CN113916858A - 一种利用氮掺杂碳量子点荧光探针检测Cr6+的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种利用高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针检测Cr6+的方法，其特征在于，包括：准备高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针检测试剂；将待检测样品与Hg2+掩蔽剂混合加入至检测试剂中进行混合，并利用荧光强度检测仪测量混合溶液的荧光强度变化；当混合溶液的荧光强度变弱，待检测样品含有Cr6+；当所述混合溶液的荧光强度无变化，待检测样品不含有Cr6+。本发明通过肉眼观察或借助荧光分光光度计实现对Cr6+定性或定量检测，具有高特异性、高灵敏性、快速、操纵简单、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及化学技术领域，尤其是一种氮掺杂碳量子点荧光探针检测Cr6+的方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展，重金属污染越来越严重。其中，铬是一种被广泛应用于冶金、电镀、制革、颜料染料生产、塑料合成、陶瓷制备中的工业原料，是一种常见的重金属污染物。通常情况下，铬主要以两种价态(Cr3+、Cr6+)存在于自然界中。其中Cr3+虽是人体必需的微量元素，起到调节血糖中胰岛素含量、促进脂质和蛋白质代谢的功能，但过度摄入Cr3+会导致细胞成分(如脂质、蛋白质和DNA)的氧化性损伤，对人体健康造成危害。另外有研究表明，Cr6+的毒性至少是Cr3+的500-1000倍，由于其不可生物降解性和极高水溶性的特点，导致Cr6+会随着食物链的富集流向人类，对人体的肝脏、肾脏、生殖、神经、免疫系统产生致癌的作用。
传统检测Cr6+的方法有离子色谱法(IC)、紫外-可见分光光度法(UV-vis)、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(HPLC-ICP-MS)和离子色谱-电感耦合等离子体质谱法(IC-ICP-MS)。这些方法虽然能精确测定Cr6+的含量，但存在着检测设备昂贵、检测过程复杂且需要专业的人员操作的缺点，对于家庭诊断或现场规模检测仍具有一定的局限性。针对日益增长的Cr6+检测需求，迫切地需要建立一种灵敏度高、检出限低、检测时间短、操作简单、便携的检测技术，用于实时、快速检测环境中的Cr6+。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明创造的实施例提供一种高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针检测Cr6+的方法，包括：
准备高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针，作为检测试剂；
将待检测样品与Hg2+掩蔽剂混合加入至检测试剂中进行混合，并利用荧光强度检测仪测量混合溶液的荧光强度变化；
当混合溶液的荧光强度变弱，待检测样品含有Cr6+；
当所述混合溶液的荧光强度无变化，待检测样品不含有Cr6+。
进一步地，还包括：
S1、将Hg2+掩蔽剂加入到多个不同浓度的溶液中进行反应，取高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针至多个溶液中进行混合反应至少180s；
S2、利用荧光分光光度计测量370～690nm区间内的荧光发射光谱，取410-480nm处荧光强度变化值(A0-A1)/A0，其中，A0、A1分别是Cr6+加入高量子产率氮掺杂碳量子点前后的光强度值；
S3、确定荧光强度变化值(A0-A1)/A0与不同的Cr6+浓度之间的线性关系公式；
S4、获取待测浓度的Cr6+溶液，通过荧光分光光度计，测量光谱在410-480nm处，待测浓度Cr6+溶液在加入高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针前后的荧光强度，并计算加入前后荧光发射荧光强度的变化值；
S5、利用线性关系公式，通过测量待测浓度Cr6+溶液的荧光强度变化值((A0-A1)/A0)，计算得到待测浓度Cr6+溶液的Cr6+浓度值。
进一步地，Hg2+掩蔽剂与待测浓度的Cr6+溶液可按照体积比1：100～200进行混合。
进一步地，将Hg2+掩蔽剂与待测浓度Cr6+溶液的混合溶液与高量子产率氮掺杂碳量子点按照体积比30～60：1进行混合。
进一步地，高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针的制备方法为水热法，包括：
将含碳原料溶解于超纯水中，与含氮原料混合均匀，得到混合溶液；
将混合溶液移取至聚四氟乙烯高温高压反应签内衬中，烘箱加热反应，生成原始高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针；
将冷却后的原始高量子产率氨掺杂碳量子点荧光探针置于透析袋内，并浸于装有超纯水的烧杯中，避光旋转透析；
将透析袋内的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针用移液枪取出，对液体进行真空干燥浓缩后再冻干，生成棕黄色的固体高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针，溶解后使用。
进一步地，含碳原料为柠檬酸、柠檬酸钠、水杨酸、葡萄糖、抗坏血酸、胸苷中的至少一种。
进一步地，含氮原料为乙二胺、N,N'-双(2-氨基乙基)-1,2-乙二胺、二亚乙基三胺、甘氨酸、谷氨酸、氨基葡萄糖、氨水、间苯二胺中的至少一种。
进一步地，Hg2+掩蔽剂为硫氢化钠、L-半胱氨酸和2，3-二巯基丙磺酸钠中的至少一种。
进一步地，含碳原料和含氮原料的反应质量比为1:0.5～2。
优选地，含碳原料和含氮原料的反应质量比为1:0.92～2。
进一步地，透析袋的规格为300-1500D。
进一步地，制备的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针的粒径为1～10nm。
本发明实施例的有益效果是：与现有技术相比，本发明Cr6+的快速检测方法利用含有与Cr6+特异性识别的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针，在掩蔽剂的作用下，能够有效提高对Cr6+检测的稳定性和准确性。同时利用探针因荧光被猝灭而导致荧光强度发生变化的性质，可以实现对Cr6+的可视化快速定性和定量检测。基于该特性，本发明Cr6+的快速检测方法能够克服传统检测方法的存在的时效性差，专业性要求高，不适合现场检测和成本高的不足。另外，本发明Cr6+的快速检测方法灵敏度高，如对Cr6+检出限可低至77nmol/L。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的氮掺杂碳量子点荧光探针检测Cr6+的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的高量子产率氮掺杂碳量子点颗粒的TEM照片；
图3为本发明实施例提供的高量子产率氮掺杂碳量子点颗粒的粒径分布图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本实施例中，将高量子产率的氮掺杂碳量子点作为荧光探针特异性识别Cr6+，在掩蔽剂的作用下，高选择性进行Cr6+的荧光检测；当待测物中含有目标物离子时，目标物离子会被碳量子点识别，通过内滤光效应，目标物离子会猝灭碳量子点的荧光，从而实现对目标物离子的检测；当待测物中不含有目标物时，碳量子点的荧光不会被猝灭。当待测物中含有目标物时，碳量子点的荧光猝灭程度会随目标离子浓度的改变而变化，目标物浓度变大时，荧光猝灭程度变大，荧光变弱，通过测定溶液在370-690nm的荧光发射光谱，找到荧光发射强度与目标离子浓度之间的线性关系，即可实现对目标物Cr6+的定量检测。
在定量检测时，可以借助荧光分光光度计，找到荧光猝灭强度与Cr6+浓度之间的线性关系，实现对Cr6+的定量测定。当待测物中不含Cr6+时，高量子产率氮掺杂碳量子点的荧光保持不变；当待测物中含有Cr6+时，高量子产率氮掺杂碳量子点的荧光强度被猝灭，且Cr6 +浓度越高，荧光猝灭程度越高，对应的荧光越弱。
本发明的优点是：合成的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针能够在掩蔽剂的作用下，高特异性识别Cr6+；合成高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针的原料可以通过人工合成，不需要动物或细胞的培养，合成周期短、成本低，稳定性好，批次间差异小，可长期保存等优点。Cr6+可以通过内滤光效应，高灵敏度地猝灭高量子产率氮掺杂碳量子点的荧光，在掩蔽剂的作用下实现对Cr6+的可视化定性或定量测定；本发明成功将Hg2+的掩蔽剂应用到检测方法当中，并成功实现了高效掩蔽Hg2+，实现了对Cr6+的高选择性、高灵敏度检测；合成的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针易于制备和保存，检测时间短，约180s，实现了对Cr6+的可视化、快速地定量和定性检测。
本发明实施例，制备高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针所含的含碳原料可以为柠檬酸、柠檬酸钠、水杨酸、葡萄糖、抗坏血酸、胸苷中的至少一种，含氮原料可以为乙二胺、N,N'-双(2-氨基乙基)-1,2-乙二胺、二亚乙基三胺、甘氨酸、谷氨酸、氨基葡萄糖、氨水、间苯二胺中的至少一种。
优选为柠檬酸和乙二胺，选用该优选的合成原料能够合成高量子产率的氮掺杂碳量子点，增加高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针结构的稳定性；除了能够合成高量子产率的氮掺杂碳量子点之外，与Cr6+能发生特异性结合，使得荧光发生猝灭；该合成原料可人工合成，不需要动物或细胞的培养，便于化学修饰，合成周期短、成本低，稳定性好，批次间差异小，可长期保存等优点。
本发明实施例，高量子产率氮掺杂碳量子点的粒径优选为4±0.5nm。该范围的高量子产率氮掺杂碳量子点形貌规则，性能稳定。
相应地，本发明实施例还提供了上文高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针的制备方法。该高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针制备方法包括如下步骤：
步骤S01：将柠檬酸溶液和乙二胺溶液混合处理，形成水热前反应溶液；
步骤S02：将所述混合溶液移取至聚四氟乙烯高温高压反应釜内衬中，烘箱加热反应，生成原始高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针；
步骤S03：将冷却后的原始高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针置于透析袋内，并浸于装有超纯水的烧杯中，避光旋转透析；
步骤S04：将透析袋内的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针用移液枪取出，对液体进行真空干燥浓缩后再冻干，生成棕黄色的固体高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针，溶解后使用。
如图2和图3为高量子产率氮掺杂碳量子点颗粒的TEM照片和粒径分布图。
在上述实施例中，所述柠檬酸的质量为0.8-1.2g，乙二胺为1.1-1.6mL，将两者溶于10-30mL的超纯水中，混合均匀。反应用的反应釜容积是混合溶液体积的1.5倍以上即可。所用透析袋的规格在300-1500D即可，使用透析袋的目的是为更好地过滤掉未反应的大颗粒原料，使量子点的尺寸更加均一，荧光性能更加稳定。
本发明实施例提供一种定量测量Cr6+的方法。
取3-6μL的掩蔽剂加入到480-530μL不同浓度的Cr6+溶液当中先反应，随后取8-15μL高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针加入到上述混合溶液中反应约180-240s。可以观察到荧光被猝灭且伴随着荧光强度的变化。并通过荧光分光光度计获得370nm-690nm区间的发射光谱，测得荧光强度变化值(A0-A1)/A0，A0、A1分别是Cr6+加入高量子产率氮掺杂碳量子点前后的光强度值，并找到荧光强度变化值(A0-A1)/A0与Cr6+浓度之间的线性关系，计算得到检出限低至77nM。获取待测浓度的Cr6+溶液，向其加入Hg2+掩蔽剂后混合，通过荧光分光光度计测量混合溶液在加入高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探前后的荧光强度，并计算加入前后荧光发射强度的变化值(A0-A1)/A0；利用线性关系公式，通过待测浓度的Cr6+溶液的荧光强度变化值，计算得到待测浓度的Cr6+溶液的Cr6+浓度值。
本发明实施例还提供一种实际水样中Hg2+的加标回收率测定方法。
1、实际样品预处理：自来水水样在使用之前，先煮沸5-10min以去除水中多余的氯，然后静置待用。河水水样取回后，首先煮沸5-10min，以消除水中可能存在的微生物，可以观察到冷却后的河水有杂质沉淀生成(可能是不溶于水的大颗粒杂质和灭活的微生物沉淀)；然后，移取上层清液，并置于高速离心机离心30-60min；最后，将离心后的上清液用水相微孔膜过滤器过滤得到实验用的河水。
2、利用本发明方法测定样品中Cr6+的含量，实验步骤同上述实施例，结果见表1。
3、以步骤2得到的Cr6+浓度数据为本底值，向其中加入不同浓度的Cr6+，同样利用本发明方法再次检测Cr6+含量，得到检测值。回收率％＝(检测值-本低值)/添加量×100％。从表1数据可以看到河水和自来水中Cr6+回收率分别在90％～103％、99％～103％，相对标准偏差(RSD)分别为2％-8％、2％-6％，说明本方法稳定，灵敏，准确，具有进一步用于检测实际样品中Cr6+的潜力。
表1：河水和自来水实际样品中Cr6+的加标回收率测定
现有技术公开了一种用氮掺杂碳点检测洁净水中汞离子的方法，该方案中，将氮掺杂碳点与磷酸盐缓冲溶液和待测的洁净水混合，并在荧光光谱仪的检测暗室中由荧光光源照射混合液进行检测，其中，荧光激发波长360nm,发射波长范围370-700nm,激发和发射狭缝2nm,通过对洁净水磷酸盐混合液进行扫描、比对，用纵横坐标对应法得出光谱曲线数值，从而分析汞离子的含量。然而，本方案与现有技术所采用的方案不同，检测的离子也不同，本方案在检测时是将待测样品与Hg2+掩蔽剂和氮掺杂碳量子点荧光探针混合，并利用荧光强度检测仪测量混合溶液的荧光强度变化来检测是否存在Cr6+,当混合溶液的荧光强度变弱，待检测样品含有Cr6+,当混合溶液的荧光强度无变化，待检测样品不含有Cr6+,该方案与现有技术的方案利用的原理是不同的，本方案利用探针因荧光被猝灭而导致荧光强度发生变化的性质，可以实现对Cr6+的可视化快速定性测量，方便快捷，此外，通过绘制荧光强度变化与Cr6+浓度的线性关系曲线，还可实现定量测量。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针检测Cr6+的方法，其特征在于，包括：
准备高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针检测试剂；
将待检测样品与Hg2+掩蔽剂混合加入至检测试剂中进行混合，并利用荧光强度检测仪测量混合溶液的荧光强度变化；
当混合溶液的荧光强度变弱，待检测样品含有Cr6+；
当所述混合溶液的荧光强度无变化，待检测样品不含有Cr6+。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
S1、将Hg2+掩蔽剂加入到多个不同浓度的溶液中进行反应，取高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针至多个溶液中进行混合反应至少180s；
S2、利用荧光分光光度计测量370～690nm区间内的荧光发射光谱，取410-480nm处荧光强度变化值(A0-A1)/A0，其中，A0、A1分别是Cr6+加入高量子产率氮掺杂碳量子点前后的荧光强度值；
S3、确定荧光强度变化值(A0-A1)/A0与不同的Cr6+浓度之间的线性关系公式；
S4、获取待测浓度的Cr6+溶液，通过使用荧光分光光度计，测量光谱在410-480处，待测浓度的Cr6+溶液在加入高亮度氮掺杂碳量子点荧光探针前后的荧光强度，并计算加入前后荧光发射荧光强度的变化值；
S5、利用线性关系公式，通过测量待测浓度Cr6+溶液的荧光强度变化值((A0-A1)/A0)，计算得到待测浓度Cr6+溶液的浓度值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Hg2+掩蔽剂与待测浓度的Cr6+溶液按照体积比1:100～200进行混合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针的制备方法为水热法，包括：
将含碳原料溶解于超纯水中，与含氮原料混合均匀，得到混合溶液；
将混合溶液移取至聚四氟乙烯高温高压反应签内衬中，烘箱加热反应，生成原始高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针；
将冷却后的原始高量子产率氨掺杂碳量子点荧光探针置于透析袋内，并浸于装有超纯水的烧杯中，避光旋转透析；
将透析袋内的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针液体进行真空干燥浓缩后再冻干，生成棕黄色的固体高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针，溶解后使用。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，含碳原料为柠檬酸、柠檬酸钠、水杨酸、葡萄糖、抗坏血酸、胸苷中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，含氮原料为乙二胺、N,N'-双(2-氨基乙基)-1,2-乙二胺、二亚乙基三胺、甘氨酸、谷氨酸、氨基葡萄糖、氨水、间苯二胺中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Hg2+掩蔽剂为硫氢化钠、L-半胱氨酸和2，3-二巯基丙磺酸钠中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，含碳原料和含氮原料的反应质量比为1:0.5-2。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，透析袋的规格为300-1500D。
10.根据权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，制备的高量子产率氮掺杂碳量子点荧光探针的粒径为1～10nm。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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