一种对次氯酸敏感响应的阳离子荧光碳点及其制备方法与流程

1.本发明涉及环境检测指示剂合成领域，更特别地，涉及一种对次氯酸敏感响应的阳离子荧光碳点及其制备方法。

背景技术：

2.次氯酸因强氧化性而具有出的漂白能力，在工业生产以及生活中扮演着重要的角，例如用于游泳馆、自来水厂的消毒杀菌，以及造纸厂纸张的漂白等。合适浓度的次氯酸能够满足居民用水需求，但在杀菌处理过程中若其浓度使用不当，则会导致居民用水中次氯酸含量超标，影响人体健康。此外，次氯酸作为活性氧簇重要的一员，是生命体必要化合物之一。当病毒入侵人体时，白细胞，比如中性粒细胞和单核细胞产生丰度最高、毒性最强氧化剂-次氯酸，迅速攻击氨基酸、硫醚、核苷酸、抗坏血酸、多烯酸和硫醇等生理学相关分子，用以保护人体的免疫系统。与此同时，次氯酸亦可生成其它活性较高的氧化剂，参与人体体内各种生命活动的调节。
3.但是，如果次氯酸在生物体内大量积累，则可能会与细胞内的dna、蛋白质和脂肪酸等生物大分子发生反应，损害许多人体细胞，引起人体的一些疾病，例如动脉粥样硬化、关节炎、肾脏疾病甚至是某些类型的癌症等等。此外，次氯酸可能导致一些活性氧或活性氮的形成，从而导致生物细胞内发生氧化、硝化以及氯化，并对人体细胞造成重大损害。因此，对水质中次氯酸进行快速、灵敏的检测是非常重要的。
4.测定次氯酸含量的方法有很多种，例如比法、高效液相谱法、化学发光法、碘量滴定法、荧光检测法等。其中，荧光检测法具有检测灵敏度高、耗时短、操作简单等显著的优势，因此该方法被广泛应用于分析、检测等领域。碳点是一种新型的纳米级荧光材料，具有低毒性、优异发光性能、稳定性高、抗漂白性能好以及制作简单、原料廉价等优点，备受广大科研工作者的关注。目前大多数碳点水溶液稳定性不是很好，长时间存放容易发生聚沉，形成沉淀，从而影响了荧光碳点的应用。

技术实现要素：

5.为解决以上技术问题，本发明一种制备对次氯酸灵敏响应的阳离子荧光碳点的方法，包括以下步骤：
6.s1：使用苯二胺与阳离子有机物反应，得到粗制阳离子碳点溶液；
7.s2：透析纯化，得到纯化的阳离子碳点。
8.在一个具体实施方案中，s1中，所述阳离子有机物为含羧基、卤原子等能与氨基发生酰胺反应或取代反应的离子型化合物。
9.在一个具体实施方案中，所述阳离子有机物选自三苯基磷、季铵盐、吲哚盐。
10.在一个具体实施方案中，所述苯二胺选自邻苯二胺、间苯二胺、对苯二胺。
11.在一个具体实施方案中，s1包括以下步骤：
12.s11：将所述苯二胺与所述阳离子有机物混合，加入溶剂溶解；
13.s12：于180℃下加入反应12h；
14.s13：冷却至室温，得到所述粗制阳离子碳点溶液。
15.在一个具体实施方案中，所述苯二胺与阳离子有机物的质量比为3:1，所述溶剂为乙醇的水溶液。
16.在一个具体实施方案中，s2包括以下步骤：
17.s21：将所述粗制阳离子碳点溶液除去溶剂，得到粗制固体；
18.s22：将所述粗制固体用超纯化溶解，离心取上清液；
19.s23：用截留分子量500-1000的透析袋对所述上清液进行透析，除去杂质后，收集所述透析袋内的碳点，即所述纯化的阳离子碳点。
20.本发明还提供了上述方法制备得到的阳离子荧光碳点。
21.本发明还提供了上述阳离子荧光碳点在检测水样中的次氯酸中的应用。
22.在一个具体实施方案中，所述水样为来自湖泊或自来水的水样。
23.本发明通过将阳离子掺杂荧光碳点的制备，使制备得到的碳点的碳核表面游离的阳离子形成的静电外壳会产生排斥力，使碳纳米点能够在水溶液中稳定存在，不发生聚集，形成沉淀。另外，掺杂的阳离子占据碳点表面的氨基，改善碳点上游离氨基易被氧化的缺点，进而提高碳点的稳定性。同时，游离的阳离子基团具有强拉电子能力，可以弱化碳核共轭体系中的双键，使其更容易被次氯酸氧化，进而增加碳点对次氯酸的响应敏感性。次氯酸能够快速猝灭碳点的荧光，通过碳点荧光信号的变化，实现对水环境中次氯酸的可视化检测。
24.本发明采用的原料便宜，制备方法简便，纯化简易，在一般实验室即可制备，便于推广使用。与现有碳点相比，本发明制备的阳离子碳点大大增加了碳点的正电性，提高了碳点溶液的稳定性，使其在实际应用中更具优势。本发明制备的碳点，因为阳离子的强拉电子效应，使其对次氯酸具有快速、灵敏响应，且在一定浓度范围内对次氯酸具有良好的线性关系，能够实现次氯酸的定性和定量化检测。本发明制备的碳点对次氯酸具有良好的选择性，能够有效避免样品中其它杂质的干扰。针对自来水、湖水等复杂水体环境中次氯酸的检测，仍具有良好的准确性，具有较好的实用价值。
附图说明
25.图1为本发明制备的阳离子荧光碳点dots-p(ph)3与普通荧光碳点dots的溶液的外观照片。
26.图2为阳离子荧光碳点dots-p(ph)3与普通荧光碳点dots的zeta电势图(a)和xps图(b)以及阳离子荧光碳点dots-p(ph)3的c
1s
(c)、o
1s
(d)、n
1s
(e)和p
2p
(f)分峰图。
27.图3为本发明制备的阳离子荧光碳点dots-p(ph)3与普通荧光碳点dots对次氯酸响应灵敏性的比较图。
28.图4为阳离子荧光碳点dots-p(ph)3对次氯酸的荧光响应及碳点荧光强度变化与次氯酸浓度之间的线性关系图。
29.图5是阳离子荧光碳点dots-p(ph)3对次氯酸、其他活性氧、金属离子的选择性。
具体实施方式
30.以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
31.1.阳离子荧光碳点dots-p(ph)3的制备及纯化
32.1)将0.3145g间苯二胺和0.1273g 4-羧丁基三苯基膦加入到40ml四氟乙烯反应釜内胆中，然后加入30ml乙醇和5ml超纯水。将其置于超声波清洗仪中超声溶解30分钟，将内胆转移至反应釜外壳中，拧紧后，将其放置在鼓风式电烘箱中，于180℃下反应时间为12h，冷却至室温，得到粗制的阳离子荧光碳点dots-p(ph)3溶液。
33.2)将上述碳点溶液转移至100ml圆底烧瓶中，使用真空旋转蒸发仪去除溶剂。然后用2ml超纯水将获得的褐固体物质进行超声溶解，溶液用转速为9000r/min的离心机进行超声溶解，收集上清液。然后，用截留分子量为500的纤维素透析袋进行透析，透析4次后，收集得到纯化的阳离子荧光碳点dots-p(ph)3，放4℃冰箱备用。
34.2.阳离子荧光碳点dots-p(ph)3的稳定性研究
35.将制备好的阳离子荧光碳点dots-p(ph)3和普通碳点dots在相同环境中存放3个月，然后观察两种碳点的物理变化。
36.结果如图1所示，刚制备好的阳离子荧光碳点dots-p(ph)3和普通碳点dots均是黑褐，但是放置3个月后，dots-p(ph)3仍然为稳定的溶液，而dots则生成了大量沉淀(图1a)。为了更清晰地呈现两种碳点稳定性的差异，我们用一束红激光在其溶液的一侧分别进行照射，dots-p(ph)3在其入射光的垂直方向上呈现明亮的通路，而碳点dots仅在其入射光方向的微小距离内有明亮光束呈现，而不能形成光通路(图1b)。该结果表明dots-p(ph)3的溶液比较稳定，且其粒子直径介于1-100nm之间，具有丁达尔现象。而无阳离子掺杂的探针dots由于稳定性欠佳，粒子之间发生结合，团聚后形成大颗粒，使其粒子的直径超过100nm，因此则观察不到丁达尔现象的发生。
37.将两种碳点溶液离心，结果如图1c所示，dots-p(ph)3几乎无沉淀，而dots则有大量沉淀产生，dots-p(ph)3溶液经离心后与原溶液浓度相近，而无掺杂碳点dots溶液经离心后其浓度锐减，呈现淡黄。
38.以上实验证明，dots-p(ph)3溶液的稳定性显著优于无掺杂碳点dots溶液的稳定性，该特性使其能够更好地应用于环境分析、生物成像等领域。
39.3.阳离子荧光碳点dots-p(ph)3的zeta电势和xps光谱
40.配置阳离子荧光碳点dots-p(ph)3和普通碳点dots的水溶液，进行超声分散1h。然后分别测定两种碳点的zeta电势和xps光谱。结果如图2所示，阳离子荧光碳点的电势远远高于普通碳点(图2a)，表明前者表面游离的三苯基磷基团，能够在碳点表面形成的静电外壳，使其水溶液长时间稳定保存。另外，根据xps谱图及其各个分峰图(图2b-f)可知，阳离子三苯基磷有效嵌入到了碳核中心，不仅提高了碳点水溶液的稳定性，同时也能增加碳点对次氯酸的影响灵敏性。
41.4.阳离子荧光碳点dots-p(ph)3对次氯酸的灵敏度
42.取一定体积的阳离子荧光碳点dots-p(ph)3和普通碳点dots，用相同稀释液进行稀释，在相同仪器参数下使其荧光强度相近(～900a.u)。然后，分别向两种碳点检测液中加入相同浓度且体积相等的次氯酸，3min测定其荧光曲线，分别获得加入次氯酸后两种碳点
的荧光光谱。结果如图3所示，由加入次氯酸前后荧光曲线和荧光照片可知，次氯酸虽然能显著猝灭阳离子荧光碳点和普通碳点的荧光，但其对前者的猝灭效果更加显著。由此可知，阳离子碳点表面游离阳离子的强拉电子作用能够有效弱化碳核双键，使其对次氯酸响应更灵敏。
43.5.线性范围
44.取100μl纯化后的阳离子荧光碳点，用20ml浓度为10mm的pbs(ph＝7.4)溶液进行稀释，使其荧光强度维持在500a.u.左右(激发和发射狭缝均为5)。然后，向比皿中量取2ml稀释后的碳点，作为检测液备用。
45.以次氯酸钠为次氯酸供体，首先配置不同浓度的次氯酸钠溶液。然后依次向上述检测液中分别加入2μl次氯酸钠溶液，使其最终浓度依次为0、10、20、30、40、50、60、70和80μm，反应3min后，测定碳点的荧光曲线，最终得到一系列荧光曲线。并依次拍下加入不同浓度次氯酸钠后，碳点在365nm紫外灯下的荧光照片(图4a)。
46.以荧光强度降低程度为纵坐标，以次氯酸含量为横坐标，即得次氯酸定量化标准曲线，如图4b所示，阳离子荧光碳点溶液在检测0-20μm次氯酸和30-70μm次氯酸的范围内分别具有良好的线性，拟合度分别都在0.99以上，可见本发明的阳离子荧光碳点可准确地检测浓度在0-20μm和30-70μm范围内的次氯酸。
47.6.阳离子荧光碳点dots-p(ph)3对次氯酸的特异性
48.分别往荧光碳点检测溶液中加入100μm其他活性氧(o
2-、h2o2、tbo
·
、tbhp、1o2)及金属离子(fe
2+
、cu
2+
、zn
2+
、mn
2+
、co
2+
、mg
2+
、cr
2+
)，以488nm波长的光作为激发光，激发和发射狭缝均为5nm，测量荧光碳点对次氯酸的影响。其中一组为空白组，获得一系列加入不同干扰物的荧光曲线。如图5所示，其他活性物质和金属离子对阳离子荧光碳点无响应，说明阳离子荧光碳点dots-p(ph)3特异地针对次氯酸发生响应。
49.7.对含有不同浓度次氯酸的不同来源水样进行检测
50.首先，取1800μl荧光碳点检测溶液，加入200μl超纯水，使其最终体积为2ml，测定其荧光曲线，作为空白样。然后，再另外取1800μl荧光碳点检测溶液，加入200μl含不同浓度次氯酸的超纯水、湖水、自来水等实际样品溶液，测定其光谱变化，并记录相应数据，如表1所示，阳离子荧光碳点对次氯酸不仅具有很好的响应灵敏性，同时也能用于实体水样中次氯酸的定量化检测。
51.表1对含有不同浓度次氯酸的不同来源水样的检测结果
[0052][0053]
以上实施例虽然仅列举了邻二甲苯和4-羧丁基三苯基膦作为合成原料，但是，碳源还可使用其他苯二胺，例如领苯二胺、对苯二胺等，阳离子有机物还可使用其他含羧基、卤原子等能与氨基发生酰胺反应或取代反应的离子型化合物，例如三苯基磷、季铵盐、吲哚
盐等。我们实验了这些物质，能够达到相似的效果，不过出于简要的目的，未将相关实验数据附在本技术文件中。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

技术特征：

1.一种制备阳离子荧光碳点的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：使用苯二胺与阳离子有机物反应，得到粗制阳离子碳点溶液；s2：透析纯化，得到纯化的阳离子碳点。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中，所述阳离子有机物为含羧基、卤原子等能与氨基发生酰胺反应或取代反应的离子型化合物。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阳离子有机物选自三苯基磷、季铵盐、吲哚盐。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述苯二胺选自邻苯二胺、间苯二胺、对苯二胺。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1包括以下步骤：s11：将所述苯二胺与所述阳离子有机物混合，加入溶剂溶解；s12：于180℃下加入反应12h；s13：冷却至室温，得到所述粗制阳离子碳点溶液。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述苯二胺与阳离子有机物的质量比为3:1，所述溶剂为乙醇的水溶液。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2包括以下步骤：s21：将所述粗制阳离子碳点溶液除去溶剂，得到粗制固体；s22：将所述粗制固体用超纯化溶解，离心取上清液；s23：用截留分子量500-1000的透析袋对所述上清液进行透析，除去杂质后，收集所述透析袋内的碳点，即所述纯化的阳离子碳点。8.一种阳离子荧光碳点，其特征在于，通过权利要求1-7中任一项所述的方法制备得到。9.权利要求8所述的阳离子荧光碳点在检测水样中的次氯酸中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述水样为来自湖泊或自来水的水样。

技术总结

本发明涉及对次氯酸敏感响应的阳离子荧光碳点及其制备方法，包括以下步骤：S1：使用苯二胺与阳离子有机物反应，得到粗制阳离子碳点溶液；S2：透析纯化，得到纯化的阳离子碳点。本发明制备的碳点，因为阳离子的强拉电子效应，使其对次氯酸具有快速、灵敏响应，且在一定浓度范围内对次氯酸具有良好的线性关系，能够实现次氯酸的定性和定量化检测。本发明制备的碳点对次氯酸具有良好的选择性，能够有效避免样品中其它杂质的干扰。针对自来水、湖水等复杂水体环境中次氯酸的检测，仍具有良好的准确性，具有较好的实用价值。具有较好的实用价值。具有较好的实用价值。