CN113025322A - 一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法和在硝基咪唑类药物检测中的应用 - Google Patents

一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法和在硝基咪唑类药物检测中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体涉及一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法和在硝基咪唑类药物检测中的应用。该制备方法包括：将烘干后的脱脂米糠与去离子水、氮源混合均匀，进行水热反应，然后将反应后的溶液经离心、上清液过膜、任选地透析、冷冻干燥，得到碳点粉末。本发明中掺杂氮元素含量越高，量子化产率大幅提高，其量子化产率可从0.73％最高提升至32.44％；采用的碳源为脱脂米糠，原料普遍、低廉易得，碳点的制备方法操作简单，较为绿色环保；制备的氮掺杂碳点的量子化产率较未掺杂氮源碳点的量子化产率提高十倍以上。该碳点对硝基咪唑类药物的检测灵敏度高、线性范围宽，适于硝基咪唑类药物的痕量检测。

Description

一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法和在硝基咪唑类药物 检测中的应用
技术领域
本发明属于纳米复合材料制备技术领域，更具体地，涉及一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法和在硝基咪唑类药物检测中的应用。
背景技术
碳量子点是一类粒径小于10纳米的、准球型的、能稳定发光的新型荧光小碳纳米粒子，最早是在2004年单壁碳纳米管纯化过程中发现的。由于碳量子点它具有优异的光稳定性、小尺寸、高度可调的光致发光性能、优良的生物相容性、电化学发光、优异的多光子激发(上转换)、良好的溶解性、高量子产率、表面官能团、低毒性等性能，使其在生物成像、生物传感、生物药学、疾病检测、光电学、传感器和催化应用领域有着广泛的应用。近年来，掺杂杂原子提高碳点的荧光性能已成为研究的热点，其原因在于通过掺杂所引起的结构变化能够有效改变碳点的本质特性。其中，氮掺杂是一种常见的掺杂方式。
与传统的基于有机染料的传感探针相比，碳量子点作为荧光团的特性更优越，因为后者存在光漂白和毒性问题。表面羟基、羧基、羰基、环氧基等官能团的存在赋予它们在水中的溶解性。此外，这些基团为量子点的表面功能化铺平了道路，并提供了对目标分析物的选择性。目前，以天然和生态友好的材料作为碳前体，无毒合成量子产率高、水溶性好、绿色环保的荧光碳量子点受到广泛关注，以各种生物质材料如：植物果实、果皮、中草药、奶制品等作为碳源制备荧光碳点的报道层出不穷，如S.Sahu等通过水热合成法处理橙汁制备高绿色荧光碳点，主要利用橙汁中的糖类、柠檬酸和抗坏血酸等成份碳化，所制备的碳点可用于细胞成像；Wu等以虎杖的根茎为碳源水热合成制备蓝色碳点，并将其应用于Hg2+的检测。我国是稻米生产大国，米糠作为稻米脱壳后的副产物，通常主要被用于饲料原料，而米糠的副产物脱脂米糠则多被用于饲料添加剂载体。目前，关于米糠及其副产物为碳源合成碳点的报道甚少，有关杂原子掺杂脱脂米糠制备高荧光性能的碳点尚未见任何报道。
硝基咪唑类药物是一种硝基咪唑衍生物类抗生素，可用于治疗人类疾病预防和治疗细菌感染，以及动物饲料添加剂等。但有实验表明，当硝基咪唑类药物的累积剂量在体内超过正常阈值时，就会对神经、免疫等等产生一些毒性作用，甚至可能有遗传毒性和致癌性，目前，硝基咪唑类药物的定量方法主要包括：高效液相色谱法、气相色谱法、薄层色谱法等。但这些方法存在耗时长、操作繁琐、检测步骤复杂等缺点。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法和在硝基咪唑类药物检测中的应用。
为了实现上述目的，本发明提供了一种氮掺杂脱脂米糠经水热合成法得到碳点的制备方法，制备所得的高荧光性能荧光碳点用于硝基咪唑类药物的传感分析，相关技术方案如下：
本发明的第一方面提供一种高荧光性能碳点粉末的制备方法，该制备方法包括：
将烘干后的脱脂米糠与去离子水、氮源混合均匀，在160-210℃下进行水热反应，然后将反应后的溶液经离心、上清液过膜、透析、冷冻干燥，得到所述碳点粉末。
作为优选方案，烘干的温度为40-60℃。
作为优选方案，水热反应的时间为6-12h。
作为优选方案，所述氮源选自羟基乙胺、1,3-二氨基-丙二醇、乙二胺、脒基脲、1,2,4-三唑-1-甲脒、脒基硫脲和三聚氰胺中的至少一种。
作为优选方案，相对于1g烘干后的脱脂米糠，去离子水的的用量为10-50mL；
作为优选方案，相对于1g烘干后的脱脂米糠，液体氮源的用量为0.1-0.5mL；
作为优选方案，相对于1g烘干后的脱脂米糠，固体氮源的用量为0.1-0.5g。
作为优选方案，离心的转速为4000-8000rpm/min，离心的时间为10-20min。
作为优选方案，上清液过0.22μm膜。
作为优选方案，透析时透析袋的截留分子量为1000-3500Da，透析的时间为1-72h。
本发明的第二方面提供由上述的制备方法制备得到的高荧光性能碳点粉末。
本发明的第三方面提供碳点粉末在硝基咪唑类药物检测中的应用。
作为优选方案，所述硝基咪唑类药物选自甲硝唑、羟基甲硝唑、二甲硝唑、奥硝唑和替硝唑中的至少一种。
作为优选方案，硝基咪唑类药物检测的方法包括：
将碳点粉末与Tris-HCl缓冲液混合均匀，分别加入不同浓度的硝基咪唑类药物标准溶液，以373nm为相应的激发波长，于荧光分光光度计测定其荧光光谱。
作为优选方案，所述缓冲液的pH为5.0-9.0，最优选为7.0；缓冲液的浓度为15-25mmol/L。
作为优选方案，所述碳点粉末与硝基咪唑类药物标准溶液的体积比为1：10-30，最优选为1：25。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用的碳源为脱脂米糠，资源丰富、低廉易得，操作过程简便、绿色环保，为生物质高值循环再利用提供了一条创新的思路，具有十分重要的社会意义；
2、本发明制备得到的氮掺杂碳点荧光性能好，水溶性极佳；
3、本发明制备得到的氮掺杂碳点量子化产率较未掺杂氮源碳点的量子化产率提高10倍以上。
4、本发明制备得到的氮掺杂脱脂米糠碳点可以对硝基咪唑类药物进行痕量传感测定，操作简便、检测限低、准确度高。
本发明以简单易得的生物质材料-脱脂米糠为原料掺杂多氨基短碳小分子制备得到高荧光性能的碳量子点，并成功将其用于硝基咪唑类药物的传感测定，获得良好效果，该碳点制备成本低、操作简便、检测快速、灵敏度高，具有一定的推广价值与深刻的生态环保意义。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1示出了本发明实施例1所得碳点粉末的高分辨透射电镜图。
图2示出了加入不同浓度甲硝唑后乙二胺掺杂脱脂米糠碳点的荧光光谱图。
图3示出了碳点的荧光强度变化(F0/F)与甲硝唑浓度的线性关系。
图4示出了加入不同浓度替硝唑后乙二胺掺杂脱脂米糠碳点的荧光光谱图。
图5示出了碳点的荧光强度变化(F0/F)与替硝唑浓度的线性关系。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例中，脱脂米糠由米糠经脱脂获得，脱脂方法为本领域技术人员常规采用的方法。
实施例1
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法。
称取于40℃低温烘干的脱脂米糠1g，加入30mL去离子水，0.5mL的乙二胺超声混合均匀；再将混合溶液置于50mL的反应釜中于210℃的烘箱中反应12h；将反应冷却后的溶液于5000rpm下离心10min，上清液过0.22μm膜，后置于截留分子量为1000Da的透析袋中透析72h，经冷冻干燥得碳点粉末。将碳点粉末溶于水，测其量子化产率为9.55％。
图1示出了本发明实施例1所得碳点粉末的高分辨透射电镜图。
实施例2
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法。
称取于50℃烘箱低温烘干的脱脂米糠1g，加入30mL去离子水，0.27g的1,3-2氨基-丙二醇超声混合均匀；再将混合溶液置于50mL的反应釜中于180℃的烘箱中反应12h；将反应冷却后的溶液于4000rpm下离心20min，上清液过0.22μm膜，后置于截留分子量为1000Da的透析袋中透析36h，经冷冻干燥得碳点粉末。将碳点粉末溶于水，测其量子化产率为8.79％。
实施例3
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法。
称取于60℃烘箱低温烘干的脱脂米糠1g，加入30mL去离子水，0.366g的羟基乙胺超声混合均匀；再将混合溶液置于50mL的反应釜中于200℃的烘箱中反应12h；将反应冷却后的溶液于7000rpm下离心15min，上清液过0.22μm膜，后置于截留分子量为3500Da的透析袋中透析36h，经冷冻干燥得碳点粉末。将碳点粉末溶于水，测其量子化产率为7.59％。
实施例4
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法。
称取于40℃烘箱低温烘干的脱脂米糠1g，加入40mL去离子水，0.306g的脒基脲超声混合均匀；再将混合溶液置于50mL的反应釜中于180℃的烘箱中反应12h；将反应冷却后的溶液于8000rpm下离心12min，上清液过0.22μm膜，后置于截留分子量为1000Da的透析袋中透析60h，经冷冻干燥得碳点粉末。将碳点粉末溶于水，测其量子化产率为12.96％。
实施例5
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法。
称取于40℃烘箱低温烘干的脱脂米糠1g，加入40mL去离子水，0.442g的1,2,4-三唑-1-甲脒超声混合均匀；再将混合溶液置于50mL的反应釜中于200℃的烘箱中反应8h；将反应冷却后的溶液于5000rpm下离心15min，上清液过0.22μm膜，后置于截留分子量为2000Da的透析袋中透析60h，经冷冻干燥得碳点粉末。将碳点粉末溶于水，测其量子化产率为25.89％。
实施例6
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法。
称取于40℃烘箱低温烘干的脱脂米糠1g，加入40mL去离子水，0.357g的脒基硫脲超声混合均匀；再将混合溶液置于50mL的反应釜中于200℃的烘箱中反应8h；将反应冷却后的溶液于6000rpm下离心10min，上清液过0.22μm膜，后置于截留分子量为2000Da的透析袋中透析60h，经冷冻干燥得碳点粉末。将碳点粉末溶于水，测其量子化产率为20.68％。
实施例7
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末及其制备方法。
称取于50℃烘箱低温烘干的脱脂米糠1g，加入40mL去离子水，0.378g的三聚氰胺，超声混合均匀；再将混合溶液置于50mL的反应釜中于190℃的烘箱中反应12h；将反应冷却后的溶液于5000rpm下离心10min，上清液过0.22μm膜，后置于截留分子量为1000Da的透析袋中透析48h，经冷冻干燥得碳点粉末。将碳点粉末溶于水，测其量子化产率为32.44％。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，未掺杂氮元素。
在该条件下，制备得到的碳点荧光强度较弱，该碳点制备条件下碳点的量子化产率为0.73％。
实施例及对比例的效果汇总于表1。
表1实施例及对比例结果汇总
Figure BDA0002972509930000071
荧光量子化产率体现发光能力的强弱，是评价碳点荧光强度的重要指标，本发明中氮源分子中氮含量越高，掺杂制备得到的碳点量子化产率也越高，而未掺杂的对照碳点较氮掺杂碳点量子化产率会低很多，并且量子化产率与掺杂的氮含量呈现正相关。实施例1～7的碳点随着掺杂氮源分子中氮含量的提高，其量子化产率相应逐步升高，从0.73％提升至32.44％，相应的荧光强度也逐步增强。对比例1与实施例7相比，未掺杂氮元素，量子化产率远低于实施案例1。
实施例8
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末在硝基咪唑类药物检测中的应用。
将实施例1制备的乙二胺掺杂的脱脂米糠荧光碳点250μL加入至2.5mL Tris-HCl缓冲液中(20mM，pH 7.0)，分别加入10μL不同浓度的甲硝唑标准溶液，以373nm为激发波长，测定其荧光光谱，如图2、3所示，随着甲硝唑标准溶液浓度的增大，乙二胺掺杂的脱脂米糠碳点的荧光强度逐渐降低，如图3所示，荧光强度的变化与甲硝唑的浓度在一定区间内呈线性关系，F0表示未加入甲硝唑时碳点的荧光强度，F表示加入甲硝唑时碳点的荧光强度，甲硝唑的检测限为7.3nM。通过线性拟合得到了回归方程为：F0/F＝-0.0432x+0.9855(R2＝0.9938)，线性范围为：0.028-12μM，表明氮掺杂脱脂米糠碳点在测定甲硝唑时具有较好的灵敏度。
图2、3示出了本发明实施例1所得碳点粉末对甲硝唑响应的工作曲线，其中，2为加入不同浓度甲硝唑后乙二胺掺杂脱脂米糠碳点的荧光光谱图(图中甲硝唑的浓度从上至下分别为：0.028、0.036、0.072、1.0、2.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、12.0uM)；3为该碳点的荧光强度变化(F0/F)与甲硝唑浓度的线性关系(浓度与图2相对应)。
实施例9
本实施例提供一种高荧光性能碳点粉末在硝基咪唑类药物检测中的应用。
将实施例1制备的乙二胺掺杂的脱脂米糠荧光碳点250μL加入至2.5mL Tris-HCl缓冲液中(20mM，pH 9.0)，分别加入10μL不同浓度的替硝唑标准溶液，以373nm为激发波长，测定其荧光光谱，如图4、5所示，随着替硝唑标准溶液浓度的增大，乙二胺掺杂的脱脂米糠碳点的荧光强度逐渐降低，如图5所示，荧光强度的变化与替硝唑的浓度在一定区间内呈线性关系，F0表示未加入替硝唑时碳点的荧光强度，F表示加入替硝唑时碳点的荧光强度，替硝唑的检测限为11.5nM。通过线性拟合得到了回归方程为：F0/F＝-0.0182x+0.9688(R2＝0.9969)，线性范围为：0.36-27.5μM，表明氮掺杂脱脂米糠碳点在测定替硝唑时灵敏度也较好。
图4、5示出了本发明实施例1所得碳点粉末对替硝唑响应的工作曲线，其中，4为加入不同浓度替硝唑后乙二胺掺杂脱脂米糠碳点的荧光光谱图(图中替硝唑的浓度从上至下分别为：0.36、0.72、1.0、2.0、3.0、5.0、7.5、10、12.5、15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5uM)；5为该碳点的荧光强度变化(F0/F)与替硝唑浓度的线性关系(浓度与图4相对应)。
对比例2
将实施例1制备的乙二胺掺杂的脱脂米糠荧光碳点250μL加入至2.5mL Tris-HCl缓冲液中(20mM，pH 7.4)，分别加入10μL 0.1mM的多巴胺、尿素、碱性氨基酸的标准溶液，以373nm为激发波长，测定其荧光光谱。发现加入上述物质的碳点荧光强度几乎无变化。说明该碳点对硝基咪唑类药物有很好的选择性。可用于硝基咪唑类药物的痕量测定。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种高荧光性能碳点粉末的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
将烘干后的脱脂米糠与去离子水、氮源混合均匀，在160-210℃下进行水热反应，然后将反应后的溶液经离心、上清液过膜、透析、冷冻干燥，得到所述碳点粉末。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
烘干的温度为40-60℃；
水热反应的时间为6-12h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
所述氮源选自羟基乙胺、1,3-二氨基-丙二醇、乙二胺、脒基脲、1,2,4-三唑-1-甲脒、脒基硫脲和三聚氰胺中的至少一种；
相对于1g烘干后的脱脂米糠，去离子水的的用量为10-50mL；
相对于1g烘干后的脱脂米糠，液体氮源的用量为0.1-0.5mL；
相对于1g烘干后的脱脂米糠，固体氮源的用量为0.1-0.5g。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
离心的转速为4000-8000rpm/min，离心的时间为10-20min；
上清液过0.22μm膜；
透析时透析袋的截留分子量为1000-3500Da，透析的时间为1-72h。
5.由权利要求1-4中任意一项所述的制备方法制备得到的高荧光性能碳点粉末。
6.权利要求所述5所述的碳点粉末在硝基咪唑类药物检测中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其中，所述硝基咪唑类药物选自甲硝唑、羟基甲硝唑、二甲硝唑、奥硝唑和替硝唑中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的应用，其中，硝基咪唑类药物检测的方法包括：
将碳点粉末与Tris-HCl缓冲液混合均匀，分别加入不同浓度的硝基咪唑类药物标准溶液，以373nm为相应的激发波长，于荧光分光光度计测定其荧光光谱。
9.根据权利要求8所述的应用，其中，所述缓冲液的pH为5.0-9.0，浓度为15-25mmol/L。
10.根据权利要求8所述的应用，其中，所述碳点粉末与硝基咪唑类药物标准溶液的体积比为1：10-30。
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