一种碳量子点的制备方法及其应用与流程

本发明属于纳米检测技术领域，具体涉及一种碳量子点的制备方法及其检测汞离子和显现指纹的应用。

背景技术：

碳元素是地球和宇宙中含量较为丰富的元素，重要的是地球上的生命都是以碳元素为基础的，所以碳的纳米材料与其它元素的纳米材料相比，对生物体的毒性要低很多，生物安全性也较高，基本不会带来环境问题。逐渐地，碳量子点（也称为碳点）成为碳纳米家族中一颗耀眼的新星。然而，它之所以越来越受人们的关注，是因为它与传统的半导体量子点和有机染料相比，荧光碳量子点具有更好的水溶性、耐光漂白性、低毒、生物相容性等等。因此它可以被应用在生物标记、检测等领域。

日常生活和生产中的重金属元素未经处理或处理未达到标准就被排放到环境中，它们不仅不能被生物降解，而且会在生物放大作用下，通过大气、水体、食物链等传播，不断富集，最后进入人体。重金属元素在人体内和蛋白质等发生强烈的相互作用，使蛋白质失去活性。同时，重金属元素也可能在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒。目前，在环境监测分析中，重金属离子的测定方法主要有：络合滴定法、电化学分析法、高效液相色谱法、离子色谱法、气相色谱法、荧光分析法、原子吸收光谱法和质谱法等[Evans E.H., Day J.A., Palmer C.D., et al. Journal of analytical atomic spectrometry. 2005, 20(6): 562-590; Evans E.H., Dawson J.B., Fisher A., et al. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2002, 17(6): 622-651; Butler O.T., Cook J.M., Davidson C.M., et al. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2009, 24(2): 131-177; Michalski R. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 2009, 39(4): 230-250.]。虽然这些方法灵敏而且可靠，但是存在一些不足之处：1）需要昂贵的大型仪器设备；2）样品制备和处理过程较为复杂；3）选择性差；4）无法及时实现现场快速检测等。近年来，人们致力于检测重金属离子的化学传感器研究，并且发展了一些有关重金属离子的荧光传感方法（即荧光探针法）。荧光探针法具有线性动态范围宽、光谱干扰少、灵敏度高以及多元素检测功能强等优点，并且用于检测荧光光谱的荧光分光光度计设备费用较低，可以同时检测固体或液体样品，样品的制备简单，无需繁琐处理，成为目前广泛应用的分析方法。

汞是一种具有剧毒却又普遍存在于自然界的污染物。汞污染会造成对脑、神经系统、内分泌系统、肾脏严重的伤害。水溶性的二价汞离子(Hg²⁺)是汞污染物中最平常和最稳定的形式之一。因此，环境中的水溶性的Hg²⁺的检测和监测的研究逐渐成为各国环境工作者研究的热点。荧光光谱法具有灵敏度高、选择性强、用样量少、方法简便、工作曲线线性范围宽等优点。因此，研发新型荧光传感器并应用于环境水样中Hg²⁺的监测具有十分重要的意义，此外，在活体细胞中检测重金属汞离子，能够准确判断汞离子的污染程度，从而全面进行生态分析，对环境的保护和治理具有至关重要的作用。

我们所制备的荧光碳量子点不但可以检测Hg²⁺，同时也可用于指纹的显现与识别。指纹是重要的个体识别特征，通过提取指纹，在事故的调查和处理中，能提供确切的身份识别；在法庭科学和刑事诉讼过程中，起着重要的证据作用。因此，科学正确地发现、提取、显现鉴定指纹对于开展侦查工作、惩治犯罪具有重要的实践作用。

在本发明中，我们研究了一种利用一锅法合成的荧光碳量子点的方法，并且研究了利用碳量子点作为荧光探针来检测重金属汞离子并应用于指纹的显现与识别，且不需要经过表面修饰或改性可直接用于活体细胞荧光成像，可通过荧光成像实现对活体细胞中汞离子的检测。我们提供的荧光碳量子点的合成方法是简单的一次性绿色合成路线，因此，本发明提供的方法具备成本低、合成方法简单、易操作的特点。利用荧光碳量子点溶液作为检测探针检测汞离子，是一种操作简单、快速定量检测重金属离子汞的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种碳量子点的制备方法及其检测汞离子和显现指纹的应用。

本发明的技术方案如下：

一种碳量子点的制备方法：

首先将1-3 g的柠檬酸三钠与2-4 g的尿素放入到不锈钢反应釜中，再向其中加入10-15 mL的二甲基甲酰胺，反应釜封闭后，将混合物加热至150°C-200°C，反应进行约6-8 h之后，将混合溶液冷却到室温，在约6000-8000转的条件下离心约10 min，去除上清液将固体沉淀烘干得到荧光碳量子点粉末。

所制得的荧光碳量子点粉末在紫外光源下呈现绿色光发射，其荧光光谱在420 nm的波长下激发，碳量子点在530 nm有强的荧光发射峰（附图1），将碳量子点粉末溶于水得到的荧光碳量子点溶液在370 nm的激发下，发射峰在446 nm处荧光强度最强，通过透射电镜观察，碳量子点的粒径大小约为3-5 nm左右（附图3）；

2. 如权利要求1所述荧光碳量子点溶液通过荧光检测的方法，可检测出水溶液样品中含有的微量的重金属离子Hg²⁺，通过荧光成像法还可以实现在活体细胞中检测汞离子的效果。

荧光碳量子点作为荧光探针检测Hg²⁺的过程中，过程如下：

（1）检测灵敏度

为检验使用荧光碳量子点（C-dots）作为荧光探针检测Hg²⁺的灵敏度，需要先配制0.001-100 μM的Hg²⁺溶液，将不同浓度的Hg²⁺溶液分别与C-dots荧光探针反应，然后分别测试样品的荧光光谱来验证探针的灵敏度。从荧光光谱（附图4a）中可以看出，所有混合溶液的荧光发射峰都在446 nm处，与荧光探针C-dots的特征发射一致，并且随着Hg²⁺浓度的升高，混合溶液中碳量子点溶液的荧光强度是逐渐降低的。混合溶液在紫外灯下荧光发射随Hg²⁺浓度的增大而降低逐渐被淬灭（附图4c）。进行检测灵敏度的反应，荧光碳量子点作为检测探针的荧光强度与Hg²⁺的浓度在1 nM-5 μM范围内有良好的线性关系（附图4b）。因此，荧光碳量子点可以作为检测汞离子的荧光探针快速并定量地检测水溶液中汞离子的存在，对汞离子的检测限可达到1 nM。

（2）检测选择性

使用荧光碳量子点溶液作为荧光探针检测Hg²⁺，需要考察其对Hg²⁺检测的选择性。相同条件下，浓度为100 µM的其它金属溶液离子包括Cd²⁺，Cr³⁺，Cr⁶⁺，Ba²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Mg²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Pb²⁺，Ag⁺的溶液，分别与C-dots荧光检测探针混合反应后测试样品的荧光光谱，并在紫外灯下观测其荧光强度。从荧光光谱图中可以看出，加入其它离子后，C-dots的荧光发射峰都在446 nm处，没有发生位移。其中Cd²⁺，Cr³⁺，Cr⁶⁺，Ba²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Mg²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Pb²⁺的荧光光谱强度较高（附图5a），在紫外灯照射下，可观察到C-dots荧光检测探针呈现绿光发射，没有出现淬灭现象。而与Hg²⁺混合的C-dots溶液的荧光光谱强度降低，同样在紫外灯下，与Hg²⁺混合的C-dots荧光检测探针会出现淬灭现象（附图5b）。通过比较荧光光谱和其在紫外灯下的荧光发射可说明C-dots荧光检测探针对Hg²⁺具有很高的选择性。

利用荧光成法检测活体细胞中汞离子的存在对判断环境污染的程度具有重要作用。在本实验中，我们对Hela细胞进行培养，实验过程中利用测试活体细胞存活率常用的方法噻唑蓝比色法（MTT法）测试碳量子点的毒性，其细胞的生存能力均能达到86%以上，说明碳量子点对生物细胞的毒性可忽略不计。将合成的荧光碳量子点直接用于细胞成像，不需要事先表面修饰，碳量子点即可通过细胞的吞噬作用进入细胞体内，在荧光显微镜下可呈现清晰的荧光图像，实现对活体细胞中汞离子的检测。

所述碳量子点作为荧光探针可以检测重金属汞离子并应用于指纹的显现与识别，且不需要经过表面修饰或改性可直接用于活体细胞荧光成像，并通过荧光成像法实现对活体细胞中汞离子的检测。下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

有益效果：

1、本发明提供了荧光碳量子点荧光检测探针的制备方法，制得的荧光碳量子点具有强的绿光发射，碳量子点粉末可用于指纹的识别，碳量子点溶液提供的荧光检测探针灵敏度高、选择性好，检测限低，还可实现活体细胞中汞离子的检测。

2、不需要大型仪器，通过荧光光谱，即可识别检测结果。

3、本发明易制备和保存；在4°C条件下可保存8～15个月不发生变化。

4、本发明所用试剂和操作过程均无毒副作用。

5、本发明方法简单、快速、易操作，可进行现场原位快速检测。

附图说明

附图1是荧光碳量子点粉末（C-dots）的荧光光谱图；

附图2是荧光碳量子点溶液（C-dots）的紫外光谱图(左)与荧光光谱图（右）；

附图3(a) 碳量子点的透射电镜照片，插图为高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图；(b) 粒径分布图；

附图4 (a) 碳量子点溶液中加入不同浓度的Hg²⁺溶液(箭头方向顺序0、0.001、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、15、20、40、60、80、100 μM)；(b) 荧光强度与Hg²⁺浓度的线性关系; (c) 相应的荧光照片；

附图5 (a) 碳量子点中分别加入100 μM Hg²⁺和100 μM 其它离子溶液的荧光光谱图；(b) 相应的荧光照片；

附图6湖水样品的灵敏度检测荧光光谱图(a) 碳量子点溶液中加入不同浓度的Hg²⁺溶液(箭头方向顺序0、0.001、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、15、20、40、60、80、100 μM)；(b) 相应的荧光照片；

附图7湖水样品的选择性检测荧光光谱图 (a) 碳量子点中分别加入100 μM Hg²⁺和100 μM 其它离子溶液的荧光光谱图；(b) 相对荧光强度谱图；(c) 相应的荧光照片；

附图8是荧光碳量子点粉末用于指纹的识别照片。

附图9碳量子点与Hela细胞共培养3 h后的荧光显微成像 (a) 细胞成像的明场图；(b) 细胞成像荧光图；(c) 加入100 µM Hg²⁺的细胞成像荧光图；标尺为200 µm

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1、一种碳量子点的制备方法：

首先将1 g的柠檬酸三钠与2 g的尿素放入到不锈钢反应釜中，再向其中加入10-15 mL的二甲基甲酰胺，将混合物加热至160°C，反应进行约6 h之后，将混合溶液冷却到室温，在约8000转的条件下离心约10 min，去除上清液将固体沉淀烘干得到荧光碳量子点粉末。

所制得的荧光碳量子点粉末在紫外光源下呈现绿色光发射，其荧光光谱，在420 nm的波长下激发，荧光碳量子点在530 nm有强的发射峰（附图1），插图对应日光灯与紫外光下的碳量子点粉末照片。荧光碳量子点溶液在370 nm的激发下，发射峰在446 nm处荧光强度最强，紫外吸收光谱中可以看出它的特征峰在346 nm左右（附图2），附图3a是碳量子点透射电镜图片，插图为高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图，碳量子点的晶面间距约为0.21 nm，是典型石墨相（100）晶面，粒径大小平均为3.52 nm（附图3b）。

实施例2、所述合成的荧光碳量子点溶液通过荧光检测的方法应用于环境水样中：

荧光碳量子点作为探针检测Hg²⁺的过程中，待测的样品与C-dots荧光检测探针按体积比为1:1的量混合，即150 µL的Hg²⁺的溶液样品加入150 µL C-dots荧光检测探针中，所有的灵敏度实验和选择性实验都按以上的比例进行，具体实验过程如下：

为了证实碳量子点溶液作为荧光探针检测Hg²⁺的实用性，我们采集了实际环境中的水样，如取校园中的淡水湖的样品进行测试，通过0.2 µm隔膜过滤，然后将湖水配制不同浓度（0.001-100 μM）的Hg²⁺溶液及其它金属离子溶液进行测试，附图6a为碳量子点溶液与不同浓度Hg²⁺的混合的荧光光谱图，可以看出随着Hg²⁺浓度的增加，碳量子点溶液的荧光强度逐渐降低，附图6b为对应紫外灯下的荧光照片。附图7a是利用碳量子点溶液进行湖水选择性检测，从荧光光谱图中，我们可以观察到含有Hg²⁺的碳量子点溶液的荧光强度大幅度下降。附图7b为碳量子点溶液中加入各离子后的荧光强度与碳量子点溶液荧光强度的比，也能看出荧光探针对Hg²⁺的专一性。附图7c是相对应的紫外光源下的荧光照片。

通过以上实验说明湖水中可能存在一些未知的物质，但对碳量子点溶液检测探针影响不大，仍可以达到我们对Hg²⁺的检测目的，所以可以将此种检测方法运用到日常生活中。

实施例3、所述合成的荧光碳量子点粉末用于指纹的识别：

首先用玛瑙研钵将碳量子点固体研磨成粉末状，然后准备好干净的硅片，将手指在硅片上按上指纹，用抖显法将粉末借助纸槽散在印有潜指纹的样品上并轻轻磕样品载体硅片，将碳量子点粉末回收到起来，有指纹样品的区域由于指纹汗液成分中的皮脂等对碳量子点粉末有一定的吸附作用，残留在潜指纹表面 的碳量子点粉末会显现出清晰的指纹图像，可重复几次，然后在紫外灯下观察。附图8是荧光碳量子点粉末显示过的潜指纹成像照片，从中可以看出在紫外光激发下显现后的潜指纹可以发射出明亮的绿色荧光，指纹纹路清晰连贯且与基底反差明显。原因是潜指纹中的某些有机组分，例如油脂与碳量子点外围的胺端基发生了静电吸附或者胺解反应使得碳量子点靶向结合在指纹的乳突纹上。光致发光技术提高了潜指纹的显现灵敏度， 其显出的指纹清晰、与背景之间的反差好。指纹具有人各不同，在法庭科学和刑事诉讼过程中，起着重要的证据作用。因此，科学正确地发现、提取、显现鉴定指纹对于开展侦查工作、惩治犯罪具有重要的实践作用，具有良好的应用前景。

实施例4、所述合成的荧光碳量子点用于细胞荧光成像：

我们所合成的荧光碳量子点具有较强的绿色荧光、粒子较小、稳定性高、很好的相容性，所以可以将其应用到细胞成像实验中。附图9a所示，将温度控制在37°C，在含有5%CO₂的加湿培养箱中，用含有10%牛血清和100 μg/mL的青霉素的培养基培养HeLa细胞。然后，将HeLa细胞接种到6孔板中与培养基进行培养24 h，接着将浓度为1 mg/mL碳量子点溶液加入到孔板中，继续放在加湿培养箱中培养3 h后移除培养基，用PH=7.4的磷酸盐缓冲溶液将细胞洗涤3次，放到荧光显微镜下（加蓝色滤光片）拍摄荧光照片，细胞内出现明显的橙黄色荧光如附图9b所示。

在碳量子点荧光探针检测水溶液中的Hg²⁺的基础上，我们探究了利用碳量子点通过活细胞荧光标记成像的方法检测细胞内的Hg²⁺。向整个细胞体系中加入100 µM Hg²⁺之后，观察细胞荧光成像变化如附图9c所示，可以明显的看到细胞内的荧光亮度发生了明显的减弱现象，说明碳量子点在活的细胞内仍然能对Hg²⁺实现高效的检测，从而证明了该荧光探针有望被应用于活的生物体内或细胞内的Hg²⁺检测。