CN114540022B - 纤维素基碳量子点的制备及在尿酸检测中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳量子点技术领域，具体涉及一种纤维素基碳量子点的制备及在尿酸检测中的应用，以醋酸纤维素和三聚氰胺以及硫代硫酸钠为原料，一步水热法合成氮、硫掺杂的黄绿色荧光碳点并对其进行表征。基于内部滤光效应(IFE)，在碱性条件下利用尿酸的还原性使Ag+还原为Ag0并附着在金纳米粒子(AuNPs)表面形成Au@AgNPs，以Au@AgNPs为吸收体，随着尿酸加入增多使碳点发生荧光猝灭从而定量检测尿酸。本申请同时提供了一种制备黄绿色荧光发射的纤维素基碳量子点的制备方法和一种新型的尿酸检测方法，并且通过荧光强度的变化，直观的判断出食品及海鲜产品中有无尿酸，进而达到维护身体健康的目的，该方法简便易行，原料经济，应用于生产将具有良好的经济效益。

Description

纤维素基碳量子点的制备及在尿酸检测中的应用
技术领域
本发明涉及荧光探针技术领域，具体涉及一种能够在碱性环境下检测尿酸的荧光碳量子点的制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
尿酸是人体体液中主要的抗氧化剂之一，是嘌呤核苷分解代谢的最终产物。人体内尿酸的含量受生活方式和饮食习惯的影响。近交系嘌呤代谢紊乱可引起人体高尿酸血症和低尿酸血症，引起高血压、心血管疾病、代谢综合征、肾衰竭或结石、痛风等健康问题。因此，尿酸的生物监测具有重要的意义。
现如今多种分析方法包括色谱法、电化学，以及光谱法用来检测尿酸。其中，比色法和荧光法因其具有良好的应用前景而受到人们的关注。比色法的简单性、成本效益和视觉检测的可能性使其成为生物分析的理想选择。另一方面，荧光探针因其灵敏度和选择性而被广泛应用于各种生物分子的检测。将这两种方法结合起来，开发双比色和荧光传感器，可获得理想的性能。采用双信号探头会得到更可靠的结果。基于此开发了一种基于纳米材料的双传感器用于分析检测尿酸。
内部滤光效应作为荧光传感检测的一种常见手段，在各领域有着广泛的应用。该***中，要求荧光团的发射波长与吸收体的吸收波长差别不大；这种辐射屏蔽引起入射光竞争，导致荧光发射强度降低，但此过程需要选择适当的荧光材料和相应的吸收体。例如：金纳米粒子(AuNPs)的等离子共振吸收峰位置在525nm处，若一个荧光发射波长与之相似的荧光团与之共混并以此波长发射时，AuNPs就会竞争掉部分发射波，导致荧光强度变弱，进而发生荧光猝灭。
纤维素是自然界中存在最为广泛的物质，价廉易得，且本身无毒，且原料为绿色原料，因纤维素的分子量较高，从而进行掺杂作为主体形成碳点的尺寸较难把握。而基于纤维素基荧光碳点的研究目前较少，所以制备合适尺寸的纤维素基荧光碳量子点作为荧光探针从而应用于各种物质的检测具有良好前景。相比于其他聚合物或者传统半导体量子点来说碳点(CDs)有许多优势，如良好的耐光性、高生物相容性,光致发光的可调性高、化学惰性等等，同时碳点以其良好的生物相容性、稳定的化学及物理性质、良好的水溶性、低毒性，合成方法简单以及良好的荧光性能等特性被广泛的应用于荧光领域。荧光法具有分析灵敏度高、选择性强和使用简便等优点，在检测尿酸方面也得到了广泛的关注，目前大多数荧光探针的检测是单一的，而双功能比色荧光探针能够实现对尿酸的荧光及视觉检测，在生物、化学和环境检测上具有更广泛的应用和发展前景。
发明内容
为了实现以上技术效果，本申请提供了一种N、S掺杂的纤维素基碳量子点，利用尿酸在碱性环境下具有还原性这一特性机理，利用制备的N,S-CDs建立了基于AuNPs表面银壳生成的双模比色荧光传感器，用于监测尿酸。本发明发现：由于N,S-CDs的发射峰与AuNPs的表面等离子体共振峰(SPR)重叠，添加AuNPs后，N,S-CDs的荧光强度被猝灭。随着Ag+和尿酸的加入，AuNPs的SPR峰强度增加，原因是Ag+还原为Ag0,AuNPs表面形成Ag壳。此外，尿酸浓度越高，AuNPs的SPR峰位置出现蓝移，导致溶液颜色由红色变为橙色。这些SPR峰强度和位置的变化导致了更多的N,P-CDs的荧光猝灭，因为N,S-CDs和Au@AgNPs之间的光谱重叠增加。目前尚未研究出能够以纤维素作为基体制备碳点来进行尿酸的检测的技术。鉴于上述事实，本发明开发了一种双比色和荧光传感器来测定尿酸,该传感器用于人体尿液中尿酸的分析。本申请还提供该纤维素基碳量子点的制备方法，该方法简便易行，原料经济，应用于生产将具有良好的经济效益。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种纤维素基碳量子点的制备方法，包括：
将醋酸纤维素、三聚氰胺及硫代硫酸钠在溶液中混合均匀，超声分散，得到充分分散的溶液；
使所述充分分散的溶液进行水热反应，得到含有碳量子点的溶液；
除去含碳量子点的溶液中的不溶性沉淀物和杂质，冷冻干燥，得到纤维素基碳量子点粉末。
本发明提出了一种新碳量子点和一种基于此碳点以及利用Au@AgNPs产生的内部滤光效应检测尿酸的新平台。
本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的纤维素基碳量子点。
本发明的第三个方面，提供了述的纤维素基碳量子点在尿酸检测中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本申请提供了一种新的荧光碳量子点，用于对尿酸的灵敏检测，同时对该碳点的作用机理做出了解释。
(2)本申请中提供的碳量子点已用于实际样品的检测，检测结果显示该碳点对尿酸具有较强选择性。
(3)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明碳量子点的合成及检测尿酸的示意图；
图2为实施例1制得的碳量子点的透射电子显微镜图；
图3为实施例1制得的碳量子点的傅里叶红外光谱图；
图4为本发明中碳量子点的荧光发射与AuNPs和Au@AgNPs的等离子体共振紫外吸收谱图；
图5为本发明中实施例3碳量子点在空白、AuNPs、AuNPs+Ag+、AuNPs+UA、AuNPs+Ag++UA、Ag++UA环境下的荧光强度对比图；
图6为本发明中实施例3碳量子点在检测不同含量UA时的荧光强度对比以及比色图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种纤维素基碳量子点的制备方法，包括：
以醋酸纤维素和三聚氰胺以及硫代硫酸钠为原料，采用一步水热法制备纤维素基碳量子点。
研究发现：以醋酸纤维素和三聚氰胺以及硫代硫酸钠为基本原料合成荧光碳量子点后，以AuNPs为吸收体，在加入Ag+的情况下，在碱性环境中随着尿酸的加入，尿酸具有一定的还原性，会把Ag+还原为Ag0,从而附着在AuNPs的表面形成一种原位Ag0壳层变为Au@AgNPs，使其等离子体共振吸收峰位置蓝移至513nm左右，吸收峰的位置也会发生相应的增强，从而与本发明制备的碳量子点共混并发射时，通过内部滤光效应能够滤掉一部分发射波，导致荧光强度变弱，从而定量的检测尿酸。纤维素基碳量子点的荧光发射与AgNPs的等离子体共振紫外吸收见附图4。
在一些实施例中，所述醋酸纤维素和三聚氰胺以及硫代硫酸钠的摩尔比为1：0.5～0.9：0.2～0.6，优选的，为1：0.7：0.4。
在一些实施例中，所述水热反应的条件为160℃～200℃下反应18～21h，优选的，为180℃下进行反应。
在一些实施例中，除去溶液中的不溶性沉淀物和杂质的具体步骤为：将溶液超声后，取上清液，离心，过滤，透析。
在一些实施例中，所述离心的条件为：9000～10000rpm，离心30～40min。
在一些实施例中，过滤采用0.22μm的过滤器。
本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的纤维素基碳量子点。
本发明的第三个方面，提供了上述的纤维素基碳量子点在尿酸检测中的应用。
本发明的第四个方面，提供了一种纤维素基碳量子点检测尿酸的方法，包括：创造碱性环境向待测的尿酸溶液中加入AuNPs和Ag+，加入甘氨酸-氢氧化钠缓冲液，向孵育完毕的溶液中加入适量的权利要求6所述的纤维素基碳量子点，作为待测样。
同时，以未加入待测样品的溶液为空白样；
在甘氨酸-氢氧化钠缓冲液存在下的碱性环境中，利用了尿酸在碱性环境下的还原性，将Ag+还原为Ag0，附着在AuNPs的表面形成Au@AgNPs，从而使Au@AgNPs的等离子体共振峰的位置发生蓝移，且强度增强，从而利用IFE使碳量子点发生荧光猝灭；利用肉眼可以明显的看到不同尿酸含量下的待测样品的不同颜色，此方法使其大体预估尿酸的含量变得可行。
对上述的待测样、空白样分别进行荧光检测，并通过图谱分析，判定待测样品是否含有尿酸。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1荧光碳量子点的制备
制备方法步骤如下：
分别取1g醋酸纤维素、0.7g的三聚氰胺及0.4g的硫代硫酸钠于烧杯中，加入35mL超纯水，充分搅拌并超声40min，将充分分散的溶液转移至高压水热反应釜的聚四氟乙烯内衬中，将烘箱提前预热至180℃，反应21h。待的反应结束后将反应釜取出冷却至室温，取出反应溶液再次超声处理30min，并取上清液，所得水分散溶液在9000rpm 30min离心后通过0.22μm的膜过滤器过滤。过滤完毕后在分子截留量为1000的透析袋中透析72h，即可得到发黄绿色荧光的碳量子点溶液。最后将透析好的溶液置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到深棕色粉末。
实施例2两相结构荧光微凝胶的TEM
事先将实施例1制得的碳量子点溶液滴加在铜网上，置于恒温培养箱中12h.拍摄所得的TEM图如图2所示，碳量子点分布均匀，平均尺寸为10nm。图3为所制备碳点的红外光谱，如图3所示，在3420cm-1处存在O-H的伸缩振动峰，紧挨着3210cm-1处为N-H的伸缩振动峰。C＝O键和C＝C键的伸缩振动峰，峰值分别为1630cm-1和1590cm-1。1400cm-1处则是C-N的吸收峰，C-S的伸缩振动峰则在1120cm-1处，综上所述，通过红外光谱证明了该碳量子点成功掺杂了N和S元素，形成了相应化学键。
对AuNPs和Au@AgNPs的等离子体共振紫外吸收谱图(图4)进行分析，其AuNPs的吸收峰在525nm处，Au@AgNPs的吸收峰位置蓝移至513nm处。
实施例3荧光碳量子点对尿酸的灵敏性检测
为了证明实验平台的可行性，在这个检测过程中设置了六个对照组。第一组将实施例1中透析所得的碳量子点溶液500μL加入75μL、0.0375M的甘氨酸-氢氧化钠缓冲液并于50℃水浴中加热10min，作为空白组；第二组将加入500μLAuNPs其他步骤与空白组相同；第三组加入400μL、0.02M的Ag+，其他步骤与第二组相同；第四组加入80μM、200μL尿酸，其他步骤与第二组相同；第五组加入尿酸和Ag+，其余步骤与空白组相同；第六组加入尿酸和Ag+，其他步骤和第二组相同。最后对六组溶液在400nm的激发波长下进行荧光光度分析，比较荧光强度的变化。
如图5所示，只有在甘氨酸-氢氧化钠缓冲液创造的碱性环境下，在加入尿酸作为还原剂的情况下还原Ag+，形成Au@AgNPs，才能使荧光碳量子点的荧光强度发生很好的猝灭。
如图6所示，将实施例1中透析所得的碳量子点溶液与Ag+，AuNPs作为荧光探针，在甘氨酸-氢氧化钠缓冲液提供的碱性环境下对不同浓度梯度的尿酸溶液进行检测，随着尿酸浓度的增大，荧光减弱明显，在200μM处已经完全猝灭。且通过裸眼可以明显观察到随着尿酸浓度的增大，溶液的颜色从无色到粉红色再到棕色。从而证明，此方法可以直观的判断出食品中是否含有尿酸。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维素基碳量子点的制备方法，其特征在于，包括：
将醋酸纤维素、三聚氰胺及硫代硫酸钠在溶液中混合均匀，超声分散，得到充分分散的溶液；
使所述充分分散的溶液进行水热反应，得到含有碳量子点的溶液；
除去含碳量子点的溶液中的不溶性沉淀物和杂质，冷冻干燥，得到纤维素基碳量子点粉末；
所述醋酸纤维素和三聚氰胺以及硫代硫酸钠的质量比为1：0.5～0.9：0.2～0.6；
所述水热反应的条件为160℃～200℃下反应18～21h。
2.如权利要求1所述的纤维素基碳量子点的制备方法，其特征在于，所述醋酸纤维素和三聚氰胺以及硫代硫酸钠的质量比为1：0.7：0.4。
3.如权利要求1所述的纤维素基碳量子点的制备方法，其特征在于，所述水热反应在180℃下进行。
4.如权利要求1所述的纤维素基碳量子点的制备方法，其特征在于，除去溶液中的不溶性沉淀物和杂质的具体步骤为：将溶液超声后，取上清液，离心，过滤，透析。
5.如权利要求4所述的纤维素基碳量子点的制备方法，其特征在于，所述离心的条件为：9000～10000rpm，离心30～40min。
6.如权利要求4所述的纤维素基碳量子点的制备方法，其特征在于，过滤采用0.22μm的过滤器。
7.权利要求1-6任一项所述的方法制备的纤维素基碳量子点。
8.如权利要求7所述的纤维素基碳量子点，其特征在于，所述纤维素基碳量子点平均尺寸为10nm。
9.权利要求7或8所述的纤维素基碳量子点在尿酸检测中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，检测尿酸的具体步骤包括：
在碱性环境中向待测的尿酸溶液中加入AuNPs和Ag+，加入甘氨酸-氢氧化钠缓冲液，在30～60℃下进行孵育5～15min；
向孵育完毕的溶液中加入适量的权利要求7或8所述的纤维素基碳量子点，作为待测样；
同时，以未加入待测样品的溶液为空白样；
对上述的待测样、空白样分别进行荧光检测，并通过图谱分析，判定待测样品是否含有尿酸。
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