一种利用碳量子点检测过氧化氢的方法与流程

1.本发明涉及过氧化氢浓度的检测领域，尤其涉及一种利用碳量子点对过氧化氢的快速准确和高效的检测方法。


背景技术：

2.过氧化氢广泛应用于工业、食品、医疗等领域。因为具有强氧化性，常被用于氧化漂白和杀菌消毒，但是日常地在上述领域，过氧化氢经常被过量地使用，这种使用会在使用环境中残留，残留的过氧化氢与人体或者其他生物体不可避免地接触后，会导致加速细胞老化并且危害人体健康的结果。
3.传统的过氧化氢的检测方法有层析法、滴定法、比色法、荧光法、电化学法等，这些方法有的操作简单成本低，但是相应的检出限较高不适用于低浓度过氧化氢的检测，有的虽然可以精确检测，但是方法复杂，不利于携带，不利于便携式地进行携带。而荧光法具有操作方法简单、操作方便、无需大型检测仪器、检测响应时间短、灵敏度高等优点。然而现有技术中荧光法在目前的报道中，人们已经采用了各式各样的荧光探针来进行对过氧化氢的检测，包括金属有机骨架(mental organic frameworks，mofs)，量子点(简称cds，)，银纳米粒子，有机比色计，稀土荧光材料薄膜都被用于过氧化氢的检测。
4.碳量子点属于一种较为高效的荧光探针，碳量子点是一类新型的发光纳米碳材料，其尺寸一般小于10nm。与传统的半导体量子点相比，碳纳米点具有光学性能优异、容易制备合成、水溶性良好、低毒、环保等优点，引起了人们极大的研究兴趣。这些优点使得cds在生物成像、医学诊断、光电和传感器等领域有着广泛的应用。在传感器或探针方面，cds可广泛用于检测各种无机和有机物种，如金属离子(例如hg
2
，fe
3
，cu
2
，be
2
，ag

，k

，zn
2
，al
3
等)、次氯酸、葡萄糖、多巴胺、尿酸、ssdna、三聚氰胺等。
5.例如中国已经公开的专利cn109607512 a公开了：以铝源、镁源、磷酸及有机模板剂为原料，利用水热合成制备分子筛晶体产物，经过热解、层析等操作提纯以得到水溶性的碳点产物；所制备的碳点呈现激发不依赖的蓝色荧光(发射峰位约为420nm)，且能够对过氧化氢实现高灵敏度响应，其猝灭常数和检测限分别为7.3
×
103m
‑1和3.16μm。然而这种检测手段中显然具有制备碳量子点的手段较为繁琐的特点，该特点可能制约其对于便携式的过氧化氢的测定，可能存在推广的局限性。
6.又如中国专利cn 109342341 a公开了一种利用碳量子点可视化检测过氧化氢浓度的方法，其采用利用混合溶液中过氧化氢的浓度与混合溶液的吸光度之间呈线性关系，从而检测过氧化氢的浓度；所述混合溶液含有tmb、碳量子点、磷酸柠檬酸缓冲液和磷酸盐缓冲液。本发明将碳量子点用于可视化检测过氧化氢的浓度，检测过程简单方便，灵敏度高、检测限低，可实现实际样品中过氧化氢的快速可视化检测。然而上述方法采用天然的猪血进行准备水溶性碳量子点溶液，可能会出现猪血之间的差异性从而导致检测的准确性和灵敏度的波动。
7.又如中国专利cn111504956a公开了一种碳量子点荧光探针的制备及其在选择性
检测活性氧中的应用，具体地公开了源包括葡萄糖、柠檬酸、乙二醇、尿素、抗坏血酸、离子液体等；其主要目的在于证明采用该种方法合成的碳量子点具有良好的生物相容性，没有对过氧化氢的检测做出高效准确的探讨。
8.又如zhang，y.，yang，x.&gao，z.in situ polymerization of aniline on carbon quantum dots：a new platform for ultrasensitive detection of glucose and hydrogen peroxide.rsc adv.(2015)公开了一种过氧化氢的检测材料和方法，碳量子点检测还需要hrp、苯胺、磷酸盐缓冲液，检测范围0.5
‑
50μm，检出限为0.5μm，响应时间为18min。
9.又如lan，m.et al.a carbon dot
‑
based fluorescence turn
‑
on sensor for hydrogen peroxide with a photo
‑
induced electron transfer mechanism.chem.commun.(2015)公开了一种采用碳量子点检测过氧化氢的手段，其还需要采用hepes缓冲溶液，检测范围0.5
‑
15μm，检出限为0.084μm，响应时间为1min。
10.又如he，d.et al.dielectric barrier discharge
‑
assisted one
‑
pot synthesis of carbon quantum dots as fluorescent probes for selective and sensitive detection of hydrogen peroxide and glucose.talanta(2015)公开了一种碳量子点检测过氧化氢的手段，其还需要fe
2
作为检测需要试剂，检测范围10
‑
150μm，检出限为0.4μm，响应时间为30min。
11.由此可见现有技术中采用碳量子点对过氧化氢的检测过程中，存在响应时间长、检出限高，检测范围过小的问题，并且一般地需要添加多种检测试剂，影响检测的检测效率，难以很好兼顾检测效率和检测下限以及检测范围的协调。
12.本发明针对现有技术中存在的上述问题，发明一种对过氧化氢的检测方法，碳量子点制备简单，并且不会因为药剂无法标准化而导致的检测结果的波动，检测响应时间短，检出下限低灵敏度高操作方便的过氧化氢的检测方法。


技术实现要素：

13.为解决现有过氧化氢检测方法存在的检测成本高、方法复杂、检测浓度高和灵敏度低等问题，本发明提出一种利用碳量子点检测过氧化氢的方法，以及一种碳量子点的制备方式。
14.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
15.本发明首先请求保护一种高量子产率的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：首先将由柠檬酸和抗坏血酸组成的碳源与由邻苯二胺和间苯二胺组成的碱源混合加入到溶剂中得到混合溶液，然后将所述混合溶液进行微波加热至预设时间后制得碳量子点。
16.优选地柠檬酸和抗坏血酸摩尔比：1∶1～1∶5，更优选地可以选择为1∶1～1∶3、1∶1～1∶2；
17.优选地邻苯二胺和间苯二胺摩尔比为0.1∶1～0.9∶1，更优选地可以选择为0.1∶1～0.6∶1、0.1∶1～0.5∶1；
18.优选地碳源与碱源的摩尔比为1∶1～9∶1，优选地碳源与碱源的摩尔比为1∶1～6∶1，碳源与碱源的摩尔比为1∶1～3∶1；
19.优选地，碳源与碱源的混合溶液的体积为1～50ml，优选地碳源与碱源的混合溶液
的体积为10
‑
40ml，优选地碳源与碱源的混合溶液体积为20
‑
30ml；
20.优选地，混合溶液中的碳源的浓度范围为0.02～1.5mol/l，优选地混合溶液中的碳源的浓度范围为0.1～1.0mol/l，更为优选地混合溶液中的碳源的浓度范围为0.4～0.8mol/l；
21.优选地，微博加热过程中的微波强度为600～800w，优选地为650～750w，更为优选地为700w；
22.优选地，所述预设时间为0.5～15min，优选地预设时间为2～10min，更优选地为5～8min；
23.优选地，所述溶剂为水、聚乙二醇(peg)或，优选地，聚乙二醇选择为peg200～800，优选地，聚乙二醇选择为peg400；
24.本发明其次请求保护一种利用碳量子点检测过氧化氢的方法，包括以下步骤：
25.s1：碳量子点制备：将由柠檬酸和抗坏血酸组成的碳源与由邻苯二胺和间苯二胺组成的碱源混合加入到溶剂中得到混合溶液，然后将所述混合溶液进行微波加热至预设时间后制得碳量子点；
26.s2：将碳量子点溶液与过氧化氢混合定容、反应，反应后用荧光分光光度计测试，进而进行标准曲线绘制；
27.s3：将未知浓度过氧化氢与过氧化氢混合定容、反应后用荧光分光光度计测试进而计算得到过氧化氢的浓度。
28.优选地，所述步骤s1中的碳量子点制备，采用如下步骤进行反应制备：
29.优选地柠檬酸和抗坏血酸摩尔比：1∶1～1∶5，更优选地可以选择为1∶1～1∶3、1∶1～1∶2；
30.优选地邻苯二胺和间苯二胺摩尔比为0.1∶1～0.9∶1，更优选地可以选择为0.1∶1～0.6∶1、0.1∶1～0.5∶1；
31.优选地碳源与碱源的摩尔比为1∶1～9∶1，优选地碳源与碱源的摩尔比为1∶1～6∶1，碳源与碱源的摩尔比为1∶1～3∶1；
32.优选地，碳源与碱源的混合溶液的体积为1～50ml，优选地碳源与碱源的混合溶液的体积为10
‑
40ml，优选地碳源与碱源的混合溶液体积为20
‑
30ml；
33.优选地，混合溶液中的碳源的浓度范围为0.02～1.5mol/l，优选地混合溶液中的碳源的浓度范围为0.1～1.0mol/l，更为优选地混合溶液中的碳源的浓度范围为0.4～0.8mol/l；
34.优选地，微博加热过程中的微波强度为600～800w，优选地为650～750w，更为优选地为700w；
35.优选地，所述预设时间为0.5～15min，优选地预设时间为2～10min，更优选地为5～8min；
36.优选地，所述溶剂为水、乙二醇、聚乙二醇(peg)或丙三醇，优选地，聚乙二醇选择为peg200～800，优选地，聚乙二醇选择为peg400。
37.优选地，所述步骤s2中的碳量子点和过氧化氢混合溶液定容后，碳量子点的浓度为0.005
‑
5mg/l，优选地，碳量子点浓度为0.01
‑
4mg/l，更为优选地，碳量子点浓度诶0.02
‑
2mg/l。
38.优选地，所述步骤s2中碳量子点溶液与过氧化氢混合定容至具体试验所需求的浓度，优选地为5
‑
50m1，更为优选地为10
‑
20ml；
39.优选地，所述步骤s2中的反应的响应时间可以选择为：0.5
‑
60min，优选地选择为0.5
‑
30min，更优选地为0.5
‑
10min，更为优选地可以为0.5
‑
1min。
40.优选地，所述步骤s2中反应后的溶液采用荧光分光光度计进行测试，更为优选地，采用步骤s1制得的碳量子点在过氧化氢浓度为10
‑5‑
10
‑4％时，检测结果呈线性相关，其中1≥r2≥0.98，采用步骤s1制得的碳量子点在过氧化氢浓度为10
‑9‑
10
‑5％时，检测结果呈线性相关，其中1≥r2≥0.98。
41.优选地，所述步骤s3中未知浓度的过氧化氢溶液的检测浓度范围为10
×
10
‑4‑
48.95μm，优选地为10
×
10
‑3‑
48.95μm，优选地为9.79
‑
97.9μm，优选地为9.79
×
10
‑4‑
48.95μm；
42.优选地所述步骤s3中的检出限为小于等于0.01μm，或者小于等于7.23μmol/l。
43.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
44.(1)本检测材料成本低廉，易购得，制备时间短，可批量生产，一次制备的碳量子点经过稀释后可以使用12500次，可批量生产，易于大规模推广。
45.(2)本检测方法十分快捷，对比层析法，滴定法等需要大量等待时间的方法，响应时间短，大大节省了检测时间。
46.(3)本检测方法简单易操作，无需添加更多的缓冲试剂、调和试剂或者其他fe
2
试还原剂和hcl等各种缓冲液，仅需将含h2o2的溶液与碳点溶液混合即可，减少了测试步骤，提高了检测的准确性。
47.(3)本检测方法仅需使用荧光分光光度计，无需其他贵重精密仪器，大大降低了检测成本。
48.(5)本检测方法灵敏度高，检出限仅为0.01μmol/l比现有技术中的检出限低，精确度高。
49.(6)本检测方法检测范围为10
‑5‑
10
‑4％和10
‑9‑5×
10
‑5％，检测浓度比其他方法更低，检测范围大。
50.(7)本检测方法的碳量子点制备手段制备得到的碳量子点和特定的过氧化氢浓度范围，具体为：10
‑5‑
10
‑4％和10
‑9‑5×
10
‑5％的浓度范围具有未知的契合性和匹配性，可以实现较高的检测范围，和较低的检出限，以及具有r2大于0.97的相关性。
附图说明
51.图1是本发明实施例1和实施例2对过氧化氢检测的荧光强度的结果对比图；
52.图2是本发明实施例1与实施例2
‑
3对过氧化氢检测的荧光强度的结果对比图；
53.图3是本发明实施例1在实施例4的条件下对过氧化氢检测的荧光强度的结果对比图；
54.图4是本发明实施例1在实施例5的条件下对过氧化氢检测的荧光强度的结果对比图；
55.图5是本发明实施例1在实施例6的条件下对过氧化氢检测的荧光强度的结果对比图；
56.图6是本发明实施例1在实施例7的条件下对过氧化氢检测的荧光强度的结果对比图；
57.图7是本发明实施例1在对比例1的条件下对过氧化氢检测的荧光强度的结果对比图。
具体实施方式
58.下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
59.本发明首先请求保护一种高量子产率的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：首先将由柠檬酸和抗坏血酸组成的碳源与由邻苯二胺和间苯二胺组成的碱源混合加入到溶剂中得到混合溶液，然后将所述混合溶液进行微波加热至预设时间后制得碳量子点。
60.以下实施例中，关于碳量子点的制备采用如下手段制备：
61.在具体的实施例中，取柠檬酸和抗坏血酸摩尔比为1∶1的碳源，取邻苯二胺和间苯二胺摩尔比为0.5∶1的碱源；其中具体地所述碳源与所述碱源的摩尔比为5∶1；溶剂的体积为20ml；所述碳源和碱源以及溶剂组成混合溶液，所述混合溶液中碳源的浓度为0.5mol/l；然后采用微波加热，所述微波加热的过程中的微波强度为700w，并设定预设时间；所述预设时间为5min；所述溶剂为聚乙二醇(peg)200。
62.下述以具体实施例提供的碳量子点对过氧化氢的检测方法进行进一步的说明。
63.实施例1：
64.将由柠檬酸和抗坏血酸组成的碳源，所述碳源中柠檬酸和抗坏血酸的摩尔比为1∶1，与由邻苯二胺和间苯二胺组成的碱源，所述碱源中邻苯二胺和间苯二胺的摩尔比为1∶2，按照所述碳源和所述碱源的摩尔比为5∶1混合加入到10ml聚乙二醇200溶剂中制得混合溶液，其中所述碳源的浓度为0.5mol/l，将所述混合溶液放置到微波炉中，设置微波炉的功率为700w，反应5min后取出，制得碳量子点。然后将取部分碳量子点溶液与过氧化氢溶液混合定容至10ml等待一定反应响应时间，反应后用荧光分光光度计测试，得到荧光曲线。
65.实施例2：
66.与实施例1的区别仅在于，在碳量子点溶液与过氧化氢混合溶液中加入100μmol/l的fe
2
和0.002mol/l的hcl。参见附图1
‑
2结果。
67.实施例3：
68.与实施例1的区别仅在于，在碳量子点溶液与过氧化氢混合溶液中加入100μmol/l的fe
2
。参见附图1
‑
2结果。
69.实施例4：
70.碳量子点的制备方法采用实施例1中的方法制备。
71.在实施例1所制备的碳量子点条件下，选择响应时间均为1min，在过氧化氢浓度为10
‑4％的条件下，调节碳量子点浓度分别为0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.4、0.8、1.2、1.6、2mg/l。
72.得到碳量子点稀释至不同浓度在对过氧化氢检测的影响，根据计算：
73.(f0/f)
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
74.其中，f0代表的是未加入检测物的荧光材料溶液的荧光强度，f代表的是加入检测物的荧光材料溶液的荧光强度。从图3结果经过计算后可以看出，当碳量子点浓度为
0.08mg/l时，过氧化氢对碳量子点荧光猝灭效果最好，因此0.08mg/l的碳量子点浓度是响应时间为1min，过氧化氢浓度为10
‑4％的条件下检测的最佳浓度。参见附图3结果。
75.实施例5：
76.碳量子点的制备方法采用实施例1中的方法制备。
77.在实施例1所制备的碳量子点条件下，选择碳量子点浓度为0.1mg/l，过氧化氢浓度为10
‑4％的条件下，调节响应时间分别为1、5、9、13、20、30min。
78.图4为实施例1条件下制备的碳量子点在不同的响应时间下对过氧化氢检测的影响，从图4结果经过公式(1)计算后可以看出，在碳量子点浓度为0.08mg/l，过氧化氢浓度为10
‑5％时，等待时间1min，过氧化氢对碳量子点的荧光猝灭效果最好，因此针对碳量子点浓度为0.1mg/l，过氧化氢浓度为10
‑4％的条件下，检测等待时间1min既可以达到比较好的响应结果，大大节省了检测响应的时间。
79.参见附图4结果。
80.实施例6：
81.碳量子点的制备方法采用实施例1中的方法制备。
82.在实施例1所制备的碳量子点条件下，选择在响应时间1min，碳量子点浓度为0.08mg/l的条件下，调节过氧化氢浓度分别为10
‑5、3
×
10
‑5、5
×
10
‑5、7
×
10
‑5、9
×
10
‑5、10
‑4％。
83.得到在过氧化氢浓度为10
‑5‑
10
‑4％时，检测结果呈线性相关，r2＝0.98。检测限计算方法如下：
84.3σ/s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
85.其中σ代表碳量子点的空白信号的标准偏差(n＝11)，s代表校准线的斜率，根据计算得出检测限为0.01μmol/l。参见附图5结果。
86.实施例7：
87.碳量子点的制备方法采用实施例1中的方法制备。
88.在实施例1所制备的碳量子点条件下，选择在响应时间1min，碳量子点浓度为0.08mg/l的条件下，调节过氧化氢浓度分别为10
‑9、10
‑8、10
‑7、10
‑6、10
‑5％。
89.3σ/s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
90.得到在过氧化氢浓度为10
‑9‑
10
‑5％时，检测结果呈线性相关，r2＝0.98，其中σ代表碳量子点的空白信号的标准偏差(n＝11)，s代表校准线的斜率，根据公式(2)得出检出限为0.01μmol/l。
91.参见附图6结果。
92.对比例1：
93.碳量子点的制备方法采用实施例1中的方法制备。
94.在实施例1所制备的碳量子点条件下，选择在响应时间1min，碳量子点浓度为0.08mg/l的条件下，调节过氧化氢浓度分别为10
‑5、10
‑4、10
‑3、10
‑2、10
‑1、10％。
95.3σ/s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
96.得到在过氧化氢浓度为10
‑5‑
10％时，检测结果未呈线性相关。
97.参见附图7结果。
highly sensitive detection of phytic acid and hydrogen peroxide.anal.chim.acta(2018)doi：10.1016/j.aca.2018.07.030.