一種以魚鱗為原料的碳量子點及其製備方法和應用與流程

2023-06-22 13:18:27

本發明屬於納米材料製備技術領域，具體是一種以富含天然半胱氨酸的魚鱗為碳源，利用微波水熱合成法製備水溶性碳量子點，及在快速檢測汞離子過程中的應用。

背景技術：

汞是一種能長期存在於環境中，且具有持久性，易遷移性，高生物富集性和高生物毒性等特性的物質。汞及其衍生物有機汞，作為一類重要的有毒有害環境汙染物可在大氣和食物鏈中長期存在，並可遠距離遷移。中國使用汞的歷史悠久，歷史上也曾發生過因工業用汞而造成的汞汙染事件，目前某些汞礦和有色金屬冶煉區附近地區的水體，土壤和大米中仍可檢測到較高濃度的汞，汞汙染及控制已經成為當前全球關注的熱點、難點和焦點問題，汞汙染的環境風險管理在全球範圍內已是大勢所趨。汞在自然界中主要以單質汞，無機汞和有機汞3種形式存在，通過生物的富集作用，進到食物鏈中，人體吸收過量的Hg2+後會導致中樞神經系統、肝、腎和腸道的損害，嚴重時甚至會引起死亡。因此，生物體和環境中Hg2+的檢測十分重要。近年來，檢測Hg2+的方法主要有原子吸收-發射光譜法，分光光度法，高效液相色譜法，電化學法和螢光分析法等。

螢光分析法因具有便捷，專一，靈敏和適時原位檢測等優點而備受關注。最近幾年，量子點的研究非常活躍，量子點一般是從鉛，鎘和矽的混合物中提取出來的，但這些量子點一般有毒，對環境也有很大的危害。美國克萊蒙森大學的科學家首次製造出一種新型的碳納米材料-碳量子點，與各種金屬量子點類似，碳量子點在光照的情況下可以發出明亮的光。碳納米粒子具有很大的表面積，這種納米粒子相比宏觀碳，具有非常奇特的物理和化學性質，相對金屬量子點而言，碳量子點無毒害作用，對環境的危害很小，製備成本低廉，是一種相比半導體量子點具有相似光學性能的環境友好型螢光納米材料。碳量子點除擁有光學性能優良，尺寸小等傳統半導體量子點所具備的優點外，其還具有細胞毒性低，生物相容性好，易於大規模合成及功能化修飾，製備成本低廉和反應條件溫和等無可比擬的優勢。它在包括改進生物傳感器，醫學成像設備和微小的發光二極體的很廣的領域中都有應用前景。

目前，在檢測Hg2+的碳量子點製備中，為了提高碳量子點的螢光強度和對Hg2+的特殊選擇性，往往會摻雜氮，硫元素，以及其他Au，Cd等金屬元素，這種方式一定程度上會提高量子產率，增強對Hg2+專一識別檢測能力，但往往人為摻雜都會影響量子點本身特性，改變了成分，會影響吸光能力，改變其電子結構，會降低量子點自身發光能力。

技術實現要素：

為了解決汞離子對環境造成汙染，及時就地檢測汞離子的問題，本發明設計一種以魚鱗為原料製備的碳量子點及快速檢測汞離子的新方法。

本發明採用的技術方案是：一種以魚鱗為原料的碳量子點，製備方法如下：

(1)將魚鱗洗淨，晾乾，剪碎；所述的魚鱗優選草魚魚鱗；

(2)將魚鱗與超純水混合後，轉移到反應釜中，放入防爆膜內，密封，再放入微波水熱合成儀中，微波加熱，得到懸濁液；

(3)將懸濁液靜置，冷卻至室溫，過濾取濾液，得濃縮液；

(4)將濃縮液兩端用透析夾夾在透析包中，在4℃陰暗的條件下，透析24h，每8h換

一次超純水，得到碳量子點。

上述的一種以魚鱗為原料的碳量子點，魚鱗與超純水的固液比為1g:70-90mL。

上述的一種以魚鱗為原料的碳量子點，在微波水熱合成儀中，微波加熱分七個階段：第一階段於10min升溫至120℃；第二階段於120℃恆溫5min；第三階段於10min升溫至150℃；第四階段於150℃恆溫5min；第五階段於10min升溫至180℃；第六階段於180℃恆溫5min；第七階段為反應階段，反應溫度為210℃，加熱2h；微波水熱合成儀參數設置，功率為1000W，壓力上限為1.500MPa。

上述的一種以魚鱗為原料的碳量子點，透析包的分子量為3500Da。

上述的以魚鱗為原料的碳量子點在特異性檢測汞離子中的應用。方法如下：在常溫常壓條件下，將待測汞溶液與碳量子點溶液1:1混合，用紫外燈照射，觀察螢光是否猝滅。

本發明，利用微波水熱合成儀，以富含半胱氨酸的天然魚鱗作為碳源，製備得到水溶性碳量子點。眾所周知，碳量子點的合成方法有多種，一般可分為2類：自上而下合成法和自下而上合成法，前者為基於自身較大的碳骨架(如碳靶)自上剝落下納米碳顆粒的合成方法，後者則是直接以較小碳顆粒進行修飾，鈍化，從而合成螢光碳量子點的方法。自上而下合成法，難以將碳骨架徹底粉碎成納米顆粒，產率極低；自下而上合成法中，若以大分子有機物為原材料，一般是通過碳化的方式將大分子變成小分子，碳化過程中除去了大量非碳物質，故產率也很低(最高僅達1％)。初製備的碳量子點一般無螢光或螢光量子產率較低(大部分都不高於10％)，不能滿足應用，如用於螢光標記或生物成像條件。於是通過修飾處理以穩定其光學性能及提高螢光量子產率。修飾原理為：在碳量子點表面引入包括氨基在內的一些特定基團，填補碳量子點表面的缺陷或使碳量子點表面產生能量勢阱，使螢光發射更穩定，從而提高螢光產量。本發明利用微波水熱這種自下而上合成法，以富含半胱氨酸的天然魚鱗作為製備碳量子點的碳源，在未經修飾的條件下，量子產率即可達到20％，不僅有效提高合成產率並且大幅度縮短反應時間。

本發明的有益效果是：

1.本發明公開了一種以草魚魚鱗為原料製備碳量子點及快速檢測汞離子的新方法。草魚魚鱗中含有豐富的粗蛋白和灰分，還有少量脂肪和糖類物質，其中粗蛋白質中富含大量的半胱氨酸，半胱氨酸中含有巰基。利用硫親汞這一特性，以草魚魚鱗作為碳源，利用微波水熱合成的方法，製備碳量子點，對Hg2+進行特異性檢測。

2.本發明利用微波水熱法製備的碳量子點性質穩定，反應時間短，操作簡單，易得到水溶性碳量子點，並且螢光強度強，量子產率高，熱穩定性好，抗光漂白能力強，對Hg2+的檢測具有選擇特異性，水體中與汞共存的其他離子，以及同周期，同主族，與汞離子具有相似化學性質的金屬離子，對該碳量子點的螢光強度沒有明顯的幹擾。

3.本發明，利用天然魚鱗作為原料得到碳量子點，無其他元素摻雜修飾，沒有副產物，既不改變其本身的螢光活性，又能高效快速檢測Hg2+，安全環保無汙染，可應用於製備螢光探針和生物傳感器等，是一種理想的可應用於製備高靈敏度薄膜型傳感器件的敏感材料。

4.本發明方法簡單新穎，回收廢棄草魚魚鱗，天然無摻雜，量子產率高，變廢為寶，發展循環經濟，有效的廢物再利用和資源化。並且本發明有利於汞離子的快速檢測，能夠及早發現問題，解決問題，建立完善的應急預案，防治進一步汙染

附圖說明

圖1為實施例1製備的水溶性碳量子點紫外吸收光譜圖。

圖2a為實施例1製備的水溶性碳量子點螢光發射光譜圖(320-355nm)。

圖2b為實施例1製備的水溶性碳量子點螢光發射光譜圖(355-400nm)。

圖3為實施例1製備的水溶性碳量子點的傅立葉紅外譜圖。

圖4為實施例1製備的水溶性碳量子點的X射線粉末衍射圖。

圖5為實施例1製備的水溶性碳量子點在其它金屬離子存在下對螢光強度幹擾圖。

圖6為實施例1製備的水溶性碳量子點在不同pH條件下對汞離子猝滅強度對比圖。

圖7為實施例1製備的水溶性碳量子點在不同濃度汞離子存在下螢光強度影響圖。

具體實施方式

實施例1一種以草魚魚鱗為原料的碳量子點

(一)製備方法如下

1)回收草魚魚鱗，用溫水反覆衝洗，去除多餘的血液和油脂，洗淨後平鋪在不鏽鋼盤上通風晾乾，剪碎。

2)按固液比1g:80mL，將0.5g草魚魚鱗與40mL超純水混合後，轉移到反應釜中，放入防爆膜中，密封，然後放入微波水熱合成儀中，在210℃下微波加熱2.00h，得到棕黃色懸濁液。

在微波水熱合成儀中，微波加熱過程是：在微波水熱合成儀中，微波加熱分七個階段：第一階段於10min升溫至120℃；第二階段於120℃恆溫5min；第三階段於10min升溫至150℃；第四階段於150℃恆溫5min；第五階段於10min升溫至180℃；第六階段於180℃恆溫5min；第七階段為升溫至210℃，加熱2h；微波水熱合成儀參數設置，功率為1000W，壓力上限為1.500MPa。

3)將棕黃色懸濁液放入到通風櫥中靜置，冷卻至室溫，先用15-20μm布氏漏鬥過濾去掉未反應的大塊魚鱗，取濾液。再用離心機，先以1500rpm低速離心後，再以3500rpm高速離心，離心10min，得到黃色透明濃縮液。

4)將黃色透明濃縮液兩端用透析夾夾在分子量為3500Da的透析包中，在4℃陰暗的條件下，透析24h，每8h換一次超純水，即可得到以草魚魚鱗為原料的碳量子點。

(二)檢測

1.將得到的碳量子點用超純水稀釋，稀釋的倍數為1:15，得稀釋的碳量子點溶液，進行檢測紫外吸收波長，結果如圖1。

由圖1可見，在290nm波長處看到一個微弱的峰，在220nm波長處看到一個較強的紫外吸收峰，以紫外分光光度法可以得到，以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點的最大吸收峰，波長為220nm。

2.通過改變螢光儀的激發波長，範圍從320nm到400nm，依次遞增10nm，得到對應的螢光發射光譜圖，如圖2a和圖2b。

對比圖2a與圖2b可以看出，不同激發波長條件下得到的螢光強度曲線不同，螢光強度隨波長320nm至355nm的上升而不斷增強，在355nm波長激發下，螢光強度達到制高點，隨後在波長355nm至400nm處，螢光強度隨激發波長的增大而下降。便攜紫外燈的激發波長通常為350nm到360nm，該量子點可在這段波長的激發下，發出較高的螢光強度，可應用於室外，野外條件下水體中汞離子的直接檢測，方便快捷。

3.將得到的碳量子點進行傅立葉紅外檢測，結果如圖3。

本發明，以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點的傅立葉紅外譜圖顯示，以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點在1656cm-1處有特徵吸收峰，提示其表面有羧基存在，3412cm-1處有吸收峰，為羥基峰，即以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點在未修飾的自然狀態下即可達到較好的水溶性；尤其在627cm-1處出現特徵峰，提示有C-S鍵的存在，說明魚鱗中巰基參與了反應，並生成C-S鍵，為下一步對Hg2+進行特異性檢測提供的極大的優勢。

4.將得到的碳量子點進行X射線粉末衍射檢測，結果如圖4。

由圖4可見，通過X粉末衍射圖可以發現，在23°處出現特徵衍射峰，說明以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點其內部為無序碳結構，即碳原子無規則排列的結構。

實施例2以魚鱗為原料的碳量子點在特異性檢測汞離子中的應用

(一)其他金屬離子的影響

分別精確秤取0.0150g Ni(NO3)2·6H2O，0.0130g CuSO4·5H2O，0.0145g Co(NO3)2·6H2O，0.0169g AgNO3，0.0090g MnSO4，0.0144g ZnSO4，0.0140g FeCl3·6H2O，0.0135g FeSO4·7H2O，0.0830g Pb(NO3)2，0.0200g Cr(NO3)3，0.0154g Cd(NO3)2，0.0158g Ba(OH)2·8H2O，0.0309g(NH4)6Mo7O24·4H2O，0.0122g Bi(NO3)3·5H2O共14種不同金屬鹽固體，溶於超純水中，定容至500mL，分別得到各不同金屬離子濃度均為100μM的金屬離子溶液，放置避光陰暗處待用。

將實施例1製備的碳量子點用超純水稀釋，稀釋的倍數為1:3，得稀釋的碳量子點溶液。

將碳量子點溶液分別與100μM的不同金屬離子溶液均勻混合，體積比為1:1，混合均勻，觀察以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點在其它金屬離子存在條件下對螢光強度的影響。結果如圖5。

由圖5可知，在50μM相同濃度的不同金屬離子分別存在的條件下，Hg2+的加入使以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點溶液螢光強度下降1/2，其他金屬離子對螢光強度幾乎沒有影響，唯一有比較明顯的螢光強度下降的為Cu2+，不過猝滅率僅達到1/4，不足以影響對Hg2+的檢測。顯示了，水體中共存的陽離子，以及同周期，同主族，元素化學性質具有相似性的金屬離子不會產生幹擾，證實了以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點溶液具有對Hg2+特異性檢測探針的潛質。

(二)不同pH條件下對檢測汞離子猝滅強度的影響。

將實施例1製備的碳量子點用超純水稀釋，稀釋的倍數為1:1，得稀釋的碳量子點溶液。

用玻璃棒沾取以草魚魚鱗為原料製備碳量子點(CDs)溶液，滴在精密pH試紙上，半秒鐘後與標準色板比較，碳量子點溶液本身pH值約為6，用NaOH溶液分別調以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點溶液pH為6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5，9.0。然後加入50μM的Hg2+進行螢光檢測，結果如圖6。

由圖6可見，儘管在不同pH條件下螢光強度猝滅率不同，但並不影響探針在酸性和中性環境中對Hg2+的識別，說明以草魚魚鱗為原料製備的碳量子點溶液在弱酸弱鹼，中性pH條件下均能對汞離子進行檢測，在實際環境中的應用創造了很好的條件。

(三)不同濃度汞離子溶液存在的條件下對碳量子點螢光強度影響

將實施例1製備的碳量子點用超純水稀釋，稀釋的倍數為1:1，得稀釋的碳量子點溶液。

用不同濃度的汞離子溶液，按體積比為1:1與碳量子點溶液混合，分別用螢光機在355nm波長下對Hg2+進行檢測，記錄不同濃度的Hg2+對以草魚魚鱗為原料製備的碳量子溶液螢光強度的影響，結果如圖7。

由圖7可見，加入0.5μM-300μM濃度的Hg2+時，螢光強度略有下降；當加入的Hg2+濃度為40μM時，螢光強度發生明顯下降，即猝滅效率明顯；顯然可以看出，隨著Hg2+濃度的升高，螢光強度不斷下降，猝滅效率增強，當Hg2+濃度為300μM時，螢光強度下降至原來的1/2。