一种氮掺杂的黄色荧光碳量子点及其制备方法和应用与流程

本发明涉及碳量子点和金属离子检测，特别涉及氮掺杂的碳量子点和钴离子的检测，具体涉及一种氮掺杂的黄色荧光碳量子点及其制备方法，以及该碳量子点在检测钴离子中的应用。

背景技术

碳量子点(cds)作为一种新型碳纳米材料，具有良好的水溶性、优异的光学特性、较高的荧光量子产率、超低的细胞毒性以及显著的生物相容性等性质，引起了极大的关注和广泛的研究。基于这些优异的性能，在生物探针，细胞成像以及药物输送等领域具有潜在应用。

迄今为止，报道了大多数cds的波长处于蓝、绿光区域，极大地限制了它们的实用性。许多文献合成了杂原子(如氮，硫，磷)掺杂的cds，对改善和调整cds的光学性质有很大的改善。其中，氮掺杂是一种最有效的方法。

钴(co²⁺)，作为一种微量元素，与人的身体健康息息相关。异常水平的co²⁺与各种疾病如哮喘、肺功能下降、甲状腺损伤、血管扩张以及癌症等相关。因此，开发一种简单有效的可用于检测co²⁺的碳纳米材料和用该材料检测co²⁺的方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种氮掺杂的黄色荧光碳量子点(y-cds)及其制备方法和应用，并提供一种利用该碳量子点简单、快速、高选择性的检测co²⁺的方法。

本发明提供的一种氮掺杂的y-cds的制备方法，步骤如下：

1)、将葡萄糖和天冬氨酸放置于烧杯中，加入氢氧化钠水溶液，充分搅拌，得到澄清溶液，葡萄糖、天冬氨酸、氢氧化钠和水的质量比为0.4-0.5∶0.3-0.4∶0.1-0.2∶2-4；

2)、将装有溶液的烧杯放置于油浴中，加热至150℃反应30-40分钟，得到固体；

3)、取出烧杯，自然冷却后加入去离子水，搅拌溶解，得到澄清的溶液，通过500-1000da的透析袋透析处理1天，每隔6小时换一次水，即得到纯净的碳量子点的水溶液；

4)、将上述得到的碳量子点水溶液经过冷冻干燥后得到目标碳量子点。

所述葡萄糖、天冬氨酸、氢氧化钠和水的质量比优选为0.45∶0.32∶0.12∶3。

本发明制备的y-cds表现出良好的选择性，在y-cds溶液中，只有加入co²⁺，使得溶液颜色由黄棕色变为橘红色，y-cds的荧光淬灭，而加入其他离子时，溶液颜色无明显变化，并且y-cds的荧光强度无明显变化。因此，该碳量子点可在检测钴离子中应用，也可在细胞荧光成像中应用。

本发明提供的一种荧光和比色双模式检测co²⁺的方法，步骤为：

1)、配置浓度0.25mg/ml的如上所述y-cds溶液；

2)、分别配置浓度为0.01、0.05、0.1、0.5mol/l的co²⁺的标准溶液；

3)、取3ml步骤1)制备的y-cds溶液置于荧光杯中，依次加入步骤2)配置的不同浓度的co²⁺的标准溶液，使y-cds的荧光逐渐淬灭，得到的y-cds/co²⁺溶液，溶液颜色由黄棕色变为橘红色；

4)、测定y-cds/co²⁺反应前后的荧光强度，根据co²⁺的浓度和相对荧光强度变化值之间的关系建立检测co²⁺的标准曲线；

5)、将待测样品加入到步骤1)制备的y-cds溶液中，根据y-cds与co²⁺反应前后的荧光强度变化，计算反应前后相对荧光强度变化值，参照步骤4)中获得的标准曲线，得到待测样品中co²⁺的溶度。

本发明利用y-cds的光学性质，开发一种双输出模式的分析检测方法。当存在co²⁺时，y-cds的荧光被有效淬灭。与此同时，y-cds溶液颜色由黄棕色变为橘红色。

本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明的y-cds制备步骤简单，仅需一步合成，能在短时间内快速完成反应，无需表面钝化剂进行处理，反应物在同一体系中进行碳化、聚合及表面修饰，即可得到目标碳量子点。

(2)本发明的y-cds在水溶液中具有良好的溶解度和分散性，并且是粒径小于10nm的纳米颗粒，生物相容性好、毒性小，可应用于生物成像，在生物体内表现出有良好的应用潜能。

(3)本发明的y-cds用于co²⁺检测，可实现荧光和比色相给合的检测方法，与单一的检测方式相比，双检测模式在实际样品的检测中更具有优越性，提高了分析方法的选择性和灵敏度，对待测物可实现准确的定性、定量分析。

(4)y-cds的光学性质稳定，量子产率较高，以罗丹明6g(量子产率95％)为标准物，所得的碳量子点的相对量子产率一般在20.06％。

附图说明

图1为实施例1制备的y-cds的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)；

图2为实施例1制备的y-cds的xps光谱图；

图3为实施例1制备的y-cds的红外光谱图；

图4为实施例1制备的y-cds的紫外吸收光谱；

图5为实施例1制备的y-cds的荧光激发发射光谱图；

图6为实施例1制备的y-cds对金属离子选择性的淬灭；

图7为实施例1制备的y-cds对co²⁺淬灭的荧光光谱图；

图8为实施例1制备的y-cds对co²⁺淬灭的滴定线性图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细说明，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

步骤1，分别称量0.32g天冬氨酸和0.45g葡萄糖置于烧杯中，随后加入3ml氢氧化钠(1mol/l)溶液水，充分搅拌，得到无色透明溶液；

步骤2，将装有溶液的烧杯放置于油浴中，加热至150℃反应30-40分钟，得到浅黄棕色固体；

步骤3，从油浴中取出烧杯，自然冷却，向其中加入20ml二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过500-1000da的透析袋，放置在1000ml烧杯中透析处理1天去除杂质，每隔6小时换次水，即得到纯净的y-cds的水溶液；

步骤4，将上述y-cds水溶液冷冻干燥后得到浅棕色y-cds固体。以罗丹明6g为标准物，测得该y-cds的相对量子产率为20.06％。

实施例2

将实施例1制备的y-cds进行tem、红外光谱和xps表征(见图1-3)，得到本发明制备的y-cds的粒径均小于10nm，表面含有羧基、羟基、氨基等基团。进行紫外吸收光谱和荧光发射表征(见图4-5)。

实施例3

取实施例1制备的y-cds水溶液(0.2mg/ml)3ml置于荧光比色皿中，分别加入0.02ml(0.1mol/l)18种常见的金属阳离子溶液，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λex＝455nm，λem＝541nm)，并记录荧光强度，如图6所示，y-cds对co²⁺有良好的离子选择性，co²⁺可以使y-cds的荧光淬灭。(见图6)

实施例4

取实施例1制备的y-cds水溶液(0.25mg/ml)3ml置于荧光比色皿中，分别加0.02ml不同浓度(从低到高)的co²⁺溶液，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λex＝455nm)，根据co²⁺的浓度和相对荧光强度变化值之间的关系(见图7)，计算y-cds对co²⁺的检测范围为1-120μmol/l及检出限为90nmol/l(见图8)。同时溶液颜色由黄棕色变为橘红色。