CN111154485B - 硫氮双掺杂碳量子点的制备及其在四环素检测中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于荧光纳米材料技术领域，涉及硫氮双掺杂碳量子点的制备及其在四环素检测中的应用，具体涉及微波辅助水热合成法制备硫氮双掺杂碳量子点的方法以及制备的氮硫双掺杂碳量子点在定量检测四环素类抗生素中的应用。所述的制备方法包括如下步骤：(1)将柠檬酸铵和维生素B1溶解在超纯水中，搅拌溶液直至澄清透明；(2)将上述混合物转移到微波消解罐中并在微波消解仪中加热反应；(3)自然冷却至室温，过滤，透析，收集产物；(4)收集的产物通过冷冻干燥获得氮硫双掺杂碳量子点粉末，再将其分散在水中配制成一定浓度的氮硫双掺杂碳量子点溶液。本发明的微波辅助水热合成法具有快速，绿色，毒性低，量子产率高，稳定性高。

Description

硫氮双掺杂碳量子点的制备及其在四环素检测中的应用
【技术领域】
本发明属于荧光纳米材料技术领域，涉及硫氮双掺杂碳量子点的制备及其在四环素检测中的应用，具体涉及微波辅助水热合成法制备硫氮双掺杂碳量子点的方法以及制备的氮硫双掺杂碳量子点在定量检测四环素类抗生素中的应用。
【背景技术】
四环素类抗生素是一类十二氢化并四苯衍生物，是放线菌产生或半合成的广谱抗生素家族，主要包括金霉素、四环素和土霉素等。四环素类抗生素对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌以及各种细菌感染都有很好的抑制作用，在畜牧业中被广泛应用于预防和治疗细菌感染或作为饲料添加剂促进牲畜生长。然而，抗生素在动物体内积累过多可能会导致耐药微生物扩散的风险，并对人类健康构成严重威胁。因此，开发一种简便、快速、可靠的微量四环素类抗生素的定量方法是十分必要的。到目前为止，现有的检测四环素类抗生素的分析方法有高效液相色谱法、串联质谱法、酶联适配体分析法和比色分析法等。一般而言，高效液相色谱法对目标分析物具有较高的灵敏度和识别能力，但复杂的操作程序和专家技术的要求限制了其在常规分析中的应用，而酶联适配体分析法和比色分析法也因成本高、交叉反应性强等缺点限制了应用。近年来，荧光检测已成为分析领域的一种有效方法，具有操作方便、成本低、实时性好、高灵敏度等优点。
碳量子点属于纳米碳材料家族，被认为是碳纳米结构的新分支。碳量子点是一种类球状的，以碳元素为主体，粒径为1-10nm的碳材料，其在紫外光照射下可发出明亮的荧光。与传统的半导体量子点相比，由于其优越的光致发光、易于功能化、低毒性和生物相容性，引起人们的广泛关注。目前合成荧光碳量子点的方法分为两类：一是由上而下的合成方法，主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化和水热法等；二是从下到上的合成方法，包括燃烧法和热解法等，这些方法都是以合适的有机化合物为碳源合成碳量子点。近年来，虽然各种新型量子点材料被陆续开发出来，但合成量子点时间长，合成效率低，量子产率低，稳定性差，易污染，可再现性差等缺点，仍限制着碳量子点在药物分析中的进一步应用。
【发明内容】
为了克服现有技术的缺陷，本发明采用操作简单的微波辅助水热合成法快速制备了绿色、毒性低，量子产率高，稳定性高，抗光漂白能力强的氮硫双掺杂碳量子点。其对四环素类抗生素检测具有良好的选择性，提供了一种方便快捷、成本低廉、反应时间短、特异性高的方法，实现对四环素类抗生素的特异性检测。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明所述的制备方法以柠檬酸铵为碳、氮源，维生素B1为硫源，采用微波辅助水热合成法制备。
所述的制备方法包括如下步骤：
(1)将柠檬酸铵和维生素B1溶解在超纯水中，搅拌溶液直至澄清透明；
(2)将上述混合物转移到微波消解罐中并在微波消解仪中加热反应；
(3)自然冷却至室温，过滤，透析，收集产物；
(4)收集的产物通过冷冻干燥获得氮硫双掺杂碳量子点粉末，再将其分散在水中配制成一定浓度的氮硫双掺杂碳量子点溶液。
其中，步骤(1)中柠檬酸铵和维生素B1的重量比为：1:0.25-1:1.5
步骤(2)中采用程序化升温控制：初始温度为室温，5-20分钟内升温至90-130℃，90-130℃保持3-15分钟，之后3-15分钟内从90-130℃升温至150-200℃，最后在150-200℃保持2-5小时(功率＝1200W)。
步骤(3)中，以0.22μM滤膜过滤，透析的透析袋的截留分子量为1000Da。
步骤(4)中，配制成氮硫双掺杂碳量子点溶液的浓度为25-3μg/mL。
本发明是以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源，采用微波辅助水热合成法制备了氮硫双掺杂碳量子点，制备的氮硫双掺杂碳量子点水溶性和光稳定性好，量子产率高。
本发明还提供了所制备的氮硫双掺杂碳量子点在定量检测四环素类抗生素中的应用。
所述的四环素类抗生素为四环素，金霉素，土霉素等。
【附图说明】
图1是实例1的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的透射电镜图；
图2是实例1的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的粒径分布图；
图3是实例1的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点XPS光谱图；
图4是实例1的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的激发和发射的谱图；
图5是实例1的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点不同激发波长下的发射光谱图；
图6是实例1的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源为碳源的碳量子点的紫外可见光谱图；
图7是实例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点溶液在自然光下以及紫外光激发状态图，图中(a)为制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点溶液在自然光下的状态图，(b)为制备的柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点溶液在365nm紫外灯激发下的状态图；
图8是实例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的红外图；
图9是实例2以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点水溶液和空白水溶液的荧光发射谱图。
图10是实例3以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点与金霉素混合后荧光发射谱图。
图11是实例4以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点与四环素类抗生素(四环素，金霉素，土霉素)混合后荧光发射谱图。
【具体实施方式】
以下实施例为本发明的一些举例，不应该被看做是对本发明的限定，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
以柠檬酸铵为碳氮源，维生素B1为硫源制备氮硫双掺杂碳量子点(S，N-CDs)的制备方法，所述方法为微波辅助水热合成法。具体制备步骤如下：
1.仪器设备及试剂
1.1仪器
X射线光电子能谱仪(美国沃尔瑟姆赛默飞世尔公司)、傅里叶变换红外光谱仪(美国沃尔瑟姆赛默飞世尔公司)、FLS920扫描仪(英国苏格兰爱丁堡仪器有限公司)、TU-1810紫外分光光度计(北京浦肯野通用仪器有限公司)、F380荧光检测器(天津广东科技有限公司)、JEM-1200EX透射电子显微镜(日本JEOL公司)。
1.2试剂
柠檬酸铵(98.5％，分析纯，天津大茂化学试剂)；
维生素B1(分析纯，天津大茂化学试剂)；
金霉素(90.0％，分析纯，成都德西特生物科技有限公司)。
2.方法
1)精密称取3g柠檬酸铵和1.5g维生素B1溶解在10mL超纯水中，搅拌溶液直至澄清透明。随后，将上述澄清混合物溶液转移到微波消解罐中并在微波消解仪中加热。
2)微波辐射采用程序化升温控制：初始温度为室温，15分钟内升温至110℃，110℃保持5分钟，之后5分钟内从110℃升温至180℃，最后在180℃保持3小时，微波反应功率为1200W。
3)自然冷却至室温后，先过滤后透析1天，收集产物，其中过滤膜的粒径为0.22μM，透析袋的截留分子量为1000Da。
4)将3)收集的产物冷冻干燥(-80℃)以获得S，N-CDs粉末，其相对量子产率为16.15％，再将其分散在水中配制成一定浓度的碳量子点溶液以进一步表征和使用。
实施例2实施例1制备的氮硫双掺杂碳量子点的表征
参照图1，对实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点进行在透射电子显微镜下进行扫描，图中显示出本实施例制备的以柠檬酸铵为碳源的碳量子点分散性良好、均一，没有团聚，形状似圆形。
实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的粒径分布图参见图2，图中显示出本实施例中制备的以柠檬酸铵为碳源的碳量子点的平均粒径为2.2nm。
实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的XPS光谱图参见图3。S，N-CDs的XPS谱表明，164.2、285.2、399.8和531.7eV处有四个典型的峰，分别对应于S2p、C1s、N1s和O1s。
实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的激发和发射的谱图参见图4，图中显示出本实施例中制备的以柠檬酸铵为碳源的碳量子点的最大激发和发射波长为373nm和424nm。
实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点在不同激发波长下的发射光谱图参见图5，图中显示出本实施例中制备的以柠檬酸铵为碳源的碳量子点不具有波长依赖性。
实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的紫外可见光谱图参见图6，图中显示出本实施例中制备的以柠檬酸铵为碳源的碳量子点在340nm处有较强的吸收峰。
实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点溶液在自然光下以及紫外灯激发下状态图参见图7，图7显示柠檬酸铵碳量子点溶液在自然光下呈淡黄色，而在373nm的紫外灯激发下可以看到明亮蓝色荧光。
实施例1制备的以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点的红外图参见图8，3155cm-1处的峰是-OH键和H2N-的伸缩振动，669cm-1处的峰是N-H键的弯曲振动，1666cm-1处的峰是C＝O键的伸缩振动。1574cm-1和1400cm-1处的两个峰是N-H的弯曲振动和C-N的伸缩振动，1055cm-1和769cm-1处的峰是C-O伸缩振动和C-O键弯曲振动。C-S键的伸缩振动导致1184cm-1处出现峰，这证实了碳点被S杂原子钝化。
实施例3
应用实施例1所制备的氮硫双掺杂碳量子点定量检测四环素类抗生素。
具体操作方法为：将制备好的S，N-CDs与超纯水在100ml容量瓶中混合，得到浓度为25μg/ml的溶液，选择金霉素(CTC)作为四环素类抗生素(TCs)的典型检测实例。所有的检测试验都是通过记录373nm激发波长下的发射进行的，记录了从400nm到600nm的发射。简言之，在1mL S，N-CDs(25μg·ml-1)溶液中加入2mL适当浓度的CTC(50μg/mL)溶液，除了用相同体积的超纯水代替CTC之外，同样进行空白试验。将配置好的溶液用荧光分光光度计测量各个溶液的荧光强度和空白碳量子点水溶液对照，比较金霉素对量子点荧光强度的猝灭程度。
以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的空白碳量子点水溶液荧光谱图见图9。实施例1中以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点与金霉素混合后的荧光强度见图10，根据荧光强度计算碳量子点与金霉素混合后对量子点的猝灭程度。实验结果表明，金霉素与S,N-CDs作用后对荧光猝灭效果明显，荧光猝灭率为61.1％。
实施例4
具体操作方法为：将制备好的S,N-CDs与超纯水在100ml容量瓶中混合，得到浓度为25μg/ml的溶液，与TCs的所有检测试验都是通过记录373nm激发波长下的发射进行的，记录了从400nm到600nm的发射。简言之，在1mL S，N-CDs(25μg·ml-1)溶液中加入2mL适当浓度的四环素类抗生素(四环素(TC)、金霉素(OTC)、土霉素(CTC))溶液，除了用相同体积的超纯水代替四环素类抗生素(四环素(TC)、金霉素(OTC)、土霉素(CTC))之外，同样进行空白试验。将配置好的溶液用荧光分光光度计测量各个溶液的荧光强度和空白碳量子点水溶液进行对照，比较TCs对量子点荧光强度的猝灭现象。
实施例1中以柠檬酸铵为碳和氮源，维生素B1为硫源的碳量子点与四环素类抗生素(四环素(TC)、金霉素(OTC)、土霉素(CTC))混合后的荧光强度见图11，实验结果表明，四环素类抗生素与S,N-CDs作用后对荧光猝灭效果均明显。

Claims (5)

1.硫氮双掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：以柠檬酸铵为碳氮源，维生素B1为硫源，通过微波辅助水热合成法制备，包括如下步骤：
（1）将柠檬酸铵和维生素B1溶解在超纯水中，搅拌溶液直至澄清透明；
（2）将得到的混合物转移到微波消解罐中并在微波消解仪中加热反应；
（3）自然冷却至室温，过滤，透析，收集产物；
（4）收集的产物通过冷冻干燥获得硫氮双掺杂碳量子点粉末；
步骤（1）中柠檬酸铵和维生素B1的重量比为：1:0.25-1:1.5；
步骤（2）中采用程序化升温控制：初始温度为室温，5-20分钟内升温至90-130℃，90-130℃保持3-15分钟，之后3-15分钟内从90-130℃升温至150-200℃，最后在150-200℃保持2-5小时。
2.如权利要求1所述的硫氮双掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：
步骤（3）中，透析的透析袋的截留分子量为1000Da。
3.如权利要求1所述的硫氮双掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：
将步骤（4）中得到的硫氮双掺杂碳量子点粉末配制成硫氮双掺杂碳量子点溶液，其浓度为25-3µg/mL。
4.权利要求1-3任何一项的制备方法制备的硫氮双掺杂碳量子点在以非疾病诊断和治疗方法为目的的四环素类抗生素检测中的应用。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的四环素类抗生素为四环素，金霉素或土霉素中的一种或几种。
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