CN113155803A - 基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，以合成的红色荧光碳点为参比信号，亮蓝色荧光碳点为响应信号，用于汞离子的选择性识别。当两种荧光碳点作为比率荧光探针时，参比信号的红色碳点荧光基本保持不变，而作为响应信号的亮蓝色荧光碳点的荧光强度会随着汞离子浓度的增加而逐渐降低。本发明合成的汞离子新型比率荧光探针制备过程简单、成本低、环境友好，且对环境样品中残留的痕量汞离子的检测具有高灵敏度和准确度，在汞离子的分析检测领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于荧光碳点纳米材料的合成及重金属离子的检测识别技术领域，具体涉及基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用。
背景技术
随着工业化的发展，重金属离子的危害日益突出。汞离子具有高毒性、稳定性、可溶性、难降解和易富集等特点，是危害性极大的重金属环境污染物之一。汞离子能以稳定的无机盐形式存在于自然环境中，因其在生物体内难以降解，环境中存在的痕量汞离子易通过食物链在生物体内富集，对肾脏、消化系统、免疫系统、中枢神经系统有直接或间接的毒害作用。汞离子在全球许多地区的自然水体、土壤等环境介质中和动植物体内均已被检出，其对生态环境和人体健康的威胁引起了人们的广泛关注。目前，检测汞离子的方法有电感耦合等离子体质谱法、原子吸收光谱法和原子发射光谱法等。然而，这些方法的应用往往受到仪器成本高、操作复杂和检测周期长等方面的限制。因此，开发简便、快速、高效、经济的汞离子检测方法尤为必要。
荧光分析法具有灵敏度高、检测速率快、操作简单等优点，是最具发展前景的方法之一。碳点作为一种新兴的碳纳米材料，具有荧光稳定性强、生物相容性好和环境友好等特性，可作为高性能荧光探针，实现目标物的高灵敏度检测分析。先前报道的汞离子荧光探针多为单一荧光淬灭模式，其检测结果易受外界环境和仪器条件干扰，影响其测定结果的准确性。针对以上存在问题，本发明旨在提供一种用于检测汞离子的比率荧光分析法。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，本发明制得了具有蓝色荧光和红色荧光的碳点，其稳定性好、检测速率快、灵敏度高，且对汞离子具有高选择性识别的性能。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，其特征在于具体过程为：将盐酸胍、柠檬酸和丙烯酰胺在碱性条件下于180℃水热反应合成亮蓝色荧光碳点；将柠檬酸、内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩和乙二胺于200℃反应合成红色荧光碳点；将亮蓝色荧光碳点与红色荧光碳点作为比率荧光探针时，红色荧光碳点的荧光强度为参比信号，亮蓝色荧光碳点的荧光强度为响应信号，该比率荧光探针对汞离子具有特异性识别作用，能够用于高灵敏度识别环境样品中的痕量汞离子。
本发明所述的基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，其特征在于具体步骤为：在高温反应釜中加入盐酸胍、柠檬酸、丙烯酰胺和氢氧化钠水溶液，再于180℃水热反应1-7 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析分离提纯后，收集透析袋内液体干燥得亮蓝色荧光碳点粉末，并将其分散于水中在4℃下低温保存；在高温反应釜中加入柠檬酸、内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、乙二胺和水，再于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22μm滤膜并透析提纯后，收集透析袋内液体干燥得红色荧光碳点粉末，并将其分散于水中在4℃下低温保存。
本发明所述的基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，其特征在于具体步骤为：在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10 mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应3 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h，纯化后的亮蓝色碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成浓度为0.2 mg mL-1的亮蓝色荧光碳点溶液b-CDs，于4℃保存备用；在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋透析提纯，冷冻干燥成粉末，再配成浓度为0.5 mg mL-1的红色荧光碳点溶液r-CDs，于4℃保存备用；所述比率型荧光探针由80 μL b-CDs和100 μL r-CDs混合所得，依次将80 μL b-CDs、100 μL r-CDs和各种浓度的Hg2+溶液加入到离心管中，用纯水稀释混合溶液至2 mL，在室温下反应2 min，于360 nm的激发波长和10 nm的激发、发射狭缝下测定其荧光强度，得其线性范围为0.05-7 nmol mL-1，检出限为0.028 nmol mL-1。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
1.本发明首次提出基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，制备过程简单、成本低廉、操作方便；
2.本发明制得的荧光碳点稳定性好、检测速率快、灵敏度高，且对汞离子具有高选择性识别性能；
3.本发明采用不同荧光的碳点作为比率荧光探针，能够用于实际环境样品中痕量汞离子的高效灵敏检测分析。
附图说明
图1是实施例3制得比率荧光探针在不同pH下的荧光强度图；
图2是实施例3制得比率荧光探针在不同pH下汞离子对其的荧光淬灭效果图；
图3是实施例3制得比率荧光探针在室温下对汞离子的荧光响应线性变化曲线；
图4是实施例3制得比率荧光探针在重金属离子中对汞离子的选择性识别检测图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应1 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h（MWCO：100-500），纯化后的亮蓝色荧光碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成亮蓝色荧光碳点溶液（b-CDs，0.2 mg mL-1）于4℃保存备用。在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋（MWCO：500-1000）透析提纯，冷冻干燥得红色荧光碳点粉末（r-CDs，0.5 mg mL-1）。
实施例2
在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应2 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h（MWCO：100-500），纯化后的亮蓝色荧光碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成亮蓝色荧光碳点溶液（b-CDs，0.2 mg mL-1）于4℃保存备用。在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋（MWCO：500-1000）透析提纯，冷冻干燥得红色荧光碳点粉末（r-CDs，0.5 mg mL-1）。
实施例3
在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应3 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h（MWCO：100-500），纯化后的亮蓝色荧光碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成亮蓝色荧光碳点溶液（b-CDs，0.2 mg mL-1）于4℃保存。在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋（MWCO：500-1000）透析提纯，冷冻干燥得红色荧光碳点粉末（r-CDs，0.5 mg mL-1）。
实施例4
在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应4 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h（MWCO：100-500），纯化后的亮蓝色荧光碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成亮蓝色荧光碳点溶液（b-CDs，0.2 mg mL-1）于4℃保存备用。在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋（MWCO：500-1000）透析提纯，冷冻干燥得红色荧光碳点粉末（r-CDs，0.5 mg mL-1）。
实施例5
在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应5 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h（MWCO：100-500），纯化后的亮蓝色荧光碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成亮蓝色荧光碳点溶液（b-CDs，0.2 mg mL-1）于4℃保存备用。在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋（MWCO：500-1000）透析提纯，冷冻干燥得红色荧光碳点粉末（r-CDs，0.5 mg mL-1）。
实施例6
在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应7 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h（MWCO：100-500），纯化后的亮蓝色荧光碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成亮蓝色荧光碳点溶液（b-CDs，0.2 mg mL-1）于4℃保存备用。在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋（MWCO：500-1000）透析提纯，冷冻干燥得红色荧光碳点粉末（r-CDs，0.5 mg mL-1）。
实施例7
各取80 μL实施例1-6中制得的亮蓝色荧光碳点溶液（b-CDs）和100 μL实施例1-6中制得的红色荧光碳点溶液（r-CDs），然后加入10 μL 0.1 μmol mL-1汞离子水溶液，于室温下分别充分混合反应2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后，在荧光分光光度计上测得荧光强度后计算相应的荧光响应值ΔF447/F650（其中ΔF447为汞离子加入前后比率荧光探针在447 nm处的荧光强度变化差值，即F447-F´447）。分析结果发现，实施例3所制得的比率荧光探针对汞离子的识别检测具有更高的灵敏度和准确性，最佳反应时间为2 min。
实施例8
各取80 μL实施例3中制得的b-CDs和100 μL实施例3中制得的r-CDs，然后分别加入到pH为1-14的水溶液中，于室温下充分混合反应2 min，通过荧光分光光度计测定。结果如图1所示，该比率荧光探针的荧光强度在pH为5-12之间基本保持不变，表明制备的比率荧光探针具有一定的耐酸碱性。
实施例9
取80 μL实施例3中制得的b-CDs和100 μL实施例3中制得的r-CDs，然后分别加入到pH为5-12的汞离子水溶液中，于室温下充分混合反应2 min，通过荧光分光光度计测定。结果如图2所示，汞离子对该比率荧光探针的荧光淬灭率在pH为7时淬灭效果最佳。
实施例10
取80 μL实施例3中制得的b-CDs和100 μL实施例3中制得的r-CDs，然后分别加入到0-9 nmol mL-1的汞离子水溶液中，于室温下充分混合反应2 min，通过荧光分光光度计测定。结果如图3所示，比率荧光探针的ΔF447/F650随汞离子浓度的升高而变大，并且在0.05-7nmol mL-1浓度范围内，比率荧光探针的ΔF447/F650与汞离子浓度呈线性相关关系，计算得检出限为0.028 nmol mL-1。
实施例11
取80 μL实施例3中制得的b-CDs和100 μL实施例3中制得的r-CDs，然后分别加入浓度为1.5 nmol mL-1 Fe3+、Fe2+和Cu2+ 和2.5 nmol mL-1 Cr6+、Pb2+、Cd2+、Cr3+、Co2+、Mg2+、Ni2 +、Ca2+、Mn2+、Zn2+、Ba2+、Na+、K+、Ag+的水溶液，于室温下充分混合反应2 min，在荧光分光光度计上测得荧光强度后计算相应的荧光响应值ΔF447/F650。结果表明，0.5 nmol mL-1汞离子对比率探针的ΔF447/F650为0.60，而其它金属离子则无明显的淬灭作用。结果如图4所示，表明制得的比率荧光探针对汞离子具有很强的特异性识别性能。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (3)
1.基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，其特征在于具体过程为：将盐酸胍、柠檬酸和丙烯酰胺在碱性条件下于180℃水热反应合成亮蓝色荧光碳点；将柠檬酸、内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩和乙二胺于200℃反应合成红色荧光碳点；将亮蓝色荧光碳点与红色荧光碳点作为比率荧光探针时，红色荧光碳点的荧光强度为参比信号，亮蓝色荧光碳点的荧光强度为响应信号，该比率荧光探针对汞离子具有特异性识别作用，能够用于高灵敏度识别环境样品中的痕量汞离子。
2.根据权利要求1所述的基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，其特征在于具体步骤为：在高温反应釜中加入盐酸胍、柠檬酸、丙烯酰胺和氢氧化钠水溶液，再于180℃水热反应1-7 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析分离提纯后，收集透析袋内液体干燥得亮蓝色荧光碳点粉末，并将其分散于水中在4℃下低温保存；在高温反应釜中加入柠檬酸、内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、乙二胺和水，再于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析提纯后，收集透析袋内液体干燥得红色荧光碳点粉末，并将其分散于水中在4℃下低温保存。
3.根据权利要求1所述的基于新型碳点的比率荧光探针合成及对汞离子的检测应用，其特征在于具体步骤为：在高温反应釜中加入0.48 g盐酸胍、0.0875 g柠檬酸、0.1 g丙烯酰胺和10 mL 10 mg mL-1氢氧化钠水溶液，于180℃水热反应3 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析24 h，纯化后的亮蓝色碳点水溶液于70℃下干燥成粉末，并配成浓度为0.2 mg mL-1的亮蓝色荧光碳点溶液b-CDs，于4℃保存备用；在高温反应釜中加入0.0480 g柠檬酸、0.0395 g内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩、300 µL乙二胺和10 mL水，于200℃水热反应12 h，所得产物过0.22 μm滤膜并透析袋透析提纯，冷冻干燥成粉末，再配成浓度为0.5 mg mL-1的红色荧光碳点溶液r-CDs，于4℃保存备用；所述比率型荧光探针由80 μL b-CDs和100 μLr-CDs混合所得，依次将80 μL b-CDs、100 μL r-CDs和各种浓度的Hg2+溶液加入到离心管中，用纯水稀释混合溶液至2 mL，在室温下反应2 min，于360 nm的激发波长和10 nm的激发、发射狭缝下测定其荧光强度，得其线性范围为0.05-7 nmol mL-1，检出限为0.028 nmolmL-1。
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