一种以鱼鳞为原料的碳量子点及其制备方法和应用与流程

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体是一种以富含天然半胱氨酸的鱼鳞为碳源，利用微波水热合成法制备水溶性碳量子点，及在快速检测汞离子过程中的应用。

背景技术：

汞是一种能长期存在于环境中，且具有持久性，易迁移性，高生物富集性和高生物毒性等特性的物质。汞及其衍生物有机汞，作为一类重要的有毒有害环境污染物可在大气和食物链中长期存在，并可远距离迁移。中国使用汞的历史悠久，历史上也曾发生过因工业用汞而造成的汞污染事件，目前某些汞矿和有色金属冶炼区附近地区的水体，土壤和大米中仍可检测到较高浓度的汞，汞污染及控制已经成为当前全球关注的热点、难点和焦点问题，汞污染的环境风险管理在全球范围内已是大势所趋。汞在自然界中主要以单质汞，无机汞和有机汞3种形式存在，通过生物的富集作用，进到食物链中，人体吸收过量的Hg²⁺后会导致中枢神经系统、肝、肾和肠道的损害，严重时甚至会引起死亡。因此，生物体和环境中Hg²⁺的检测十分重要。近年来，检测Hg²⁺的方法主要有原子吸收-发射光谱法，分光光度法，高效液相色谱法，电化学法和荧光分析法等。

荧光分析法因具有便捷，专一，灵敏和适时原位检测等优点而备受关注。最近几年，量子点的研究非常活跃，量子点一般是从铅，镉和硅的混合物中提取出来的，但这些量子点一般有毒，对环境也有很大的危害。美国克莱蒙森大学的科学家首次制造出一种新型的碳纳米材料-碳量子点，与各种金属量子点类似，碳量子点在光照的情况下可以发出明亮的光。碳纳米粒子具有很大的表面积，这种纳米粒子相比宏观碳，具有非常奇特的物理和化学性质，相对金属量子点而言，碳量子点无毒害作用，对环境的危害很小，制备成本低廉，是一种相比半导体量子点具有相似光学性能的环境友好型荧光纳米材料。碳量子点除拥有光学性能优良，尺寸小等传统半导体量子点所具备的优点外，其还具有细胞毒性低，生物相容性好，易于大规模合成及功能化修饰，制备成本低廉和反应条件温和等无可比拟的优势。它在包括改进生物传感器，医学成像设备和微小的发光二极管的很广的领域中都有应用前景。

目前，在检测Hg²⁺的碳量子点制备中，为了提高碳量子点的荧光强度和对Hg²⁺的特殊选择性，往往会掺杂氮，硫元素，以及其他Au，Cd等金属元素，这种方式一定程度上会提高量子产率，增强对Hg²⁺专一识别检测能力，但往往人为掺杂都会影响量子点本身特性，改变了成分，会影响吸光能力，改变其电子结构，会降低量子点自身发光能力。

技术实现要素：

为了解决汞离子对环境造成污染，及时就地检测汞离子的问题，本发明设计一种以鱼鳞为原料制备的碳量子点及快速检测汞离子的新方法。

本发明采用的技术方案是：一种以鱼鳞为原料的碳量子点，制备方法如下：

(1)将鱼鳞洗净，晾干，剪碎；所述的鱼鳞优选草鱼鱼鳞；

(2)将鱼鳞与超纯水混合后，转移到反应釜中，放入防爆膜内，密封，再放入微波水热合成仪中，微波加热，得到悬浊液；

(3)将悬浊液静置，冷却至室温，过滤取滤液，得浓缩液；

(4)将浓缩液两端用透析夹夹在透析包中，在4℃阴暗的条件下，透析24h，每8h换

一次超纯水，得到碳量子点。

上述的一种以鱼鳞为原料的碳量子点，鱼鳞与超纯水的固液比为1g:70-90mL。

上述的一种以鱼鳞为原料的碳量子点，在微波水热合成仪中，微波加热分七个阶段：第一阶段于10min升温至120℃；第二阶段于120℃恒温5min；第三阶段于10min升温至150℃；第四阶段于150℃恒温5min；第五阶段于10min升温至180℃；第六阶段于180℃恒温5min；第七阶段为反应阶段，反应温度为210℃，加热2h；微波水热合成仪参数设置，功率为1000W，压力上限为1.500MPa。

上述的一种以鱼鳞为原料的碳量子点，透析包的分子量为3500Da。

上述的以鱼鳞为原料的碳量子点在特异性检测汞离子中的应用。方法如下：在常温常压条件下，将待测汞溶液与碳量子点溶液1:1混合，用紫外灯照射，观察荧光是否猝灭。

本发明，利用微波水热合成仪，以富含半胱氨酸的天然鱼鳞作为碳源，制备得到水溶性碳量子点。众所周知，碳量子点的合成方法有多种，一般可分为2类：自上而下合成法和自下而上合成法，前者为基于自身较大的碳骨架(如碳靶)自上剥落下纳米碳颗粒的合成方法，后者则是直接以较小碳颗粒进行修饰，钝化，从而合成荧光碳量子点的方法。自上而下合成法，难以将碳骨架彻底粉碎成纳米颗粒，产率极低；自下而上合成法中，若以大分子有机物为原材料，一般是通过碳化的方式将大分子变成小分子，碳化过程中除去了大量非碳物质，故产率也很低(最高仅达1％)。初制备的碳量子点一般无荧光或荧光量子产率较低(大部分都不高于10％)，不能满足应用，如用于荧光标记或生物成像条件。于是通过修饰处理以稳定其光学性能及提高荧光量子产率。修饰原理为：在碳量子点表面引入包括氨基在内的一些特定基团，填补碳量子点表面的缺陷或使碳量子点表面产生能量势阱，使荧光发射更稳定，从而提高荧光产量。本发明利用微波水热这种自下而上合成法，以富含半胱氨酸的天然鱼鳞作为制备碳量子点的碳源，在未经修饰的条件下，量子产率即可达到20％，不仅有效提高合成产率并且大幅度缩短反应时间。

本发明的有益效果是：

1.本发明公开了一种以草鱼鱼鳞为原料制备碳量子点及快速检测汞离子的新方法。草鱼鱼鳞中含有丰富的粗蛋白和灰分，还有少量脂肪和糖类物质，其中粗蛋白质中富含大量的半胱氨酸，半胱氨酸中含有巯基。利用硫亲汞这一特性，以草鱼鱼鳞作为碳源，利用微波水热合成的方法，制备碳量子点，对Hg²⁺进行特异性检测。

2.本发明利用微波水热法制备的碳量子点性质稳定，反应时间短，操作简单，易得到水溶性碳量子点，并且荧光强度强，量子产率高，热稳定性好，抗光漂白能力强，对Hg²⁺的检测具有选择特异性，水体中与汞共存的其他离子，以及同周期，同主族，与汞离子具有相似化学性质的金属离子，对该碳量子点的荧光强度没有明显的干扰。

3.本发明，利用天然鱼鳞作为原料得到碳量子点，无其他元素掺杂修饰，没有副产物，既不改变其本身的荧光活性，又能高效快速检测Hg²⁺，安全环保无污染，可应用于制备荧光探针和生物传感器等，是一种理想的可应用于制备高灵敏度薄膜型传感器件的敏感材料。

4.本发明方法简单新颖，回收废弃草鱼鱼鳞，天然无掺杂，量子产率高，变废为宝，发展循环经济，有效的废物再利用和资源化。并且本发明有利于汞离子的快速检测，能够及早发现问题，解决问题，建立完善的应急预案，防治进一步污染

附图说明

图1为实施例1制备的水溶性碳量子点紫外吸收光谱图。

图2a为实施例1制备的水溶性碳量子点荧光发射光谱图(320-355nm)。

图2b为实施例1制备的水溶性碳量子点荧光发射光谱图(355-400nm)。

图3为实施例1制备的水溶性碳量子点的傅里叶红外谱图。

图4为实施例1制备的水溶性碳量子点的X射线粉末衍射图。

图5为实施例1制备的水溶性碳量子点在其它金属离子存在下对荧光强度干扰图。

图6为实施例1制备的水溶性碳量子点在不同pH条件下对汞离子猝灭强度对比图。

图7为实施例1制备的水溶性碳量子点在不同浓度汞离子存在下荧光强度影响图。

具体实施方式

实施例1一种以草鱼鱼鳞为原料的碳量子点

(一)制备方法如下

1)回收草鱼鱼鳞，用温水反复冲洗，去除多余的血液和油脂，洗净后平铺在不锈钢盘上通风晾干，剪碎。

2)按固液比1g:80mL，将0.5g草鱼鱼鳞与40mL超纯水混合后，转移到反应釜中，放入防爆膜中，密封，然后放入微波水热合成仪中，在210℃下微波加热2.00h，得到棕黄色悬浊液。

在微波水热合成仪中，微波加热过程是：在微波水热合成仪中，微波加热分七个阶段：第一阶段于10min升温至120℃；第二阶段于120℃恒温5min；第三阶段于10min升温至150℃；第四阶段于150℃恒温5min；第五阶段于10min升温至180℃；第六阶段于180℃恒温5min；第七阶段为升温至210℃，加热2h；微波水热合成仪参数设置，功率为1000W，压力上限为1.500MPa。

3)将棕黄色悬浊液放入到通风橱中静置，冷却至室温，先用15-20μm布氏漏斗过滤去掉未反应的大块鱼鳞，取滤液。再用离心机，先以1500rpm低速离心后，再以3500rpm高速离心，离心10min，得到黄色透明浓缩液。

4)将黄色透明浓缩液两端用透析夹夹在分子量为3500Da的透析包中，在4℃阴暗的条件下，透析24h，每8h换一次超纯水，即可得到以草鱼鱼鳞为原料的碳量子点。

(二)检测

1.将得到的碳量子点用超纯水稀释，稀释的倍数为1:15，得稀释的碳量子点溶液，进行检测紫外吸收波长，结果如图1。

由图1可见，在290nm波长处看到一个微弱的峰，在220nm波长处看到一个较强的紫外吸收峰，以紫外分光光度法可以得到，以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点的最大吸收峰，波长为220nm。

2.通过改变荧光仪的激发波长，范围从320nm到400nm，依次递增10nm，得到对应的荧光发射光谱图，如图2a和图2b。

对比图2a与图2b可以看出，不同激发波长条件下得到的荧光强度曲线不同，荧光强度随波长320nm至355nm的上升而不断增强，在355nm波长激发下，荧光强度达到制高点，随后在波长355nm至400nm处，荧光强度随激发波长的增大而下降。便携紫外灯的激发波长通常为350nm到360nm，该量子点可在这段波长的激发下，发出较高的荧光强度，可应用于室外，野外条件下水体中汞离子的直接检测，方便快捷。

3.将得到的碳量子点进行傅里叶红外检测，结果如图3。

本发明，以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点的傅里叶红外谱图显示，以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点在1656cm^-1处有特征吸收峰，提示其表面有羧基存在，3412cm^-1处有吸收峰，为羟基峰，即以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点在未修饰的自然状态下即可达到较好的水溶性；尤其在627cm^-1处出现特征峰，提示有C-S键的存在，说明鱼鳞中巯基参与了反应，并生成C-S键，为下一步对Hg²⁺进行特异性检测提供的极大的优势。

4.将得到的碳量子点进行X射线粉末衍射检测，结果如图4。

由图4可见，通过X粉末衍射图可以发现，在23°处出现特征衍射峰，说明以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点其内部为无序碳结构，即碳原子无规则排列的结构。

实施例2以鱼鳞为原料的碳量子点在特异性检测汞离子中的应用

(一)其他金属离子的影响

分别精确秤取0.0150g Ni(NO₃)₂·6H₂O，0.0130g CuSO₄·5H₂O，0.0145g Co(NO₃)₂·6H₂O，0.0169g AgNO₃，0.0090g MnSO₄，0.0144g ZnSO₄，0.0140g FeCl₃·6H₂O，0.0135g FeSO₄·7H₂O，0.0830g Pb(NO₃)₂，0.0200g Cr(NO₃)₃，0.0154g Cd(NO₃)₂，0.0158g Ba(OH)₂·8H₂O，0.0309g(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O，0.0122g Bi(NO₃)₃·5H₂O共14种不同金属盐固体，溶于超纯水中，定容至500mL，分别得到各不同金属离子浓度均为100μM的金属离子溶液，放置避光阴暗处待用。

将实施例1制备的碳量子点用超纯水稀释，稀释的倍数为1:3，得稀释的碳量子点溶液。

将碳量子点溶液分别与100μM的不同金属离子溶液均匀混合，体积比为1:1，混合均匀，观察以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点在其它金属离子存在条件下对荧光强度的影响。结果如图5。

由图5可知，在50μM相同浓度的不同金属离子分别存在的条件下，Hg²⁺的加入使以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点溶液荧光强度下降1/2，其他金属离子对荧光强度几乎没有影响，唯一有比较明显的荧光强度下降的为Cu²⁺，不过猝灭率仅达到1/4，不足以影响对Hg²⁺的检测。显示了，水体中共存的阳离子，以及同周期，同主族，元素化学性质具有相似性的金属离子不会产生干扰，证实了以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点溶液具有对Hg²⁺特异性检测探针的潜质。

(二)不同pH条件下对检测汞离子猝灭强度的影响。

将实施例1制备的碳量子点用超纯水稀释，稀释的倍数为1:1，得稀释的碳量子点溶液。

用玻璃棒沾取以草鱼鱼鳞为原料制备碳量子点(CDs)溶液，滴在精密pH试纸上，半秒钟后与标准色板比较，碳量子点溶液本身pH值约为6，用NaOH溶液分别调以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点溶液pH为6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5，9.0。然后加入50μM的Hg²⁺进行荧光检测，结果如图6。

由图6可见，尽管在不同pH条件下荧光强度猝灭率不同，但并不影响探针在酸性和中性环境中对Hg²⁺的识别，说明以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子点溶液在弱酸弱碱，中性pH条件下均能对汞离子进行检测，在实际环境中的应用创造了很好的条件。

(三)不同浓度汞离子溶液存在的条件下对碳量子点荧光强度影响

将实施例1制备的碳量子点用超纯水稀释，稀释的倍数为1:1，得稀释的碳量子点溶液。

用不同浓度的汞离子溶液，按体积比为1:1与碳量子点溶液混合，分别用荧光机在355nm波长下对Hg²⁺进行检测，记录不同浓度的Hg²⁺对以草鱼鱼鳞为原料制备的碳量子溶液荧光强度的影响，结果如图7。

由图7可见，加入0.5μM-300μM浓度的Hg²⁺时，荧光强度略有下降；当加入的Hg²⁺浓度为40μM时，荧光强度发生明显下降，即猝灭效率明显；显然可以看出，随着Hg²⁺浓度的升高，荧光强度不断下降，猝灭效率增强，当Hg²⁺浓度为300μM时，荧光强度下降至原来的1/2。