CN111474146B - 氮硫掺杂碳量子点及其制法和在检测银纳米颗粒中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氮硫掺杂碳量子点及其制法和在检测银纳米颗粒中的应用。该氮硫掺杂碳量子点的制备方法包括：将巯基乙酸和三聚氰胺混合进行酰胺化反应得到黄色固体；将黄色固体溶于水中，过滤透析干燥得到粘性固体，即为氮硫掺杂碳量子点。本发明制备获得的氮硫掺杂碳量子点(N,S‑CDs)具有较佳的光学稳定性和化学稳定性；尤其适合用于环境水体中银纳米颗粒的荧光检测，该N,S‑CDs作为荧光探针检测银纳米颗粒时具有极好的选择性、灵敏性和较宽的线性范围；本发明检测环境水体中银纳米颗粒的方法能够用于天然水样中痕量银纳米颗粒浓度的定量分析。

Description

氮硫掺杂碳量子点及其制法和在检测银纳米颗粒中的应用

技术领域

本发明属于碳量子点技术领域，涉及一种氮硫掺杂碳量子点及其制法和在检测银纳米颗粒中的应用。

背景技术

银纳米颗粒(AgNPs)是一种金属的纳米颗粒，由于其良好的物理化学特性和生物学特性，已引起了不同科学领域的科学家们的广泛关注。纳米银已被广泛运用于化学分析、制药、抗菌材料、消费品、电催化剂和光催化剂等方面。有许多商业产品例如纺织品、塑料产品、电子产品、洗衣机等都有使用纳米银作为抗菌物质。在这些产品的整个生命周期中，银纳米被持续释放到环境中，并对人体健康和环境造成破坏。有大量研究表明银纳米颗粒对生物体具有毒性。人体暴露与纳米银的主要途径有胃肠系统、呼吸系统和皮肤等。Arora等发现低剂量的纳米银会导致人的细胞凋零，而高剂量的纳米银人的纤维组织和皮肤坏死。纳米银进入啮齿动物体内后会积聚并破坏其肺，肝等内脏，还可能穿透血-脑屏障。而且纳米银在人体细胞中可能具有遗传毒性。人体可以通过呼吸吸入含有银纳米颗粒的粉尘或烟雾将纳米银纳摄入体内，或从水、用银处理过的食物容器中摄入，或者可能通过化妆品和纺织品渗透到皮肤中。目前已经有证据表明，银纳米对从污水处理厂中的好氧和厌氧细菌均具有毒性，并且可能对环境健康造成严重破坏。有研究显示废水和天然水中已经存在银纳米颗粒。目前检测纳米银颗粒的分析方法较少，开发新的简单实用的分析方法非常必要。

荧光方法是最有发展潜力分析方法之一，荧光传感器通常具有高灵敏度、便携性和较短的分析时间等优点。碳量子点(CDs)是荧光纳米碳材料，Xu等人在2004年首次发现。与其他碳材料(石墨烯，碳纳米管，C₆₀等)相比，碳点方便、经济、具有亲水性。此外，碳点可以通过改变原料或用不同的化合物进行修饰从而使其表面具有不同的官能团，包括羟基，羧基，胺基和羰基等。它们具有很好的稳定性、光致发光性，低毒性、生物相容性和高水溶性，被广泛用于药物输送、细胞成像、荧光墨水、催化、传感器和光电设备中。

因此，亟待开发一种针对纳米银颗粒检测的荧光碳点传感器用来检测环境水体中的纳米银颗粒。

发明内容

基于现有技术中所存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)；本发明的第二目的在于提供该氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)的制备方法；本发明的第三目的在于提供该氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)用作荧光碳点传感器在检测环境水体中纳米银颗粒中的应用。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一种氮硫掺杂碳量子点的制备方法，其包括如下步骤：

将巯基乙酸和三聚氰胺混合进行酰胺化反应得到黄色固体；

将黄色固体溶于水中，过滤透析干燥得到粘性固体，即为氮硫掺杂碳量子点，记为N,S-CDs。

发明人创造性的采用巯基乙酸和三聚氰胺作为碳量子点制备的原料，利用巯基乙酸分子中的羧基与三聚氰胺分子中的氨基发生酰胺化反应，获得的氮硫掺杂的碳量子点具有较佳的光学稳定性和化学稳定性；尤其适合用于环境水体中银纳米颗粒的荧光检测，该N,S-CDs检测银纳米颗粒时具有极好的选择性、灵敏性和较宽的线性范围。

上述的方法中，优选地，所述三聚氰胺与所述巯基乙酸的用量比为(0.1～1)g：(0.1～1.5)ml。

上述的方法中，优选地，酰胺化反应的温度为150～220℃，反应时间为3～12h。

上述的方法中，优选地，过滤透析的方法为：

将黄色固体溶于水后的溶液通过微孔滤膜进行过滤，过滤获得的滤液通过透析袋进行透析。

上述的方法中，优选地，所述微孔滤膜的孔径为0.1～0.45μm，所述透析袋截留分子量为150～600MW，透析时间为1～6h。

另一方面，本发明还提供上述制备方法制备得到的氮硫掺杂碳量子点。

本发明的氮硫掺杂碳量子点的直径小于16nm。

再一方面，本发明还提供上述氮硫掺杂碳量子点用作荧光探针在检测环境水体中银纳米颗粒中的应用。

再一方面，本发明还提供一种检测环境水体中银纳米颗粒的方法，其包括以下步骤：

将氮硫掺杂碳量子点加入到不同浓度的纳米银颗粒溶液中，进行荧光淬灭反应，根据检测的荧光强度与纳米银颗粒的浓度之间的线性关系，建立标准曲线；

将氮硫掺杂碳量子点加入到待测环境水体中进行荧光猝灭反应，获得荧光强度；

通过标准曲线从而计算出待测环境水体中银纳米颗粒浓度。

本发明检测环境水体中银纳米颗粒的方法能够用于天然水样中痕量银纳米颗粒浓度的定量分析。

上述的方法中，优选地，进行荧光淬灭反应时，反应体系中，所述氮硫掺杂碳量子点的浓度为200～300μg/mL。

上述的方法中，优选地，在进行荧光淬灭反应前，将氮硫掺杂碳量子点配制成水溶液，所述氮硫掺杂碳量子点的水溶液的浓度为300～500μg/mL。

上述的方法中，优选地，进行荧光淬灭反应时，反应体系的pH值为4～11；反应时间为1～8min。

上述的方法中，优选地，进行荧光淬灭反应时，所述银纳米颗粒浓度的线性检测范围为0.024～1.77nM。

本发明的有益效果：

本发明制备获得的氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)具有较佳的光学稳定性和化学稳定性；尤其适合用于环境水体中银纳米颗粒的荧光检测，该N,S-CDs检测银纳米颗粒时具有极好的选择性、灵敏性和较宽的线性范围；本发明检测环境水体中银纳米颗粒的方法能够用于天然水样中痕量银纳米颗粒浓度的定量分析。

附图说明

图1为本发明以巯基乙酸和三聚氰胺为前躯体使用水热法合成了氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)及其用来检测溶液中银纳米粒子的浓度的示意图；

图2A为本发明配制的银纳米颗粒(AgNPs)的TEM图；

图2B为本发明银纳米颗粒(AgNPs)溶液在390nm附近的吸收峰图；

图3A为本发明制备的氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)的TEM图；

图3B为本发明制备的氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)的UV吸收光谱及荧光发射光谱和银纳米颗粒(AgNPs)的UV吸收光谱；

图3C为本发明氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)在285～355nm荧光光谱范围内的荧光图谱；

图3D为本发明制备的氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)的FTIR谱图；

图4A为本发明巯基乙酸的用量对荧光淬灭值的影响图；

图4B为本发明氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)在检测水体中的浓度对荧光淬灭的影响图；

图4C为本发明荧光淬灭反应体系的pH值对荧光强度的影响图；

图4D为本发明荧光淬灭反应体系的pH值对荧光淬灭值的影响图；

图4E为本发明荧光淬灭反应时间对荧光淬灭值的影响图；

图4F为本发明离子强度对荧光淬灭反应的影响图；

图5A为本发明不同银纳米颗粒(Ag NPs)溶液浓度下，氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)的荧光强度图谱；

图5B为本发明不同银纳米颗粒(Ag NPs)溶液浓度相对于荧光强度的线性关系图；

图6为本发明多种金属阳离子作为共存干扰物质，评估N,S-CDs对Ag NPs检测的选择性对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

本发明以下实施例中所采用的试剂和材料设备如下：

六氯化铬(CrCl₃·6H₂O，99％)，三聚氰胺(99％)，硝酸镉(CdNO₃·4H₂O，99％)，聚乙烯吡咯烷酮购自Aladdin Chemical Co.Ltd。硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)国药集团化学试剂有限公司，硝酸锌(Zn(NO₃)₂·6H₂O)，硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)和氯化钠购自天津光复科技发展有限公司。氯化钙(CaCl₂·5H₂O)，氯化锰(MnCl₂·4H₂O)，碘化钾，硝酸银，氯化汞，盐酸盐，氢氧化钠购自北京化工厂。巯基乙酸得自天津光复精细化工研究所。氯化镁购自北京同光精细化工公司。如果没有特殊说明，所用试剂均为分析纯。

电子天平从梅特勒-托利多仪器(上海)购买。101-3型电热恒温干燥箱购自北京科威永兴仪器有限公司。

实施例1氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)的制备

本实施例提供一种氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)的制备方法，示意图如图1所示，具体包括如下步骤：

(1)将0.3mL的巯基乙酸和0.3g的三聚氰胺混合均匀后，置于50mL的聚四氟乙烯反应釜中200℃下加热反应4h，反应产物在阴凉通风处自然冷却得到黄色固体；

(2)将黄色固体溶于200mL的水中，然后通过直径为0.2μm的微孔膜过滤，接着使用200MW的透析袋将获得的滤液透析3小时，然后干燥得到粘性固体，即为氮硫掺杂碳量子点，记为N,S-CDs。

将N,S-CDs溶解在水中，配制成浓度为300-500μg/mL的氮硫掺杂碳量子点的水溶液，将其存储在4℃的冰箱中备用。

实施例2实验室模拟检测环境水体中银纳米颗粒的方法

1、银纳米颗粒(AgNPs)溶液的制备

将4mL的0.01mol/L的硝酸银溶液添加到40mL的去离子水中，冰水浴，持续搅拌下逐滴添加4mL的0.01mol/L的聚乙烯吡咯烷酮溶液。之后，逐滴加入2mL新制备的3.8mg/mL硼氢化钠溶液，溶液颜色迅速变为黄色。在冰水浴下搅拌5分钟，移去冰水浴，在室温下继续搅拌15分钟，获得棕黄色的Ag NPs溶液。将其保存在棕色瓶中，避光保存。

2、N,S-CDs荧光检测银纳米颗粒

将上述实施例1制备的氮硫掺杂碳量子点(N,S-CDs)溶液加入到上述方法制备的不同浓度的纳米银颗粒(Ag NPs)溶液中，进行荧光淬灭反应，示意图如图1所示，根据检测的荧光强度变化与纳米银颗粒的浓度之间的线性关系，建立标准曲线；

将氮硫掺杂碳量子点溶液加入到待测环境水体中进行荧光猝灭反应，获得荧光强度变化；

通过标准曲线从而计算出待测环境水体中银纳米颗粒浓度。

本实施例研究了不同碳点浓度、反应时间和反应体系的pH值，以获得N,S-CDs的特征和最佳检测条件。碳点的激发波长为325nm，发射峰的波长约为409nm。激发狭缝和发射狭缝宽度均选择为5nm。选择了多种金属阳离子以评估共存化合物对银纳米粒子检测的影响。实验结果和分析如下：

(1)AgNPs和N,S-CDs的表征

图2A显示了Ag NPs的TEM图像，Ag NPs的形状为球形，分布均匀，平均直径约为9.48nm，这是根据TEM图像中的120个随机AgNPs统计计算得出的。AgNPs溶液在395nm附近具有很强的吸收峰(图2B)。

图3A显示了实施例1制备的N,S-CDs的透射电镜(TEM)图，N,S-CDs的形状近似球形。在图3B中，黑线和蓝线分别是N,S-CDs和Ag NPs的UV吸收光谱。红线是N,S-CDs在325nm激发波长(EX)处的荧光发射光谱，Ag NPs的吸收峰与N,S-CDs的发射峰之间存在重叠。N,S-CDs的吸收峰和发射峰没有交集，因此它们不吸收他自己发出的荧光。N,S-CDs的荧光光谱范围为约285nm至355nm(图3C)，在激发波长325nm处具有最强的荧光，故选择325nm作为最佳激发波长进行实验。FTIR用于表征N,S-CDs上的官能团。如图3D所示。如图3D所示，在3200cm^-1附近的吸收峰为-NH₂拉伸振动，而在1575cm^-1处的另一个吸收峰是N-H弯曲振动的结果。2520cm^-1附近的吸收带可能是-SH的拉伸振动。1665cm^-1、1190cm^-1处的吸收峰与-C＝O，-C-O拉伸振动有关。

(2)通过实验确定本发明实施例1中N,S-CDs的相对荧光量子产率为2.1％。

(3)N,S-CDs合成原料比例的优化

为了获得理想的N,S-CDs，探讨了对反应前驱体比例的影响。固定了三聚氰胺的用量(0.3g)不变，通过更改巯基乙酸的体积(0mL，0.15mL，0.3mL，0.45mL，0.6mL，0.75mL，0.9mL)改变了两者的比例。对获得的N,S-CD的荧光猝灭作用显示在图4A中。显然，当巯基乙酸的体积为0.3mL时，N,S-CDs的荧光强度降低最多。因此，得出了最佳的合成比三聚氰胺：巯基乙酸＝0.3g：0.3mL(即实施例1的原料配比)。

(4)实施例1的N,S-CDs在待测溶液中浓度的影响

待测溶液中N,S-CDs的浓度将决定所开发化学传感器的线性范围，因此，它是化学传感器开发中的关键环节。低浓度的N,S-CDs导致低的荧光强度和狭窄的线性检测范围。但是，如果浓度过高，可能会发生自吸，结果会受到影响。如图4B所示，随着N,S-CDs浓度的增加，荧光猝灭(ΔF)值在N,S-CDs在反应体系中的浓度为250μg/mL之前迅速增加，此后保持恒定，没有明显变化。因此，选择250μg/mL作为检测Ag NPs的最佳浓度。

(5)pH值对实施例1的N,S-CDs荧光猝灭的影响

pH值会影响N,S-CDs的荧光强度F₀和荧光猝灭值(ΔF)，结果如图4C和图4D。显然，当pH在4至11之间时，N,S-CDs具有良好的荧光稳定性。当N,S-CDs溶液的pH小于4或大于11时，荧光强度非常迅速地降低。并且在pH为7时，碳点荧光淬灭值最大，对检测纳米银有最好的效果，可以保证检测的线性范围最宽。

(6)反应时间对实施例1的N,S-CDs荧光猝灭的影响

最佳的反应时间可以大大缩短检测时间，反应时间的优化结果如图4E所示，可以发现，两种底物反应非常快，在Ag NPs加入到反应体系中后，仅需5分钟的孵育时间即可达到反应终点。此外，整个系统的荧光至少可以稳定120分钟(图4E)。因此，通过这种方法只花了很少的时间即可检测溶液中的银纳米浓度。

(7)离子强度的影响(实施例1的N,S-CDs荧光检测稳定性实验)

为了研究离子浓度对荧光稳定性的影响，研究了溶液中不同浓度的NaCl。在图4F中，可以发现离子强度在浓度为0.1M之前对该碳点的荧光影响很小。随着NaCl浓度的增加，该碳点的荧光强度略有下降，可以推断该方法可用于实际水样中AgNPs的检测而不会受到很大的干扰。

(8)实施例1的N,S-CDs荧光检测灵敏度实验

实验确定了适用于Ag NPs的检测的线性范围，结果如图5A和5B所示。结果表明，随着Ag NPs溶液浓度的增加(0.024～1.77nM)，N,S-CDs在409nm附近的荧光强度逐渐降低，这表明添加Ag NPs可以有效地淬灭N,S-CDs的荧光，从而实现其灵敏检测。

图5B显示荧光强度随Ag NPs的浓度而变化，并且Ag NPs的浓度在0.024～1.77nM的范围内与荧光淬灭值具有良好的线性相关性(R²＝0.9914)。获得线性方程，F＝1397.30c+59.44。(F表示荧光强度，c表示Ag NPs的浓度)通过3σ/s(n＝20)，计算出Ag NPs的检出限(LOD)为0.022nM。我们的方法线性范围宽，检出限低。而且，这种开发的荧光探针N,S-CDs简单、经济、方便，这表明N,S-CDs量子点将是检测Ag NPs的良好化学传感器。

(9)实施例1的N,S-CDs荧光检测Ag NPs的选择性实验

在实施例1的相同条件下，用浓度为2μM的多种金属阳离子作为共存干扰物质，评估N,S-CDs对Ag NPs检测的选择性，包括Ni²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sn²⁺、Mn²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、K⁺、As³⁺、As⁵⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Ag⁺，结果如图6所示。

将上述离子分别单独添加到N,S-CDs溶液中(深色条)，记录N,S-CD的荧光淬灭效果。结果表明，除Ag NPs外，未观察到荧光猝灭值(F₀-F)有显著变化，该结果表明Ag NPs与其他金属离子相比，N,S-CDs与Ag NPs具有更强的作用力。在另一系列实验中，将Ag NPs和其他金属离子的混合物添加到N,S-CDs溶液中，确定N,S-CDs的荧光淬灭强度(浅色条)。从这些结果可以得出结论，其他共存的金属离子没有显示出明显的干扰，表明本发明所制备的N,S-CDs比其他相关的金属离子对AgNPs具有更高的选择性。

实施例3 N,S-CDs检测实际水样中银纳米颗粒的方法

为了进一步研究该方法的可行性，使用实际水样对该N,S-CDs化学传感器进行评估。选取南沙河、奥林匹克公园、玉渊潭公园的水样，经孔径为0.2μm的微孔膜过滤后进行分析，加标不同浓度的Ag NPs记录其淬灭效果，结果如下表1所示。

表1：

由表1实验数据可知：加标回收率在96.5％至105.2％之间。以上结果表明，所建立的方法可用于实际水样中痕量银Ag NPs的分析。

综上所述，本发明采用三聚氰胺和巯基乙酸采用一步水热法合成N,S-CDs，利用荧光共振能力转移机理，将N,S-CDs用作荧光碳点传感器，用于测定水样中的Ag NPs，具有灵敏性高、选择性强等性能，N,S-CDs球状颗粒的直径小于16nm。结果表明，该化学传感器简单、灵敏、选择性好、成本低等优点，线性范围为0.024～1.77nM，Ag NPs的检出限低至0.022nM。用实际水样对化学传感器进行了评估，加标试验回收率在96.5％至105.2％之间，表明所开发的化学传感器在检测自然中水样中Ag NPs有较好的应用前景。

Claims (5)

1.一种氮硫掺杂碳量子点用作荧光探针在检测环境水体中银纳米颗粒中的应用，该应用具体检测环境水体中银纳米颗粒的方法包括以下步骤：

将氮硫掺杂碳量子点加入到不同浓度的纳米银颗粒溶液中，进行荧光淬灭反应，根据检测的荧光强度与纳米银颗粒的浓度之间的线性关系，建立标准曲线；

将氮硫掺杂碳量子点加入到待测环境水体中进行荧光猝灭反应，获得荧光强度；

通过标准曲线从而计算出待测环境水体中的银纳米颗粒浓度；

其中，所述氮硫掺杂碳量子点的制备方法包括如下步骤：

将巯基乙酸和三聚氰胺混合进行酰胺化反应得到黄色固体；

将黄色固体溶于水中，过滤透析干燥得到粘性固体，即为氮硫掺杂碳量子点；

其中，所述三聚氰胺与所述巯基乙酸的用量比为0.1~1g：0.1~1.5ml；

酰胺化反应的温度为150~220℃，反应时间为3~12h；

过滤透析的方法为：

将黄色固体溶于水后的溶液通过孔径为0.1~0.45μm的微孔滤膜进行过滤，过滤获得的滤液通过截留分子量为150~600MW的透析袋进行透析1~6h；

该制备方法制备获得的氮硫掺杂碳量子点的荧光激发波长为325nm，发射波长为409nm。

2.根据权利要求1所述的应用，其中，所述氮硫掺杂碳量子点的直径小于16nm。

3.根据权利要求2所述的应用，其中，进行荧光淬灭反应时，反应体系中，所述氮硫掺杂碳量子点的浓度为200~300μg/mL。

4.根据权利要求2所述的应用，其中，进行荧光淬灭反应时，反应体系的pH值为4~11；反应时间为1~8min。

5.根据权利要求2所述的应用，其中，进行荧光淬灭反应时，所述银纳米颗粒浓度的线性检测范围为0.024~1.77nM。

Images