一种基于黄酮苷及其衍生物合成的碳量子点便捷式检测铝离子的方法与流程

本发明主要涉及一种检测铝离子的方法，具体涉及一种基于黄酮苷及其衍生物合成的碳量子点便携式检测铝离子的方法。

背景技术：

铝是地壳中含量最高的金属元素，广泛用于水处理、铝制容器、食品添加剂等方面，从而使水中和食品中的铝离子(al³⁺)浓度增加。铝离子在人体中缓慢积累，可能对人类健康构成危害(阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等疾病)。世界卫生组织(who)规定，人的平均铝摄入量约为3-10mg/天。传统的检测铝离子的方法主要包括原子吸收光谱法，原子发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法等。因这些方法需要昂贵的仪器、样品前处理复杂、分析时间长，且携带不便，难以满足现场即时快速检测的要求。因此，亟需开发一种经济、简单、快速、便携式的新型检测策略用于高灵敏检测铝离子。

碳量子点(carbondots,cds)是一种新型的荧光纳米材料，由于其合成简单、光学性质优异等特性被广泛研究。水热法是合成cds最为热门的方法，通过直接加热富含碳的小分子的溶液而合成cds。水热法合成前体来源广泛且成本低廉，如氨基酸、柠檬酸、乙二胺等化学物质都可作为合成cds的前体。因合成cds的表面功能基团可以通过螯合作用与金属离子相互作用，基于不同前体物质合成的cds实现了对多种金属离子的灵敏检测。

基于比色的检测方法因检测信号易读出、成本较低而备受关注。该方法因基于吸收率的变化，其灵敏度和准确性较低。为了进一步提高比色传感器的灵敏度和准确性，使用两种不同颜色的荧光纳米材料构建比例型探针，可以有效消除光源波动、环境不确定性等影响，提高检测灵敏度。目前，基于碳量子点、半导体量子点、金属纳米簇等纳米材料的双色荧光探针，实现了对金属离子、小分子的高灵敏检测。然而，这种基于荧光的比色检测技术，通常需要调整两种不同颜色的荧光纳米材料的荧光强度比，从而使检测过程较为复杂。

最近，基于智能手机的便携式检测方法改善了基于荧光的比色检测技术，满足了现场实时检测的要求。借助手机上的分析软件(imagej，rgbpicker等)对样品的彩色照片进行rgb(红、绿、蓝三个颜色通道的色彩模式)分析，基于不同颜色通道的颜色强度比值可实现对目标物的实时便携式检测。因只需要借助智能手机、分析软件和紫外灯，该方法可简单、快速、便携式地检测金属离子。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于黄酮苷及其衍生物合成的碳量子点便捷式检测铝离子的方法，通过利用黄酮苷及其衍生物合成的碳量子点(cds)，并基于该cds实现对铝离子(al³⁺)的便携式检测。

为达上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于黄酮苷及其衍生物合成的碳量子点便捷式检测铝离子的方法，该方法步骤如下：

a.以黄酮苷及其衍生物为前体合成发射峰位于400-480nm的蓝色荧光碳cds；

b.以铝离子诱导上述蓝色荧光cds产生发射峰位于490-580nm的绿色荧光；

c.在紫外光照射下，获取al³⁺诱导后的cds彩色荧光照片，利用rgb法对该照片进行分析以检测出al³⁺的浓度。

较佳的，上述步骤a中提及的黄酮苷及其衍生物为柚皮苷、橙皮苷或橘皮苷及其衍生物中的一种或几种。

较佳的，上述步骤a中合成碳量子点的方法为水热法、超声波法、溶剂热法、微波消解法或超声振荡法，皆为现有常规方法。以水热法进行说明，具体过程为：取0.01g-0.1g黄酮苷及其衍生物溶于5ml-50ml无水乙醇，经超声振荡溶解后，将该溶液置于120℃-200℃的高温下反应1h-8h；待反应结束后，将反应后的溶液分离纯化并冷冻干燥，得cds粉末。

较佳的，上述步骤b中提及的诱导是指将不同浓度的al³⁺溶液与0.01mg/ml-1mg/ml的蓝色荧光cds溶液混合，于室温下反应5min-30min。

较佳的，上述步骤c中紫外光波长为200-395nm，紫外光源包含能发射紫外光的所有光源，如手提式紫外灯、紫外激光等；cds彩色荧光照片是通过智能手机获取，该智能手机包含具有拍摄成像功能的所有类型智能手机。

上述提及的利用rgb法对cds彩色荧光照片进行分析检测al³⁺浓度的过程为本领域的现有常规技术。

本发明根据黄酮类化合物富含碳、氢、氧元素且含有羟基基团，可作为cds合成的前体，而合成蓝色荧光cds(发射峰位于400-480nm)；而al³⁺可诱导cds产生新的绿色荧光发射峰(490-580nm)，而cds原有的蓝色(400-480nm)荧光强度减弱；同时，通过智能手机结合rgb分析，可以识别紫外光下cds探针从蓝色到绿色的明显颜色变化，从而可以简单、快速、便携式检测al³⁺，结合参见图1。

本发明提供了以黄酮苷及其衍生物合成cds，并基于cds构建便携式检测al³⁺的策略。根据紫外光照射下，cds不同荧光颜色的变化来定量al³⁺。如此，本方法只要借助智能手机和rgb分析软件(如imagej软件)，分析不同浓度样品在紫外光照射下的荧光颜色变化，就能实现对金属离子的检测。本方法操作简单，方便携带，检测快速，容易推广，适合各种检测铝离子的检验部门。

附图说明

图1是本发明方法的检测原理示意图。

图2是基于柚皮苷合成的cds的基本性质表征；

其中，a表示cds的光谱图，a、b分别指cds的紫外吸收谱和荧光发射谱；b表示cds在不同激发波长下的荧光发射性质，a、b、c、d、e、f分别指cds在激发波长为300nm、320nm、340nm、360nm、380nm、400nm时的荧光发射谱；c表示cds在不同ph值下的荧光强度变化情况，荧光强度比值是指不同ph值下的cds荧光强度与ph＝7时的cds荧光强度之间的比值；d表示cds的傅里叶红外光谱图。

图3是基于荧光光谱法检测al³⁺的数据曲线示意图及特异性。

其中，a表示添加不同浓度al³⁺后，cds的荧光光谱；b表示al³⁺的浓度与i500/i420值之间的关系，插图显示了在23.08μm–769.23μm范围内的线性关系；c表示添加769.23μm不同金属离子(ag⁺，al³⁺，ca²⁺，cd²⁺，co²⁺，cr³⁺，cu²⁺，fe²⁺，fe³⁺，hg²⁺，k⁺，mg²⁺，na⁺，ni²⁺和zn²⁺)后，cds的荧光光谱；d表示添加769.23μm不同金属离子(ag⁺，al³⁺，ca²⁺，cd²⁺，co²⁺，cr³⁺，cu²⁺，fe²⁺，fe³⁺，hg²⁺，k⁺，mg²⁺，na⁺，ni²⁺和zn²⁺)后，cds的i500/i420值的变化，图中blank为空白对照。

图4是基于rgb法检测al³⁺的数据曲线示意图及特异性。

其中，a表示添加不同浓度al³⁺后在360nm紫外灯下用智能手机获得的cds图像，a、b、c分别指荧光cds图像、经imagej将荧光cds图像分解为蓝色通道、经imagej将荧光cds图像分解为绿色通道；b表示al³⁺的浓度与绿色通道/蓝色通道的颜色强度比值之间的关系，插图显示了在3.85μm–2.31mm范围内的线性关系；c表示添加307.69μm不同金属离子(ag⁺，al³⁺，ca²⁺，cd²⁺，co²⁺，cr³⁺，cu²⁺，fe²⁺，fe³⁺，hg²⁺，k⁺，mg²⁺，na⁺，ni²⁺和zn²⁺)后在360nm紫外灯下用智能手机获得的cds图像，a、b、c分别指荧光cds图像、经imagej将荧光cds图像分解为蓝色通道、经imagej将荧光cds图像分解为绿色通道；d表示添加307.69μm不同金属离子(ag⁺，al³⁺，ca²⁺，cd²⁺，co²⁺，cr³⁺，cu²⁺，fe²⁺，fe³⁺，hg²⁺，k⁺，mg²⁺，na⁺，ni²⁺和zn²⁺)后，cds的绿色通道/蓝色通道的颜色强度比值之间的关系。图中blank为空白对照。

图5是基于cds和cds-al³⁺(7.69mm)的透射电子显微镜图。

其中，a表示cds在水溶液中的透射电子显微镜图，cds近似球形且单分散性好，通过选取100多个单独cds进行统计分析，cds平均直径为1.17nm，插图显示了cds的粒径分布直方图；b表示添加7.69mmal³⁺后，cds在一定程度上发生团聚，如图中圈中所示。

图6是基于添加不同浓度al³⁺(0μm，7.69μm,76.9μm,769μm,7.69mm)后cds的傅里叶红外光谱图。

其中，a表示cds的傅里叶红外光谱，b-e分别表示添加7.69μm,76.9μm,769μm,7.69mmal³⁺后，cds的傅里叶红外光谱，当添加al³⁺浓度增大时，c-o-c基团的拉伸振动增强。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步详细描述。

以下实施例仅用于说明本发明，但不用以限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

以柚皮苷为前体合成蓝色荧光的cds，并基于al³⁺诱导蓝色荧光cds产生新的绿色荧光，利用荧光光谱法与rgb法记录两种颜色荧光的变化情况，结合al³⁺浓度与两种颜色荧光的比值的关系，实现al³⁺的高灵敏检测。

1.合成cds

秤取cds的前体柚皮苷11.6mg，溶于5ml无水乙醇；该溶液经超声振荡10min后，置于反应釜内中，于180℃加热2h；将反应后的溶液离心(10000rpm/min，10min)，微膜过滤(孔径为0.22μm)，透析(孔径为1000d)，并冷冻干燥，得到cds粉末。用水将cds配制成质量分数为0.1mg/ml的溶液。

对合成cds的紫外吸收峰、荧光发射峰、受激发波长和ph值调节的荧光发射性质、表面基团种类进行分析。该cds的紫外吸收峰位于270nm和340nm(见图2a)，分别归因于c＝c键的π-π^*跃迁和c＝o键的n-π^*跃迁；激发波长为360nm时，cds的荧光发射峰位于420nm(见图2a)；当激发波长从320nm增加到400nm时，cds的荧光强度逐渐下降，并发生100nm的光谱红移，这可能是由于cds的尺寸分布和表面状态(见图2b)；当ph值从2增加到13时，cds的荧光受ph值的影响，但在ph＝4-9范围内cds荧光保持稳定(见图2c)；cds的傅里叶红外光谱中，1385cm^-1、1520cm^-1、1694cm^-1和3034-3476cm^-1处的峰分别对应于c-o-c，c＝c，-c＝o和-oh基团的拉伸振动(见图2d)，表明cds表面具有环氧、羟基和羧基基团，这些官能团改善了cds的水溶性。

2.荧光光谱法检测al³⁺

将20μl不同浓度(0-3.08mm)的al³⁺溶液与500μl0.1mg/ml的cds溶液混合，并于室温下反应10min。取上述溶液400μl装入比色皿内，在360nm激发波长处测量cds荧光光谱(见图3a)。记录不同浓度的al³⁺引起cds两个荧光峰的荧光强度变化情况，作标准曲线。非线性拟合后，所得关系式为y＝0.27497x+0.71864，r²为0.97023(见图3b)，cds两个荧光峰的荧光强度随al³⁺溶液浓度的增加而增强，检测限为6.15nm。

记录同一浓度(769.23μm)、不同种类金属离子(ag⁺,ca²⁺,cd²⁺,co²⁺,cr³⁺,cu²⁺,fe²⁺,fe³⁺,hg²⁺,k⁺,mg²⁺,na⁺,ni²⁺和zn²⁺)引起cds两个荧光峰的荧光强度变化情况(见图3c)，作柱状图。以荧光光谱法检测al³⁺的特异性，由图3d可知，添加al³⁺后cds的i500/i420值明显高于添加其它离子后cds的i500/i420值，本发明合成的cds基于荧光光谱法对检测al³⁺的特异性很好。参见图5，添加7.69mmal³⁺后，cds在形态上发生一定程度的团聚。参见图6，添加7.69μm,76.9μm,769μm,7.69mmal³⁺后，cds在1385cm^-1的c-o-c基团的拉伸振动逐渐增强，表明al³⁺与cds表面上的c-o-c键相互作用并生成cds-al³⁺络合物。络合物中的这些cds彼此靠近，这增加了共轭π系统的延伸，并在cds荧光光谱中引起红移，使得cds产生绿色荧光。因此，cds对al³⁺的特异性可归因于al³⁺离子和cds表面的c-o-c键的络合作用。

3.rgb法分析检测al³⁺

将20μl不同浓度(0-3.08mm)的al³⁺溶液与500μl0.1mg/ml的cds溶液混合，并于室温下反应10min。取上述溶液400μl装入1mlpe管内，经360nm紫外灯激发后，通过智能手机获得彩色荧光照片。利用imagej软件将彩色荧光照片分解为蓝色，绿色和红色通道照片(见图4a)，然后选择绿色和蓝色通道的颜色强度比值检测al³⁺。记录不同浓度的al³⁺引起彩色cds荧光照片中绿色与蓝色通道的强度比值变化情况，作标准曲线。非线性拟合后，所得关系式为y＝0.25377x+1.09496，r²为0.98917(见图4b)，随着al³⁺浓度的增加，cds荧光照片中绿色与蓝色通道的颜色强度比值逐渐增加，这可实现对al³⁺的灵敏检测，检测限为6.72nm，与荧光光谱法检测分析得到的检测限相差不大。

记录同一浓度(307.69μm)、不同种类金属离子(ag⁺,ca²⁺,cd²⁺,co²⁺,cr³⁺,cu²⁺,fe²⁺,fe³⁺,hg²⁺,k⁺,mg²⁺,na⁺,ni²⁺和zn²⁺)引起彩色cds荧光照片中绿色与蓝色通道的颜色强度比值变化情况，作柱状图，结合参见图4c和图4d。以rgb法分析检测al³⁺的特异性，由图4d可知，添加al³⁺后cds的颜色强度比值明显高于添加其它离子后cds的颜色强度比值，本发明合成的cds基于rgb法对检测al³⁺的特异性很好。结合参见图5与图6，cds对al³⁺的特异性可归因于al³⁺离子和cds表面的c-o-c键的络合作用。

4.加标回收率考察

取几种已知浓度的al³⁺溶液，分别采用本发明合成的cds基于荧光光谱法和rgb法考察加标回收率，结果见下表1。由表中数据可知，荧光光谱法和rgb法分析得到的加标回收率结果相差不大，rgb法得到的较高的加标回收率说明本方法的可行性强，结果可靠，能用来检测实际的水样。但荧光光谱法的结果更精确，适用于实验室操作，而本方法以黄酮苷及其衍生物合成cds，再结合智能手机和rgb法，更适宜于室外取样检测al³⁺，方便快捷。

表1加标回收率考察数据表