CN111793494A - 一种水溶性高的荧光碳点及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于荧光纳米功能材料的技术领域，公开了一种水溶性高的荧光碳点及其制备方法，荧光碳点的制备方法包括以下步骤：先向反应釜中加入高纯水，然后加入槲皮素，超声混匀10min；然后向高纯水中加入乙二胺，将混匀后的乙二胺溶液逐滴加入到反应釜中，超声混匀；反应釜放置在烘箱中反应5h；反应时间结束后，反应釜冷却至室温，将反应液离心15min，上层清液过0.22μm的水膜，过滤透析；过滤液于冷冻机中冻干，得到荧光碳点粉末。本发明制备的荧光碳点具有良好的水溶性、随浓度增加出现荧光增强现象、强的光稳定性，对Al3+具有裸眼比色识别能力，能够定量检测Al3+。

Description

一种水溶性高的荧光碳点及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于荧光纳米功能材料的技术领域，涉及一种水溶性高的荧光碳点及其制备方法和应用。
背景技术
Al元素与人类的生活息息相关，其化合物广泛的存在食品和生活用品中。世界卫生组织(WHO)提出人类平均每天摄入的Al3+约3-10mg，每周最高人体体重每公斤7mg的摄取量。有研究提出，人体中过量的Al3+会破坏人的免疫系统导致一系列疾病，可能会导致帕金森氏症或阿尔茨海默病。另外，水中和土壤中过量的Al3+会对微生物产生毒害作用并抑制植物的生长。为了避免过量Al3+引起的生命健康和环境危害，有必要开发用于定量检测Al3+的检测方法。
近年来，因同时具有聚集诱导发光(AIE)和激发态分子内质子转移(ESIPT)的分子具有优异的光学性能而被广泛的设计开发，其中黄酮类是设计开发的主要目标。槲皮素作为一种天然药物，具有抗菌、消炎、抗病毒等功能。但是槲皮素的水溶性较差限制了其使用，所以有必要对槲皮素的结构进行重新构建，以合成具有较好水溶性的槲皮素衍生产品，提高槲皮素的生物利用率。申请公布号为CN 111088043A的发明专利公开了一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点及其制备方法和应用，经一步高温固相反应得到的碳点溶液，再用钝化剂改性，得到在可见光激发、长波长发射的荧光碳点，可用于光催化降解有机污染物，检测Hg2+等重金属离子，但不能用于检测溶液中Al3+。
发明内容
本发明的目的在于提供一种荧光碳点，具有良好的水溶性、随浓度增加出现荧光增强现象、强的光稳定性，对Al3+具有裸眼比色识别能力，能够定量检测Al3+。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种水溶性高的荧光碳点，所述荧光碳点的制备方法包括以下步骤：
步骤一：先向反应釜中加入高纯水，然后加入槲皮素，超声混匀10min；然后向高纯水中加入乙二胺，将混匀后的乙二胺溶液逐滴加入到反应釜中，超声混匀；
步骤二：反应釜放置在烘箱中反应5h；
步骤三：反应时间结束后，反应釜冷却至室温，将反应液离心15min，上层清液过0.22μm的水膜，过滤透析；
步骤四：过滤液于冷冻机中冻干，得到荧光碳点粉末。
优选地，所述槲皮素与乙二胺的摩尔比为1：0～274。
优选地，步骤二中所述烘箱的温度设定为180℃～200℃。
本发明还提供上述水溶性高的荧光碳点在裸眼比色检测水溶液中Al3+的应用。
优选地，所述检测水溶液中Al3+浓度在0～1.79mg/L范围内呈线性增长，线性回归曲线为y＝0.0303+0.0149x，R＝0.9989。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明采用水溶液为溶剂，以一步水热合成法为主，以槲皮素为原料，通过调节加入的乙二胺比例及反应温度，制备出了具有良好的水溶性、随浓度增加出现荧光增强现象、强的光稳定性和具有Al3+识别能力的AIE荧光碳点。
针对合成荧光纳米材料过程中使用有毒试剂、原料昂贵且合成条件苛刻等缺点，本发明本着绿色化学理念，提出绿色温和的合成方法，合成温度较低(180℃)，加热时间短(5h)，避免复杂操作，易获取，此合成方法经济快速。
针对槲皮素水溶性差、稳定性较差和短波长激发等缺点，本发明旨在提高以槲皮素为主要成分荧光碳点的应用性能。本发明添加乙二胺，在碱性条件下增加槲皮素的溶解度，又因乙二胺很容易与槲皮素的苯环或酚羟基反应，故避免乙二胺添加量过多，破坏槲皮素的原有苯环结构，需严格控制乙二胺的比例。
附图说明
图1为槲皮素(HPS)、槲皮素加乙二胺合成的碳点(HPS-CD)、槲皮素合成的碳点(CD)的紫外吸收光谱和荧光光谱。
图2为不同浓度HPS-CD的荧光发射光谱。
图3为四氢呋喃和水中的HPS-CD在激发光为800nm下的荧光发射光谱和光稳定性。
图4为加入不同浓度Al3+的HPS-CD水溶液的紫外吸收光谱。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例一荧光碳点的制备
(1)首先向50ml反应釜中加入15ml的高纯水，然后加入准确称量0.0500g(0.165mmol)的槲皮素，超声混匀10min；然后向5ml高纯水中加入一定反应摩尔比的乙二胺，混匀后的乙二胺稀释液逐滴加入到反应釜中，超声混匀；反应釜放置在一定温度的烘箱中反应；反应时间结束后，反应釜冷置至室温；反应液转移至50ml离心管中，6000rpw离心15min；上层清液过0.22μm的水膜，过滤透析；过滤液于冷冻机中冻干，得到相应的荧光碳点粉末。
(2)反应釜中乙二胺的添加量为(0mmol、0.165mmol、0.330mmol、0.502mmol、0.825mmol、3.746mmol和40.76mmol)，即槲皮素：乙二胺的摩尔比为1：0～274。
(3)烘箱的温度分别为180℃和200℃，反应时间均为5h。
不同条件下合成的荧光碳点粉末，配置成2mg/ml的母液，于4℃冰箱储存待测。槲皮素在水中溶解度小于10μg/mL，4℃条件下溶解度更低，而本发明制备的HPS-CD的4℃储备液浓度为2mg/ml，该溶解度远远大于槲皮素的溶解度。荧光量子产率用54％硫酸奎宁作标准物。不同反应条件下得到碳点的荧光性能如表1所示。
表1不同反应条件下得到碳点的荧光性能
编号 温度 乙二胺/mmol 最大激发波长 荧光发射波长 荧光量子产率
1 180℃ 0.165 400nm 510nm 0.70％
2 180℃ 0.330 400nm 510nm 1.47％
3 180℃ 0.825 400nm 510nm 0.56％
4 200℃ 0.165 380nm 438nm 0.67％
5 200℃ 0.330 400nm 510nm 1.08％
6 200℃ 0.825 400nm 510nm 0.55％
7 200℃ 0.502 400nm 510nm 0.98％
8 200℃ 3.746 400nm 510nm 0.88％
9 200℃ 40.76 410nm 510nm 1.00％
实施例二
选用实施例一中编号2条件得到的荧光碳点粉末，配置成2mg/ml的母液，于4℃冰箱储存待测。在水溶液中测试槲皮素加乙二胺合成的碳点(HPS-CD)的紫外吸收和荧光光谱，结果如图1所示。
图1-a为槲皮素(HPS)、槲皮素加乙二胺合成的碳点(HPS-CD)、槲皮素合成的碳点(CD)的紫外吸收光谱。对比图1中HPS-CD与HPS的紫外特征吸收峰可知，本发明原料槲皮素反应完全，并最大程度保留了槲皮素的特征峰(HPS曲线中250-300nm处的π-π*跃迁和350-400nm处的n-π*跃迁)，也就是说乙二胺的加入尽可能地保留了槲皮素的A环(200-300nm)和B环(300-400nm)结构，在尽可能保留槲皮素的结构基础上，增加了合成碳点的水溶性(4℃纯水中槲皮素的溶解度小于10μg/mL，而HPS-CD在2mg/ml时能稳定保存，溶解性提高近200倍)。
图1-b为槲皮素(HPS)、槲皮素加乙二胺合成的碳点(HPS-CD)、槲皮素合成的碳点(CD)的荧光发射和激发光谱。对比图1-b中HPS-CD与槲皮素(HPS)的荧光发射光谱可知，在水溶液中HPS-CD的荧光发射波长为510nm，最大激发波长为400nm，比水溶液中槲皮素(HPS)的最大激发波长360nm红移了40nm。
图2为不同浓度HPS-CD的荧光发射光谱。从图2中可知，HPS-CD浓度在3.33-64.52μg/mL范围内，随浓度增加，其荧光强度逐渐增加，并没有发现荧光猝灭的现象。
实施例三
对HPS-CD可能具有的ESIPT效应进行检测，选用四氢呋喃和水作为检测溶剂，HPS-CD浓度为13.2μg/ml，结果如图3所示。荧光分光光度计的激发波长采用800nm。图3-a的归一化荧光光谱显示，四氢呋喃中荧光发射位置为456nm，而高纯水中为510nm，荧光发射位置相差54nm；并且在365nm手持紫外灯的照射下，HPS-CD在四氢呋喃中的荧光强度要远远高于水中的荧光强度，说明HPS-CD仍具有槲皮素的ESIPT效应，有望使HPS-CD进一步应用到细胞、血液和溶液等极性大小改变的荧光检测，拓展HPS-CD的生物检测应用价值。图3-a中右上角图为激发波长为400nm时，HPS-CD在四氢呋喃和水溶液中的荧光发射光谱。为进一步验证HPS-CD是否具有上转化荧光功能，采用激发光波长为800nm，收集其在四氢呋喃和水溶液中的荧光信号，结果如图3-b所示，收集到的荧光信号与400nm激发光下的荧光信号一致。
为验证HPS-CD的光稳定性，荧光信号收集在激发光800nm时连续600s内的光学信号，结果如图3-b所示。图3-b实验结果表明，HPS-CD具有稳定的光学信号，具有强的抗光漂白作用。
实施例四
为验证HPS-CD的Al3+识别能力，向浓度为13.2μg/mL的HPS-CD水溶液中加入不同浓度的Al3+(0～3.55mg/L)。肉眼可见Al3+添加浓度越大，则溶液颜色逐渐加深，溶液颜色由无色变成棕黄色，即HPS-CD可以实现Al3+的裸眼比色识别检测，而槲皮素合成的碳点(CD)不具有该裸眼比色识别Al3+的能力。
用紫外分光光度计对不同浓度的Al3+检测溶液进行测试，紫外吸收光谱如图4所示。从图4中发现，随着Al3+添加浓度加大，在400-500nm处出现新的紫外吸收峰，在Al3+添加浓度为0-1.79mg/L范围内成线性增长，其线性回归曲线为y＝0.0303+0.0149x，R＝0.9989，可以实现Al3+的定量检测。该紫外吸收光谱产生线性变化，可能是由Al3+引起的HPS-CD聚集引起；因在365nm手持紫外灯的照射下，添加过Al3+的HPS-CD水溶液的荧光强度明显增强，即说明HPS-CD具有AIE性能。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (5)

1.一种水溶性高的荧光碳点，其特征在于，所述荧光碳点的制备方法包括以下步骤：
步骤一：先向反应釜中加入高纯水，然后加入槲皮素，超声混匀10min；然后向高纯水中加入乙二胺，将混匀后的乙二胺溶液逐滴加入到反应釜中，超声混匀；
步骤二：反应釜放置在烘箱中反应5h；
步骤三：反应时间结束后，反应釜冷却至室温，将反应液离心15min，上层清液过0.22μm的水膜，过滤透析；
步骤四：过滤液于冷冻机中冻干，得到荧光碳点粉末。
2.根据权利要求1所述的水溶性高的荧光碳点，其特征在于，所述槲皮素与乙二胺的摩尔比为1：0~274。
3.根据权利要求1所述的水溶性高的荧光碳点，其特征在于，步骤二中所述烘箱的温度设定为180℃~200℃。
4.权利要求1~3任一项所述的水溶性高的荧光碳点在裸眼比色检测水溶液中Al3+的应用。
5.根据权利要求4所述的水溶性高的荧光碳点在裸眼比色检测水溶液中Al3+的应用，其特征在于，所述检测水溶液中Al3+浓度在0~1.79mg/L范围内呈线性增长，线性回归曲线为y=0.0303+0.0149x，R=0.9989。
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