一种绿色荧光碳量子点及其制备方法和在汞离子检测中的应用与流程

1.本发明属于分析化学领域，涉及微纳米材料在汞离子检测中的应用，具体涉及一种绿色荧光碳量子点及其制备方法和在汞离子检测中的应用。


背景技术：

2.水体中的汞离子(hg
2+
)具有毒性强、生物富集的特点，会对人体分泌系统、大脑、肾脏甚至神经系统造成广泛的严重损害，即使hg
2+
在很低的浓度下也会引起严重的人体健康问题。因此，研制出一种方便有效的方法来检测水体中的hg
2+
很有必要。
3.荧光碳量子点具有良好的化学惰性、生物相容性、光致发光性、化学稳定性、多功能性、生物安全性等特性，在生物成像、分析检测和催化等领域具有潜在的技术应用前景。研究发现，通过对荧光碳量子点的结构特征的合理调整，可实现某些重金属离子对荧光碳量子点的荧光淬灭作用，从而进行金属离子的定性定量检测。
4.在现有的汞离子荧光碳量子点快检方法的相关报道中，山西大学报道了一种用于hg
2+
检测的蓝色荧光的碳点，其最低检测限为0.124μm(analyst 2020,145(24)：8030-8037)；延安大学的孙雪华报道了一种强蓝色荧光的碳量子点，其对汞离子的选择性较差，灵敏度不高(环境化学2021,40(1))；黄淮学院的牛静报道了一种羧基化的碳量子点用于hg
2+
的检测，最低检测限为3μm，抗干扰性有限(化学试剂2020,42(3))。由此可见，现有方法所合成的碳量子点，由于结构上的问题，存在着对重金属离子的选择性有缺陷，灵敏度低、易受杂质干扰、检出限过高等问题。
5.因此，亟需设计一种高灵敏度的、高选择性的、简便、快速的hg
2+
荧光碳量子点检测方法。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种绿色荧光碳量子点的制备方法。
7.本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制备得到的绿色荧光碳量子点。
8.本发明的再一目的在于提供通过上述绿色荧光碳量子点在汞离子检测中的应用。
9.本发明的目的通过如下技术方案实现：
10.一种绿色荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：将盐酸多巴胺和l-半胱氨酸溶于水中，超声混合后进行水热反应；将反应后的混合产物进行透析，离心，过滤，即获得所述的绿色荧光碳量子点。
11.进一步地，所述的盐酸多巴胺和l-半胱氨酸的用量配比为摩尔比1:2～2:1。
12.更进一步地，所述的盐酸多巴胺和l-半胱氨酸的用量配比为摩尔比1:1。
13.进一步地，所述的超声条件为功率450～500w、时间0.5～2min。
14.更进一步地，所述的超声条件为功率480w、时间1min。
15.进一步地，所述的水热反应的条件为温度160～220℃、时间2～8h。
16.更进一步地，所述的水热反应的条件为温度200℃、时间3h。
17.进一步地，所述的透析采用截留分子量为500～3500da的透析袋实现。
18.更进一步地，所述的透析采用截留分子量为1000da的透析袋实现。
19.进一步地，所述的透析的时间为12～48h。
20.更进一步地，所述的透析的时间为24h。
21.进一步地，所述的离心的条件为转速6000～12000rpm、时间8～12min。
22.更进一步地，所述的离心的条件为转速10000rpm、时间10min。
23.进一步地，所述的过滤采用的滤膜孔径为0.22μm。
24.一种绿色荧光碳量子点，通过上述制备方法制备得到。
25.所述的绿色荧光碳量子点的最佳激发波长为380nm，发射波长为457nm。
26.上述绿色荧光碳量子点在汞离子检测中的应用。
27.进一步地，所述的应用为在水体中痕量汞离子检测中的应用。
28.更进一步地，所述的水体中汞离子的浓度范围为0～2.5μmol/l。其中，在0.05～0.5μmol/l的范围内cqds荧光强度与hg
2+
浓度之间有很好的线性关系，线性拟合方程为y＝1.0471-1.4331x，r2＝0.99346，检出限为9.367nmol/l。
29.所述的应用具体包括如下步骤：
30.(1)配制一定浓度的绿色荧光碳量子点溶液和汞离子使用液；
31.(2)取等量的绿色荧光碳量子点溶液与不同体积汞离子使用液混合，纯水定容，得到一系列汞离子浓度的混合液；
32.(3)利用最佳激发波长测定各混合液的荧光发射光谱图，根据荧光强度计算出归一化荧光强度值；其中，归一化荧光强度值(f/f0)＝混合液的荧光强度/汞离子浓度为0μmol/l的混合液的荧光强度；
33.(4)根据计算得到的各混合液的归一化荧光强度值绘制碳量子点溶液荧光强度随hg
2+
浓度变化的拟合曲线，该拟合曲线所对应的函数为：
34.y＝1.0471-1.4331x，r2＝0.99346，线性检测范围为0.05～0.5μmol/l，检出限(lod)＝9.367nmol/l；
35.式中：y为归一化荧光强度值，x为hg
2+
浓度，r2为线性拟合常数；
36.(5)取与步骤(2)等量的碳量子点溶液，加入待检测液，利用最佳激发波长测定荧光发射光谱图，根据荧光强度计算出归一化荧光强度值；
37.(6)将所得归一化荧光强度值代入步骤(4)中的拟合曲线中，计算出待检测液中所含的hg
2+
浓度。
38.步骤(2)中所述的混合液中绿色荧光碳量子点的浓度为0.01～0.3mg/ml。
39.进一步地，步骤(2)中所述的混合液中绿色荧光碳量子点的浓度为0.03～0.05mg/ml。
40.更进一步地，步骤(2)中所述的混合液中绿色荧光碳量子点的浓度为0.04mg/ml。
41.本发明的有益效果在于：
42.1)本发明以盐酸多巴胺和l-半胱氨酸为原料制备绿色荧光碳量子点，通过羟基、巯基和氨基等基团的合理引入，使碳量子点具有合理的结构特征，提高了对汞离子的检测
灵敏度和选择性。
43.2)本发明所述的绿色荧光碳量子点具有良好的抗干扰性，在包括cd
2+
,pb
2+
和cr2o
72-等在内的26种常见的阴、阳离子混合液中，对hg
2+
具有最高的响应性，适用于微量/痕量hg
2+
的检测。
附图说明
44.图1为实施例1制备的碳量子点的透射电镜图。
45.图2为实施例1制备的碳量子点的傅里叶红外光谱图。
46.图3为实施例1制备的碳量子点的x-射线光电子能谱图。
47.图4为不同hg
2+
浓度下碳量子点的荧光强度变化图。
48.图5为随汞离子浓度变化的碳量子点归一化荧光强度变化值及对应的拟合曲线图。
49.图6为加入不同阴阳离子后碳量子点归一化荧光强度的对比图。
50.图7为不同hg
2+
浓度下单独l-半胱氨酸水热产物归一化荧光强度变化图。
具体实施方式
51.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
52.实施例1
53.1)水热法制备绿色荧光碳点：按摩尔比为1:1，将盐酸多巴胺和l-半胱氨酸溶解于10ml超纯水中，480w功率下超声1min后，转移到带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，200℃反应3h。
54.2)碳量子点的纯化：将水热好的碳量子点溶液用截留分子量为1000da的透析袋透析24h，以除去未反应的原料和低聚合度的产物，以10000rpm的转速离心10min，采用0.22μm水相聚醚砜针式滤器进行过滤，以除去大的沉淀和结块。
55.3)用透射电子显微镜、傅里叶红外光谱仪和x-射线衍射仪对所得产品进行表征，结果如下所示：
56.图1为制备的碳量子点的透射电镜图。从图中可以看出，碳量子点分布均匀，晶格间距为0.3nm，平均粒径为8.24
±
1.0nm，分散性良好，在细胞成像、分析检测和催化等领域具有良好的应用前景。
57.图2为制备的碳量子点的傅里叶红外光谱图。从图中可以看出，碳量子点的红外吸收峰基本上都在l-半胱氨酸和盐酸多巴胺的水热透析产物上有所对应。从图中可知在3500-3000cm-1
处的大宽峰可归属为对应-oh和n-h的伸缩振动峰的叠加峰；在2500cm-1
属于s-h的伸缩振动；1705cm-1
处为c＝o的吸收峰，1560cm-1
附近的为n-h的弯曲振动；1400cm-1
左右的峰可能为羧酸类c-o的伸缩振动；665cm-1
附近的峰可归属于c-s的伸缩振动峰。这说明碳量子点表面存在丰富的氨基羟基和巯基，这赋予了碳量子点优异的水溶性。
58.图3为制备的碳量子点的x-射线光电子能谱图。由图可知，碳量子点中含有c、n、o、s这四种元素，其中在c1s的分峰拟合图谱中可观察到四个峰，即o-c＝o(288.58ev)，c-o-c(286.48ev)，c-n/c-s(285.73ev)和c-c(284.8ev)。
59.4)绿色荧光碳点对汞离子的选择性相应测试：将纯化的碳量子点溶液稀释成0.4mg/ml的碳量子点溶液，进行汞离子的测试。
60.5)测试：
61.a.使用汞离子标液配置出5μmol/l的汞离子使用液；
62.b.取0.2ml碳量子点溶液加入不同体积的汞离子使用液，最后用纯水定容到2ml，分别得到汞离子浓度为0μmol/l，0.05μmol/l，0.1μmol/l，0.15μmol/l，0.2μmol/l，0.25μmol/l，0.3μmol/l，0.35μmol/l，0.4μmol/l，0.45μmol/l，0.5μmol/l，0.55μmol/l，0.6μmol/l，0.65μmol/l，0.7μmol/l，0.8μmol/l，0.9μmol/l，1μmol/l，2μmol/l，2.5μmol/l的混合液；以380nm为激发波长，对上述20个混合溶液进行荧光测定，分别获得每个混合溶液的荧光发射谱图，根据荧光强度来计算出归一化的荧光强度值(加入汞离子后与加入汞离子前的荧光强度的比值)；
63.c.根据碳量子点的荧光强度随hg
2+
浓度的变化情况(图4)做出归一化的荧光强度随hg
2+
浓度变化图(图5)以及拟合曲线图(右上角)，该曲线所对应的函数为：y＝1.0471-1.4331x，r2＝0.99346，线性检测范围为0.05-0.5μmol/l，根据此方程知该碳量子点对汞离子的检出限(lod)低至9.367nmol/l；该公式中y为归一化的荧光强度，x为hg
2+
浓度，r2为线性拟合常数。
64.实施例2～6
65.实施例2～6关于碳量子点的制备和纯化基本过程与实施例1保持相似，各实施例与实施例1的不同特征对比于下表1中，其中da为盐酸多巴胺的缩写，l-cys为l-半胱氨酸的缩写。
66.表1实施例1～6的不同特征对比
[0067][0068]
效果实施例1
[0069]
1)配置出浓度相同的阴离子和阳离子使用液(包括hg
2+
,k
+
,fe
3+
,ni
2+
,na
+
,cr
3+
,mg
2+
,ag
+
,cu
2+
,zn
2+
,sr
2+
,ba
2+
,co
2+
,ca
2+
,pb
2+
,cd
2+
,cl-,co
32-,br-,cr2o
72-,s2o
32-,so
32-,so
42-,no
2-,b4o
72-,no
3-)；
[0070]
2)将相同体积的阴离子和阳离子使用液(包括空白，hg
2+
,k
+
,fe
3+
,ni
2+
,na
+
,cr
3+
,mg
2+
,ag
+
,cu
2+
,zn
2+
,sr
2+
,ba
2+
,co
2+
,ca
2+
,pb
2+
,cd
2+
,cl-,co
32-,br-,cr2o
72-,s2o
32-,so
32-,so
42-,no
2-,b4o
72-,no
3-以及包不包括hg
2+
的上述离子的混合液)与0.2ml的实施例1制备的碳量子点溶液(0.4mg/ml)混合，并用纯水定容至2ml后(其中各离子浓度均为3μmol/l)，分别进行荧光测试，得归一化荧光强度，即相同浓度下各种离子归一化荧光强度的变化关系。
[0071]
结果如图6所示，向碳量子点测试液中加入汞离子后荧光强度明显降低，出现荧光
淬灭；而加入其他离子时，荧光强度只呈现微弱的变化，将除了汞离子之外的其他离子均加入到碳量子点测试液时，荧光强度略微下降；而将所有的离子均加入到碳量子点测试液时，荧光基本淬灭。可见，本发明的绿色荧光碳量子点具有较高的抗干扰性，在包括cd
2+
、pb
2+
和cr2o
72-等在内的26种常见的阴、阳离子，对hg
2+
具有最高的响应性，适于微量/痕量hg
2+
的检测。
[0072]
对比例1
[0073]
一种发射绿光荧光的碳量子点的合成方法，包括如下步骤：
[0074]
1)水热法制备绿色荧光碳点：按实施例1所述的同等量的盐酸多巴胺或l-半胱氨酸分别溶解于超纯水中，均超声1min后，转移到带聚四氟乙烯内衬的水热釜中，200℃反应3h。
[0075]
2)单独水热产物荧光测试：将单独原料的水热产物进行荧光测试，其中盐酸多巴胺水热产物无荧光显示，而单独的l-半胱氨酸水热产物的最大荧光强度约为实施例1的三分之一。
[0076]
3)单独水热产物对汞离子的选择性相应测试：将单独的l-半胱氨酸水热产物，进行汞离子测试，其中汞离子浓度范围为0～5μmol/l。
[0077]
结果如图7所示。从图中可以看出，hg
2+
在0～5μmol/l的浓度范围内，基本对l-半胱氨酸水热产物的荧光没有影响。
[0078]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。