一种以邻苯二胺衍生碳量子点为荧光探针检测汞离子的方法

1.本发明涉及一种以邻苯二胺衍生碳量子点为荧光探针检测汞离子的方法，属于分析检测技术领域。


背景技术：

4.现有技术中针对不同重金属离子的检测方法包含了电化学法、光电化学法、化学发光法、表面增强拉曼光谱法、比色法及荧光光谱法等技术。尽管这些方法能够用于检测低浓度的重金属离子，但通常需要承担较高的探针成本、堆砌更繁复的工艺。
5.碳量子点作为一种新兴的荧光材料，可根据应用需求进行特异化表面修饰的性质赋予了它十分广阔的应用前景。此外，其造价低、亲水性好以及良好的生物相容性等优势同样值得关注。以碳量子点作为传感器的荧光方法因具有探针制备简便、环保、灵敏度高及可视化等优势，在重金属离子检测这一领域中正不断地为研究者们带来惊喜。
6.邻苯二胺(opd)具有独特的芳香胺性质，是合成大量杂环化合物或聚合物的重要前驱体。基于opd的hg
2+
荧光传感器多是借助于贵金属纳米颗粒对opd氧化过程的催化作用以及hg
2+
对催化性能的抑制或促进作用实现hg
2+
检测，但这些传感器往往需要借助贵金属，操作复杂，成本高。


技术实现要素：

7.针对上述技术问题，本发明提供了一种以邻苯二胺衍生碳量子点为荧光探针检测汞离子的方法，该方法具体是通过水热法制备了氮硫共掺杂的黄光发射碳量子点ycqds，并将其作为荧光探针，直接用于hg
2+
的荧光检测；该方法不仅省去高成本贵金属的使用，而且兼具选择性好与灵敏度高等优点；在实际样本如自来水、湖水及瓶装饮用水中均对hg
2+
具有较好的检测能力。
8.本发明的目的是提供一种以邻苯二胺衍生碳量子点为荧光探针检测汞离子的方法，所述方法包括如下步骤：
9.(1)ycqds荧光探针体系的制备
10.将牛磺酸与邻苯二胺溶解水中并调节溶液ph至中性，然后转移至高压反应釜中进行水热反应，得粗产物；粗产物经硅胶柱层析纯化，得碳量子点溶液ycqds；将碳量子点溶液与缓冲溶液混合均匀，即得ycqds荧光探针体系；
11.(2)定量关系模型构建
12.取步骤(1)制备的ycqds荧光探针体系分别与一系列已知浓度的汞离子溶液振荡均匀得到标准样，置于室温下孵育过夜后，测定各标准样在418nm激发下的荧光强度；以荧光强度为纵坐标，汞离子浓度为横坐标，建立定量关系模型；
13.(3)待测样中汞离子含量测定
14.取步骤(1)制备的ycqds荧光探针体系与待测样均匀混合，置于室温下孵育过夜后，然后测定混合液在418nm激发下的荧光强度，并依据步骤(2)构建的定量关系模型，计算
待测样中汞离子的含量。
15.在一种实施方式中，步骤(1)所述调节溶液ph使用的试剂为现配现用的氢氧化钠溶液，浓度为0.1～0.2mol/l。
16.在一种实施方式中，所述室温下孵育过夜是在20～30℃条件下孵育过夜。
17.在一种实施方式中，步骤(1)所述调节溶液ph至中性的ph值为6.5～7.5。
18.在一种实施方式中，所述碳量子点溶液ycqds在紫外-可见吸收光谱420nm处吸收值为0.200时对应的浓度被定为1个单位，步骤(3)所述ycqds荧光探针体系与待测样混合液中碳量子点溶液ycqds的浓度为0.1-0.5单位；ycqds荧光探针体系与待测样的体积比为9：1。
19.在一种实施方式中，步骤(1)所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液；缓冲溶液的ph值为6.0～8.0，浓度为0.1～0.2mol/l，体积占ycqds荧光探针体系总体积的50-90％；缓冲溶液的ph值优选为6.0。
20.在一种实施方式中，步骤(1)所述粗产物经硅胶柱层析纯化是指粗产物经过两次硅胶柱层析纯化，两次洗脱液依次为乙醇和乙酸乙酯。
21.在一种实施方式中，步骤(1)所述水热反应的温度为180～200℃，时间为8～12h。
22.在一种实施方式中，步骤(1)所述牛磺酸和邻苯二胺的质量比为1：1～2。
23.本发明的另一目的是提供一种由上述方法在检测汞离子方面的应用。
24.本发明的有益效果
25.(1)本发明以邻苯二胺(opd)和牛磺酸为前驱体通过水热法制备了氮、硫共掺杂的荧光碳量子点(ycqds)，ycqds对hg
2+
表现出了灵敏的识别能力；ycqds表面丰富的官能团能与hg
2+
通过多种相互作用形成配合物并抑制体系对于激发光的吸收，进而通过静态猝灭机制显著地猝灭ycqds的荧光。
26.(2)本发明建立的检测方法兼具选择性好与灵敏度高等优点，在实际样本如自来水、湖水与市售瓶装饮用水中对hg
2+
具有较好的检测能力；检测体系荧光强度与hg
2+
浓度在1.00
×
10-7-3.00
×
10-6
mol/l范围内呈线性相关(r2＝0.9962)，检测限为2.78
×
10-8
mol/l。
附图说明
27.图1为本发明基于ycqds检测hg
2+
的原理示意图；
28.图2为本发明实施例1制备的ycqds光谱图；(a)ycqds的hrtem图像；(b)ycqds的粒径分布统计图；(c)ycqds的三维荧光光谱；(d)ycqds的uv-vis吸收光谱、归一化激发光谱(λ
em
＝575nm)和发射光谱(λex＝418nm)；
29.图3为本发明实施例1制备的ycqds的ft-ir光谱和xps全谱图；(a)ycqds的ft-ir光谱图；(b)ycqds的xps全谱图；
30.图4为本发明实施例1制备的ycqds的xps精细谱图；(a)ycqds的c1s精细谱；(b)ycqds的n1s精细谱；(c)ycqds的o1s精细谱；(d)ycqds的s 2p精细谱；
31.图5为ycqds和ycqds与汞共存的2种体系的荧光发射、吸收以及衰减图；(a)ycqds，ycqds+hg
2+
的荧光发射光谱；(b)ycqds(1)，ycqds+hg
2+
(2)在日光灯(上方)及紫外线灯(下方)照射下的照片；(c)ycqds,ycqds+hg
2+
的uv-vis吸收光谱；(d)ycqds,ycqds+hg
2+
的荧光衰减图；
32.图6为ycqds表面的oxopd在引入hg
2+
前后的分子表面静电势能图；(a)oxopd的分子表面静电势能图；(b)引入hg
2+
后，oxopd+hg
2+
体系的分子表面静电势能图；
33.图7为本发明实施例2中不同hg
2+
浓度条件下ycqds的荧光发射光谱图；(a)添加不同浓度hg
2+
后ycqds的荧光发射光谱；(b)hg
2+
浓度在0-1.00
×
10-5
mol/l范围内时，ycqds荧光强度与hg
2+
浓度的关系(内插图为1.00
×
10-7-3.00
×
10-6
m范围内荧光强度与hg
2+
浓度的线性拟合结果)；
34.图8为本发明实施例3中不同ph条件下ycqds自身的荧光强度图和添加hg
2+
引起的猝灭率图；(a)ycqds的荧光发射峰(575nm)强度；(b)添加1.00
×
10-6
m hg
2+
产生的荧光猝灭率；
35.图9为本发明实施例4中不同孵育时间或不同孵育温度下ycqds的荧光发射光谱图；(a)添加1.00
×
10-4
mol/l hg
2+
后ycqds的荧光峰强度在52min内的变化情况；(b)添加1.00
×
10-5
mol/l hg
2+
后不同孵育时间下ycqds的荧光发射光谱；(c)添加hg
2+
并在室温或水浴孵育相同时间后，ycqds的荧光发射光谱；
36.图10为本发明实施例5中ycqds的选择性及抗干扰能力数据图；(a)ycqds的hg
2+
选择性，体系中存在不同金属阳离子时ycqds的荧光猝灭率；(b)hg
2+
传感的抗干扰能力，体系中同时存在hg
2+
与其他金属阳离子时ycqds的荧光猝灭率；
37.图11为本发明中实施例6中实际样品测定中的标准曲线图；(a)自来水样本中，ycqds体系荧光强度与加标hg
2+
浓度的关系(内插图为7.00
×
10-8-3.00
×
10-6
mol/l范围内的线性拟合结果)；(b)河水样本中，ycqds体系荧光强度与加标hg
2+
浓度的关系(内插图为1.00
×
10-7-3.00
×
10-6
mol/l范围内的线性拟合结果)；(c)瓶装水样本中，ycqds体系荧光强度与加标hg
2+
浓度的关系(内插图为1.00
×
10-7-3.00
×
10-6
mol/l范围内的线性拟合结果)。
具体实施方式
38.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为本发明的范围限制。
39.实施例1碳量子点ycqds的制备
40.将0.05g牛磺酸与0.05g邻苯二胺超声溶解于20ml去离子水中，并使用0.1mol/l naoh将溶液的酸碱度调节至7.0；然后转移至不锈钢高压釜后置于200℃下反应8h得到粗产物；粗产物经两次硅胶柱层析处理，得纯化的ycqds；其中，两次硅胶柱层析使用的洗脱液依次为乙醇和乙酸乙酯。
41.碳量子点ycqds的表征
42.将纯化的ycqds稀释至其uv-vis吸收光谱420nm处吸收值为0.200，此时ycqds的浓度定为单位1，并保存于4℃以备后续使用。
43.图2中a为ycqds的高分辨率透射电子显微镜(hrtem)图像，可见其近似呈球状且结晶度高，晶面间距约为0.33nm。由hrtem图像统计得到其粒径主要分布在2.51-5.16nm范围内，平均粒径为3.40nm；三维荧光光谱(图2c)表明ycqds的荧光发射峰不依赖于激发光波长，稳定在575nm附近，对应的最佳激发波长为418nm，这可能是由于ycqds表面的荧光团较为单一；ycqds的uv-vis吸收光谱在420nm附近存在一个特征吸收峰(图2d)。
44.据此可初步推测ycqds的光致发光机制属于分子态光致发光，且其主要荧光团应为邻苯二胺的氧化产物2,3-二氨基吩嗪(oxopd)。以水中量子产率(qy)为31％的罗丹明b(rb)作为参比物时，通过相对法测得ycqds的qy为4.2％。
45.采用傅里叶变换红外(ft-ir)光谱与x射线光电子能谱(xps)分析ycqds的结构和表面的官能团信息。由ycqds的ft-ir光谱(图3a)可知，位于3385cm-1
和3201cm-1
的宽吸收带源于o-h键和n-h键的伸缩振动，1627cm-1
及1528cm-1
附近的吸收带表明不饱和的c＝c键及芳香环的存在，1385cm-1
处的吸收峰则是由c-n键的伸缩振动引起的。归属于s＝o键及c-s键伸缩振动的吸收峰则可见于1225cm-1
与1048cm-1
处。因此，由上述分析可认为氮、硫元素被成功地掺杂进ycqds中，ycqds表面含有氨基和磺酸基团。
46.进一步地，在xps全谱(图3b)中可见位于532.40、399.39、285.13和168.28ev处的四个峰，它们分别归属于o1s、n 1s、c 1s和s 2p，且这四种元素的原子比约为19.48:12.76:64.04:3.72。
47.c 1s精细谱(图4a)中位于284.80、285.65、286.70和288.98ev的四个峰分别对应于芳香环c-c/c＝c、c-s/c-o、c-n和c＝o；n 1s精细谱(图4b)中位于399.15及400.25ev处的峰则分别表明了c-n及n-h的存在；图4c为o1s精细谱，位于532.14和532.98ev的峰分别归属于c-o-h和o＝c-o；s 2p精细谱(图4d)中位于168.27和169.74ev的两个峰对应了砜桥-c-s(o)
2-c-的s 2p
3/2
和s 2p
1/2
自旋-轨道分裂双峰，表明样品中存在c-s和s＝o，同时166.58ev处的峰可归属于s-o。由xps获得的ycqds表面官能团信息与ft-ir的表征结果吻合，均表明了氮、硫元素的成功掺杂及氨基和磺酸基团的存在。
48.实施例2
49.一种基于ycqds荧光探针检测水中汞离子的方法，所述方法包括如下：
50.将0.30ml ycqds溶液(浓度为1个单位)及2.40ml磷酸盐缓冲溶液(0.1mol/l,ph＝6.0)混合并振荡均匀，然后分别加入0.30ml不同浓度(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、70、100μmol/l)的hg
2+
溶液，空白对照组则是加入等量去离子水，再次振荡均匀；置于室温下孵育过夜后，测定各样品在418nm激发下的荧光光谱。
51.图7结果所示，实施例2线性区间为1.00
×
10-7-3.00
×
10-6
mol/l，依据3sb/s计算得到的检测限(lod)为4.50
×
10-8
mol/l，其中sb为空白样品的标准差，s为线性拟合方程的斜率。
52.根据图5a与5c，对比ycqds与ycqds+hg
2+
，hg
2+
参与的作用过程可知，hg
2+
的存在会使420nm处吸收峰强度出现衰减并猝灭体系荧光，而小于362nm及大于483nm波段的吸收值均有上升。进一步地，采用量子化学计算分析oxopd的分子表面静电势分布，图6的结果表明hg
2+
倾向于以杂环氮原子为结合位点通过静电相互作用与oxopd结合。同时，鉴于hg-s的强结合倾向，hg
2+
与ycqds表面的含硫官能团间同样存在结合的可能。上述相互作用的结果为hg
2+
与ycqds结合并形成了配合物，使体系对波长为420nm光的吸收受到抑制，进而表现出荧光猝灭。荧光衰减图(图5d)表明添加hg
2+
前后体系的荧光寿命基本一致，即重金属离子hg
2+
的引入并未对荧光团的辐射跃迁过程产生影响。hg
2+
对ycqds的荧光猝灭机制也可据此确定为静态猝灭。
53.实施例3
54.样品配置和检测方法参照实施例2，区别是调整磷酸盐缓冲液体系的ph值分别为
3.0～12.0；其他条件和参数均同实施例2。
55.测定结果如图8所示，图8a表明，当体系ph为8.0时ycqds的相对荧光强度最高，且体系呈酸性或碱性时都将使ycqds的相对荧光强度出现衰减，其中酸性环境对ycqds荧光的抑制作用更强；ph对hg
2+
猝灭作用的影响如图8b，ph 6.0的环境更有利于hg
2+
猝灭ycqds的荧光。
56.实施例4
57.样品配置和检测方法参照实施例2，区别是调整hg
2+
样品浓度为1.00
×
10-4
mol/l和1.00
×
10-5
mol/l，探究体系反应时间或者温度对汞离子检测效果的影响。
58.结果如图9所示，图9中a表明1.00
×
10-4
mol/l hg
2+
可在30min内近乎完全地猝灭ycqds的荧光并保持稳定；同样的时间内，1.00
×
10-5
mol/l hg
2+
则仅产生了约63％的荧光猝灭率；但孵育过夜时，1.00
×
10-5
mol/l hg
2+
也足以使ycqds的荧光稳定地保持近乎完全猝灭(图9b)。
59.孵育温度对于孵育时间的影响结果如图9c所示，从图中可知，提高孵育温度对于ycqds与1.00
×
10-5
mol/l hg
2+
的相互作用并没有促进效果，孵育相同时间后在室温(20℃)下孵育的样品产生了更高的荧光猝灭程度。这一现象也印证了hg
2+
对ycqds的荧光猝灭机制应为静态猝灭的结论，因为更高的孵育温度反而会降低配合物的稳定性，从而削弱静态猝灭的程度。为保证各浓度样品均孵育完全，仍需以更长的孵育时间为准，故样品处理温度和时间为在室温下孵育过夜。
60.实施例5ycqds的选择性及抗干扰能力
61.选择了一系列金属阳离子(ag
+
、ba
2+
、ca
2+
、co
2+
、cr
3+
、cu
2+
、fe
2+
、fe
3+
、k
+
、mg
2+
、mn
2+
、na
+
、pb
2+
、zn
2+
)作为干扰物进行实验。
62.实验中所有金属阳离子的浓度均为1.00
×
10-5
mol/l；样品配置方法参照实施例2，选择性实验中以不同干扰物溶液替换hg
2+
溶液；抗干扰实验中则是同时添加不同干扰物与hg
2+
。
63.结果如图10所示，图10a中所选择的离子在浓度相同时，仅hg
2+
可显著猝灭ycqds的荧光。由图10b可知，检测体系中存在与hg
2+
同浓度的其他离子时，ycqds的hg
2+
检测能力基本不会受到影响。
64.上述实验结果表明ycqds对于hg
2+
具有优秀的选择性，且对于hg
2+
的识别能力具有良好的抗干扰能力。
65.实施例6
66.选择实际样本为自来水、湖水与瓶装饮用水。自来水样本采集自江南大学实验室，湖水样本则来自江南大学的校内湖，瓶装饮用水样本采购自当地超市。三种样本在使用前均通过0.22μm滤膜进行过滤处理。
67.对于实际样品中以ycqds体系作为荧光探针的汞离子检测，将0.30ml ycqds溶液(浓度为1个单位)，2.10ml磷酸盐缓冲溶液(0.1mol/l,ph＝6.0)混合并振荡均匀，然后分别加入0.30ml实际样本及0.30ml不同浓度的hg
2+
溶液或去离子水，再次振荡均匀并置于室温下孵育过夜；最后测定各样品在418nm激发下的荧光光谱。
68.不同样本中体系的荧光强度与hg
2+
加标浓度的关系如图11所示；三种实际样本中hg
2+
检测限分别计算为5.71
×
10-8
mol/l，4.22
×
10-8
mol/l与4.19
×
10-8
mol/l。
69.在建立检测曲线后进行了实际样本中的hg
2+
加标回收实验，结果如表1所示，回收率分布在92-111％范围内，相对标准偏差则在0.83-4.73％范围内。
70.表1实际样本中hg
2+
的加标回收实验结果
[0071][0072]
以上实施例对本发明的基本原理、主要特征及优点进行了说明，但本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制。在不脱离本发明精神与范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，因此本发明的保护范围应由权利要求书界定。

技术特征：
1.一种以邻苯二胺衍生碳量子点为荧光探针检测汞离子的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)ycqds荧光探针体系的制备将牛磺酸与邻苯二胺溶解水中并调节溶液ph至中性，然后转移至高压反应釜中进行水热反应，得粗产物；粗产物经硅胶柱层析纯化，得碳量子点溶液ycqds；将碳量子点溶液与缓冲溶液混合均匀，即得ycqds荧光探针体系；(2)定量关系模型构建取步骤(1)制备的ycqds荧光探针体系分别与一系列已知浓度的汞离子溶液振荡均匀得到标准样，置于室温下孵育过夜后，测定各标准样在418nm激发下的荧光强度；以荧光强度为纵坐标，汞离子浓度为横坐标，建立定量关系模型；(3)待测样中汞离子含量测定取步骤(1)制备的ycqds荧光探针体系与待测样均匀混合，置于室温下孵育过夜后，然后测定混合液在418nm激发下的荧光强度，并依据步骤(2)构建的定量关系模型，计算待测样中汞离子的含量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述调节溶液ph使用的试剂为现配现用的氢氧化钠溶液，浓度为0.1～0.2mol/l。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳量子点溶液ycqds在紫外-可见吸收光谱420nm处吸收值为0.200时对应的浓度被定为1个单位，步骤(3)所述ycqds荧光探针体系与待测样混合液中碳量子点溶液ycqds的浓度为0.1-0.5单位；ycqds荧光探针体系与待测样的体积比为9：1。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲液；缓冲溶液的ph值为6.0～8.0，浓度为0.1～0.2mol/l，体积占ycqds荧光探针体系总体积的50-90％。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述粗产物经硅胶柱层析纯化是指粗产物经过两次硅胶柱层析纯化，两次洗脱液依次为乙醇和乙酸乙酯。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述水热反应的温度为180～200℃，时间为8～12h。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述调节溶液ph至中性的ph值为6.5～7.5。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述室温下孵育过夜是在20～30℃条件下孵育过夜。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述牛磺酸和邻苯二胺的质量比为1：1～2。10.权利要求1～9任一所述的方法在检测汞离子方面的应用。

技术总结
本发明涉及一种以邻苯二胺衍生碳量子点为荧光探针检测汞离子的方法，属于分析检测技术领域。本发明的以邻苯二胺衍生碳量子点为荧光探针检测汞离子的方法，具体是先以牛磺酸与邻苯二胺制备碳量子点溶液yCQDs；然后将碳量子点溶液与缓冲溶液形成yCQDs荧光探针体系；利用yCQDs荧光探针直接用于Hg


技术研发人员：陈国庆 胡安琪 朱纯 马超群 杨太群 李磊 吴亚敏 高辉 辜姣 吴慧
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/9/11