一种基于碳点荧光内滤效应的过氧化物荧光比色双模检测方法

本发明属于危爆品检测技术领域，涉及一种过氧化物检测方法，特别是一种基于碳点荧光内滤效应的过氧化物荧光比色双模检测方法。

背景技术：

近年来，过氧化物类爆炸物由于具有爆炸威力巨大、相对容易合成、原料易得等特点，最典型的过氧化物类爆炸物之一，三过氧化三丙酮(tatp)，别称撒旦之母，是目前已知的最敏感爆炸物之一。其在酸存在的条件下，通过简单地将市售前驱体(过氧化氢和丙酮)混合，即可轻松制得。然而，由于过氧化物类爆炸物不含荧光团或发色团，且不含氮元素，因此，常规仪器无法进行监测。但在特定条件下，过氧化物类爆炸物可以分解并产生过氧化氢。过氧化氢不仅仅是过氧化物类爆炸物的前驱体，同时还是其降解产物，因此在爆炸物检测领域中，常常通过对过氧化氢的检测来间接实现对于过氧化物类爆炸物的检测。因此，对过氧化氢的检测对于社会稳定和国家安全都具有重要的意义。

目前为止，已经有很多方法被用于检测过氧化氢，诸如质谱、拉曼、色谱、电化学、等。这些方法或需要复杂的仪器仪表，或检测时间较长，或需要有专业人员操作，因此不利于现场检测。在各种检测方法中，可视化检测方法，包括荧光和比色检测法，由于兼具操作简单、特异性好和便于小型化等优点，而受到人们的广泛关注。其中，基于比色的检测方法虽然具有良好的选择性，但其存在灵敏度不高的不足。基于荧光的检测方法近年来吸引了大量的关注，已有许多荧光探针被开发出来用于过氧化氢的检测，如硼酸酯类和荧光素类有机探针分子等。但这些有机荧光小分子探针通常需要复杂的合成步骤，且对环境不友好。近几年来，碳点作为一种新型的无机纳米材料，因为具有全波段可调的光学性质，耐受性好，且易于修饰等优点，越来越多的被应用于传感检测领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为了克服现有技术的不足，提供了一种基于碳点荧光内滤效应的过氧化物荧光比色双模检测方法。该方法首先制备发蓝色荧光的碳点：以柠檬酸作为碳源，将其溶解于水中，加入胺类物质，搅拌至固体完全溶解，通过水热反应得到碳点，将经过硫酸酸化的钛盐水溶液，加入到碳点溶液中，得到碳点-钛盐混合溶液，再将碳点-钛盐混合溶液用于检测不同浓度的过氧化物，观测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，建立标准曲线。本发明具有构建方便、灵敏度高、特异性好、使用方便等优势，可广泛应用于涉爆现场等场景下对于过氧化物的检测。

本发明所述的一种基于碳点荧光内滤效应的过氧化物荧光比色双模检测方法，其特征在于：利用钛盐与过氧化氢的比色检测及碳点与该比色产物基于內滤效应的荧光检测，具体操作按下列步骤进行：

a、用柠檬酸作为碳源，将其溶解于20ml水中，加入胺类物质，搅拌至固体完全溶解，其中，胺类物质为乙二胺、1,2-丙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或四乙烯五胺；柠檬酸的物质的量为0.01-10mmol，胺类物质加入量与柠檬酸的物质的量之比为0.1:1-8:1；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度160-200℃鼓风干燥箱中反应4-10小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为0.05-8mg/ml的荧光碳点水溶液；碳点的平均直径为2-10nm，其荧光激发波长为300-380nm，荧光发射波长为400-550nm；

e、将经过硫酸酸化的钛盐水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-钛盐混合溶液，其中所述钛盐为三氯化钛、四氯化钛、硫酸钛、硫酸氧钛或草酸钛钾；其中钛盐水溶液占混合溶液的体积比为0.1-25％，ph<4；

f、将浓度为0.0005-50mm的过氧化物为过氧化氢、三过氧化三丙酮或六亚甲基三过氧化二胺待测样品加入到步骤e得到的碳点-钛盐混合溶液中，反应10-60min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线。

步骤d中激发波长为370nm，发射波长为450nm。

步骤f中，利用碳点內滤效应荧光检测过氧化氢浓度的线性范围是0.0005-1mm，检出限为0.2μm，比色检测过氧化氢浓度的线性范围是0.0005-10mm，检出限为50μm。

本发明所述的一种基于碳点荧光内滤效应的过氧化物荧光比色双模检测方法，该方法在酸性条件下，过氧化氢与钛盐发生生成过氧键的比色反应，颜色由无色变为黄色，同时在410nm处出现最大吸收波长。而该吸收波长和碳点在450nm处的荧光发射波长相重叠。因此，随着过氧化物含量的增加，体系在410nm处的吸收强度逐渐增强，碳点在450nm处的荧光发射强度逐渐降低。利用紫外可见和荧光分光光度计，可以定量检测过氧化物的含量，并将其应用于涉爆现场等场景下对于过氧化物的检测。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明避免了合成繁琐复杂的有机小分子荧光探针，采用更为环保、便于大规模应用的荧光碳点，同时大大降低了制备成本；

(2)本发明利用过氧化氢与钛盐发生比色反应的产物的吸收波长和碳点荧光发射波长重叠的现象，采用內滤效应将吸收信号转化为荧光信号，成功实现对目标物的比色和荧光两种模式的高效检测。

附图说明

图1为本发明碳点的最佳荧光激发光谱图(左)和荧光发射光谱图(右)；

图2为本发明碳点在不同激发波长下的荧光发射光谱图；

图3为本发明碳点的紫外可见吸收光谱图；

图4为本发明碳点的透射电子显微镜图；

图5为本发明碳点的粒径分布图；

图6为本发明碳点-钛盐混合溶液对不同浓度过氧化氢响应的照片及荧光光谱图；

图7为本发明过氧化氢浓度与荧光下降强度的关系图；

图8为本发明过氧化氢浓度与荧光下降强度的线性拟合图；

图9为本发明碳点-钛盐混合溶液对不同浓度过氧化氢响应的紫外可见吸收光谱图；

图10为本发明过氧化氢浓度与紫外可见吸收值的关系图；

图11为本发明过氧化氢浓度与紫外可见吸收值的线性拟合图；

图12为本发明碳点-钛盐混合溶液检测过氧化物的选择性。

具体实施方式

本发明通过实施例作进一步说明，但不限于以下实施例。在不背离发明构思的范围内，本领域研究人员能够想到的变化都包括在本发明中。

实施例1

制备发蓝色荧光碳点：

a、用0.01mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入0.08mmol四乙烯五胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为8:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度160℃鼓风干燥箱中反应4小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为0.05mg/ml的荧光碳点水溶液；如图1和2所示，合成的碳点的荧光激发为370nm，荧光发射波长为450nm，且碳点具有激发独立的发射性质，图3是合成的碳点的紫外光谱图，图4和5是合成的碳点的透射电子显微镜图与对应的粒径分布图；从图中可以看到，碳点的紫外吸收峰在228和336nm左右，碳点的平均直径为4.96nm；

过氧化氢的检测：

e、将经过硫酸酸化的钛盐三氯化钛水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-三氯化钛混合溶液，其中钛盐三氯化钛水溶液占混合溶液的体积比为0.1％，ph＝3；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的过氧化氢待测物样品加入到步骤e得到的碳点-三氯化钛混合溶液中，反应10min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线，图6-8所示，随着过氧化氢浓度的增加，溶液的荧光强度逐渐降低；以过氧化氢的浓度为横坐标，457nm处反应体系的荧光强度的变化值f0-f为纵坐标，拟合可以得到检测过氧化氢的线性范围；如8所示，过氧化氢浓度在0.0005-1mm范围内呈良好的线性关系(y＝39330.1526x+10739.97007,r²＝0.986,x单位为mm)，检出限为0.2μm；如图9-11所示，随着过氧化氢浓度的增加，溶液的紫外可见吸收值逐渐增加；以过氧化氢浓度为横坐标，417nm处的反应体系的紫外可见吸收值为纵坐标，拟合可以得到检测过氧化氢的线性范围。如图11所示，过氧化氢浓度在0-10mm范围内呈良好线性关系(y＝0.04206+0.04817x，r²＝0.996，x单位为mm)，检出限为50μm。

实施例2

制备发蓝色荧光碳点：

a、用0.01mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入0.001mmol二乙烯三胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为0.1:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度180℃鼓风干燥箱中反应6小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤、超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为0.5mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为2nm，荧光激发波长为300nm，荧光发射波长为400nm；

过氧化氢的检测：

e、将经过硫酸酸化的钛盐四氯化钛水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-四氯化钛混合溶液，其中钛盐四氯化钛水溶液占混合溶液的体积比为5％，ph＝3.9；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的过氧化氢待测物样品加入到步骤e得到的碳点-四氯化钛混合溶液中，反应20min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线。

实施例3

制备发蓝色荧光碳点：

a、将0.01mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入0.04mmol乙二胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为4:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度200℃鼓风干燥箱中反应10小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为2mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为10nm，荧光激发波长为340nm，荧光发射波长为550nm；

过氧化氢的检测：

e、将经过硫酸酸化的钛盐硫酸钛水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-硫酸钛混合溶液，其中钛盐硫酸钛水溶液占混合溶液的体积比为15％，ph＝1；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的过氧化氢待测物样品加入到步骤e得到的碳点-硫酸钛混合溶液中，反应50min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线。

实施例4

制备发蓝色荧光碳点：

a、将5mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入40mmol三乙烯四胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为8:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度170℃鼓风干燥箱中反应5小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为4mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为6nm，荧光激发波长为380nm，荧光发射波长为500nm；

e、将经过硫酸酸化的钛盐硫酸氧钛水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-硫酸氧钛混合溶液，其中钛盐硫酸氧钛水溶液占混合溶液的体积比为20％，ph＝2；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的六亚甲基三过氧化二胺溶液待测物样品加入到步骤e得到的碳点-硫酸氧钛混合溶液中，反应60min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线；

实施例5

a、将5mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入0.5mmol1,2-丙二胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为0.1:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度190℃鼓风干燥箱中反应7小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为6mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为6nm，荧光激发波长为380nm，荧光发射波长为500nm；

三过氧化三丙酮的检测：

e、将经过硫酸酸化的钛盐水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-草酸钛钾混合溶液，其中钛盐草酸钛钾水溶液占混合溶液的体积比为25％，ph＝1；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的三过氧化三丙酮溶液待测样品加入到步骤e得到的碳点-草酸钛钾混合溶液中，反应45min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线。

实施例6

制备发蓝色荧光碳点：

a、将5mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入20mmol四乙烯五胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为4:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度200℃鼓风干燥箱中反应10小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为8mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为6nm，荧光激发波长为340nm，荧光发射波长为450nm；

六亚甲基三过氧化二胺的检测：

e、将经过硫酸酸化的钛盐硫酸钛水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-硫酸钛混合溶液，其中钛盐硫酸钛水溶液占混合溶液的体积比为25％，ph＝1；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的六亚甲基三过氧化二胺溶液待测样品加入到步骤e得到的碳点-硫酸钛混合溶液中，反应50min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线。

实施例7

a、将10mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入1mmol1,2-丙二胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为0.1:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度190℃鼓风干燥箱中反应7小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为6mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为6nm，荧光激发波长为380nm，荧光发射波长为500nm；

三过氧化三丙酮的检测：

e、将经过硫酸酸化的钛盐水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-草酸钛钾混合溶液，其中钛盐草酸钛钾水溶液占混合溶液的体积比为25％，ph＝1；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的三过氧化三丙酮溶液待测样品加入到步骤e得到的碳点-草酸钛钾混合溶液中，反应45min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线。

实施例8

制备发蓝色荧光碳点：

a、将10mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入80mmol四乙烯五胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为8:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度200℃鼓风干燥箱中反应10小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为8mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为6nm，荧光激发波长为340nm，荧光发射波长为450nm；

六亚甲基三过氧化二胺的检测：

e、将经过硫酸酸化的钛盐硫酸钛水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-硫酸钛混合溶液，其中钛盐硫酸钛水溶液占混合溶液的体积比为25％，ph＝1；

f、分别将浓度为0.0005、0.02、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10、50mm的六亚甲基三过氧化二胺溶液待测样品加入到步骤e得到的碳点-硫酸钛混合溶液中，反应50min，检测反应体系的荧光强度的变化和紫外可见吸收值的变化，分别以碳点的荧光下降强度和紫外可见吸收值为纵坐标，过氧化物浓度为横坐标，绘制检测过氧化物的标准工作曲线。

实施例9

制备发蓝色荧光碳点：

a、将10mmol柠檬酸溶解于20ml水中，加入40mmol乙二胺(胺类与柠檬酸物质的量之比为4:1)，搅拌至固体完全溶解；

b、将溶液转移至水热反应釜中，在温度200℃鼓风干燥箱中反应10小时，自然冷却至室温，将产物收集起来，在温度80℃的风箱上再次烘干，得到黄色粘稠液体；

c、将步骤b得到的黄色粘稠液体用二氯甲烷洗涤，超声，旋转蒸发除去有机溶剂，得到发蓝色荧光的碳点，干燥后得到碳点固体粉末；

d、将步骤c得到的碳点固体粉末重新分散到水溶液中，配置溶液浓度为2mg/ml的荧光碳点水溶液，碳点的平均直径为6nm，荧光激发波长为380nm，荧光发射波长为500nm；

选择性实验：

e、将经过硫酸酸化的钛盐硫酸钛水溶液，加入到步骤d得到的碳点溶液中，得到碳点-硫酸钛混合溶液，其中钛盐硫酸钛水溶液占混合溶液的体积比为15％，ph＝1；

g、分别将1mm的12种干扰物：na2s2o3、nahso3、nh4no3、khso4、k2co3、ki、ch4n2o、naclo、kno3、kclo3、naclo4和nh4cl的待测样品分别加入到步骤e得到的碳点-硫酸钛混合溶液中，反应50min，检测反应体系的荧光强度的变化，如图12所示，和过氧化氢相比，12种干扰物质对过氧化氢荧光强度的影响基本可以忽略不记，因此说明该发明具有良好的选择性。