机理出发的新型多阶动力学检测模型，具有高灵敏度，全浓度检测，适用多种荧光系统等优势。常规荧光检测法基于标准曲线的建立，即向量子点溶液中加入不同浓度梯度的标准Fe(Ⅲ)溶液，将所得混合溶液置于荧光比色皿中，检测并记录荧光强度。根据荧光强度-Fe(Ⅲ)浓度间的定量公式做数据拟合，得到标准曲线。
下面提供一个具体实施例：
本实施例利用加标回收法，评价该检测方法在不同水体中检测Fe(Ⅲ)的效果，具体实施方案如下：
分别取自来水，松花江水，生活污水3种水样，离心后过0.22μm滤膜除去大颗粒杂质。将每种水样分为4份，分别加入0，0.15，0.30，0.60mg/L的FeCl3标准溶液。采用本发明与ICP-AES方法，分别对每份样品中的Fe(Ⅲ)浓度进行测定。多次测定取平均值，计算标准差，以比较本发明检测方法在不同水体中检测Fe(Ⅲ)的效果，具体数值见下表：
a：3次测定取平均值b：标准差，
参照图6所示，将步骤二中建立的多阶动力学检测模型应用于不同的荧光淬灭体系(三价铁离子淬灭亚甲基蓝)中，与实验数据高度吻合。
Claims (3)
1.一种生物质碳量子点荧光检测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
将提取过藻蓝蛋白的废弃藻渣与超纯水混合均匀，将混合物在水热反应釜中150℃水热反应12小时，水冷至室温后将溶液取出，高速离心后过0.22μm滤膜去除大颗粒，透析1-2天除去小分子荧光物质，得到碳量子点溶液，冷冻干燥后得到碳量子点固体粉末，称重后溶于水制备不同溶度的碳量子点溶液。
2.根据权利要求1所述的一种生物质碳量子点荧光检测器的制备方法，其特征在于，使碳量子点溶液不产生浓度-荧光强度抑制效应且检测铁元素时具有最大的线性范围的浓度为100mg/L。
3.一种生物质碳量子点荧光检测器的使用方法，应用于权利要求1-2任一项制备出的一种生物质碳量子点荧光检测器，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：
步骤一、向碳量子点溶液中加入不同浓度梯度的Fe(Ⅲ)标准溶液，将所得混合溶液置于荧光比色皿中，检测并记录荧光强度，根据荧光强度-Fe(Ⅲ)浓度间的定量公式做数据拟合，得到标准曲线，其中，所述定量公式为一个多阶动力学检测模型公式，所述公式如下：
lg(F0/F-1)＝lgKSV+ilg[Q]
式中，F为待测样品荧光强度，F0为量子点原始荧光强度，Q为Fe(Ⅲ)浓度，Ksv与i分别为动态淬灭常数与反应阶数，是经数据拟合获取的模型参数；
步骤二、将真实水样离心、过滤去除大颗粒物质后，与碳量子点溶液混合均匀，置入荧光比色皿中，使用荧光光度计测定荧光比色皿中溶液的荧光强度，将荧光强度带入到标准曲线中，即可得到样品中的Fe(Ⅲ)含量。
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