一种用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点及其应用

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其是涉及一种用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点及其应用。

背景技术

汞离子(Hg

铁是人体必不可少的微量元素，但其含量过高也会对人体造成危害。铁离子是维持红细胞代谢的关键组分，在肝脏、骨髓等部位均与造血功能有关。如果人体缺乏或含有过量的铁离子可能会导致贫血、肝脏类疾病、心脏病、恶性肿瘤等。因此，建立一种快速、灵敏、选择性的在水溶液中检测汞离子和铁离子的方法十分有意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点及其应用，本发明提供的用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点与传统检测方法相比，该方法简单、快速、检出限低，且选择性好。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点，所述碳量子点为二乙烯三胺-β-环糊精修饰的碳量子点；所述碳量子点表示为：3N-CQDs。

优选的，所述碳量子点用于检测水溶液中汞离子时的最低检出限为0.25μmol·L

优选的，所述碳量子点是以由柠檬酸为碳源，二乙烯三胺-β-环糊精为氮源，通过一步水热法制备得到。

优选的，所述二乙烯三胺-β-环糊精的制备方法包括如下步骤：

(1)将β-CD与氢氧化钠溶液混合，在混合液中滴加溶有2.90g对甲苯磺酰氯的乙腈溶液，进行反应，得到反应物；

(2)将所述反应物依次进行过滤、调节pH至2、析出沉淀、过滤和重结晶，将得到的白色固体干燥，得到化合物1；

(3)将所述化合物1加入到二乙烯三胺中，于80℃氩气氛围下搅拌反应，将反应液冷却到室温，滴入丙酮并搅拌，有白色固体析出，抽滤，得到白色固体；

(4)将步骤(3)的白色固体用热水溶解，重复上述操作3次后进行干燥，得到3N-β-CD。

优选的，所述一步水热法包括如下步骤：

1)将柠檬酸、二乙烯三胺-β-环糊精和水混合，将得到的混合物在170～190℃反应2.5～3.5h，得到反应物；

2)将步骤1)的反应物过滤，将滤液采用截留分子量为3500Da的透析袋透析；

3)将步骤2)中透析袋内液体采用截留分子量为300KDa的透析袋内透析；

4)将步骤3)中透析袋内液体进行干燥，得到碳量子点。

优选的，步骤1)中柠檬酸、二乙烯三胺-β-环糊精和水的质量体积比为1.0g：0.5g：5mL。

优选的，步骤2)中过滤用滤膜孔径为0.22μm。

优选的，步骤2)和/或3)中透析的时间独立分别为22～26h。

优选的，所述步骤4)中干燥的方式为真空干燥；所述真空干燥的温度为45～55℃，真空度为-0.06～-0.07MPa。

本发明提供了上述任意一项所述的碳量子点作为荧光探针在环境监测和生物成像中的应用。

本发明取得了以下有益的技术效果：

本发明提供的用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点3N-CQDs，为二乙烯三胺-β-环糊精修饰的碳量子点；在检测时，Hg

附图说明

图1为3N-CQDs对Hg

图2a为CA、3N-β-CD和3N-CQDs的红外光谱；图2b为CA、3N-β-CD、3N-CQDs的紫外吸收光谱和3N-CQDs的荧光激发光谱和发射光谱；图2c为3N-CQDs的X射线粉末衍射图；图2d为3N-CQDs的热重分析图；

图3a为3N-CQDs的透射电子显微镜图像；图3b为3N-CQDs的粒径分布图；

图4a为3N-CQDs的XPS全谱图；图4b为3N-CQDs的C1s谱；图4c为3N-CQDs的N1s谱；图4d为3N-CQDs的O1s谱；

图5a为3N-CQDs在不同pH值下的荧光响应图；图5b为3N-CQDs在不同NaCl浓度下的荧光响应图；

图6a为在3N-CQDs中加入不同阳离子时的荧光响应曲线；图6b为在365nm紫外灯照射下3N-CQDs与不同阳离子响应的荧光照片；

图7a为0～167μM的Hg

图8为3N-CQDs溶液中加入不同种类阳离子后的荧光强度柱状图；

图9a为3N-CQDs,3N-CQDs+Fe

图10为细胞荧光成像图；

图11为3N-CQDs的平均荧光寿命；

图12为3N-CQDs在不同激发波长下的发射光谱图；

图13a为加入Hg

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点，所述碳量子点为二乙烯三胺-β-环糊精修饰的碳量子点；所述碳量子点表示为：3N-CQDs。

在本发明中，所述碳量子点用于检测水溶液中汞离子时的最低检出限为0.25μmol·L

本发明提供的用于检测水溶液中汞离子和/或铁离子的碳量子点优选是以柠檬酸(CA)为碳源，二乙烯三胺-β-环糊精(3N-β-CD)为氮源，通过一步水热法制备得到。

在本发明中，所述二乙烯三胺-β-环糊精的制备方法优选包括如下步骤：

(1)将β-CD与氢氧化钠溶液混合，在混合液中滴加溶有2.90g对甲苯磺酰氯的乙腈溶液，进行反应，得到反应物；

(2)将所述反应物依次进行过滤、调节pH至2、析出沉淀、过滤和重结晶，将得到的白色固体干燥，得到化合物1；

(3)将所述化合物1加入到二乙烯三胺中，于80℃氩气氛围下搅拌反应，将反应液冷却到室温，滴入丙酮并搅拌，有白色固体析出，抽滤，得到白色固体；

(4)将步骤(3)的白色固体用热水溶解，重复上述操作3次后进行干燥，得到3N-β-CD。

在本发明中，所述一步水热法优选包括如下步骤：

1)将柠檬酸、二乙烯三胺-β-环糊精和水混合，将得到的混合物在170～190℃反应2.5～3.5h，得到反应物；

2)将步骤1)的反应物过滤，将滤液采用截留分子量为3500Da的透析袋透析；

3)将步骤2)中透析袋内液体采用截留分子量为300KDa的透析袋内透析；

4)将步骤3)中透析袋内液体进行干燥，得到碳量子点。

本发明将柠檬酸、二乙烯三胺-β-环糊精和水混合，将得到的混合物在170～190℃反应2.5～3.5h，得到反应物。在本发明中，所述柠檬酸、二乙烯三胺-β-环糊精和水的质量体积比优选为1.0g：0.5g：5mL。在本发明中，所述反应温度优选为180℃，时间优选为3h。将得到的混合物在170～190℃反应可以使得柠檬酸碳化成核，二乙烯三胺-β-环糊精分子上的伯氨基与核表面的羧基发生酰胺化反应，从而将二乙烯三胺-β-环糊精修饰在裸碳量子点上，这样就形成了二乙烯三胺-β-环糊精功能化的碳量子点。

得到反应物后，本发明将所述反应物过滤，将滤液采用截留分子量为3500Da的透析袋透析。在本发明中，所述过滤用滤膜孔径为0.22μm。通过过滤去除大颗粒物质和不溶物。在本发明中，所述透析的时间优选为22～26h，温度优选为2～10℃。

采用截留分子量为3500Da的透析袋透析结束后，本发明将透析袋内液体采用截留分子量为300KDa的透析袋内透析，去除粒径较大的沉聚物。在本发明中，所述透析的时间优选为22～26h，温度优选为2～10℃。

采用截留分子量为300Da的透析袋透析结束后，本发明将透析袋内液体进行干燥，得到碳量子点。在本发明中，所述干燥的方式优选为真空干燥；所述真空干燥的温度优选为45～55℃，真空度优选为-0.06～-0.07MPa。

本发明提供了上述任意一项所述的碳量子点作为荧光探针在环境监测和生物成像中的应用。

在本发明中，采用碳量子点作为荧光探针，通过荧光探针的荧光猝灭检测Hg

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

各试剂组分来源如下：

柠檬酸(CA)和氢氧化钠(NaOH)购买自天津市致远化学试剂有限公司；丙酮和盐酸购买自重庆川东化工有限公司；β-环糊精、对甲苯磺酰氯、二乙烯三胺购买自上海泰坦科技有限公司；LiCl·H

实施例1

采用β-环糊精制备3N-β-CD

将17.22gβ-CD溶于200mL 0.25mol·L

3N-β-CD：将2.00g化合物1加入到25mL二乙烯三胺中，于80℃氩气氛围下搅拌反应6h。将反应液冷却到室温，后滴入300mL丙酮中并搅拌，有大量白色固体析出，抽滤，收集固体。将所得固体用15mL热水溶解，重复上述操作3次，50℃真空干燥6h，得到1.26g 3N-β-CD，产率为70％。

将1.0g CA和0.5g 3N-β-CD分散在25mL的烧杯内，用5mL水溶解，并在180℃反应3h。冷却到室温后，用0.22μm的滤头过滤，除去大颗粒物质和不溶物，并将所得溶液转移到截留分子量为3500Da的透析袋内透析24h，再将原透析袋内的液体转移到截留分子量为300KDa的透析袋内透析24h，去除粒径较大的沉聚物。最后，将纯化后的溶液在50℃，-0.07MPa真空干燥，得到浅棕色固体粉末3N-CQDs，在4℃条件下低温冷藏。

分别将CA、3N-β-CD和3N-CQDs采用红外光谱(FT-IR)进行表征，具体如图2a所述。由图2a可以看出：3N-CQDs具有很多3N-β-CD的特征吸收带，在3419cm

采用紫外可见吸收光谱(UV-vis)测量CA、3N-β-CD和3N-CQDs的吸收行为，如图2b所示，3N-CQDs溶液分别在243和352nm处有两个明显的吸收峰，243nm处的吸收峰主要归因于π-π*跃迁，这是3N-β-CD的紫外特征吸收峰。352nm处的吸收峰可能是由于3N-CQDs表面的羰基发生了n-π*跃迁。而CA和3N-β-CD在352nm以上几乎没有吸收，说明3N-CQDs已制备成功。

3N-CQDs的X射线粉末衍射结果如图2c所示，结果显示3N-CQDs含有3N-β-CD的特征峰，而没有CA的特征峰，进一步说明3N-β-CD成功的修饰在3N-CQDs的表面。

热重分析(TG)如图2d所示，结果表明，从200℃开始，3N-β-CD的氨基和含氧基团开始热解，当温度达到800℃时，其重量损失达到82.22％。同样地，当温度达到800℃时，3N-CQDs的质量损失达到74.6％，说明制备的量子点表面含有大量的3N-β-CD。以上研究结果表明，3N-β-CD修饰的碳量子点已成功制备。

在透射电子显微镜(TEM)下对3N-CQDs进行观察，结果如图3a和3b所示，制备的3N-CQDs为近似球形的颗粒，平均直径为3.4nm。TEM成像结果表明，制备的3N-CQDs分散均匀，具有非常清晰的晶格条纹，这也说明了碳量子点类似于石墨烯的性质。

采用X射线光电子能谱研究3N-CQDs表面的化学价态和元素组成。如图4a所示，XPS结果表明3N-CQDs主要含有碳(59.74％)、氮(3.5％)和氧(36.12％)三种元素。也就是说碳基材料上含有大量N、O元素的官能团。3N-CQDs的高分辨率C1s XPS光谱(图4b)显示了四个拟合峰，这分别归因于C-C(284.8eV)、C-O(286.41eV)、C-N(285.40eV)和C＝O(287.78eV)。N1s的XPS光谱(图4c)含有两个拟合峰，表明了C-N(399.88eV)和N-H(401.69eV)的存在。O1s的光谱(图4d)在532.65、531.11和534.14eV处显示出三个峰值，分别与C-O、C＝O和-COO-基团相关。3N-CQDs的XPS研究结果与上述表征结果相一致，即3N-β-CD成功的修饰在3N-CQDs的表面。

性能测试

1荧光量子产率计算

以硫酸奎宁为参比，测定3N-CQDs的相对荧光量子产率。将硫酸奎宁溶解在0.1molL

式中:

根据公式计算出3N-CQDs的相对荧光量子产率为67.2％。3N-CQDs的荧光量子产率明显优于其他以柠檬酸为碳源的类似研究结果，与此同时，测量了3N-CQDs的平均荧光寿命为8.71ns，(详见图11和表1)也是明显高于同类型N-CQDs的平均荧光寿命，这可能是由于较高的含氮量和3N-β-CD的功能化所致的。

表1Comparison between the reported carbon dots for Hg

23N-CQDs的稳定性研究

通过测量3N-CQDs在极端pH和高离子强度下的荧光强度来评价3N-CQDs的荧光稳定性。首先研究了3N-CQDs在不同激发波长下的发射光谱(详见图12)。当激发波长到达350nm和355nm之间时，发射光谱荧光强度最强。3N-CQDs在365nm的激发下发出蓝色荧光。图2b测量了3N-CQDs在水溶液中的发射和激发光谱，其最大激发波长为352nm，最大发射波长为437nm，与蓝光发射是一致的。

探究了不同pH条件对3N-CQDs荧光强度的影响，如图5a所示。研究结果表明，3N-CQDs在pH＝4.0-10.0的较宽范围内显示出较好的荧光强度，当pH＝8.0时荧光强度达到最高。在强酸性条件下，其荧光活性明显降低，可能是由于其表面的羧基质子化。随着pH值的增加，其荧光强度逐渐增大，然而，当pH大于10.0时，其荧光强度开始降低，这可能是由于其表面羧基的去质子化。

耐盐性是评价3N-CQDs稳定性的一个重要指标。随着3N-CQDs周围离子强度的逐渐增加，其溶液的荧光强度并没有发生明显变化，甚至当NaCl的浓度高达2mol·L

3对Hg

将合成的3N-CQDs应用于对Hg

图6b为在365nm荧光灯照射下3N-CQDs溶液识别Hg

进一步研究了3N-CQDs对Hg

于20个比色管内，分别加入45μL上述量子点溶液和48μL汞离子，再加入48μL其它一种阳离子溶液(除铁离子外)，用超纯水配制成3mL，在相同的的测试条件下记录其荧光强度，平行测量三次。采用同样的方法，测量了识别铁离子的抗干扰能力。最终混合溶液中3N-CQDs的浓度为0.15mg·mL

抗干扰能力是评价荧光探针能否用于实际样品检测的关键指标，如图8所示(其中红色为加入Hg

5细胞毒性和成像

为了研究所制备的3N-CQDs的细胞毒性，采用CCK8法检测其与Hela细胞的生物相容性(如图9b所示)。在37℃，5％二氧化碳条件下，Hela细胞在96孔培养基(包含10％的胎牛血清，1％的青霉素和链霉素)中以每孔1*10

CellViability(％)＝[(Absorbance

为了评价3N-CQDs细胞成像的可行性，选择了Hela细胞进行细胞成像实验。将Hela细胞接种于35mm的24孔板中，使用前在包含10％的胎牛血清，1％的青霉素和链霉素DMEM培养基中培养24小时。次日，细胞在含0.4mg/mL 3N-CQDs的新鲜培养液培养6h(37℃，5％二氧化碳)。然后用PBS缓冲液(pH 7.2)洗涤细胞3次，去除剩余的3N-CQDs，用倒置荧光显微镜成像。然后取其中一部分作为对照组，另一部分用100μM Hg

将合成的3N-CQDs添加到体外培养的Hela细胞中，以展示其细胞成像的能力。在外加波长为365nm的条件下，用倒置荧光显微镜观察Hela细胞的荧光情况。如图10a和10b所示，用含有不同浓度的3N-CQDs培养基培养Hela细胞24h后，细胞呈现明亮的蓝光且细胞形态良好，表明3N-CQDs很容易穿透细胞膜进入细胞内，且具有较低的细胞毒性。分别将100μmol·L

6时间响应性

时间响应是评估荧光探针的一个重要因素。测量了3N-CQDs溶液(0.15mg·mL

7实际水样分析

为了评估3N-CQDs在实际水样中检测Fe

表2 Result of Fe

由上述性能测试结果可以看出，本发明提供的碳量子点3N-CQDs具有制备简单快捷、选择性强、灵敏度高等优点，可以作为检测水中Hg

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。