CN114958360B - 一种氮硫双掺杂碳量子点的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮硫双掺杂碳量子点的制备方法及应用。氮硫双掺杂碳量子点制备方法包括以下步骤：(1)L‑半胱氨酸、α‑甲基丙烯酸溶解水中，得到混合液；(2)将混合液加热；(3)将步骤2)中加热后得到产物冷却、过滤，真空冷冻干燥，得到氮硫双掺杂碳量子点，即N,S‑CQDs。本发明具有较高荧光强度，原料来源广泛且低廉。可用于荧光探针生物传感器检测水中H₂S和Fe³⁺的浓度，还可作为pH、温度指示器。合成的荧光碳量子点探针具有检测快速，灵敏等优点。

Description

一种氮硫双掺杂碳量子点的制备方法及应用

技术领域

本发明属于荧光材料制备技术领域，尤其涉及一种氮硫双掺杂碳量子点的制备方法及应用。

背景技术

随着世界快速发展，经济水平的不断提高，人类生活的环境也在不断恶化，因此人类对健康越来越重视，并且微量元素和活性硫物质在人生理活动中起着重要作用。例如：铁离子,铜离子，CO和H₂S等。其中，硫化氢(H₂S)和Fe³⁺可能是最具吸引力的。近年来，H₂S已被确认为仅次于CO和NO之后的第三种内源性气体递质，在生物体系还具有调节细胞内的氧化还原状态和基本信号的作用，包括神经传递、心脏保护、炎症控制和胰岛素分泌。但是当人体内H₂S水平的过量或过低会导致严重的疾病，如阿尔茨海默病、肝硬化，唐氏综合症和糖尿病。与此同时，Fe³⁺作为一种生物辅助因子，广泛存在于生物体内，是人体必需的营养素和微量元素之一，在临床和许多生理过程中起着至关重要的作用。与硫化氢类似，当体内铁含量过量或者缺乏时，通常会导致多种疾病的产生，如贫血症、心力衰竭，智力下降，血色病、糖尿病和肝硬化等。

目前检测活性硫物质方法主要有：比色法，气相色谱，质谱，电化学等，Fe³⁺的检测方法主要有：要有电感耦合等离子体质谱法和火焰原子吸收光谱法等，然而，这些方法不仅昂贵，费时费力，操作过程复杂以及对人员要求更高等缺点。因此，近年来，许多研究者尝试利用荧光分析法通过在样品中使用荧光探针以及分析物来检测Fe³⁺和H₂S。

碳量子点(CQDs)作为荧光探针，是一类新型荧光碳纳米材料,尺寸小于20nm，具有水溶性好、价格低廉等优点。这些优点使碳量子点在许多领域有着广泛的应用，如细胞成像,荧光传感等研究领域。目前，已有的碳量子点在金属离子和活性硫物质的检测领域存在检测灵敏度不高、吸附选择性不佳等缺点。

因此，针对Fe³⁺和H₂S过多或过少引起的疾病，开发新的荧光碳量子点及其制备方法，可以实现对人体内Fe³⁺和H₂S快速有效的检测，对临床诊断具有重要意义。

发明内容

鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种氮硫双掺杂碳量子点的制备方法及应用。本发明提供氮硫双掺杂碳量子点具有较高荧光强度，原料来源广泛且低廉。合成的荧光碳量子点具有检测快速，灵敏等优点。可作为荧光探针生物传感器检测水中H₂S和Fe³⁺的浓度，还可作为pH,温度指示器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种氮硫双掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)L-半胱氨酸、α-甲基丙烯酸溶解水中，得到混合液；

(2)将混合液加热；

(3)将步骤2)中加热后得到产物冷却、过滤，得到氮硫双掺杂碳量子点，即N,S-CQDs。

采用上述方案的有益效果包括：本发明提供的氮硫双掺杂碳量子点掺杂有氮、硫杂原子提高了荧光性能，具有检测灵敏度高、吸附选择好、检测快速、性能稳定、信号响应强等优点。可以作为氮硫双掺杂碳量子点荧光探针(N,S-CQDs荧光探针)使用，也可以进一步制备荧光探针。可以用于荧光探针生物传感器检测水中H₂S和Fe³⁺的浓度，还可作为pH,温度指示器。且该制备方法原料来源广泛且低廉，制备过程简便、易操作。

进一步，步骤(1)中，水为超纯水，所述的L-半胱氨酸，α-甲基丙烯酸及超纯水的投料比为(12.1-24.2)mg:(0.4-0.8)mL:(10-20)mL，优选地，L-半胱氨酸，α-甲基丙烯酸及超纯水的投料比为24.2mg:0.8mL:20mL；混合采用的方法包括涡旋60秒；

和/或步骤(2)中将混合液加入聚四氟乙烯内胆高压反应釜中加热；

和/或步骤(2)中，所述的加热条件为在160-220℃，加热时间为8-12h；

和/或步骤(3)中，过滤后还包括干燥的步骤，得到固体的氮硫双掺杂碳量子点。

采用上述方案的有益效果包括：

步骤(1)中，选择合适的投料比可以提高N,S-CQDs的荧光量子产率，当L-半胱氨酸，α-甲基丙烯酸及超纯水的投料比为24.2mg:0.8mL:20mL的配比可以进一步提高N,S-CQDs的荧光量子产率。

步骤(2)中反应中的温度为160-200℃，持续时间为8-12h，在反应釜中加热的目的是选择最佳荧光强度，过高或过低都能导致荧光强度变弱。当温度为160-200℃效果佳，优选180-200℃，加热时间低于8h或高于12h会降低N,S-CQDs的荧光量子产率。因此，合适的反应温度和时间有利于获得较高的荧光强度的条件，进而使N,S-CQDs获得较高的荧光量子产率。

进一步，步骤(3)中，将步骤2)中加热后得到产物冷却至室温后，用0.22μm滤膜过滤，将过滤后所得产物在真空-80℃冷冻干燥12-48h，可以得到固体的氮硫双掺杂碳量子点。

采用上述方案的有益效果包括：采用0.22μm微孔滤膜可以除去溶液中大分子杂质，在真空(-80℃)冷冻干燥12-48h，有利于获得具有较好的发光性质的N,S-CQDs固体。

本发明提供一种Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针的制备方法，包括以下步骤：将N,S-CQDs溶液与铁源混合得到Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。

采用上述方案的有益效果包括：

Fe³⁺的加入使得N,S-CQDs的荧光淬灭，最终得到水溶性且无荧光的Fe³⁺/N,S-CQDs，并且荧光强度与Fe³⁺浓度一定范围内具有良好的线性关系，Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针在加入H₂S后荧光恢复，并且荧光强度与H₂S浓度在一定范围内具有良好的线性关系。

采用上述方法制备的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针具有检测灵敏度高、吸附选择好、检测快速等优点。

进一步，N,S-CQDs溶液中的氮硫双掺杂碳量子点可以采用上述制备方法制备。

进一步，所述的铁源为氯化铁；

和/或N,S-CQDs溶液与铁源的混合的方法包括以下步骤：将铁源与超纯水混合配制得到Fe³⁺浓度为1-10mM的溶液，再将该含铁溶液与N,S-CQDs溶液混合并涡旋60-180s，优选地，为60s，得到氮硫共掺杂碳量子点荧光探针，即Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针；所述的含铁溶液与N,S-CQDs溶液的混合体积比为1:1；

和/或N,S-CQDs溶液的配置方法包括以下步骤：将氮硫双掺杂碳量子点固体配制成N,S-CQDs溶液，其中溶剂为水；N,S-CQDs溶液中氮硫双掺杂碳量子点固体的浓度为5-15mg·mL^-1,优选地，9.8mg·mL^-1。

采用上述方案的有益效果包括：

N,S-CQDs溶液中氮硫双掺杂碳量子点固体的浓度为5-15mg·mL^-1，可以避免因浓度过低时荧光强度较低且用量较大的缺陷，也可以避免因浓度过高会增加后续实验中待测物用量较大的缺陷，浓度过低或过高都会增加测量的误差。当氮硫双掺杂碳量子点固体的浓度为9.8mg·mL^-1，效果更好。

所述的含铁溶液与N,S-CQDs溶液的混合体积比为1:1，有利于使原有的N,S-CQDs溶液荧光猝灭，当N,S-CQDs溶液体积过多时需要消耗过多铁源，当铁源过多时后续实验中需消耗过多的H₂S，因此体积比为1:1效果最好。

本发明提供上述制备方法制备的氮硫双掺杂碳量子点在(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)中一种或几种中的应用；

(1)检测H₂S；

(2)检测Fe³⁺；

(3)检测温度；

(4)检测pH；

(5)作为或制备荧光探针；

(6)检测金属离子选择性；优选地，所述金属可以包括Fe³⁺；

(7)检测含硫物质选择性；优选地，所述含硫物质可以包括可以产生H₂S的物质。

采用上述方案的有益效果包括：在进行应用时，本发明提供的氮硫双掺杂碳量子点具有检测灵敏度高、吸附选择好、检测快速、性能稳定、信号响应强等优点。

本发明提供的氮硫共掺杂碳量子点对Fe³⁺、H₂S在一定范围内都具有良好的选择性和灵敏性，而其他的金属离子或活性硫类物质对该检测体系干扰极小。因此，可以通过N,S-CQDs实现对Fe³⁺，pH及温度的有效检测，并在生物、医学等领域具有很好的应用价值和应用前景。

本发明提供上述制备方法制备的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针在H₂S检测中的应用。

采用上述方案的有益效果包括：在进行应用时，本发明提供的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针具有检测灵敏度高、吸附选择好、检测快速、性能稳定、信号响应强等优点。Fe³⁺/N,S-CQDs可以实现对H₂S的有效检测，在生物、医学等领域具有很好的应用价值和应用前景。

本发明提供一种对Fe³⁺浓度、温度、pH中一种或几种指标进行检测的方法，包括以下步骤：

S1，以含有N,S-CQDs的标准溶液的荧光强度为纵坐标，以检测指标为横坐标，绘制标准曲线；所述检测指标选自Fe³⁺浓度、温度、pH中一种或几种的组合；

S2，将N,S-CQDs溶液与未知溶液混合，制备待测液，检测待测液的荧光强度，结合标准曲线图，获得未知溶液的检测指标。

采用上述方案的有益效果包括：采用上述检测方法具有检测灵敏度高、吸附选择好、检测快速等优点。

所述N,S-CQDs可以通过上述的制备方法制备。

例如：将氮硫共掺杂碳量子点荧光探针用于检测溶液中pH，可以包括如下步骤：

S1，绘制pH标准曲线：将碳量子点荧光探针分别与多个不同浓度或不同用量的NaOH溶液混合并搅拌均匀，得到溶液pH范围为3-13(优选地，pH范围为3-12.94)的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与pH线性拟合，得到标准曲线图；

S2，未知溶液pH的检测：将碳量子点荧光探针与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液的pH。

将氮硫共掺杂碳量子点荧光探针用于检测溶液中温度，可以包括如下步骤：

S1，绘制温度标准曲线：将碳量子点荧光探针用超纯水稀释后分别在恒温振荡器中不同温度条件下孵育30min,得到溶液温度范围为27-87℃的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与温度线性拟合，得到标准曲线图；

S2，未知溶液温度的检测：将碳量子点荧光探针与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，分别在恒温振荡器中不同温度条件下孵育30min，得到待测液，测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液的温度。

将氮硫共掺杂碳量子点荧光探针用于对金属离子的选择性识别实验，可以包括如下步骤：

所合成的N,S-CQDs荧光探针对金属离子的选择性识别实验，在10mL的EP管中加入N,S-CQDs溶液300uL(9.8mg·mL-1)和300μM的一系列金属离子K⁺、Na⁺、Al³⁺、Cd²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，并测定各溶液的荧光性质。

将氮硫共掺杂碳量子点荧光探针用于检测水样中Fe³⁺，可以包括如下步骤：

S1，绘制Fe³⁺标准曲线：将荧光探针分别与多个不同浓度或不同用量的Fe³⁺溶液混合并涡旋均匀，之后用超纯水稀释，得到Fe³⁺浓度范围为0-250μM，250-500μM的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与Fe³⁺浓度线性拟合，得到标准曲线图；

S2，未知溶液中Fe³⁺浓度检测：将荧光探针与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液中Fe³⁺的浓度。

本发明提供一种H₂S浓度的检测的方法，包括以下步骤：

S1，绘制关于H₂S浓度的标准曲线：以标准溶液的荧光强度为纵坐标，以H₂S浓度为横坐标，绘制关于H₂S浓度的标准曲线，得到标准曲线图；标准溶液含有Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针和Na₂S；

S2，检测未知溶液中H₂S浓度：将Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针与未知溶液混合，制备待测液，检测待测液的荧光强度，结合标准曲线图，获得未知溶液中H₂S的浓度。

采用上述方案的有益效果包括：采用上述方案的有益效果包括：采用上述检测方法具有检测灵敏度高、吸附选择好、检测快速等优点。

所述Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针可以通过上述方法制备。

例如：将Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针用于检测水样中检测水样中H₂S，可以包括如下步骤：

S1，绘制H₂S标准曲线：将Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针分别与多个不同浓度或不同用量的Na₂S溶液混合并涡旋均匀，之后用超纯水稀释，得到H₂S浓度范围为0-900μM的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与H₂S浓度线性拟合，得到标准曲线图；

S2，未知溶液中H₂S浓度检测：将Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液中H₂S的浓度。

上述的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针可以采用上述的方法制备。

附图说明

图1为本发明中一种用于H₂S、Fe³⁺、温度、pH检测的氮硫共掺杂碳量子点荧光探针的制备原理及检测原理示意图。

图2为N,S-CQDs的透射电镜图。

图3为Fe³⁺、N,S-CQDs及Fe³⁺/N,S-CQDs的紫外吸收光谱图。

图4为N,S-CQDs不同pH下的荧光发射光谱图。

图5为N,S-CQDs不同pH下的荧光强度的关系图。

图6为N,S-CQDs不同温度下的荧光发射光谱图。

图7为N,S-CQDs不同温度下的荧光强度的关系图。

图8为不同金属离子对N,S-CQDs溶液荧光强度影响的对比图。

图9为不同Fe³⁺浓度下N,S-CQDs溶液的荧光发射谱图。

图10为不同Fe³⁺浓度与N,S-CQDs溶液荧光强度的关系图。

图11为不同硫物质对Fe³⁺/N,S-CQDs溶液荧光强度影响的对比图。

图12为不同H₂S浓度下Fe³⁺/N,S-CQDs的荧光发射谱图。

图13为不同H₂S浓度下Fe³⁺/N,S-CQDs溶液荧光强度的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围,任何在本发明权利要求保护范围内所做的有限次修改、仍在本发明的权利要求保护范围之内。

本发明提供一种氮硫共掺杂碳量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

(1)取L-半胱氨酸和α-甲基丙烯酸，溶解在超纯水中，涡旋，得到混合溶液。

(2)将步骤(1)中所得混合液加入聚四氟乙烯内胆高压反应釜中加热。

(3)将步骤(2)中加热后得到产物冷却至室温后，用0.22μm滤膜过滤，将过滤后所得产物在真空(-80℃)冷冻干燥，最终得到氮硫双掺杂碳量子点固体，即N,S-CQDs固体，放在0-6℃条件下低温保存备用，N,S-CQDs可以作为氮硫共掺杂碳量子点荧光探针(N,S-CQDs荧光探针)使用也可以再进一步制备其他荧光探针，例如制备Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。

(4)将步骤(3)中的N,S-CQDs固体加入超纯水配制成N,S-CQDs溶液备放在0-6℃下低温保存备用。

(5)将步骤(4)中N,S-CQDs溶液与铁源均匀混合，得到Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。

本发明中荧光分光光度计的参数可以设置为：扫描速度(1000nm/min)，激发带宽(10nm)，发射带宽(10nm)，增益(中，650V)。

进一步地，步骤(1)中，所述的L-半胱氨酸，α-甲基丙烯酸及超纯水的投料比为：(12.1-24.2)mg:(0.4-0.8)mL:(10-20)mL，优选地，投料比为24.2mg:0.8mL:20mL。其中该投料比的限定范围可以获得较高的N,S-CQDs的荧光量子产率。具体的，步骤(1)可以采取下面的操作：L-半胱氨酸(24.2mg)和α-甲基丙烯酸0.8mL，溶解在20mL超纯水中，涡旋60秒，得到混合溶液。

进一步地，步骤(2)中反应中的温度为160-220℃，持续时间为8-12h，其中，在反应釜中加热的目的是选择最佳荧光强度，过高或过低都能导致荧光强度变弱。优选地，180-200℃范围内效果更好。加热时间低于8h或高于12h会降低N,S-CQDs的荧光量子产率。因此，合适的反应温度和时间是获得较高的荧光强度的条件，进而使N,S-CQDs获得较高的荧光量子产率。

进一步地，步骤(3)中通过加热冷却至室温获得的溶液采用过滤，用0.22μm微孔滤膜除去溶液中大分子杂质，在真空(-80℃)冷冻干燥12-48h。在上述干燥条件下得到的N,S-CQDs固体具有较好的发光性质。

进一步地，步骤(4)中N,S-CQDs固体加入超纯水配制成浓度为(5-15mg·mL^-1)的N,S-CQDs溶液，原因是当浓度过低时荧光强度较低，且用量较大。浓度过高会增加后续实验中待测物用量较大，过低或过高都会增加测量的误差。

进一步地，步骤(5)中N,S-CQDs溶液与铁源体积比为1:1，得到Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。目的是使原有的N,S-CQDs溶液荧光猝灭，当N,S-CQDs溶液体积过多时需要消耗过多铁源，当铁源过多时后续实验中需消耗过多的H₂S，因此体积比为1:1效果最好。

进一步地，通过上述制备方法可制得氮硫双掺杂碳量子点荧光探针。

上述N,S-CQDs荧光探针可以在测定pH中的应用。

一种氮硫共掺杂碳量子点荧光探针的应用，当用于检测溶液中pH，可以采用下面的方法，包括如下步骤：

S1，绘制pH标准曲线：将N,S-CQDs荧光探针溶液分别与多个不同浓度或不同用量的NaOH溶液混合并搅拌均匀，得到溶液pH范围为3-13(优选地，pH范围为3-12.94)的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与pH线性拟合，得到标准曲线图；

S2，未知溶液pH的检测：将N,S-CQDs荧光探针溶液与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液的pH。

上述N,S-CQDs荧光探针可以在测定温度中应用。

S3，绘制温度标准曲线：将N,S-CQDs荧光探针用超纯水稀释后分别在恒温振荡器中不同温度条件下孵育30min,得到溶液温度范围为27-87℃的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与温度线性拟合，得到标准曲线图；

S4，未知溶液温度的检测：将N,S-CQDs荧光探针溶液与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，分别在恒温振荡器中不同温度条件下孵育30min，得到待测液，测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液的温度。

上述N,S-CQDs荧光探针可以在金属离子的选择性和用于水体中Fe³⁺检测。可以包括下述步骤：

所合成的N,S-CQDs荧光探针对金属离子的选择性识别实验，在10mL的EP管中加入N,S-CQDs溶液和一系列金属离子K⁺、Na⁺、Al³⁺、Cd²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺，体积比为1:1，并测定各溶液的荧光性质。

S5，绘制Fe³⁺标准曲线：将荧光探针分别与多个不同浓度或不同用量的Fe³⁺溶液混合并涡旋均匀，之后用超纯水稀释，得到Fe³⁺浓度范围为0-250μM，250-500μM的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与Fe³⁺浓度线性拟合，得到标准曲线图；

S6，未知溶液中Fe³⁺浓度检测：将荧光探针与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液中Fe³⁺的浓度。

上述Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针可以用于对含硫物质具有选择性和可以用于水体中H₂S检测，可以包括下述步骤：

Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针可以用于检测水体中含硫物质选择性识别实验，在10mL的EP管中首先加入Fe³⁺/N,S-CQDs溶液然后在添加一系列含硫化合物Na₂S,L-Hcy，SO₄ ^2--,GSH，S₂O₈ ^2--,体积比为2:3，并测定各溶液的荧光性质。

S7，绘制H₂S标准曲线：将Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针分别与多个不同浓度或不同用量的Na₂S溶液混合并涡旋均匀，之后用超纯水稀释，得到H₂S浓度范围为0-900μM的标准溶液，每个标准溶液都使用荧光分光光度计测试在激发波长为360-600nm下的荧光强度并记录，之后将荧光强度与H₂S浓度线性拟合，得到标准曲线图；

S8，未知溶液中H₂S浓度检测：将Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针与未知溶液混合，并用超纯水稀释，得到待测液，之后测定待测液的荧光强度并记录，结合标准曲线图，获得未知溶液中H₂S的浓度。

步骤S1及S8中，所述的荧光强度均为使用荧光分光光度计，在激发波长为360-650nm范围内(其中最佳激发波长为420nm)测定的荧光强度。

由于N,S-CQDs具有较高的荧光量子产率，使得N,S-CQDs固体及N,S-CQDs溶液在紫外灯(365nm)的激发下，均呈蓝色荧光，通过荧光分光光度计检测，两者的最佳激发波长均为λex＝346nm，最佳发射波长均为λem＝410nm；并且对于pH和温度具有指示器作用,而当Fe³⁺与N,S-CQDs溶液混合时，由于Fe³⁺的荧光淬灭能力，使得Fe³⁺/N,S-CQDs在紫外灯的激发下，无荧光，加入H₂S后，由于H₂S的还原性，使Fe³⁺还原为Fe²⁺，从而弱化Fe³⁺的荧光淬灭能力，致使N,S-CQDs的荧光强度回升，荧光恢复。在一定的浓度范围内，荧光强度与H₂S的浓度线性相关。本发明即是基于上述特性而提供的一种氮硫共掺杂碳量子点荧光探针及其制备方法与Fe³⁺，H₂S，pH及温度方面的应用，且该荧光探针对Fe³⁺，H₂S在一定范围内都具有良好的选择性和灵敏性，而其他的金属离子或活性硫类物质对该检测体系干扰极小。因此，可通过N,S-CQDs实现对Fe³⁺，pH及温度的有效检测，Fe³⁺/N,S-CQDs实现对H₂S的有效检测。并在生物、医学等领域具有很好的应用价值和应用前景。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明制得的碳量子点荧光探针原料来源广泛。

(2)本发明提供的碳量子点荧光探针制备过程简便、易操作、检测灵敏度高，产品性能稳定，信号响应强。

(3)荧光探针对Fe³⁺和H₂S表现出较强的选择性，可有效减少其他金属离子或活性硫物质对检测的干扰，使检测结果具有较高的可靠性。

(4)本发明的荧光探针包含蓝色荧光的N,S-CQDs，Fe³⁺的加入使得N,S-CQDs的荧光淬灭，最终得到水溶性且无荧光的Fe³⁺/N,S-CQDs；

(4)本发明中的N,S-CQDs在加入Fe³⁺后荧光猝灭，并且荧光强度与Fe³⁺浓度一定范围内具有良好的线性关系。

(6)本发明中的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针在加入H₂S后荧光恢复，并且荧光强度与H₂S浓度在一定范围内具有良好的线性关系。

(7)N,S-CQDs荧光探针可实现对Fe³⁺的有效检测，并可作为pH,温度指示器，而Fe^{3 +}/N,S-CQDs荧光探针可实现对H₂S的有效检测。在环境、生物和医学等领域具有很好的应用价值和应用前景。

实施例1

本发明的可用于H₂S、Fe³⁺、温度、pH检测的氮硫共掺杂碳量子点荧光探针的制备原理及检测原理示意图如图1所示。

制备水溶性的N,S-CQDs。

取多个50mL的离心管，将L-半胱氨酸(24.2mg)和α-甲基丙烯酸0.8mL，溶解在20mL超纯水中(ultra-pure water)，涡旋60秒。随后，置于100mL衬有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在160-200℃条件下持续加热8-12h，自然冷却至室温，得到溶液。将所得溶液，用0.22μm滤膜过滤，随后，将过滤后的溶液真空冷冻干燥(-80℃)12-48h，得到N,S-CQDs。取适当粉末分散在超纯水中配制浓度为9.8mg/mL N,S-CQDs溶液，保存在0-6℃低温条件下用于后续进一步表征和应用。

对N,S-CQDs固体材料进行透射电镜表征及荧光表征，表征结果如下：

透射电镜表征：如图2的(a)所示，从图中可以观察到N,S-CQDs的平均粒径为1.54±0.78nm，纳米粒子没有发生明显聚集，呈现出较好的单分散状态，表现出较好的分散性；如图2的(b)所示，N,S-CQDs的晶格间距为0.20nm；

实施例2

制备Fe³⁺/N,S-CQDs探针体系。

取多个10mL的离心管，分别将实施例1中配制好的N,S-CQDs(9.8mg/mL)溶液取300μL，加入300μL FeCl₃溶液(浓度为10mM)，并加超纯水稀释至5mL，涡旋60s，制得Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。经检测Fe³⁺/N,S-CQDs溶液在紫外灯(365nm)照射下无荧光。

分别对相同浓度的FeCl₃溶液、N,S-CQDs溶液以及Fe³⁺/N,S-CQDs进行紫外吸收光谱表征，表征结果如下：

如图3所示，可以看到FeCl₃与N,S-CQDs的紫外吸收峰重叠，Fe³⁺/N,S-CQDs的吸收峰与FeCl₃及N,S-CQDs相比，明显左移，由此推断，FeCl₃与N,S-CQDs的荧光淬灭机理是基于内滤效应。

实施例3

取多个10mL的离心管，分别将实施例1中的N,S-CQDs溶液取300μL，通过加入不同浓度相同体积的NaOH溶液，再用超纯水稀释到5mL，涡旋60s，用pH计检测其pH，pH分别为3、3.81、3.96、4.13、4.29、4.41、4.76、5.22、5.75、6.68、8.33、10.56、12.94，随后再对不同pH的溶液进行荧光检测。检测结果如图4所示，可以看到当pH在3-12.94范围内时N,S-CQDs的荧光强度随pH增加而降低。

将pH与荧光强度进行线性拟合，拟合结果如图5所示，可以看到当pH在3.81-10.56范围内时，pH与荧光强度之间具有较好的线性关系(R²＝0.9964)。

实施例4

取多个10mL的离心管，分别将实施例1中的N,S-CQDs溶液取300μL，用超纯水稀释到5mL，涡旋60s，在水浴恒温振荡器不同的温度条件下(27℃，37℃，47℃，57℃，67℃，77℃，87℃)孵育30min。检测结果如图6所示，图6中，从上至下分别为27℃、37℃、47℃、57℃、67℃、77℃、87℃的荧光强度曲线，可以看到当温度在27-87℃范围内时N,S-CQDs的荧光强度随温度增加而降低。

将温度与荧光强度进行线性拟合，拟合结果如图7所示，可以看到当温度在27-87℃范围内时，温度与荧光强度之间具有较好的线性关系(R²＝0.9936)。

实施例5

所合成的N,S-CQDs荧光探针对金属离子的选择性识别实验，取多个10mL的离心管，分别在10mL的离心管中加入实施例1中的N,S-CQDs溶液300μL和300μL一系列金属离子K⁺、Na⁺、Al³⁺、Cd²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺溶液(浓度均为10mM)，再用超纯水稀释到5mL，涡旋60s,测量并记录荧光强度。设置BLANK组，BLANK组为300μL的N,S-CQDs溶液，用超纯水稀释到5mL，未添加任何金属离子。

检测结果如图8所示，可以看到N,S-CQDs荧光探针对Fe³⁺具有较好的选择性。

实施例6

取多个10mL的离心管，分别将实施例1中的N,S-CQDs溶液取300μL，加入不同浓度相同体积的Fe³⁺溶液后用超纯水稀释到5mL，涡旋60s，测量并记录荧光强度。检测结果如图9所示，图9中从上至下分别为0μM、10μM、20μM、30μM、40μM、50μM、100μM、150μM、200μM、250μM、300μM、350μM、400μM、500μM、600μM、700μM、800μM、900μM、1000μM的荧光强度曲线图，可以看到Fe³⁺浓度在5-250μM，250-500μM范围内时，N,S-CQDs荧光强度随Fe³⁺浓度的增加而降低。

将Fe³⁺浓度与荧光强度进行线性拟合，拟合结果如图10所示，可以看到当Fe3+浓度在5-250μM，250-500μM范围内时，Fe³⁺浓度与荧光强度之间具有较好的线性关系(R²＝0.9967)。根据LOD＝3σ/k计算Fe³⁺的检测线(其中LOD为检测线，σ为11份空白样品的标准偏差，k为线性方程斜率)，计算得到Fe³⁺的LOD为0.16μM。

实施例7

取实施例2所合成的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针Fe³⁺(300μL)/N,S-CQDs(300μL)对含硫物质的选择性识别实验，取多个10mL的离心管，分别在10mL的离心管中加入实施例2中的Fe³⁺/N,S-CQDs溶液600μL和900μL一系列含硫物质Na₂S、L-Hcy、SO₄ ^2-、GSH、S₂O₈ ^2-溶液(浓度均为10mM)，测量并记录荧光强度。BLANK组为Fe³⁺(300μL)/N,S-CQDs(300μL)的混合溶液，加入超纯水稀释至5mL,,并记录荧光强度。

检测结果如图11所示，因Na₂S溶于超纯水中产生H₂S，可以看到Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针对H₂S具有较好的选择性。

实施例8

取多个10m L的离心管，分别将实施例2所合成的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针Fe³⁺(300μL)/N,S-CQDs(300μL)加入不同浓度相同体积的Na₂S溶液后用超纯水稀释到5mL，涡旋60s，测量并记录荧光强度。检测结果如图12所示，图12中从下至上分别为0μM、10μM、45μM、100μM、150μM、200μM、250μM、300μM、400μM、500μM、600μM、700μM、800μM、900μM荧光曲线图，可以看到H₂S浓度在0-900μM范围内时，Fe³⁺/N,S-CQDs荧光强度随H₂S浓度的增加而增强。

将H₂S浓度与荧光强度进行线性拟合，拟合结果如图13所示，可以看到当Fe³⁺浓度在0-900μM范围内时，Fe³⁺浓度与荧光强度之间具有较好的线性关系(R²＝0.9959)。根据LOD＝3σ/k(σ为11份空白样品的标准偏差，k为线性方程斜率)，计算得到H₂S的LOD为0.66μM。

实施例9

检测样品中Fe³⁺和H₂S。

采用实施例6和实施例8的方法研究了N,S-CQDS和N,S-CQDS/Fe³⁺在人血清中测定Fe³⁺和H₂S的可行性和适用性。取新鲜人血，12000rpm离心20分钟，上清用去离子水稀释1000倍，以获得纯净的血清样品。将相对低、中、高浓度的Fe³⁺和H₂S溶液依次引入稀释的血清样品中，并以实施例6和实施例8相同的程序和条件对加标溶液样品进行分析。试验结果见表1和表2所示，Fe³⁺的平均回收率为98.89％-102.48％，相对标准偏差不超过2.4％。硫化氢的平均回收率为96.23％-106.95％，相对标准偏差不大于4.5％。这些结果表明，合成的N,S-CQDS和构建的N,S-CQDS/Fe³⁺荧光传感平台对Fe³⁺和H₂S具有较好的检测灵敏度，在生物、医学等领域具有很好的应用价值和应用前景。

表1用合成的N,S-CQDs检测人血清中加标Fe³⁺的荧光猝灭试验(n＝3)。

表2用构建的N,S-CQDs/Fe³⁺测定人血清中加标H₂S的荧光回收率试验(n＝3)

本发明实施例检测了人血清中加标后的Fe³⁺和H₂S的含量计算其回收率，表明合成的N,S-CQD_S和构建的N,S-CQD_S/Fe³⁺荧光传感平台对Fe³⁺和H₂S具有较好的检测灵敏度。发明人在进一步研究发现随着温度和pH值的升高N,S-CQD_S的荧光呈线性下降，因此除可用于Fe^{3 +}和H₂S检测外，还具有检测温度和pH值方面的潜在应用。

现有技术中的荧光探针可用于待测物检测种类相对较少，只能单一的检测某个指标，而本申请提供的以L-半胱氨酸和α-甲基丙烯酸为原料合成的N,S-CQDs和构建的N,S-CQDs/Fe³⁺荧光纳米探针可以克服上述缺陷，可以检测H₂S、Fe³⁺、温度、pH等多个指标并且还具有检测范围广，检测灵敏度高等优点，能对Fe³⁺,H₂S，pH,温度进行检测。

实施例10

(1)制备水溶性的N,S-CQDs。

取多个50mL的离心管，将L-半胱氨酸(24.2mg)和α-甲基丙烯酸0.4mL，溶解在10mL超纯水中(ultra-pure water)，涡旋60秒。随后，置于100mL衬有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在160℃条件下持续加热12h，自然冷却至室温，得到溶液。将所得溶液，用0.22μm滤膜过滤，随后，将过滤后的溶液真空冷冻干燥(-80℃)12h，得到N,S-CQDs。取适当粉末分散在超纯水中配制浓度为5mg/mL N,S-CQDs溶液，保存在0-6℃低温条件下备用。

(2)制备Fe³⁺/N,S-CQDs探针体系。

取多个10mL的离心管，分别将实施例1中配制好的N,S-CQDs(5mg/mL)溶液取300μL，加入300μLFeCl₃(浓度为10mM)溶液，并加超纯水稀释至5mL，涡旋60s，制得Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。

实施例11

(1)制备水溶性的N,S-CQDs。

取多个50mL的离心管，将L-半胱氨酸(12.1mg)和α-甲基丙烯酸0.8mL，溶解在20mL超纯水中(ultra-pure water)，涡旋60秒。随后，置于100mL衬有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在220℃条件下持续加热8h，自然冷却至室温，得到溶液。将所得溶液，用0.22μm滤膜过滤，随后，将过滤后的溶液真空冷冻干燥(-80℃)48h，得到N,S-CQDs。取适当粉末分散在超纯水中配制浓度为15mg/mL N,S-CQDs溶液，保存在0-6℃低温条件下备用。

(2)制备Fe³⁺/N,S-CQDs探针体系。

取多个10mL的离心管，分别将实施例1中配制好的N,S-CQDs(15mg/mL)溶液取300μL，加入300μLFeCl₃(浓度为1mM)溶液，并加超纯水稀释至5mL，涡旋180s，制得Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。

实施例12

(1)制备水溶性的N,S-CQDs。

取多个50mL的离心管，将L-半胱氨酸(20mg)和α-甲基丙烯酸0.6mL，溶解在15mL超纯水中(ultra-pure water)，涡旋60秒。随后，置于100mL衬有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在200℃条件下持续加热10h，自然冷却至室温，得到溶液。将所得溶液，用0.22μm滤膜过滤，随后，将过滤后的溶液真空冷冻干燥(-80℃)36h，得到N,S-CQDs。取适当粉末分散在超纯水中配制浓度为12mg/mL N,S-CQDs溶液，保存在0-6℃低温条件下备用。

(2)制备Fe³⁺/N,S-CQDs探针体系。

取多个10mL的离心管，分别将实施例1中配制好的N,S-CQDs(12mg/mL)溶液取300μL，加入300μLFeCl₃(浓度为5mM)溶液，并加超纯水稀释至5mL，涡旋120s，制得Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮硫双掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)L-半胱氨酸、α-甲基丙烯酸溶解水中，得到混合液；

(2)将混合液加热；

(3)将步骤2)中加热后得到产物冷却、过滤，得到氮硫双掺杂碳量子点，即N,S-CQDs。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中，水为超纯水，所述的L-半胱氨酸，α-甲基丙烯酸及超纯水的投料比为(12.1-24.2)mg:(0.4-0.8)mL:(10-20)mL；混合采用的方法包括涡旋60秒；

和/或步骤(2)中将混合液加入聚四氟乙烯内胆高压反应釜中加热；

和/或步骤(2)中，所述的加热条件为在160-220℃，加热时间为8-12h；

和/或步骤(3)中，过滤后还包括干燥的步骤，得到固体的氮硫双掺杂碳量子点。

3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将步骤2)中加热后得到产物冷却至室温后，用0.22μm滤膜过滤，将过滤后所得产物在真空-80℃冷冻干燥12-48h，得到固体的氮硫双掺杂碳量子点。

4.一种Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将N,S-CQDs溶液与铁源混合得到Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针；N,S-CQDs溶液中的氮硫双掺杂碳量子点采用权利要求1-3任一项所述制备方法制备。

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述的铁源为氯化铁；

和/或N,S-CQDs溶液与铁源的混合的方法包括以下步骤：将铁源与超纯水混合配制得到Fe³⁺浓度为1-10mM的溶液，再将该含铁溶液与N,S-CQDs溶液混合并涡旋60-180s，得到氮硫共掺杂碳量子点荧光探针，即Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针；所述含铁溶液与N,S-CQDs溶液的混合体积比为1:1；

和/或N,S-CQDs溶液中氮硫双掺杂碳量子点的浓度为5-15mg·mL^-1。

6.权利要求1-3任一项所述制备方法制备的氮硫双掺杂碳量子点在(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)中一种或几种中的应用；

(1)检测H₂S；

(2)检测Fe³⁺；

(3)检测温度；

(4)检测pH；

(5)作为或制备荧光探针；

(6)检测金属离子选择性；

(7)检测含硫物质选择性。

7.权利要求4或5所述制备方法制备的Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针在H₂S检测中的应用。

8.一种对Fe³⁺浓度、温度、pH中一种或几种指标进行检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，以含有N,S-CQDs的标准溶液的荧光强度为纵坐标，以检测指标为横坐标，绘制标准曲线；所述检测指标选自Fe³⁺浓度、温度、pH中一种或几种的组合；

S2，将N,S-CQDs溶液与未知溶液混合，制备待测液，检测待测液的荧光强度，结合标准曲线图，获得未知溶液的检测指标；

N,S-CQDs采用权利要求1-3任一项所述制备方法制备。

9.一种H₂S浓度的检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，绘制关于H₂S浓度的标准曲线：以标准溶液的荧光强度为纵坐标，以H₂S浓度为横坐标，绘制关于H₂S浓度的标准曲线，得到标准曲线图；标准溶液含有Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针和Na₂S；

S2，检测未知溶液中H₂S浓度：将Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针与未知溶液混合，制备待测液，检测待测液的荧光强度，结合标准曲线图，获得未知溶液中H₂S的浓度；

Fe³⁺/N,S-CQDs荧光探针采用权利要求4或5所述制备方法制备。