一种碳量子点荧光探针及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及碳量子点纳米材料的制备技术领域，尤其涉及一种碳量子点荧光探针及其制备方法和应用。


背景技术：

2.钴大量用于电池制造、汽车工业、金属加工、缆制造、着色和催化等领域，钴的大量应用会在自然环境中产生钴离子(co
2+
)残留。随着制造业的发展，废水中co
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的含量逐渐升高，随着自然界中co
2+
的积累，其毒性也会持续增加，毒害水生动植物。同时，过量摄入co
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对人体也有较大的毒性，损害身体健康。因此，建立一种灵敏有效的检测水中co
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的方法是非常必要的。目前用于检测co
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的方法多为紫外-可见分光光度测定法和表面增强拉曼散射。然而，这两种检测方法存在耗时的分离程序、复杂的检测程序以及昂贵的检测成分，且检测的灵敏度低，极大地限制了这类方法在co
2+
检测领域的应用，尤其是在要求快速和灵敏的检测应用方面。
3.近年，虽出现了利用碳量子点作为荧光探针来检测co
2+
的方法，一定程度上提高了检测的灵敏度、降低了检测成本，但是目前用于检测co
2+
的碳量子点的荧光强度低、稳定性和重复性差、灵敏度低、特异性差，无法满足对极低的co
2+
浓度实现准确检测。


技术实现要素：

4.针对现有用于检测co
2+
的检测方法存在的上述问题，本发明提供一种碳量子点荧光探针及其制备方法和应用，该碳量子点荧光探针具有荧光强度高，对co
2+
具有较强和较快的荧光致灭响应，特异性、稳定性和重复性好，灵敏度高，对co
2+
的检出限低至0.02nmol/l。
5.为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
6.一种碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
7.a、将核桃青皮放入水中进行超声提取，分离得到上清液；
8.b、向所述上清液中加入乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体和水，混匀，进行水热反应，得到所述碳量子点荧光探针。
9.相对于现有技术，本发明提供的碳量子点荧光探针的制备方法操作简单、制作成本低、周期短，且利用乙酰胺-柠檬酸天然低共熔离子液体作为修饰剂，通过特定的方法对以核桃青皮为原材料制备得到的前驱体进行修饰，制备得到的碳量子点荧光探针不仅具有良好的荧光强度和发光稳定性，而且对金属钴离子具有较强的荧光选择性和致灭响应，可用于对水溶液中金属钴离子的定性和定量检测。同时，本发明提供的生物质核桃青皮为碳源通过乙酰胺-柠檬酸天然低共熔离子液体的修饰制备得到的碳量子点，不仅可以降低原料成本，还可以实现高效的碳回收利用和农业废弃物资源化。用乙酰胺-柠檬酸离子液体进行修饰改性，使得制备的碳量子点的荧光量子产率可达到25％，特异性好和灵敏度高，对金属钴离子的检出限低至0.02nmol/l，可实现对金属钴离子的高要求痕量检测。
10.优选的，步骤a中，所述核桃青皮放入水中进行所述超声提取之前，先进行烘干粉
碎。
11.优选的，步骤a中，所述超声提取的功率为12kw、时间为12min-20min。
12.优选的，步骤a中，所述核桃青皮与水的质量体积比为0.08g-0.12g:30ml。
13.优选的，步骤a中，所述分离的方法为离心分离，所述离心分离的转速为25000r/min-35000r/min、时间为4min-6min。
14.优选的，步骤b中，所述上清液与乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体的体积质量比为4ml:0.8g-1.2g；所述上清液与水的体积比为1:7-8。
15.优选的，步骤b中，所述乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体的制备方法为：将柠檬酸和乙酰胺按照1:4的摩尔比混合后，研磨均匀，进行超声震荡处理，直至形成透明均一的液体，所述液体即为所述乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体。
16.优选的，步骤b中，所述混匀的方式为超声震荡混匀。
17.优选的，步骤b中，所述水热反应的温度为190℃-200℃、时间为9h-10h。
18.优选的，步骤b中，还包括：在所述水热反应后，对得到的反应液依次进行离心和微滤膜抽滤，所述微滤膜抽滤得到的滤过液即为所述碳量子点荧光探针。
19.本发明还提供了所述碳量子点荧光探针的制备方法制得的碳量子点荧光探针。
20.本发明还提供了所述碳量子点荧光探针在co
2+
检测中的应用。
21.相对于现有技术，本发明提供的碳量子点荧光探针用于co
2+
检测中，在相同摩尔浓度的金属离子na
+
、mg
2+
、ca
2+
、zn
2+
、k
+
、pb
2+
、cu
2+
和co
2+
荧光淬灭实验中，本发明的碳量子点荧光探针仅对co
2+
有荧光淬灭响应，淬灭效应高达82％，而其他几种金属离子不会影响该碳量子点荧光探针的荧光强度。这说明本发明提供的碳量子点荧光探针对co
2+
具有专一性和高选择性，可以满足对水溶液中极低含量的co
2+
的测定，检测限可低至0.02nmol/l，而不受其他金属离子的干扰。
附图说明
22.图1是本发明实施例1中制备的碳量子点荧光探针的tem表征图；
23.图2是本发明实施例1中制备的碳量子点的粒径分布图；
24.图3是本发明试验例1中三种碳量子点在可见光和紫外光下的对比图；
25.图4是本发明试验例2中的三种碳量子点在不同ph下的荧光稳定性分析图；其中，f/f0代表不同ph下的荧光强度与初始制备得到的碳量子点的荧光强度的比值；
26.图5是本发明试验例2中的三种碳量子点在不同时间下的荧光稳定性分析图；其中，f/f0代表放置不同天数的荧光强度与初始碳量子点的荧光强度的比值；
27.图6是本发明试验例3中的三种碳量子点对不同的金属离子的荧光致灭响应分析图；
28.图7是本发明试验例4中的乙柠-核桃青皮碳量子点对不同金属的致灭响应与空白样品的对比图；其中，f/f0加入金属离子后或空白样品后的碳量子点的荧光强度与未加入金属离子后或空白样品的碳量子点的荧光强度的比值；
29.图8是本发明试验例4中的乙柠-核桃青皮碳量子点对不同金属的致灭响应荧光光谱图；
30.图9是本发明试验例4中不同浓度的co
2+
对碳量子点荧光探针的荧光强度影响关系
图；
31.图10是本发明试验例5中三种碳量子点的优势对比图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.实施例1
34.碳量子点荧光探针的制备方法，包括以下步骤：
35.a、将核桃青皮烘干粉碎，过100目筛，得到核桃青皮粉末；取0.1g核桃青皮粉末加入30ml超纯水中，在功率为12kw下超声提取15min，得到的提取液在30000r/min的条件下离心5min，分离上清液；
36.b、取4ml上清液，并向上清液中加入1g乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体(制备方法：将柠檬酸和乙酰胺按照1:4的摩尔比混合后，研磨均匀，进行超声震荡处理，直至形成透明均一的液体，所得液体即为上述乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体)和30ml超纯水，在1.2kw的功率下超声震荡1h，得到混合液；将混合液倒入内胆为聚四氟乙烯的高压反应釜中，加热至200℃水热反应9h，自然冷却，得到黄色液体；将黄色液体30000r/min离心5min，再用0.22μm的微滤膜进行抽滤，得到的滤过液即为碳量子点荧光探针。
37.对得到的碳量子点荧光探针进行tem分析，得到的tem表征图如图1所示，所得碳量子点分布均匀，为尺寸均一的近似球状体，平均粒径为10.076nm，其粒径分布情况如图2所示。
38.实施例2
39.碳量子点荧光探针的制备方法同实施例1，相关参数进行如下改变：
40.核桃青皮粉末用量0.08g超声提取的功率为和时间12kw、12min离心分离的转速和时间25000r/min、6min乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体用量0.8g水热反应的温度和时间为190℃、10h
41.其它参数与实施例1相同，制备得到碳量子点荧光探针。
42.实施例3
43.碳量子点荧光探针的制备方法同实施例1，相关参数进行如下改变：
44.核桃青皮粉末用量0.12g超声提取的功率为和时间12kw、20min离心分离的转速和时间35000r/min、4min乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体用量1.2g水热反应的温度和时间为195℃、10h
45.其它参数与实施例1相同，制备得到碳量子点荧光探针。
46.对比例1
47.乙酰胺-柠檬酸碳量子点的制备方法：
48.按照实施例1中制备乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体的方法制备得到乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体。取1g制备好的乙酰胺-柠檬酸低共熔离子液体，并向其中加入30ml的去离子水，1.2kw超声波震荡1h，再倒入内胆为聚四氟乙烯的高压反应釜中，烘箱200℃，恒温保持9h，待自然冷却后，得到黄色液体。将所得黄色液体30000r/min、离心5min，再用0.22um的微滤膜进行抽滤后，得到乙酰胺-柠檬酸碳量子点。
49.对比例2
50.核桃青皮碳量子点的制备：
51.取4ml实施例1中的核桃青皮上清液，并加入30ml的去离子水，在1.2kw超声波震荡1h，然后倒入聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，烘箱200℃，恒温保持9h，自然冷却，得到黄色液体。将所得黄色液体30000r/min离心5min，再用0.22um的微滤膜进行抽滤，得到核桃青皮碳量子点。
52.试验例1
53.对实施例1、对比例1和对比例2中得到的碳量子点荧光探针、乙酰胺-柠檬酸碳量子点和核桃青皮碳量子点的荧光强度进行检测，检测结果如图3所示，从左到右依次为：可见光下的核桃青皮碳量子点、乙酰胺-柠檬酸碳量子点、乙柠-核桃青皮碳量子点(实施例1中得到的碳量子点荧光探针)，和紫外光下的核桃青皮碳量子点、乙酰胺-柠檬酸碳量子点、乙柠-核桃青皮碳量子点。从图3中可以看出，在紫外光下从左到右三种碳量子点的荧光强度依次增强，乙柠-核桃青皮碳量子点(实施例1中得到的碳量子点荧光探针)的荧光强度最强。
54.试验例2
55.对实施例1、对比例1和对比例2得到的三种碳量子点的稳定性进行测试，三种碳量子点的原始ph分别为乙酰胺-柠檬酸碳量子点4.7，核桃青皮碳量子点6.1，乙柠-核桃青皮碳量子点(实施例1中得到的碳量子点荧光探针)5.0。用0.1mol/l的naoh和0.1mol/l的hcl对上述三种炭梁子点的ph进行调配，使上述三种碳量子点的ph分别达到1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，用ph计来测量ph。并对不同ph下的碳量子点进行荧光分析测定，分析结果如图4所示。核桃青皮碳量子点在极酸环境下荧光强度不稳定，而乙柠-核桃青皮碳量子点的荧光强度不会随ph变化而变化，具有较高的稳定性，荧光强度始终保持在95％以上，能够适应各种酸碱环境。
56.同时，将上述三种碳量子点放置0d、3d、9d、14d、25d、30d、40d、54d和60d，测量荧光变化情况，测量结果如图5所示，两个月内三种碳量子点的荧光强度变化均不大，与0d相比荧光强度均保持在96％以上，时间稳定性较强，其中乙柠-核桃青皮碳量子点的荧光强度的稳定性最好。
57.试验例3
58.对实施例1、对比例1和对比例2中得到的三种碳量子点作为荧光探针对金属离子的响应性和特异性检测分析。
59.分别配置浓度为10mmol/l的na
+
、mg
2+
、ca
2+
、zn
2+
、k
+
、pb
2+
、cu
2+
、co
2+
溶液，按照1:1的体积比(金属离子溶液：碳量子点)分别加入三种碳量子点中，进行荧光测定，测定结果如图6所示，向碳量子点中加入上述不同金属离子溶液与空白试样，对荧光致灭情况进行比较，结果如图7和图8所示，核桃青皮碳量子点、乙柠-核桃青皮碳量子点对co
2+
的具有响应，致灭
效果分别为70％和82％，而乙酰胺-柠檬酸碳量子点对co
2+
几乎没有致灭响应，其效果不明显。这说明实施例1中制备的碳量子点荧光探针对co
2+
具有高选择性和致灭性。
60.试验例4
61.对实施例1中的碳量子点荧光探针对金属co
2+
具有高选择性和致灭性进行具体分析。
62.配置一系列浓度为0.0001umol/l、0.0003umol/l、0.0005umol/l、0.001umol/l、0.003umol/l、0.005umol/l、0.01umol/l、0.03umol/l、0.05umol/l、0.1umol/l、0.3umol/l、0.5umol/l、1umol/l、3umol/l、5umol/l、10umol/l、30umol/l和50umol/l的co
2+
溶液，依旧按照1:1的体积比(co
2+
溶液：碳量子点)分别加入到乙柠-核桃青皮碳量子点(实施例1中的碳量子点荧光探针)中，振荡15s进行荧光测定，记录碳量子点荧光强度变化。碳量子点的荧光强度随co
2+
的浓度升高而降低，即乙柠-核桃青皮碳量子点的荧光强度与co
2+
的浓度的变化遵循一定的线性规律，这说明所制得的乙柠-核桃青皮碳量子点可用来检测co
2+
溶液中的co
2+
浓度。且经检测和计算，该碳量子点探针对co
2+
的检出限为0.02nmol/l，线性回归方程为y＝0.1985+0.00901x，r2＝0.9974，其线性拟合关系图如图9所示。
63.这说明实施例1所制得的碳量子点荧光探针可用来定量检测co
2+
溶液，根据检出限(lod)计算公式：
64.lod＝3s/k；
65.s是标准偏差；
66.k是曲线的斜率；
67.经计算，乙酰胺-酒石酸碳量子点的检出限可低至0.02nmol/l，完全可实现co
2+
的高要求的痕量检测。
68.试验例5
69.将硫酸奎宁溶于0.1mol/l的h2so4中，制得硫酸奎宁溶液(φs＝54％，360nm)，以其作为标准物，根据公式计算荧光量子产率：
[0070][0071]
式中:φs和φr分别为样品荧光量子产率和硫酸奎宁的荧光量子产率；
[0072]fs
和fr分别为样品和硫酸奎宁的积分荧光强度；
[0073]as
和ar分别为样品和硫酸奎宁激发波长处溶液的吸光度(为了使再吸收效应最小化，所测溶液的吸光度值均应小于0.05)；
[0074]
ηs和ηr分别为样品和硫酸奎宁的折射率。
[0075]
经计算得到实施例1、对比例1和对比例2中得到的碳量子点的荧光量子产率结果如表1所示。
[0076]
吸光度实施例1对比例1对比例20.0327.5％16.6％8.5％0.0424.2％12.84％7.1％0.0522％14.2％11.3％
[0077]
综合上述对三种碳量子点的ph和时间稳定性、金属离子响应、荧光强度和荧光量子效率的测定，进行分析，结果如图10所示，可得出实施例1中制得的碳量子点荧光探针在
这些方面均优于(以100％为最优)另外两种碳量子点。
[0078]
本发明实施例1中的碳量子点荧光探针的优越性，不仅是荧光量子产率可达到在25％左右，其在浓度范围为0-50um的co
2+
溶液中，检出限可低至0.02nmol/l，而且是低共熔离子液体和生物质制备碳量子点研究领域的新突破。
[0079]
用同样的检测分析方法对实施例2和实施例3中得到的碳量子点荧光探针的荧光强度、稳定性、对co
2+
的致灭响应特异性和荧光产率进行检测分析，其荧光强度、稳定性、对co
2+
的致灭响应特异性和荧光产率的检测结果均与实施例1中的碳量子点荧光探针的检测结果基本相当。
[0080]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。