一种可视化检测铁离子的碳点的制备方法和应用

1.本发明具体涉及一种可视化检测铁离子的碳点的制备方法和应用，属于重金属离子检测试剂技术领域。


背景技术：

2.随着工业化的快速发展，大量工业废水的排放导致水体重金属离子超标和水体富营养化，工业垃圾倾倒形成的固体废物中的重金属离子也对环境造成了很大威胁。因此，对环境中的重金属离子污染物进行切实有效的治理，是目前亟待解决的问题。然而，对环境中的污染物进行有效防控的前提是对这些污染物进行实时有效的监控，做到有的放矢。其中以铁离子为例，其是环境中分布较为广泛的一种离子，铁作为人体所需微量元素，是人体多种细胞的组成部分，具有促进发育、提高免疫力等作用。但当铁过量时会导致细胞损伤以及其他微量元素的失衡，引发腹痛、恶心、呕吐等症状。
3.目前，对于环境中重金属的检测手段仍处于实验室水平，常用的方法主要为:高效液相色谱、气相色谱等离子体发射光谱等。虽然这些测试技术可以精确有效的检测环境样品中的污染物，但是存在过程繁琐、耗时长久、成本高昂等弊端，极大的限制了对环境样品检测的范围和环境样品数据获得的实时性。传感材料是提升环境中污染物检测水平的重要途径之一，可用于检测重金属离子的高灵敏度荧光传感器应运而生。
4.cds是近年来发展起来的一类新型碳纳米材料，由于它优良的光学性能，在传感领域上有着很大的利用价值。而且它合成过程简单、生物相容性好、稳定性高，有着廉价的制备成本，因此被广泛应用于多个领域。因此开发一种经济、方便的制备碳点的方法实现对铁离子可视化检测以及定性、定量分析是非常重要的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可视化检测铁离子的碳点的制备方法和应用，碳点制备方法简单迅速，可大批量制备，所得碳点适用于液体溶液检测铁离子，具有检测限低、稳定性强、准确度高的特点。
6.为实现上述目的，本发明可视化检测铁离子的碳点及其制备方法和应用的技术方案：一种能够即时可视化检测铁离子的碳点及其制备方法，包括以下步骤:1)柠檬酸、硫脲 、硼砂以质量比为(3~6)：(3~6)：(0.5~1.5)加入超纯水中，超声至完全溶解；将所得溶液放入微波炉中进行3~20 min的反应，得到固体碳点。
7.2)将所得碳点加入10~20 ml超纯水超声溶解，进行离心，取上清液过滤膜，并冷冻干燥，最终获得固体纯碳点。
8.优选的，步骤1)，所述反应的微波瓦数70~1000 w。
9.优选的，步骤2)，上述产物的固液分离采用离心或者过滤，所得液体用微孔滤膜或用透析袋进行透析除去大分子杂质，其透析袋优选的截留分子量为1500~6000 da。
10.根据上述制备方法制备的碳点材料在水溶液中检测铁离子的应用。
11.所合成的碳量子点对金属离子的选择性识别实验，在5 ml的荧光比色皿中分别加入1 mg/ml的碳量子点溶液和100 μm的一系列金属离子钠离子、钾离子、铁离子、钙离子、银离子、钴离子、镁离子、镍离子、铅离子、铜离子、锌离子、亚铁离子、锰离子，并测定各溶液的荧光性质。
12.碳点用于水样中铁离子的检测方法，有以下步骤组成：1)建立标准曲线：配置浓度梯度在0~3600 μm范围内的标准溶液，将其分别加入1 mg/ml同体积的碳量子点溶液，通过荧光光谱、色度仪以及手机拍照等方法确定碳点荧光强度和铁离子的浓度之间的定量关系;2)检测：将铁离子待测液，加入碳点，配置成步骤1)相同的溶液，利用荧光光谱、色度仪以及手机拍照等方法，根据定量关系确定待测液中铁离子含量。
13.经实验证明，上述碳点材料可利用荧光光谱、色度仪以及手机拍照等方法检测水相中的铁离子，检测结果具有高灵敏度和高准确度的特点，其为应用于检测铁离子的检测，提供了更为准确的更简便的方法。
附图说明
14.图1为本发明实施例1制备的碳点的紫外光谱图。
15.图2为本发明实施例1制备的碳点的荧光光谱图(a)为激发光谱，(b)为发射光谱。
16.图3为本发明实施例1制备的碳点的对一系列离子的选择性识别性能柱状图。
17.图4为本发明实施例1制备的碳点基于铁离子的荧光淬灭曲线图，其中，(a)为加入铁离子后碳点荧光变化强度图，(b)为加入铁离子后碳点材料荧光强度与铁离子浓度之间的线性关系。
18.图5为本发明实施例1制备的碳点加入铁离子的混合溶液，基于色度仪检测的rgb与铁离子浓度之间的线性关系，其中，r、g、b分别加入铁离子后碳点溶液的红色、绿色、蓝色三个颜色通道。
19.图6为本发明实施例1制备的碳点加入铁离子的混合溶液，基于手机拍照方法检测的rgb与铁离子浓度之间的线性关系，其中，r、g、b分别加入铁离子后碳点溶液的红色、绿色、蓝色三个颜色通道。
20.图7为本发明实施例1制备的碳点随铁离子浓度变化发生色度变化的手机拍照图片。
21.具体实施下面申请人将结合附图和具体的实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
22.实施例中所使用的化学试剂和溶剂均为分析纯。
23.具体实施11）碳点的制备：将2 g柠檬酸、2 g硫脲和0.5 g硼砂放入锥形瓶中，加入20 ml的超纯水，超声至完全溶解，将得到的溶液放入微波炉中，在100 w下反应5 min，反应结束后，冷
却至室温，得到黑色固体。
24.2）加20 ml水将得到的黑色固体溶解、离心，取上层清液用微孔滤膜过滤后，旋蒸干燥，其最终得到的固体为纯碳点。
25.具体实施2本实施例的用于检测铁离子的碳点基纳米复合物的制备方法，与实施例1介绍的不同之处仅在于：步骤1)柠檬酸的用量2.5 g，硼砂的用量为0.75 g；反应时间为6 min。
26.步骤2)加水超声的用量为10 ml。
27.具体实施3本实施例的用于检测铁离子的碳点基纳米复合物的制备方法，与实施例1介绍的不同之处仅在于：步骤1)硫脲的用量2.5 g，硼砂的用量为0.75 g；反应时间为6 min。
28.步骤2)加水超声的用量为10 ml。
29.具体实施4对具体实施1所得的碳点进行紫外光谱、荧光光谱分析，如图1和2所示。
30.由图1和2可得碳点的光学性质，图1紫外吸收光谱，图2的激发和发射光谱。
31.由图2可以看出碳点最大的激发波长在370 nm和发射波长在460 nm。
32.具体实施5所合成的碳量子点对金属离子的选择性识别实验，在5 ml的荧光比色皿中分别加入3 mg/ml 0.5 ml的碳量子点溶液和0.02 mol/l 100 μm的一系列金属离子钠离子、钾离子、铁离子、钙离子、银离子、钴离子、镁离子、镍离子、铅离子、铜离子、锌离子、亚铁离子、锰离子，并测定各溶液的荧光性质，图3显示出该碳点具有优越的识别性能。
33.具体实施6荧光法检测铁离子：从配置好的3 mg/ml的碳点溶液取0.5 ml，分别加入不同浓度(0~3600 μm)的铁离子，最后加超纯水保持体积为3 ml，其作为实验组；以没有加铁离子的碳点溶液做空白对照组(体积同样最后加超纯水保持3 ml)，反复摇晃，静止15 min，在激发波长为370 nm处进行测定体系荧光值，如图4所示。
34.图4中，随着铁离子浓度的增加，碳点溶液的荧光强度逐渐淬灭，其对应的荧光强度值也逐渐降低。同时，图中显示碳点荧光强度与铁离子浓度之间存在着良好的线性关系。
35.具体实施7色度仪方法检测铁离子：从配置好的3 mg/ml的碳点溶液取1.5 ml，分别加入不同浓度(0~2.4 mm)的铁离子，最后加超纯水保持体积为9 ml，其作为实验组；以没有加铁离子的碳点溶液做空白对照组(体积同样最后加超纯水保持9 ml)，反复摇晃，静止15 min，用色度仪对其混合溶液进行检测，其色度仪中会给出混合溶液的rgb。
36.图5中，随着铁离子浓度的增加，碳点溶液的r、g、b数值都在降低，显示碳点的r、g、b值与铁离子浓度之间存在着良好的线性关系。
37.具体实施8手机拍照方法检测铁离子：从配置好的3 mg/ml的碳点溶液取50 μl，分别加入不同浓度(0~2.0 mm)的铁离子，最后加超纯水保持体积为300 μl，其作为实验组；以没有加铁
离子的碳点溶液做空白对照组(体积同样最后加超纯水保持9 ml)，反复摇晃，静止15 min，用手机软件对其混合溶液进行拍照检测，其照片中会给出混合溶液的rgb。
38.图6中，随着铁离子浓度的增加，碳点溶液的r、g、b数值都在降低，显示碳点的r、g、b值与铁离子浓度之间存在着良好的线性关系。