CN112174111A - 一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法及其应用。本发明的近红外发光碳点的制备方法以对苯二胺为碳源，水为分散系，在盐酸介质下，经过微波加热条件下合成碳点溶液。碳点溶液与不同浓度的头孢拉定溶液反应后，荧光碳点溶液的荧光强度值和头孢拉定的浓度之间呈现良好的线性关系ΔI _F =3.01×10⁶ c+6.486，可检测溶液头孢拉定浓度的范围为0.2×10^‑6~1.0×10^‑3mol L^‑1。本发明工艺简单，能快速制备荧光碳点，且能精确测定溶液的头孢拉定浓度。

Description

一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法及其 应用

技术领域

本发明属于化学应用技术领域。更具体地，涉及一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法及其在头孢拉定检测的应用。

背景技术

近红外发光碳点(NIR-CDs)是一种新型的荧光发光纳米材料，碳点的形态呈球形颗粒状，化学成分主要由 C、H、O 和 N 四种元素组成。近红外发光碳点有很多的优良性质：如：发光效率高，稳定性好，原材料丰富，粒径小，分子量低，有良好的生物相容性、低毒性、表面含有丰富的基团，易与药物等分子结合，是良好的生物医药载体。

头孢拉定(Cephalosporins，CEPS)，又名先锋霉素(Cephaloridine，CER)，分子式为C₁₆H₁₉N₃O₄S，分子量为349.41，为白色粉末，微臭。对自然界中头孢拉定含量的检测具有重要的意义。头孢拉定的检测方法主要有高效液相色谱法、荧光分光光度法、硝基普钠分光光度法、光谱分光光度法。其中荧光分光光度法比较简便、仪器设备价格相对比较低廉、检测迅速、检测灵敏度高的优点。

现有技术中，制备的碳点仍然有一些不足。大多数碳点发光区域集中在蓝光的短波区域，波长调控难以实现。如何更有效的获得发射波长在长波区域的碳点仍有很大的探索空间。而一般在生物应用方面，需要红光或者近红外发光的碳点材料，因为红光材料不仅对生物组织穿透能力强，且能使组织蛋白的背景荧光大幅减弱。因此，如何获得高效的在长波长区域发光的碳点一直是这几年来研究的亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的是克服已有技术的不足，提供一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法。

本发明的另一目的是提供上述近红外发光碳点在头孢拉定检测方面的应用。

本发明通过以下技术方案实现上述发明目的。

本发明公开了一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将浓度为0.02mol/L的对苯二胺溶液与浓度为0.2mol/L的盐酸溶液混合，得混合溶液；

步骤二：将所述混合溶液在微波条件合成，得碳点粗溶液；

步骤三：所述碳点粗溶液经离心处理后得到碳点溶液。

由此，本发明以对苯二胺为碳源，水为分散系，在盐酸介质下，经过微波加热条件下合成碳点溶液。本发明合成的碳点溶液具有近红色荧光特性，其荧光最大发射波长为689nm，该发射波长下不仅对生物组织穿透能力强，且能大幅减弱组织蛋白的背景荧光。因此，本发明提出了一种长波长区域发光的碳点材料，解决了现有技术中波长难以调控到近红外发光区域的技术问题。

优选的，步骤一所述对苯二胺溶液与所述盐酸溶液的浓度比为0.05~0.2：1。

更优选的，步骤一所述对苯二胺溶液和所述盐酸溶液的浓度比为0.1，以溶液体积比1：1分别移取对苯二胺溶液和盐酸溶液。

优选的，步骤二所述微波条件是将混合溶液置于微波炉中加热处理，微波功率设置为140~280 W。

更优选的，所述加热处理的时间为45分钟。

优选的，步骤三所述离心处理为将碳点粗溶液置于离心管进行高速离心分离，离心速度为12000 转/分钟，离心时间为10分钟。取上清液即得到碳点溶液。在温度为4 ℃保存。

优选的，所述碳点溶液中碳点平均粒径为4.0 nm。

优选的，所述碳点溶液具有荧光特性，最大激发波长为297~302 nm，最大发射波长为687~691 nm。

另外，上述以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点在头孢拉定检测方面的应用。

优选的，上述应用包括如下步骤：

a. 检测碳点溶液及其与不同浓度头孢拉定反应后体系的荧光强度；

b. 根据荧光碳点溶液与不同头孢拉定浓度的溶液反应后的荧光强度值，计算荧光强度值和头孢拉定浓度的线性关系；

c. 检测待测样品中头孢拉定的荧光强度，根据线性关系计算出待测样品中头孢拉定的含量。

优选的，上述应用检测溶液头孢拉定的浓度范围为0.2×10^-6 ~1.0×10^-3 mol L^-1。

本发明具有以下有益效果：

本发明的近红外发光碳点的制备方法，以对苯二胺为碳源，水为分散系，在盐酸介质下，经过微波加热条件下合成碳点溶液。该方法具有原料便宜易得、成本低廉、制备过程简单、检测范围宽的特点。在头孢拉定的检测及成像领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的碳点溶液的荧光光谱图；

图2是本发明实施例1制备的碳点溶液的TEM图及其粒径分布图；

图3是本发明实施例1制备的碳点溶液检测不同浓度的头孢拉定溶液的荧光光谱图；

图4是本发明实施例2制备的碳点溶液的荧光强度相关比值的与不同浓度的头孢拉定之间的线性关系图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。

实施例1

(1) 碳点的制备

将用二次水配制的0.02mol/L的对苯二胺溶液和0.2mol/L的盐酸溶液在按一定比例混合，将混合溶液置于微波炉内在280 W的微波功率下反应45 min，反应结束后冷却至室温，得到碳点粗溶液。将碳点粗溶液先以12000 转/分钟离心10分钟，取上清液即碳点溶液。如图1所示，最大激发波长为300 nm，最大发射波长为689 nm。并对碳点的形貌等进行了AFM表征，如图2所示，合成的碳点分散性好。粒径分布结果如图3，结果表明碳点的平均粒径是4.0nm。

(2) 碳点的制备条件优化

对合成的碳点溶液的荧光强度影响进行考察。本实验采用单因素控制变量法对碳点的合成条件进行了优化。分别从碳点合成中原料的浓度比、合成微波功率、合成时间、原料的总体积四个方面进行了探究。

对苯二胺溶液和盐酸溶液的浓度比分别为0.01、0.03、0.1、0.3、0.75时对合成的碳点溶液的荧光强度的影响，当对苯二胺和盐酸浓度比为0.1时，碳点体系的荧光强度最强。故最终优选对苯二胺和盐酸浓度比为0.1。

碳点的合成微波功率对碳点体系荧光强度有一定影响，探究了反应微波功率分别为低火（140 W）、中低火（280 W）、中火（420 W）、中高火（560 W）、高火（700 W）时对合成的碳点溶液的荧光强度的影响。当合成微波功率为中低火时，碳点体系的荧光强度最强，故最终优选的合成微波功率为中低火（280 W）。

碳点的合成时间对碳点溶液的荧光强度也有一定的影响，探讨了合成时间分别为35min、40 min、45 min、50 min、55 min和60 min时对合成的碳点荧光强度的影响。当合成时间为45 min时，碳点溶液的荧光强度最强，故最终优选的合成时间为45 min。

碳点的合成原料总体积对碳点溶液的荧光强度也有一定的影响，探讨了合成原料总体积分别为5.0 mL、10.0 mL、20.0 mL、30.0 mL和50.0 mL时对合成的碳点荧光强度的影响。当合成原料总体积为10.0 mL时，碳点溶液的荧光强度最强，故最终优选的合成原料总体积为10.0 mL。

(3) 碳点与头孢拉定反应条件的优化

为了得到碳点与头孢拉定相互作用的最佳实验条件，采用单因素控制变量法分别从反应pH值、反应温度、反应中碳点浓度、反应时间四个方面进行了探究，以使得检测方法灵敏度达到最高。

温度T对碳点与头孢拉定相互作用的影响：反应温度在4 ℃- 65 ℃的范围内，碳点体系的荧光强度变化值随温度的升高而逐渐降低，在4 ℃时，体系的荧光强度变化最大，故反应的最佳响应温度为4 ℃。考虑到低于4 ℃反应体系温度控制不太方便，所以最终反应的温度控制为4 ℃。

碳点溶液的添加量对碳点与头孢拉定相互作用的影响：随着碳点溶液的添加量的增加，总体积为2.0 mL的碳点体系的荧光强度先增强而后减弱，当碳点溶液的添加量为1.0mL时，与加入0.2 mL的 BR缓冲溶液和0.6 mL的二次水溶液及0.2 mL的头孢拉定溶液反应，此体系的荧光强度变化最大，故优选碳点溶液添加量为1.0 mL。

反应时间对碳点与头孢拉定相互作用的影响：随着反应时间的增加，碳点体系的荧光强度先增加而后平缓减弱，在反应40 min时，体系的荧光强度变化最大，故反应的最佳时间为40 min。

体系的pH对于碳点检测头孢拉定的影响：设定体系的pH值分别为1.81、2.48、3.57、4.53、5.35、6.28、7.06、8.08、9.56、10.74和11.51，在11支2 mL的离心管中分别加入1.0 mL在最佳条件下制备的碳点溶液，再加入0.2 mL不同pH的 BR缓冲溶液，0.2 mL的2.0×10^-3 mol L^-1头孢拉定溶液，0.6 mL二次水定容到2.0 mL，将溶液混合均匀后，在4 ℃下反应40 min。测定体系荧光强度的变化，当pH为3.57时，体系的荧光强度变化最大，故反应的最佳pH值为3.57。

(4) 不同浓度的头孢拉定溶液对碳点体系荧光强度的检测参数

不同浓度的头孢拉定溶液对碳点体系荧光强度的影响。配置了浓度为2.0×10^-3 molL^-1的头孢拉定标准溶液，以此为母液，依次稀释成浓度为2.0×10^-7、 2.0×10^-6、 1.0×10^-5、 2.0×10^-5、 3.0×10^-5、5.0×10^-5、 8.0×10^-5 、2.0×10^-4、 1.0×10^-3 mol/L的头孢拉定标准溶液，如图3所示，其中1-8表示加入的头孢拉定溶液浓度分别为：0.0、2.0×10^-7、1.0×10^-5 、2.0×10^-5、3.0×10^-5、5.0×10^-5 、8.0×10^-5、1.0×10^-3 mol/L。

实施例2

碳点对头孢拉定浓度的检测参数：

在2.0 mL的离心管中加入1.0 mL在实施例1中最佳条件下制备的碳点溶液，再加入0.2mL的Britton-Robinson（BR）缓冲溶液，分别加入0.2 mL的浓度从0.2×10^-6 mol L^-1增加到1.0×10^-3 mol L^-1的头孢拉定溶液，再加入0.6 mL二次水定容到2.0 mL，将溶液混合均匀后，在4 ℃的温度下，反应40 min。在相同的实验条件下，以二次水代替头孢拉定设置空白样。设定300 nm的激发波长，15 nm的激发狭缝宽度和5 nm的发射狭缝宽度，经荧光分光光度计测定体系的荧光强度，得到实验样和空白样的荧光光谱图，比较有无头孢拉定加入，碳点体系荧光强度值的大小。结果见图4，荧光碳点溶液的荧光强度值和头孢拉定的浓度之间呈现良好的线性关系，线性回归方程为ΔI _F =3.01×10⁶ c+6.486，其中ΔI _F 为没有加入头孢拉定的荧光强度值与加入头孢拉定后的荧光强度差值，c为头孢拉定的浓度，可检测到溶液中头孢拉定的浓度的范围为0.2×10^-6 mol L^-1-1.0×10^-3 mol L^-1，检出限为：0.084×10^-6 mol L^-1。根据线性关系，测定了三组实际样品，结果见表1。可以看出，测定的回收率为100.63%~102.44%。测定的回收率大于99%，说明该方法有较好的实际应用价值。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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实质和范围。

Claims (10)

1.一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将浓度为0.02mol/L的对苯二胺溶液与浓度为0.2mol/L的盐酸溶液混合，得混合溶液；

步骤二：将所述混合溶液在微波条件合成，得碳点粗溶液；

步骤三：所述碳点粗溶液经离心处理后得到碳点溶液。

2.根据权利要求1所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，其特征在于：步骤一所述对苯二胺溶液与所述盐酸溶液的浓度比为0.05~0.2：1。

3.根据权利要求1所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，其特征在于：步骤一所述对苯二胺溶液和所述盐酸溶液的浓度比为0.1。

4.根据权利要求1所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，其特征在于：步骤二所述微波条件是将混合溶液置于微波炉中加热处理，微波功率设置为280W，加热处理的时间为45分钟。

5.根据权利要求1所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，其特征在于：步骤三所述离心处理为将所述碳点粗溶液置于离心管进行高速离心分离，离心速度为12000 转/分钟，离心时间为10分钟，取上清液即得到碳点溶液。

6.根据权利要求1所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，其特征在于：所述碳点溶液中碳点平均粒径为4.0 nm。

7.根据权利要求1所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点的制备方法，其特征在于：所述碳点溶液具有荧光特性，最大激发波长为297~302 nm，最大发射波长为687~691 nm。

8.一种根据权利要求1-7任意一项所述以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点在头孢拉定检测方面的应用。

9.根据权利要求8所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点在头孢拉定检测方面的应用，其特征在于，包括如下步骤：

a. 检测碳点溶液及其与不同浓度头孢拉定反应后体系的荧光强度；

b. 根据荧光碳点溶液与不同头孢拉定浓度的溶液反应后的荧光强度值，计算荧光强度值和头孢拉定浓度的线性关系；

c. 检测待测样品中头孢拉定的荧光强度，根据线性关系计算出待测样品中头孢拉定的含量。

10.根据权利要求8所述的一种以对苯二胺为碳源的近红外发光碳点在头孢拉定检测方面的应用，其特征在于，步骤c中待测样品中头孢拉定的浓度范围为0.2×10^-6 ~1.0×10^-3 mol L^-1。

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