一种pH荧光传感器的制备方法及其应用

一种ph荧光传感器的制备方法及其应用
技术领域
1.本发明涉及一种ph荧光传感器的制备方法及其应用。


背景技术：

2.最近几年，随着汽车内各类污染事件频发，车内污染问题已成为继装饰装修污染、室内pm2.5污染之后的第三大污染问题。车内材料会释放损害人体健康的甲醛，若长时间处于这种有“毒”环境中，人们的健康将会受到严重威胁。汽车内环境之所以越来越差，除了汽车香水、劣质地胶、脚垫、“真皮”座椅，甚至方向盘套外，罪魁祸首还有来自于粘合剂所挥发的物质，从而使得车内甲醛等化学污染物开始增多。
3.甲醛能与蛋白质结合，对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、肺功能异常、肝功能异常、免疫功能异常等方面。吸入高浓度甲醛后，会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘。汽车内甲醛污染问题已成为影响人类身心健康的一个重要问题。
4.纳米传感器作为一种新型的、尺寸介于0.1~100 nm的传感材料，在尖端材料领域发挥着越来越重要的作用。荧光技术作为一种发展迅速的光学检测、传感技术，具有快速，稳定，敏感等特点，在材料学、环境科学、生物医学等领域展现出非常重要的应用前景。
5.目前被开发出来的用于甲醛检测的纳米传感器主要是基于电化学检测、紫外吸收以及光离子技术等原理，其普遍存在检测成本高、检测耗时长、依赖于大型仪器设备等缺点，严重限制了其在实际生活中的应用。
6.目前广泛使用的汽车内甲醛的检测方法主要包括使用甲醛检测仪和使用甲醛自测盒（检测盒）两种。使用甲醛检测仪可以非常精确的测试出甲醛的含量，但是存在检测仪及检测成本费用非常昂贵的缺点。而使用甲醛自测盒（检测盒），是相对经济实惠而且方便易行的方法，但是其检测结果是通过肉眼与标准比色卡对比得到的粗略的检测数据，因此存在检测结果的不稳定、检测灵敏度低等缺点，而且，其检测结果易受环境因素（温度、湿度及风速等）影响，严重的限制了其在实际检测领域中的应用。


技术实现要素：

7.本发明是要解决现有检测水环境中酸碱度的检测方法检测成本昂贵，检测灵敏度低的问题，提供一种荧光纳米传感器的制备方法及其应用。
8.本发明荧光纳米传感器的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：一、将柠檬酸和尿素溶解于dmf中，在室温下超声溶解，形成均匀的混合溶液，将混合溶液装入聚四氟乙烯高温反应釜中，再将聚四氟乙烯高温反应釜放入烘箱中进行高温碳化反应，反应温度为160 ℃，反应6h结束，得到溶液a，即为具有ph响应的荧光碳点；其中碳源原料的摩尔量与dmf的体积比为（14）mmol：（30）ml；二、将步骤一得到的溶液a与koh水溶液混合搅拌1min后装入离心管中高速离心取底部沉淀物。将收集的沉淀物溶于水中，高速离心两次，洗去残留的盐和碱，然后冷冻干燥，
得到cds的深色产物b ；三、取步骤二得到的cds即b适量加入去离子水中，得到红色发光cds的水溶液，将用滤纸折好的玫瑰花浸入cds溶液中，静置5分钟后干燥，获得具有ph响应功能的滤纸。
9.进一步的，步骤一所述原料为碳源柠檬酸(ca)、尿素、n,n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)。
10.进一步的，步骤一中超声功率为60~100w。
11.进一步的，步骤二中所述离心速率为16000r/min。
12.上述方法制备的荧光纳米传感器在ph检测中的应用。
13.本发明可实现对环境中不同酸碱度的可视检测。
14.本发明的原理：荧光化学传感器可应用于环境监测，按检测对象不同主要可分为 ph 传感器，溶解氧传感器，含氮化合物传感器，重金属离子传感器，和有机污染物传感器。在上述各种荧光化学传感器中,由于 ph 测量与现在工业，农业，医药，生物工程，环境及科学研究等领域息息相关，因此 ph 传感器目前倍受关注。
15.本发明中ph荧光传感器的工作原理主要是由于cds可以看作是表面覆盖着许多官能团的共轭结构的核心，这些共轭结构可以通过π
‑
π堆叠效应形成聚集体，从而导致光谱偏移。一般来说，h聚集导致吸收光谱蓝移。在ph值为2时，r
‑
cds严重聚集，在中性和碱性ph下相对分散，对应于在h
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聚集下的猝灭。
16.本发明的有益效果：本发明方法以碳源为原材料，采用水热碳化法，制备出荧光碳量子点。因此，可以利用本发明的荧光纳米传感器对环境中不同酸碱度进行可视检测。
17.由于碳点具有良好的化学稳定性，可以稳定地分散在水溶液中，展现优异的颜色荧光，因此本发明的荧光纳米传感器具有良好的稳定性和荧光性能。将纳米荧光传感器置于300w的紫外灯下辐照5 h，未发生很大的猝灭现象，表明所制备的纳米荧光传感器具有良好的荧光稳定性。
18.本发明通过一步水热法高温碳化合成，制备方法简单、原料成本低且来源广泛，操作简单。由于碳源经过高温碳化的过程，形成碳量子点，产生量子效应使其具有良好的荧光性能，因此具有较好的荧光强度，荧光效率可达57%~68%。随着水溶液中ph由低到高的变化，荧光强度逐渐升高，达到可视化检测。以上表明荧光纳米传感器具有很好的实用性和在广阔的应用前景。
19.本方法所制备的碳纳米粒子尺寸均一、分散性，其合成方法简单，原料廉价易得、成本低，制得的产品无毒，具有较好的荧光性能，可实现对环境中不同酸碱度的可视检测。
附图说明
20.图1是实施例1制备的荧光纳米传感器的紫外吸收光谱图、荧光激发谱图和荧光发射光谱图；图2为实施例1制备的荧光纳米传感器的荧光依赖图；图3为实施例1制备的荧光纳米传感器在不同ph条件下的荧光发射图。
具体实施方式
21.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
22.具体实施方式一：本实施方式荧光纳米传感器的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：一、将碳源原料溶解于dmf中，在室温下超声溶解，形成均匀的混合溶液，将混合溶液装入聚四氟乙烯高温反应釜中，再将聚四氟乙烯高温反应釜放入烘箱中进行高温碳化反应，反应温度为160 ℃，反应6h结束，得到溶液a，即为具有ph响应的荧光碳点；其中碳源原料的摩尔量与dmf的体积比为（14）mmol：（30）ml；二、将步骤一得到的溶液a与koh水溶液混合搅拌1min后装入离心管中高速离心取底部沉淀物。将收集的沉淀物溶于水中，高速离心两次，洗去残留的盐和碱，然后冷冻干燥，得到cds的深色产物b ；三、取步骤二得到的cds即b适量加入去离子水中，得到红色发光cds的水溶液，将用滤纸折好的玫瑰花浸入cds溶液中，静置5分钟后干燥，获得具有ph响应功能的滤纸。
23.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述碳源原料为柠檬酸。其它与具体实施方式一相同。
24.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中超声功率为60~100w。其它与具体实施方式一或二相同。
25.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中反应温度为160~200 ℃。其它与具体实施方式一至三之一相同。
26.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中反应10 h结束。其它与具体实施方式一至四之一相同。
27.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中碳源原料的摩尔量与去离子水的体积比为（14）mmol：（30）ml。其它与具体实施方式一至五之一相同。
28.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述离心速率为16000r/min~17000r/min。其它与具体实施方式一至六之一相同。
29.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述离心速率为15000r/min。其它与具体实施方式一至七之一相同。
30.具体实施方式九：本实施方式荧光纳米传感器可实现对环境中不同酸碱度的可视检测。
31.下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
32.实施例1：一、称取3g的柠檬酸和6g尿素溶解于30ml去dmf中，在室温100w超声下溶解，形成均匀的混合溶液，装入100ml聚四氟乙烯高温反应釜中，放入160℃的烘箱内反应6 h结束，得到具有ph检测功能的碳化聚合物点；二、将步骤一得到的溶液与koh水溶液混合搅拌1min后装入离心管中高速离心取
底部沉淀物。将收集的沉淀物溶于水中，高速离心两次，洗去残留的盐和碱，然后冷冻干燥，得到cds的深色产物；三、取步骤二得到的cds适量加入去离子水中，得到红色发光cds的水溶液，将用滤纸折好的玫瑰花浸入cds溶液中，静置5分钟后干燥，获得具有ph响应功能的滤纸。
33.本实施例制备的荧光纳米传感器的紫外吸收光谱图、荧光激发谱图和荧光发射光谱图如图1所示。所制备的纳米荧光传感器在450nm
‑
600nm的紫外光区内存在大的吸收区，中心吸收峰在500 nm。荧光激发峰在550nm，荧光发射峰在620nm。
34.在自然光照下的荧光纳米传感器呈浅紫色水溶液状态，在365 nm紫外光照下的荧光纳米传感器展现红色的荧光。
35.图2为本实施例制备的荧光纳米传感器的荧光依赖性光谱。
36.图3是荧光纳米传感器的在不同ph值下的荧光强度，随着ph的增大，荧光强度逐渐增强。
37.实施例2：一、称取3g的柠檬酸和6g尿素溶解于30ml去dmf中，在室温80w超声下溶解，形成均匀的混合溶液，装入100ml聚四氟乙烯高温反应釜中，放入180℃ 的烘箱内反应6 h结束，得到具有ph检测功能的碳化聚合物点；二、将步骤一得到的溶液与koh水溶液混合搅拌1min后装入离心管中高速离心取底部沉淀物。将收集的沉淀物溶于水中，高速离心两次，洗去残留的盐和碱，然后冷冻干燥，得到cds的深色产物；三、取步骤二得到的cds适量加入去离子水中，得到红色发光cds的水溶液，将用滤纸折好的玫瑰花浸入cds溶液中，静置5分钟后干燥，获得具有ph响应功能的滤纸。
38.实施例3：一、称取3g的柠檬酸和6g尿素溶解于30ml去dmf中，在室温100w超声下溶解，形成均匀的混合溶液，装入100ml聚四氟乙烯高温反应釜中，放入200℃ 的烘箱内反应6 h结束，得到具有ph检测功能的碳化聚合物点；二、将步骤一得到的溶液与koh水溶液混合搅拌1min后装入离心管中高速离心取底部沉淀物。将收集的沉淀物溶于水中，高速离心两次，洗去残留的盐和碱，然后冷冻干燥，得到cds的深色产物；三、取步骤二得到的cds适量加入去离子水中，得到红色发光cds的水溶液，将用滤纸折好的玫瑰花浸入cds溶液中，静置5分钟后干燥，获得具有ph响应功能的滤纸。