CN107794039A - 一种用于检测氟离子的硼酸碳量子点的制备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测氟离子的硼酸碳量子点的制备及其应用，属于新型纳米材料制备技术领域。本发明制备硼酸碳量子点的具体步骤如下：将苯硼酸到水中，用NaOH溶液调节pH后，将混合溶液转移到水热反应釜中反应，离心处理，即可得到具有高性能荧光性质的硼酸碳量子点。本发明提供了一种绿色环保、简单高效的硼酸碳量子点荧光探针的制备方法，通过一步水热法直接得到硼酸碳量子点，建立一种操作简单、绿色低廉的合成方法。此外，制备的硼酸碳量子点具有良好的光学性能和稳定性，并且，通过间质邻羟基结构物质（多巴胺）具有选择性识别和开关式检测氟离子的能力。

Description

一种用于检测氟离子的硼酸碳量子点的制备及其应用
技术领域
本发明涉及一种用于检测氟离子的硼酸碳量子点的制备及其应用，属于新型纳米材料制备技术领域。
背景技术
氟元素在自然界中分布广泛，是人体和动物体必需的微量元素。氟元素存在于人体的骨骼和牙齿中，其含量与人体的健康密切相关。一般成年人体内氟元素的含量约为2-3g，人体中氟元素的缺乏容易引发龋齿病，严重时形成大骨节病；同时人体中吸收过量的氟离子容易导致氟骨症甚至危害生命。其中，饮水和摄食是人体中氟元素的主要来源，通过饮水摄取的氟却可以完全被人体吸收。饮用水中的氟化物含量超标会严重影响人体的健康，世界卫生组织（WHO）规定了在饮用水中氟化物的含量要低于1.5 mg/L，而我国因氟地下水分布广泛，是世界氟中毒比较严重的国家之一，规定的饮用水的氟化物含量不能超过1.0mg/L。因此，研究出有效的氟离子的检测方法无论对人体的健康还是对保护环境都很迫切。所以，对氟离子的检测方法的研究受到了人们广泛的关注。常用的氟离子的检测方法有离子选择电极法、色谱法、荧光分析法等。离子选择电极法虽然选择性好，检测快速，但是灵敏度不高，易受环境温度、电位漂移和其他离子的干扰；色谱法的精密度和准确度较高，但是样品预处理繁琐，不易操作，而且主要适用于实验室的科研研究；而荧光分析法因其具有选择性好，灵敏度高，操作方法简便、快速得到了广泛的应用。
近年来，基于量子点荧光探针的荧光分析法受到了科研工作者的广泛关注，因其具有灵敏度高、选择性好、仪器结构相对简单、价格便宜等特点，建立的荧光分析方法已经在分析领域得到了广泛的应用，例如测定无机物、有机物及生物大分子。量子点 ( Quantumdots，QDs) 作为新型纳米发光材料，是近年研究的热点。基于其独特的发光特性与光物理学的性质，可用于建立新型量子点生物传感器***。量子点除了具有表面效应、体积效应、介电限域效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应外，还具有吸收光谱宽、发射光谱窄和斯托克斯位移大等优良的光学性能。为此，量子点已成功用于分析检测、生物医学和荧光标记等领域。
碳纳米发光材料作为新兴的一种纳米材料，因其具有低毒性和强荧光性质受到了越来越密切的关注。其中，硼酸碳点通过硼原子可与间质邻羟基结构化合物中酚羟基上的氧进行配位，形成硼酸盐化合物，硼酸荧光探针发生光诱导电子转移过程，荧光被淬灭。然后加入氟离子，氟离子迅速与硼原子进行配位，硼原子上的羟基离去，邻羟基物质与氟离子、邻近的氮原子之间形成氢键，此时硼酸荧光探针分子的光诱导电子转移进程被抑制，荧光恢复。通过硼酸与顺式邻羟基化合物的共价结合以及氟离子的络合作用，利用荧光强度的变化直观地体现客体的存在，从而建立基于共价结合的特异性识别荧光分析方法，将其应用于量子点荧光检测分析领域，无疑为该领域研究开辟了新的道路。
经对现有技术的文献检索发现，Shen等在2014年《Anal. Chem.》上发表的“Synthesis-Modification Integration: One-Step Fabrication of Boronic AcidFunctionalized Carbon Dots for Fluorescent Blood Sugar Sensing”报道了硼酸碳点的合成与应用。然而这个硼酸碳点只是用于检测血糖，用于开关式识别与检测氟离子的方法鲜有报道。因此，利用简单、绿色的合成方法合成高性能硼酸碳点并用于开关式检测氟离子的研究成为必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，如：检测氟离子过程中溶剂消耗量大，样品预处理繁琐、选择性差和灵敏度低等，本发明提供一种用于开关式识别与检测氟离子的硼酸碳量子点荧光探针，该硼酸碳量子点荧光探针具有很好的光学性能和稳定性，且具有开关式检测氟离子的能力。
本发明还提供一种用于开关式识别与检测氟离子的硼酸碳量子点荧光探针的制备方法， 具体的，本发明采用的技术方案按照以下步骤进行：
将一定量的苯硼酸溶解到二次蒸馏水中，形成苯硼酸溶液；用一定浓度的NaOH溶液将苯硼酸溶液调至一定值的pH后，得到混合溶液；将混合溶液转移至带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，通入N2一段时间，将反应釜置于烘箱中一定温度下反应一段时间，冷却至室温，即可得到硼酸碳量子点荧光探针的分散液。将上述分散液离心处理，上清液保存，得到硼酸碳量子点荧光探针。
其中，所述的苯硼酸与二次蒸馏水的用量比为0.1-2.0 g：30mL；NaOH溶液的浓度为0.1 mol/L；混合溶液的pH为7.0-11.0；通N2的时间为30min；反应温度为160 -200 ℃；反应时间为28-40 h。
本发明还提供一种用于开关式识别与检测氟离子的硼酸碳量子点荧光探针的应用，将硼酸碳量子点与过量的间质邻羟基物质（如多巴胺、邻苯二酚）反应使硼酸碳量子点的荧光猝灭，再用荧光恢复实验进行开关式识别与定量分析测定氟离子含量。
本发明制备的硼酸碳量子点荧光探针开关式检测氟离子的原理如下：
通过合成修饰一步法成功制备了一种新型环保、简单易得的并且含有硼酸基团的碳量子点CQDs作为荧光探针，并将硼酸碳点荧光探针的共价选择性能力和荧光特性结合起来应用于氟离子的识别，通过硼酸与间质邻羟基化合物发生光诱导电子转移过程，使CQDs处于“关”的状态，发生荧光猝灭现象；然后通过氟离子强的电负性，氟离子迅速与硼原子进行配位，硼原子上的羟基离去，此时硼酸CQDs荧光探针的光诱导电子转移进程被抑制，使CQDs处于“开”的状态，发生荧光恢复现象，从而实现了开关式识别与检测氟离子。
本发明的硼酸碳量子点荧光探针主要用于水溶液中氟离子的测定：
将制备的硼酸碳量子点荧光探针原液、间质邻羟基结构物质（多巴胺，5 mmol/L）、待测目标物氟离子（5 mmol/L）分别配制成一定浓度的储备液。取60-200 μL的探针溶液原液加入到比色管中，并向管内加入多巴胺间质储备液，测定溶液的荧光强度，再加入目标物氟离子储备液，分别配制成氟离子浓度为0-60 μM的标准样品8-12个，测定荧光光谱。
与现有技术相比较，本发明的有益效果体现如下：本发明的技术优点：
通过合成修饰一步法成功制备了一种新型环保、简单易得的并且含有硼酸基团的碳量子点CQDs作为荧光探针，并将硼酸碳量子点荧光探针的共价选择性能力和荧光特性结合起来应用于氟离子的识别。以苯硼酸为原材料制备含有硼酸基团的碳量子点，不仅具有绿色无毒、检测方法简单、高选择性等优点，还避免了繁琐的修饰过程。
由苯硼酸为原料制备的碳点通过硼酸基团与间质多巴胺的共价键作用来使其荧光猝灭，再利用硼酸基团与氟离子的络合作用来实现其开关式识别和检测，这种荧光增强的检测方法可以有效地减少实验误差，并使得硼酸碳点荧光传感器的应用范围得到极大的扩充。此外，制备的硼酸碳量子点荧光探针上只含有硼酸基团，性质稳定，可以大大地降低环境中干扰物质对碳量子点的影响。
附图说明
图1：硼酸碳量子点荧光探针的透射电镜图；
图2：不同浓度的多巴胺与硼酸碳量子点荧光探针作用后的荧光图，a-h分别代表浓度为0μM、10μM、20μM、30μM、40μM、50μM、60μM、70μM的多巴胺溶液与硼酸碳量子点荧光探针作用后的荧光强度；
图3：不同浓度的氟离子与硼酸碳量子点荧光探针及多巴胺混合溶液作用后的荧光恢复图，从下至上，每条线分别代表浓度为0μM、5μM、10μM、15μM、20μM、25μM、30μM、35μM、40μM、45μM、50μM、55μM、60μM的氟离子与硼酸碳量子点荧光探针及多巴胺混合溶液作用后的荧光强度；
图4：不同浓度的氟离子与硼酸碳量子点荧光探针及多巴胺混合溶液作用后的相对强度线性图；
图5：同一浓度下（50 μmol/L）不同卤素物质对硼酸碳量子点荧光探针及多巴胺混合溶液的猝灭率。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1：
将1.0 g苯硼酸溶解到30 mL二次蒸馏水中，充分搅拌，使苯硼酸完全溶解；然后用0.1mol/L的NaOH溶液调节苯硼酸溶液的pH至9.0；将上述苯硼酸溶液转移至带有聚四氟乙烯内衬的50 mL水热反应釜中，通入N2 30 min后，将反应釜置于烘箱中，从室温开始升温，200℃下反应28 h；用隔热手套取出，冷却至室温后，将得到的硼酸碳量子点荧光探针分散液离心，除去一些大分子杂质，得到浓度较高的硼酸碳量子点荧光探针，常温下保存待用，也可将其低温烘成固体更方便保存，由于本实验的需求，并未将其烘干保存。
实施例2：
将2.0 g苯硼酸溶解到30 mL二次蒸馏水中，充分搅拌，使苯硼酸完全溶解；然后用0.1mol/L的NaOH溶液调节苯硼酸溶液的pH至7.0；将上述苯硼酸溶液转移至带有聚四氟乙烯内衬的50 mL水热反应釜中，通入N2 30 min后，将反应釜置于烘箱中，从室温开始升温，160℃下反应40 h；用隔热手套取出，冷却至室温后，将得到的硼酸碳量子点荧光探针分散液离心，除去一些大分子杂质，得到浓度较高的硼酸碳量子点荧光探针，常温下保存待用，也可将其低温烘成固体更方便保存，由于本实验的需求，并未将其烘干保存。
实施例3：
将0.5 g苯硼酸溶解到30 mL二次蒸馏水中，充分搅拌，使苯硼酸完全溶解；然后用0. 1mol/L的NaOH溶液调节苯硼酸溶液的pH至11.0；将上述苯硼酸溶液转移至带有聚四氟乙烯内衬的50 mL水热反应釜中，通入N2 30 min后，将反应釜置于烘箱中，从室温开始升温，180℃下反应36 h；用隔热手套取出，冷却至室温后，将得到的硼酸碳量子点荧光探针分散液离心，除去一些大分子杂质，得到浓度较高的硼酸碳量子点荧光探针，常温下保存待用，也可将其低温烘成固体更方便保存，由于本实验的需求，并未将其烘干保存。
图1为硼酸碳量子点荧光探针的透射电镜图。由图1可以看出，硼酸碳量子点荧光探针的尺寸为3-5nm，没有团聚现象，具有良好的分散性。
图2为不同浓度的多巴胺与硼酸碳量子点荧光探针作用后的荧光图。如图2所示，随着多巴胺间质的加入，硼酸碳量子点荧光探针的荧光逐渐强度逐渐降低，但是加入50μM多巴胺后，硼酸碳量子点荧光探针的荧光强度降到最低，因此，将50μM多巴胺作为猝灭硼酸碳量子点荧光探针的荧光的最佳浓度。
图3为不同浓度的氟离子与硼酸碳量子点荧光探针及多巴胺混合溶液作用后的荧光恢复图。如图3所示，当氟离子浓度从0 µM 增加到60 µM时，随着加入氟离子浓度的增加，硼酸碳量子点荧光探针的荧光强度逐渐增强。
制备的硼酸碳量子点荧光探针在氟离子检测中的应用：
将制备的硼酸碳量子点荧光探针（100 mg/L）、多巴胺间质（ 5 mmol/L）以及待测目标物氟化钠（5 mmol/L）分别配制成一定浓度的储备液。取100 µL的硼酸碳量子点荧光探针溶液和50 µL入多巴胺间质储备液加入到测试管中，并向管内加入氟化钠储备液，配制成氟化钠浓度为0-60 µM的标准样品6-10个，测定荧光光谱。随着氟化钠浓度的增加，荧光光谱上荧光发射峰强度逐渐上升，根据Stern-Volmer equation(F0/F=1+Ksv[c])以浓度[c]为横坐标，相对荧光强度(F0/F)为纵坐标绘制荧光响应曲线。选择几种卤素物质，作为对比物质，参与硼酸碳点荧光探针识别性能的研究。
试验例1：将硼酸碳量子点荧光探针配置成100 mg/L的水溶液，多巴胺间质和目标物氟离子分别配置成 5 mmol/L的水溶液。取100 µL硼酸碳量子点荧光探针水溶液和50 µL中间物质多巴胺水溶液加入到5 mL比色管中，振荡后静置3 min，再加入0-60 µL目标物氟离子溶液，并用水定容，把测试液室温振荡后静置20 min，用荧光分光光度计检测溶液的荧光强度。根据Stern-Volmer equation(F0/F=1+Ksv[c])以浓度[c]为横坐标，相对荧光强度（F0/F）为纵坐标绘制荧光响应曲线。比色管测试液中氟离子浓度分别为0、2、5、10、20、30、40、50、60 µmol/L，检测不同浓度的氟离子对硼酸碳量子点荧光探针和多巴胺混合溶液的荧光恢复的影响。
由图4可以看出，根据Stern-Volmer equation (F0/F=1+Ksv[c])以浓度[c]为横坐标，相对荧光强度(F0/F)为纵坐标绘制荧光响应曲线，得到对应方程：F/F0= 0.07172(CF -/µM) + 0.8677 (R2 = 0.9971)，线性范围为1.0-60 μmol/L，结果表明，硼酸碳量子点荧光探针对氟离子的检测灵敏度高，不需要大量的溶剂、较长的检测时间和冗长乏味的样品预处理，具有很好的光学检测的能力。
试验例2：将硼酸碳量子点荧光探针配置成100 mg/L的水溶液，多巴胺间质和四种目标物氟离子、氯离子、溴离子、碘离子分别配置成 5 mmol/L的水溶液。取100 µL硼酸碳量子点荧光探针水溶液和50 µL多巴胺间质水溶液加入到5 mL比色管中，振荡后静置3 min，再加入50µL卤素离子溶液，并用水定容，把测试液室温振荡后静置20 min，用荧光分光光度计检测溶液的荧光强度。如图5所示，Cl-、Br-、I-的荧光恢复量（F/F0值）分别为0.989，1.108，0.926，而氟离子对硼酸碳量子点荧光探针的荧光恢复量为3.42；氟离子的荧光恢复量明显比对其他卤素离子要大，说明硼酸碳量子点荧光探针可以利用中间物质对氟离子有明显的专一性识别，荧光恢复效果显著高于其他卤素离子。

Claims (8)

1.一种硼酸碳量子点荧光探针，其特征在于，硼酸碳量子点荧光探针的尺寸为3-5nm，没有团聚现象。
2.如权利要求1所述的硼酸碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一定量的苯硼酸溶解到二次蒸馏水中，形成苯硼酸溶液；用一定浓度的NaOH溶液将苯硼酸溶液调至一定值的pH后，得到混合溶液；将混合溶液转移至水热反应釜中，通入N2一段时间，将反应釜置于烘箱中，一定温度下反应一段时间，冷却至室温，即可得到硼酸碳量子点荧光探针的分散液；将上述分散液离心处理，上清液保存，得到硼酸碳量子点荧光探针。
3. 根据权利要求2所述的硼酸碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，苯硼酸与二次蒸馏水的用量比为0.1-2.0 g：30mL；NaOH溶液的浓度为0.1 mol/L。
4. 根据权利要求2所述的硼酸碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，混合溶液的最终pH为7.0-11.0；通N2的时间为30 min。
5. 根据权利要求2所述的硼酸碳量子点荧光探针的制备方法，其特征在于，反应温度为160 -200 ℃；反应时间为28-40 h。
6.根据权利要求1所述的硼酸碳量子点荧光探针用于检测氟离子。
7.根据权利要求6所述的硼酸碳量子点荧光探针用于检测氟离子，其特征在于，将硼酸碳量子点与过量的间质邻羟基物质反应，使硼酸碳量子点的荧光猝灭，再用荧光恢复实验进行识别与定量分析测定氟离子含量。
8.根据权利要求7所述的硼酸碳量子点荧光探针用于检测氟离子，其特征在于，所述间质邻羟基物质为多巴胺或邻苯二酚。
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