一种以龙井茶为碳源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技术领域，具体涉及一种以龙井茶为碳源的碳量子点及其制备方法和应用。

(二)

背景技术：

碳量子点是一种新兴的纳米材料，具有低毒性、良好的水溶性、优异的光稳定性以及良好的生物相容性等优点。这些优点使其在细胞成像、传感器、电分析以及光催化领域存在良好的效果与应用前景。本发明合成碳量子点过程中无需添加酸性物质、碱性物质以及有机溶剂，能够在水溶液中直接水热合成。

重金属离子污染与环境问题密切相关。由于其积累和不可生物降解性，它们也被视为严重的健康问题。在传统的重金属离子检测方法中包括原子光谱、选择性冷蒸气原子荧光光谱法、x射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法等方法。这些方法需要使用昂贵的仪器，复杂的预处理程序和训练有素的操作员，严重限制了它们的实际应用。更重要的是，现有的方法通常仅侧重于一种或两种重金属离子的定性和定量表征，缺少能同时对多种重金属进行检测的方法。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于公开一种以龙井茶为碳源的碳量子点，并建立一种操作简单和绿色环保的制备方法，以及将制备的荧光碳量子点用于多种重金属离子检测。

本发明的技术方案如下：

一种以龙井茶为碳源的碳量子点，所述碳量子点按如下方法制备得到：

将龙井茶、超纯水按料液比1：40(g：ml)加入到反应釜中，在200℃下进行水热反应3h，之后通过冰浴使反应釜冷却至室温(20～30℃)，得到碳量子点水溶液，将所得碳量子点水溶液离心(5000rpm，10min)，取上清液用0.22μm滤膜过滤后，再用3500da分子量的透析袋透析24h，将透析后的溶液(过透析膜的溶液)冷冻干燥，得到碳量子点粉末；

所述龙井茶为龙井43号品种，产地为缙云，采购自中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院；由于龙井茶中富含多种活性物质，这些活性物质对于碳量子点的制备具有促进作用，因此选用龙井茶作为碳源。

本发明制得的碳量子点可应用于多种金属离子的检测，所述金属离子例如：hg²⁺、pb²⁺、cu²⁺、fe³⁺。

本发明具有以下优异效果：龙井茶对碳量子点的合成具有促进作用，通过水热法合成的碳量子点，粒径大小均一，可控性好，生物兼容性好，能对多种金属离子同时响应。

(四)附图说明

图1为本发明实施例1的碳量子点的x射线电子能谱图。

图2为本发明实施例1的碳量子点的透射电镜图，其为纳米球。

图3为本发明实施例1的碳量子点的紫外吸收、荧光吸收及发射谱图(a)；在280-520nm激发波长下，碳量子点的荧光发射光谱(b)。

图4为本发明实施例2的碳量子点随着hg²⁺离子浓度变化的荧光光谱图(a)；碳量子点荧光猝灭强度与hg²⁺离子浓度的线性关系图(b)；rsmep与pso与和周期之间的关系图(c)；通过pso-vwls-svm优化后，hg²⁺潜在特征变量的可变权重图(d)；通过pso-vwls-svm计算的实际浓度与预测浓度之间的相关性(e)。

图5为本发明实施例3的碳量子点随着fe³⁺离子浓度变化的荧光光谱图(a)；碳量子点荧光猝灭强度与fe³⁺离子浓度的线性关系图(b)；rsmep与pso与和周期之间的关系图(c)；通过pso-vwls-svm优化后，fe³⁺潜在特征变量的可变权重图(d)；通过pso-vwls-svm计算的实际浓度与预测浓度之间的相关性(e)。

图6为本发明实施例4的碳量子点随着pb²⁺离子浓度变化的荧光光谱图(a)；碳量子点荧光猝灭强度与pb²⁺离子浓度的线性关系图(b)；rsmep与pso与和周期之间的关系图(c)；通过pso-vwls-svm优化后，pb²⁺潜在特征变量的可变权重图(d)；通过pso-vwls-svm计算的实际浓度与预测浓度之间的相关性(e)。

图7为本发明实施例5的碳量子点随着cu²⁺离子浓度变化的荧光光谱图(a)；碳量子点荧光猝灭强度与cu²⁺离子浓度的线性关系图(b)；rsmep与pso与和周期之间的关系图(c)；通过pso-vwls-svm优化后，cu²⁺潜在特征变量的可变权重图(d)；通过pso-vwls-svm计算的实际浓度与预测浓度之间的相关性(e)。

(五)具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

本实施例提供了一种碳量子点的制备方法，具体为：

称取0.5g龙井茶(为龙井43号品种，产地为缙云，采购自中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院)，加入水热反应釜中，并加入20.00ml超纯水，之后在200℃条件下反应3h，通过冰浴使反应釜冷却后，得到碳量子点水溶液。将所得溶液在5000rpm下离心10min后，取上清液用0.22μm滤膜过滤，再将过滤所得溶液移入3500da分子量的透析袋中透析24h。将透析后的溶液通过冷冻干燥获得固体粉末。

以硫酸喹啉为参考物质，基于公式qyx＝qyst(ix/ist)(ast/ax)(ηx²/ηst²)(qy：量子产率，a：荧光积分面积，i：吸光度，η：折射率，x：碳量子点，st：硫酸喹啉)，该量子点的荧光产率为：10.40％。

通过x射线光电子能谱xps对上述碳量子点进行表征，xps图谱如图1所示，在284.64ev、399.67ev和531.53ev处分别有一个峰，分别对应c1s、n1s和o1s。用透射电镜tem对上述量子点进行观察如图2所示，其粒径分布在1.6-3.0nm，呈圆球形，大小均一。

实施例2

本实施例提供了一种碳量子点的应用，将实施例1制得的碳量子点分散于超纯水中，配制成浓度为5μg·ml^-1的上述碳量子点溶液，取100μl的碳量子点溶液和不同浓度的hg²⁺溶液加入到1.5ml的石英比色皿中，其中石英比色皿中的hg²⁺浓度分别为0，0.2μmol·l^-1，2μmol·l^-1，10μmol·l^-1，20μmol·l^-1，40μmol·l^-1，60μmol·l^-1，80μmol·l^-1，100μmol·l^-1。用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，得到如图4所示的荧光曲线。图中显示随着hg²⁺浓度的增加，碳量子点溶液的荧光强度逐渐猝灭。绘制(f0-f)/f0为纵坐标，hg²⁺浓度为横坐标的曲线，得到拟合公式为y＝3.59×10^-4x+0.23的拟合曲线(f0为hg²⁺浓度为0时的荧光强度，f为检测体系中加入hg²⁺后所对应的荧光强度)，相关系数为0.992，线性范围为10-80μmol·l^-1。再通过pso-vwls-svm算法处理后，对所有浓度均能进行定量检测。

实施例3

本实施例提供了一种碳量子点的应用，将实施例1制得的碳量子点分散于超纯水中，配制成浓度为5μg·ml^-1的上述碳量子点溶液，取100μl的碳量子点溶液和不同浓度的fe³⁺溶液加入到1.5ml的石英比色皿中，其中石英比色皿中的fe³⁺浓度分别为0，0.1μmol·l^-1，1μmol·l^-1，5μmol·l^-1，10μmol·l^-1，30μmol·l^-1，50μmol·l^-1，70μmol·l^-1，100μmol·l^-1。用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，得到如图5所示的荧光曲线。图中显示随着fe³⁺浓度的增加，碳量子点溶液的荧光强度逐渐猝灭。绘制(f0-f)/f0为纵坐标，fe³⁺浓度为横坐标的曲线，得到拟合公式为y＝6.780×10^-4x+0.2696的拟合曲线(f0为fe³⁺浓度为0时的荧光强度，f为检测体系中加入fe³⁺后所对应的荧光强度)，相关系数为0.991，线性范围为5-70μmol·l^-1。再通过pso-vwls-svm算法处理后，对所有浓度均能进行定量检测。

实施例4

本实施例提供了一种碳量子点的应用，将实施例1制得的碳量子点分散于超纯水中，配制成浓度为5μg·ml^-1的上述碳量子点溶液，取100μl的碳量子点溶液和不同浓度的pb²⁺溶液加入到1.5ml的石英比色皿中，其中石英比色皿中的pb²⁺浓度分别为0，5μmol·l^-1，10μmol·l^-1，30μmol·l^-1，50μmol·l^-1，70μmol·l^-1，100μmol·l^-1。用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，得到如图6所示的荧光曲线。图中显示随着pb²⁺浓度的增加，碳量子点溶液的荧光强度逐渐猝灭。绘制(f0-f)/f0为纵坐标，pb²⁺浓度为横坐标的曲线，得到拟合公式为y＝0.0026x+0.0678的拟合曲线(f0为pb²⁺浓度为0时的荧光强度，f为检测体系中加入pb²⁺后所对应的荧光强度)，相关系数为0.998，线性范围为5-70μmol·l^-1。再通pso-vwls-svm算法处理后，对所有浓度均能进行定量检测。

实施例5

本实施例提供了一种碳量子点的应用，将实施例1制得的碳量子点分散于超纯水中，配制成浓度为5μg·ml^-1的上述碳量子点溶液，取100μl的碳量子点溶液和不同浓度的cu²⁺溶液加入到1.5ml的石英比色皿中，其中石英比色皿中的cu²⁺浓度分别为0，10μmol·l^-1，50μmol·l^-1，100μmol·l^-1，300μmol·l^-1，500μmol·l^-1。用荧光分光光度计分别检测对应体系的荧光强度，得到如图7所示的荧光曲线。图中显示随着cu²⁺浓度的增加，碳量子点溶液的荧光强度逐渐猝灭。通过pso-vwls-svm算法处理后，对所有浓度均能进行定量检测。