CN111286324A - 一种用于检测水环境中次氯酸根的荧光探针及其制备方法与应用 - Google Patents
一种用于检测水环境中次氯酸根的荧光探针及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种黄色荧光碳量子点荧光探针及其制备方法与应用，制备方法包括首先将对苯二胺、三缩四乙二醇、乙醇、浓硫酸混合，再通过溶剂热法将混合反应物碳化处理，之后经过分离提纯后，得到黄色荧光碳量子点荧光探针；所制备的黄色荧光碳量子点荧光探针可应用于水环境中ClO‑离子的检测。与现有技术相比，本发明中的黄色荧光碳量子点荧光探针具有制备方法简单成熟、检测响应迅速、选择性高、抗干扰性强、重现性好等优点，在环境、化学、生物和医学等诸多领域具有很好的应用前景和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备及应用技术领域，涉及一种用于检测水环境中次氯酸根的荧光探针及其制备方法与应用，具体涉及一种用于检测次氯酸根的黄色荧光碳 量子点荧光探针及其制备方法与在次氯酸根荧光检测方面的应用。
背景技术
次氯酸根，在日常生活和工业生产中得到广泛的应用，如家用漂白、饮用水消 毒、冷却水处理以及氧化反应等。次氯酸根是一种十分重要的活性氧存在于活体组 织中，在免疫系统中也往往扮演着重要的作用。次氯酸根可以与多种生物分子发生 反应，包括脂肪酸、胆固醇和蛋白质等。然而，高浓度的次氯酸根溶液不仅对人体 和动物构成潜在的威胁，还会导致多种疾病，如心血管疾病，癌症，皮肤炎症等。 因此，寻找一种有效的分析方法来检测次氯酸根是十分重要的。
目前常用于检测次氯酸根的方法有滴定法、比色法、分光光度法、连续流动法 和电化学方法。但是，这些方法存在复杂的样品制备，费时和繁琐的过程。近年来， 新型纳米材料在生物学分析和检测中引起了广泛关注。碳量子点是一种新型荧光纳 米材料，具有低成本，低毒性，良好的光学性质和生物相容性。碳量子点由于具有 独特的性质，已被广泛用于化学传感和诊断、催化、生物成像等领域。特别是用于 离子检测，如Cu2+，Hg2+，Fe3+等。但是目前检测ClO-的碳量子点大多是绿色荧光 碳量子点，存在水溶性差和量子产率低的缺点，导致其检测灵敏度较低的问题，从 而限制了它们在化学传感和生物检测领域的应用。
发明内容
本发明克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种荧光探针的制备方法和用于快速定性和定量检测水环境中次氯酸根。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：
1)将对苯二胺、三缩四乙二醇、乙醇、浓硫酸混合，得到混合反应物；
2)通过溶剂热法将混合反应物碳化处理，得到碳化混合液；
3)碳化混合液经分离提纯过程后，即得到黄色荧光碳量子点荧光探针。
进一步地，步骤1)中，所述的对苯二胺、三缩四乙二醇、乙醇、浓硫酸的投 料比为(0.1-1)mmol:(2-8)mL:(50-160)mL:(0.5-2)mL。
进一步地，步骤1)中，所述的对苯二胺、三缩四乙二醇、乙醇、浓硫酸的混 合过程为在室温条件下超声处理10-20min。
进一步地，步骤2)中，所述的碳化处理的处理条件包括：处理温度为 180-220℃，搅拌速度为400-500r/min，处理时间为8-16h。
进一步地，步骤3)中，所述的分离提纯过程依次包括过滤、浓缩、硅胶柱分 离以及干燥过程。
进一步地，所述的硅胶柱分离过程中，所用的洗脱剂为石油醚与乙酸乙酯以体 积比(1-3):1组成的混合液。
进一步地，所述的干燥过程在真空干燥箱中进行，干燥温度为120-160℃，干 燥时间为12-24h。
一种黄色荧光碳量子点荧光探针，采用如上所述的方法制备而成。
如上所述的黄色荧光碳量子点荧光探针可应用于检测水环境中ClO-。
进一步地，水样中ClO-的检测方法包括如下步骤：
S1，绘制标准曲线：将荧光探针分别与多个不同浓度或不同用量的ClO-溶液 混合并搅拌均匀，之后用Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液(pH 4.0，0.1M)稀释，得到 ClO-浓度范围为0-7μM的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在 激发波长为370-500nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与ClO-浓度线性拟 合，得到标准曲线图；
S2，未知溶液的ClO-浓度检测：将荧光探针与未知溶液混合，并用Na2HPO4- 柠檬酸缓冲溶液(pH 4.0，0.1M)稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度 并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液中ClO-的浓度。
其中，荧光探针与待测液的体积比，与步骤S1中荧光探针与标准溶液的体积 比相同；
步骤S1及S2中，所述的荧光强度均为使用荧光分光光度计，在激发波长为370-500nm范围内测定的荧光强度。
对苯二胺作为氮源，三缩四乙二醇提供羟基，乙醇作为溶剂，浓硫酸作为硫源 和控制反应的的碳化程度。得到的黄色荧光碳量子点荧光探针(Y-CQDs)和次氯 酸根之间可能基于化学发光原理淬灭Y-CQDs的黄色荧光，从而表现出较高的灵 敏性、选择性、抗干扰性以及重现性。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)荧光探针具体为一种黄色荧光碳量子点荧光探针(Y-CQDs)，最佳激发 波长为410nm，最佳发射波长为550nm，在紫外灯下呈黄色荧光的碳量子点荧光 探针(Y-CQDs)对于次氯酸根具有荧光强度好，检测灵敏性高，准确性好等优点；
2)荧光探针具有较好的水溶性，有利于对水体中的ClO-进行检测；
3)水体中常见的阴离子，如ClO3 -、F-、Cl-、Br-、CO3 2-等均无法使荧光探针 产生显著的荧光猝灭现象，表明荧光探针具有较高的选择性；
4)本荧光探针可有效屏蔽水体中含量较多的NaCl的干扰，使其具有较为广 阔的水环境应用前景；
5)对于水体中存在多种阴离子的情况，本荧光探针依然能够对ClO-表现出较 高的灵敏性，表明该荧光探针具有较好的抗干扰性；
6)荧光探针的相对荧光强度与ClO-浓度(0-7.2μM)之间具有较好的线性关 系，可用于ClO-浓度的定量检测，并具有操作简单、信号响应强、灵敏度高等优 点；
7)荧光探针具有较高的化学稳定性，在保存350天或紫外灯长时间照射后依 然表现出较好的重现性；
8)本发明中的黄色荧光碳量子点荧光探针可直接用于对ClO-离子的检测，具 有制备方法简单成熟、检测响应迅速、选择性高、抗干扰性强、重现性好等优点， 在环境、化学、生物和医学等诸多领域具有很好的应用前景和实用价值。
附图说明
图1为实施例1中制备得到的Y-CQDs的透射电镜图；
图2为实施例1中制备得到的Y-CQDs在370-500nm波长激发下获得的荧光 发射图谱；
图3为实施例1中制备得到的Y-CQDs在水溶液中的紫外吸收谱图(I)，激 发谱图(II)和发射谱图(III)；
图4为实施例2中pH值与Y-CQDs的相对荧光强度的关系图；
图5为实施例2中NaCl浓度与Y-CQDs的相对荧光强度的关系图；
图6为实施例2中紫外灯照射时间与Y-CQDs的相对荧光强度的关系图；
图7为实施例2中Y-CQDs保留时间与相对荧光强度的关系图；
图8为实施例3中不同ClO-浓度下Y-CQDs的荧光发射谱图；
图9为实施例3中ClO-浓度(0-36.0μM)与Y-CQDs的相对荧光强度的关系 图；
图10为实施例3中ClO-浓度(0-7.2μM)与Y-CQDs的相对荧光强度的关系 图；
图11为实施例3中ClO-和不同阴离子与Y-CQDs的相对荧光强度的关系图；
图12为实施例3中共存阴离子与Y-CQDs的相对荧光强度的关系图；
图13为本发明中一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备原理及检测原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。
以下实施例中所用荧光仪均选用F97荧光分光光度计。
实施例1：
一种黄色荧光碳量子点荧光探针，如图13所示，其制备方法包括以下步骤：
1)取0.1mmol对苯二胺、2ml三缩四乙二醇，50ml无水乙醇和0.5ml浓硫 酸，在室温条件下超声处理10min，超声功率为100W，溶液颜色由淡红色转变为 白色，得到混合反应液；
2)将混合反应液加入至高压反应釜中，通过溶剂热法在180℃400r/min的搅 拌速度下，对釜内反应液进行碳化处理8h，得到碳化混合液；
3)将碳化混合液依次经过过滤(0.22μm罐装针头式过滤器)、滤液浓缩(旋 转蒸发器，浓缩后体积为3-5mL)、硅胶柱分离(洗脱剂为石油醚与乙酸乙酯等 体积混合物)、收集滤液、真空干燥(120℃，12h)后，得到黄色荧光碳量子点 荧光探针，并冷藏待用。
上述黄色荧光碳量子点荧光探针的表征结果如下：
如图1所示为本实施例中黄色荧光碳量子点荧光探针的透射电镜图，从图中可 以观察到碳量子点的平均粒径大约为5.4nm，并呈现出较好的分散性；
如图2所示为本实施例中黄色荧光碳量子点荧光探针在370-500nm波长激发 下获得的荧光发射图谱，其中在可见光照射下的碳量子点的荧光照片，呈无色；在 365nm紫外灯照射下的黄色荧光碳量子点荧光探针的荧光照片，呈黄色；
如图3所示为本实施例中黄色荧光碳量子点荧光探针在水溶液中的紫外吸收 谱图(I)、激发谱图(II)及发射谱图(III)，从图中可以看出黄色荧光碳量子点 荧光探针的激发波长在410nm左右，发射波长在550nm附近。
实施例2：
本实施例用于考察测试水样pH值、NaCl浓度、紫外灯照射时间及保存时间 对ClO-检测效果的影响，具体包括以下步骤：
1)将实施例1中制备的黄色荧光碳量子点荧光探针固体溶解于去离子水中， 得到浓度为0.01mg·mL-1的Y-CQDs母液；
2)将盐酸或氢氧化钠配制成不同pH值(1-12)的水溶液；
3)取多个离心管，每个离心管中分别依次加入30μL Y-CQDs母液与30μL ClO-标准溶液(7.2μM)，再加入不同pH值的水溶液稀释至4mL，之后在室温条 件下快速搅拌10s后转移至4mL石英比色皿中，每隔一段时间通过荧光仪检测并 记录荧光强度。
结果如下：
如图4所示为不同pH条件对黄色荧光碳量子点荧光探针荧光强度的影响，从 图中可以看出，当pH在4附近时，Y-CQDs的相对荧光强度比较稳定；
如图5、图6及图7所示分别为不同NaCl浓度、不同紫外灯照射时间、不同 保存时间(室温条件)对黄色荧光碳量子点荧光探针荧光强度的影响，从图中可以 看出Y-CQDs具有较好的稳定性。
实施例3：
本实施例将实施例1中制备的黄色荧光碳量子点荧光探针用于检测未知溶液 中ClO-浓度，具体包括以下步骤：
1)配制pH＝4,10mM的Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液；
2)取0.01g实施例1制备的黄色荧光碳量子点荧光探针溶解于1000mL去离 子水中，配制得到0.01mg·mL-1的Y-CQDs母液；
3)配制0.4mM的ClO-溶液；
4)取0、10、20、30、40、50、60、70、80及360μL的0.4mM的ClO-溶液， 分别与30μL Y-CQDs母液混合，再分别加入Na2HPO4 -柠檬酸缓冲溶液稀释至4 mL，之后在室温条件下快速搅拌10s后转移至4mL石英比色皿中，并通过荧光仪 (参数设置：激发波长为410nm，发射波长为550nm)检测并记录荧光强度，结 果如图8、图9及图10所示；
从图10中可以看出，当ClO-的浓度在0-7.2μM范围时，Y-CQDs的相对荧光 强度(F/F0)与ClO-浓度之间具有很好的线性关系，相关系数R2＝0.9910，所得的 标准曲线方程为：
y＝0.98752-0.07171x (1)
其中，F/F0＝y (2)
F0、F分别为加入ClO-前后Y-CQDs的荧光强度，
x为经Na2HPO4 -柠檬酸缓冲溶液稀释后溶液中ClO-的浓度；
5)取未知溶液40μL，加入30μL母液，用Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液稀释至 4mL，之后在室温条件下快速搅拌10s后转移至4mL石英比色皿中，并通过荧光 仪检测并记录荧光强度，根据上述的荧光强度和ClO-离子浓度的关系图(如图10 所示)、以及式(1)与式(2)、未知溶液体积以及稀释后溶液体积，即可计算得 到未知溶液中ClO-的浓度。
本实施例还考察实施例1制备的黄色荧光碳量子点荧光探针对ClO-的选择性， 具体包括以下步骤：
1)将NaClO3，NaF，NaCl，NaBr，NaI，NaOH，Na2S，Na2SO3，Na2SO4， Na2CO3，NaHCO3，Na3PO4，Na2HPO4，NaH2PO4，NaNO2，NaNO3，Na2SiO4，NaAc， Na2S2O3分别与Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液混合，得到含有浓度为50mM的溶液；
2)取40μL上述溶液，分别加入30μL Y-CQDs母液后，再分别加入Na2HPO4- 柠檬酸缓冲溶液稀释至4mL，之后在室温条件下快速搅拌10s后转移至4mL石英 比色皿中，并通过荧光仪检测并记录荧光强度，结果如图11。
如图11所示，表明上述溶液中常见的阴离子不会对Y-CQDs产生淬灭能力， 说明Y-CQDs对于ClO-具有较强的选择性，而ClO-的浓度(3μM)远低于常见阴 离子的浓度(50mM)，也仍对Y-CQDs具有很好的淬灭能力，说明Y-CQDs对于 ClO-具有较佳的灵敏性。
此外，本实施例还考察混合阴离子溶液中，其他阴离子对ClO-检测效果的影 响，具体包括以下步骤：
1)将NaClO和NaClO3，NaF，NaCl，NaBr，NaI，NaOH，Na2S，Na2SO3， Na2SO4，Na2CO3，NaHCO3，Na3PO4，Na2HPO4，NaH2PO4，NaNO2，NaNO3，Na2SiO4， NaAc，Na2S2O3分别与Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液混合，得到0.4mM NaClO溶液 和50mM的(NaClO3，NaF，NaCl，NaBr，NaI，NaOH，Na2S，Na2SO3，Na2SO4， Na2CO3，NaHCO3，Na3PO4，Na2HPO4，NaH2PO4，NaNO2，NaNO3，Na2SiO4，NaAc，Na2S2O3)溶液；
2)(I)分别取40μL 50mM的NaClO3，NaF，NaCl，NaBr，NaI，NaOH，Na2S， Na2SO3，Na2SO4，Na2CO3，NaHCO3，Na3PO4，Na2HPO4，NaH2PO4，NaNO2，NaNO3， Na2SiO4，NaAc，Na2S2O3溶液，加入30μL Y-CQDs母液后，再加入Na2HPO4-柠 檬酸缓冲溶液稀释至4mL，之后在室温条件下快速搅拌10s后转移至4mL石英比 色皿中，通过荧光仪检测并记录荧光强度，得到的荧光强度如图12中的(A)所 示；
(II)取30μL 0.4mM NaClO溶液，再分别取40μL 50mM的NaClO3，NaF， NaCl，NaBr，NaI，NaOH，Na2S，Na2SO3，Na2SO4，Na2CO3，NaHCO3，Na3PO4， Na2HPO4，NaH2PO4，NaNO2，NaNO3，Na2SiO4，NaAc，Na2S2O3溶液，接着加入 30μL Y-CQDs母液后，最后用Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液稀释至4mL，之后在室 温条件下快速搅拌10s后转移至4mL石英比色皿中，通过荧光仪检测并记录荧光 强度，得到的荧光强度如图12中的(B)所示；
(III)取30μL 0.4mM NaClO溶液，接着加入30μL Y-CQDs母液后，最后用 Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液稀释至4mL，之后在室温条件下快速搅拌10s后转移至 4mL石英比色皿中，通过荧光仪检测并记录荧光强度，得到的荧光强度如图12中 的(C)所示。
实验结果表明，
1、在溶液中仅含有上述阴离子干扰物而不含有ClO-的情况下，不会产生明显 的荧光猝灭现象，溶液仍显示出强黄色荧光发射；
2、Y-CQDs作为ClO-的荧光探针对ClO-具有较高的选择性；
3、当ClO-与阴离子干扰物同时存在时，阴离子干扰物对该荧光探针的光学响 应影响可以忽略不计。
综上所述，Y-CQDs探针对ClO-具有很高选择性，甚至与其他常见阴离子的共 存时也对ClO-检测的影响很小。
实施例4：
一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：
1)将1mmol对苯二胺、2mL三缩四乙二醇、50mL乙醇、0.5mL浓硫酸混 合，并在室温条件下超声处理10min，得到混合反应物；
2)通过溶剂热法将混合反应物在220℃、400r/min的持续搅拌作用下，进行 碳化处理8h，得到碳化混合液；
3)碳化混合液依次经过过滤、浓缩、硅胶柱分离、干燥过程后，即得到黄色 荧光碳量子点荧光探针。
其中，步骤3)中，硅胶柱分离过程中，所用的洗脱剂为石油醚与乙酸乙酯以 体积比1:1组成的混合液；干燥过程在真空干燥箱中进行，干燥温度为120℃，干 燥时间为24h。
实施例5：
一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.1mmol对苯二胺、8mL三缩四乙二醇、160mL乙醇、2mL浓硫酸混 合，并在室温条件下超声处理20min，得到混合反应物；
2)通过溶剂热法将混合反应物在180℃、500r/min的持续搅拌作用下，进行 碳化处理16h，得到碳化混合液；
3)碳化混合液依次经过过滤、浓缩、硅胶柱分离、干燥过程后，即得到黄色 荧光碳量子点荧光探针。
其中，步骤3)中，硅胶柱分离过程中，所用的洗脱剂为石油醚与乙酸乙酯以 体积比3:1组成的混合液；干燥过程在真空干燥箱中进行，干燥温度为160℃，干 燥时间为12h。
实施例6：
一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.5mmol对苯二胺、6mL三缩四乙二醇、150mL乙醇、0.8mL浓硫酸 混合，并在室温条件下超声处理15min，得到混合反应物；
2)通过溶剂热法将混合反应物在200℃、450r/min的持续搅拌作用下，进行 碳化处理12h，得到碳化混合液；
3)碳化混合液依次经过过滤、浓缩、硅胶柱分离、干燥过程后，即得到黄色 荧光碳量子点荧光探针。
其中，步骤3)中，硅胶柱分离过程中，所用的洗脱剂为石油醚与乙酸乙酯以 体积比2:1组成的混合液；干燥过程在真空干燥箱中进行，干燥温度为150℃，干 燥时间为18h。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此 说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限 于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改 进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将对苯二胺、三缩四乙二醇、乙醇、浓硫酸混合，得到混合反应物；
2)通过溶剂热法将混合反应物碳化处理，得到碳化混合液；
3)碳化混合液经分离提纯过程后，即得到黄色荧光碳量子点荧光探针。
2.根据权利要求1所述的一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的对苯二胺、三缩四乙二醇、乙醇、浓硫酸的投料比为(0.1-1)mmol:(2-8)mL:(50-160)mL:(0.5-2)mL。
3.根据权利要求1所述的一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的对苯二胺、三缩四乙二醇、乙醇、浓硫酸的混合过程为在室温条件下超声处理10-20min。
4.根据权利要求1所述的一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的碳化处理的处理条件包括：处理温度为180-220℃，搅拌速度为400-500r/min，处理时间为8-16h。
5.根据权利要求1所述的一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的分离提纯过程依次包括过滤、浓缩、硅胶柱分离以及干燥过程。
6.根据权利要求5所述的一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，所述的硅胶柱分离过程中，所用的洗脱剂为石油醚与乙酸乙酯以体积比(1-3):1组成的混合液。
7.根据权利要求5所述的一种黄色荧光碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，所述的干燥过程在真空干燥箱中进行，干燥温度为120-160℃，干燥时间为12-24h。
8.一种黄色荧光碳量子点荧光探针，其特征在于，其采用如权利要求1至8任一项所述的方法制备而成。
9.一种如权利要求8所述的黄色荧光碳量子点荧光探针的应用，其特征在于，所述的黄色荧光碳量子点荧光探针用于检测水环境中ClO-。
10.根据权利要求1所述的一种黄色荧光碳量子点荧光探针的应用，其特征在于，水样中ClO-的检测方法包括如下步骤：
S1，绘制标准曲线：将荧光探针分别与多个不同浓度或不同用量的ClO-溶液混合并搅拌均匀，之后用Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液稀释，得到ClO-浓度范围为0-36μM的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为370-500nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与ClO-浓度线性拟合，得到标准曲线图；
S2，未知溶液的ClO-浓度检测：将荧光探针与未知溶液混合，并用Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液中ClO-的浓度。
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