一种高亲水性双发射碳点及作为可视化检测材料的应用

本发明属于碳量子点材料，具体涉及一种高亲水性双发射碳点材料、其制备方法及在甲基硫菌灵检测方面的应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、双发射比率荧光法在定量检测中具有双信号读出模式，可以进行内部自校准，很大程度的避免了背景及外部环境因素(如温度、溶液极性、ph值)的干扰，克服了单波长荧光检测方法的局限性。构建基于检测目标物的比率荧光传感器，可以提高灵敏度和准确度，并扩大传感器的应用场景和范围。碳点(carbon dots,cds)作为一种新型的荧光材料，具有较高的光稳定性、良好的生物相容性、易于合成和表面功能化等优点而在传感分析、生物成像和光催化等领域得到广泛研究。自首次发现cds以来，有机化合物和生物质等众多前体物质已被成功用于合成不同发射及不同响应性能的cds，但是传统水热法合成的多为单发射蓝光或绿光cds，而双发射比例检测体系多为混合两种不同发射的cds而得。2017年，zhao等以玉米苞叶为原料、乙醇为溶剂，采用溶剂热法成功的制备出具双发射特性的新型生物质cds，其中红色发射峰来源于生物质中的叶绿素类化合物，蓝色发射峰来源于生物质中的其他有机物。从此以生物质为原料合成双发射cds的研究备受关注。但是叶绿素是脂溶性物质，以乙醇为溶剂合成的双发射cds水溶性差，限制了其在生物和环境等水系样本中的应用。zhao等采用复杂的后修饰过程增加水溶性，如合成的cds与聚乙二醇二胺常温混合搅拌48h后用na2co3处理24h。为了简化制备过程，cui等先使用乙醇和丙酮溶液超声15min提取生物质中的叶绿素，接着将叶绿素提取液与聚乙二醇二胺混合，溶剂热法制备双发射cds，该方法省略了后处理过程，但是需要样品提取的前处理过程，且合成溶剂为有机试剂，一定程度上影响所合成cds的亲水性。因此，有必要开发一步简易合成法得到高亲水性双发射cds，这将大大降低高亲水性双发射cds的开发流程，有利于双发射cds的推广和应用。

3、农药残留可能造成食物和环境污染，危害人体的健康。在众多农药中苯并咪唑类杀菌剂使用较为广泛，其中甲基硫菌灵(tm，又名甲基托布津)是环境和农产品中应用较为广泛的农药，其对谷类、蔬菜类、果树上的多种病害有较好的防治作用。因此快速而准确的检测农产品中tm的残留量对保护公众健康及环境具有重大意义。目前已经提出多种可用于农药检测的方法，比如质谱法、色谱法、比色法、电化学方法、表面增强拉曼散射法和荧光法等。但是，大多数方法都具有较为复杂的操作步骤和昂贵的检测成本，极大的限制了农药的现场便捷检测。而将高亲水性双发射cds和测试纸技术结合可以实现现场可视化检测。

技术实现思路

1、针对现有生物质cds材料亲水性的不足，本发明设计引入碱性试剂对醚、酯、叶绿素等脂溶性前体物质进行水解，从而提高材料的水溶效果。本发明以富含叶绿素的植物作为原料，加入碱性试剂通过水热法一步合成了单激发双发射特性的高亲水性cds，该cds水接触角仅为6.25°，具有高亲水性。在365nm的激发下，450和660nm处显示出双发射特性。

2、基于上述技术效果，本发明第一方面，提供一种高亲水性双发射碳点的制备方法，包括如下步骤：将富含叶绿素的植物及碱液加入水热反应釜中，于100～140℃下加热反应6～10h。

3、本发明方法设计通过碱水解提高前体物质的水溶性而增加cds的亲水性，同时期望获得生物质cds的双发射特性。因此，该制备方法需要以富含叶绿素的植物作为原料，优选叶片部位，可行的植物实例如空心菜、菠菜、油菜、生菜、卷心菜、蒜苗、韭菜、香菜、茼蒿、油麦菜、荠菜、芹菜、地瓜叶、芒果叶等，只要能够提供丰富的叶绿素，均可适用于本发明方法。上述原料采用鲜菜或干菜均可，本发明验证的一种实施方式中，以空心菜作为原料，为了方便对上述原料与碱液的比例进行说明，本发明中以干菜重量为例进行说明，可行的烘干方式如热风干燥、远红外干燥、微波干燥、冷冻真空干燥或膨化干燥，一种具体的实例中：60℃热风干燥12h。

4、上述碱液优选无机碱，进一步优选为强碱溶液，如氢氧化钾、氢氧化钠；本发明验证的一种实施方式中，所述碱液为氢氧化钠溶液，上述实施方式中，所述空心菜与碱液的混合比例如下：每100ml混合溶液中，空心菜与氢氧化钠的质量比为0.8～1.2：2。

5、上述水热反应的产物还需要进行纯化：将水热反应得到的深色产物过滤膜得到上清液，将该上清液进行对水透析并再次过膜；进一步的，透析截留分子量为500，透析时间为40～50小时，所述滤膜孔径为0.22μm。

6、本发明同时制备了上述原料在传统方法合成的双发射碳点(cds-peg)，相比cds-peg，本发明cds具有更为优异的水溶性，更为简单的cds合成步骤。

7、第二方面，提供第一方面所述方法制备的高亲水性双发射碳点。

8、进一步的，本发明发现，该高亲水性cds与金属离子(hg2+、fe3+、cu2+)形成cds-金属离子复合物在660nm处的荧光猝灭，而加入的tm与hg2+形成更稳定的复合物，恢复cds在660nm处的发光性能，基于上述性能，该高亲水性cds有望作为一种可视化检测材料。一种实施方式中，本发明提供了一种可以现场快速检测tm的检测试纸。亲水性cds-金属离子复合体系可以均匀的负载在纸基上，当tm浓度逐渐变大时，纸基在紫外灯下颜色由紫红色逐渐变为蓝色，实现tm的可视化比例检测。最后，使用rgb分析软件处理智能手机所拍摄的荧光图片，将所输出的rgb值进行数据处理实现tm的定量分析。

9、因此，本发明第三方面，提供第二方面所述高亲水性双发射碳点作为可视化检测材料的应用。

10、上述作为可视化检测材料的应用方式主要为，以基于该高亲水性双发射碳点荧光变化作为指示的检测方法，本发明验证的一种检测方式中，可应用于农药检测，所述农药的实例为甲基硫菌灵，检测对象包括但不限于农产品、土壤或水源。

11、第四方面，提供一种检测试纸，该试纸以滤纸为载体，负载第一方面所述高亲水性双发射碳点与金属离子的复合物。

12、上述载体可以为定性滤纸或定量滤纸，可行的材质包括滤纸、滤棉、玻璃纤维滤纸等；该载体需要能够承载复合物，同时具备一定的吸水能力，考虑到成本经济的因素，本领域技术人员可从定性滤纸中进行常规选择。

13、上述试纸具有工作区域，所述高亲水性双发射碳点与金属离子的复合物即固定在该工作区域中；为了防止待测物或复合物在载体中扩散，影响检测结果，该工作区域可采用油性试剂划定形成屏障。

14、可行的金属离子如cu2+、hg2+或fe3+，可来自氯化铜、硫酸铜、硝酸铜、氯化汞、氯化铁等。

15、一种实施方式中，该检测试纸用于甲基硫菌灵的检测，以hg2+为例，本发明基于该检测目的对试纸制备涉及的相关参数进行了优化，优化后的制备方法如下：

16、以定性滤纸为载体，通过油性笔画出直径5～7mm的工作区域，在工作区域的中央滴加28～32μm hg2+溶液和8～12mg ml-1的高亲水性双发射碳点溶液，自然挥干得到检测试纸；上述两种溶液等比例添加，其中，碳点溶液的溶剂为ph 8.0的tris-hcl。

17、上述hg2+溶液范围有助于提高甲基硫菌灵的检测线性范围及灵敏度，ph值条件则有助于提高所述碳点材料的荧光恢复程度。上述检测体系具有较强的特异性，检测结果基本不受检测环境中其他干扰物的影响。

18、第五方面，提供一种甲基硫菌灵的检测方法，该方法基于第四方面所述检测试纸实现。

19、上述检测方法的具体步骤如下：将待测物滴加至检测试纸的工作区域，放置于激发波长为365nm的紫外灯下，拍摄工作区域的荧光图片，通过颜色识别器软件分析图片以获取相应的rgb值，根据照片的r/b(r与b的比值)对甲基硫菌灵进行定量分析。

20、以上一个或多个技术方案的有益效果是：

21、1、目前研究表明，生物质原料中疏水性有机质较多，表现出双发射特性的生物质cds通常存在水溶性不足的缺陷。本发明提供的双发射cds材料，具有良好的亲水性，本发明针对其固有特性进行表征，发现该高亲水性cds表面带有高含量的-cooh、-oh、-nh2基团，为目前生物质cds的开发提供了宝贵经验，有效克服现有生物质量cds的不足，制备方法简单，原料经济，具有工业放大生产的前景。

22、2、基于该高亲水性cds与金属离子的结合特性，本发明进一步研究其作为可视化检测材料的应用。tm是一种目前广泛应用的农药，提供一种tm的快速、灵敏、准确检测方法具有重要意义。由于tm能够与金属离子结合成稳定复合物，本发明将cds-金属离子复合体系负载在纸基上，制备了一种能够实现现场检测的试纸，使用时，将待测样本滴加在试纸上，通过紫外光激发后分析试纸颜色变化即可对实际样品(农产品及环境样本)中tm的含量进行分析，具有操作简单方便、成本低和灵敏度高等特点。