一种以向日葵果胶为碳源的氮掺杂石墨烯量子点制备方法及其应用与流程

一种以向日葵果胶为碳源的氮掺杂石墨烯量子点制备方法及其应用
【技术领域】
1.本发明涉及氮掺杂石墨烯量子点制备及应用技术领域，尤其涉及一种以 向日葵果胶为碳源的氮掺杂石墨烯量子点制备方法及其应用。


背景技术：

2.氮掺杂石墨烯量子点制备大都需要比较昂贵的不可再生材料(石墨、碳 纤维、碳纳米管等)作碳源前驱体，且许多工艺后处理过程复杂，无法达到 氮掺杂石墨烯量子点制备工艺简便、成本低廉的工业化生产要求。向日葵果 胶具有多种生物活性，广泛应用于食品医药等领域，如何得到品质优良的向 日葵果胶一直是备受关注的研究课题。不同应用领域对果胶的色泽和胶凝性 要求较严苛，限制了果胶的应用，增加了向日葵果胶的生产成本，向日葵果 胶的新用途亟待开发。以向日葵果胶作为制备量子点的绿色生物质碳源可以 降低对颜色和胶凝性能的依赖，一方面简化生产工艺(减少脱色工艺)，降 低果胶生产成本；另一方面即可开发果胶的新用途。
3.多糖铁补铁剂补铁性好，同时可发挥配体多糖的多种生物学活性，是具 有双重功效的理想补铁剂。传统补铁剂，在胃肠液环境下释放游离铁离子， 刺激胃肠道。因此，在补铁剂的性能研究、活性研究和功效评价过程中，胃 肠环境下的铁离子跟踪检测发挥重要作用。胃肠液中铁的释放量是多糖补铁 剂的重要指标，同时也是分析多糖铁的络合过程以及工艺结果的重要指标之 一，能够有效反映多糖铁制备工艺的优劣和多糖铁的品质。目前，现有方法 不能直接检测和定量分析模拟胃肠液中的铁离子。现有铁含量测定方法为重 铬酸钾溶液滴定法、邻菲啰啉分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离 子体质谱等。滴定法耗时长，操作中用到剧毒的重铬酸钾和氯化汞，污染环 境；分光光度法需预处理操作繁琐，且灵敏度不高准确度较低；原子吸收光 谱法仪器价格昂贵，普及困难，电化学循环伏安法检测铁离子相对简单、灵 敏、稳定和经济，电化学检测备受关注。但是，裸电极对金铁离子的响应弱， 灵敏度低，必须对电极进行修饰。石墨烯量子点生物相容性好、易与其他官 能团结合、导电性良好，可修饰在裸电极表面以提高电化学传感器的灵敏度。
4.综上所述，基于氮掺杂石墨烯量子点构建电化学传感器检测多糖铁补铁 剂的铁离子面对以下三个问题：第一，已有多糖铁补铁剂铁离子检测方法操 作复杂，前处理较多，准确度低，且fe
2
和fe
3
不能同时跟踪检测；第二， 裸电极电化学传感器对fe
2
和fe
3
响应弱、灵敏度低；第三，没有直接检测 模拟胃肠液中fe
2
和fe
3
的电化学方法，模拟胃液和肠液对材料的耐受性要 求不同。因此需要成本低、环境友好、含碳量高的优质生物质碳基材料制备 出可应用于构建电化学传感器的氮掺杂石墨烯量子点，并直接应用到模拟胃 肠液中fe
2
和fe
3
的电化学检测。
5.因此，有必要研究一种以向日葵果胶为碳源的氮掺杂石墨烯量子点制备 方法及其应用来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种以向日葵果胶为碳源的氮掺杂石墨烯量子 点制备方法及其应用，通过氮元素修饰石墨烯量子点的表面缺陷，丰富了石 墨烯量子点表面官能团，生物相容性好，易与其他活性官能团结合。
7.一方面，本发明提供一种以向日葵果胶为碳源的氮掺杂石墨烯量子点制 备方法，所述方法包括：
8.步骤一：以向日葵果胶为碳源充分溶解至一定体积水中，得到果胶溶液；
9.步骤二：加入氨水后超声，用水热法处理果胶溶液；
10.步骤三：经水热反应后的果胶溶液用0.22μm水系滤膜过滤，滤液置于 透析袋中，去离子水作为缓冲液，透析48h每12h换一次水，收集透析液旋 蒸浓缩后烘干。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述步骤一中向日葵果胶为分子量为100-320kda的向日葵果胶，在50-60℃水 中溶胀20-24h制得果胶溶液；其中果胶的浓度范围为2.5-12mg/ml。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述步骤二中氨水为氮源，所述氨水的质量百分比为90％，将氨水加入果胶溶 液后，控制氨水的质量分数为22.5-33.5％，超声处理5-10min。
13.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述步骤二中超声处理的溶液置于水热反应釜，其填装度为50-70％，160-200 ℃下反应6-8h。
14.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述步骤三中的透析袋截留分子量为12000-14000da，透析液在40-55℃下浓缩 至原体积的1/10-1/50，50-70℃干燥至恒重，所得量子点粒径为1-4nm。
15.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，一 种以向日葵果胶为碳源的氮掺杂石墨烯量子点的应用，所述应用具体为：通 过氮掺杂石墨烯量子点修饰电化学传感器并检测模拟胃肠液中铁离子。
16.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述应用方法具体为：
17.步骤一、玻碳电极用氧化铝抛光粉打磨光滑，在硫酸溶液中使用循环 伏安法活化；
18.步骤二、将制备的氮掺杂石墨烯量子点溶于去离子水，超声分散后用 移液枪滴涂于活化后的玻碳电极表面，红外灯下干燥；
19.步骤三、将修饰后的玻碳电极、银/氯化银参比电极和铂电极构建成 三电极体系；
20.步骤四、配制模拟胃液和模拟肠液，以模拟体液配制的各标准氯化铁 和氯化亚铁溶液为电解液，采用循环伏安法测定fe
3
、fe
2
的氧化还原峰 电流信号；
21.步骤五、以fe
3
和fe
2
的质量浓度为横坐标，氧化还原峰电流为纵坐 标，绘制标准曲线，构建标准线性方程。
22.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述步骤二中修饰裸电极的氮掺杂石墨烯量子点溶液浓度为0.5-1mg/ml， 使用的活化溶液硫酸的浓度为0.5-1m。
23.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述应用中
的检测条件只适用于模拟胃肠液环境，活化循环伏安法的灵敏度为 10-5
a/v，扫描速率为0.05～0.1v/s，循环次数为10，扫描范围为-1.5～ 1.5 v；测定铁离子电信号的循环伏安法灵敏度为10-5
a/v，扫描速率为0.05～0.1 v/s，循环次数为10，扫描范围为-0.5～ 1.2v。
24.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所 述步骤四中用模拟胃液和模拟肠液分别配制的fe
3
和fe
2
溶液浓度为3到5 个10-100mg/l内的浓度梯度。
25.与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
26.1)：向日葵果胶环境友好、含碳量高，是优质的绿色无污染碳源；
27.2)：水热条件温和，操作简便；
28.3)：用氨水制备氮掺杂的石墨烯量子点量子产率高，官能团丰富，相 容性好；
29.4)：修饰的电极可直接应用到模拟的胃肠液环境，且在两种环境下均 具有良好的检测效果；
30.5)：将本品滴涂于玻碳电极表面可增大电极表面感应面积，同时通过 官能团间的结合增大对目标离子的吸附量，不仅为氮掺杂石墨烯量子点制备 提供了绿色环保低耗高效的工艺，还为追踪检测胃肠液中补铁剂铁离子释放 情况提供新的检测途径，同时为快速简便可重复的检测补铁剂中铁离子提供 理论和实践指导作用。
31.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技 术效果。
【附图说明】
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。
33.图1是本发明一个实施例提供的向日葵果胶、石墨烯量子点和氮掺杂石 墨烯量子点的实物图；
34.图2是本发明一个实施例提供的向日葵果胶(a)、石墨烯量子点(b)和 氮掺杂石墨烯量子点(c)的红外谱图；
35.图3是本发明一个实施例提供的石墨烯量子点(a)和氮掺杂石墨烯量子 点(b)的tem谱图；
36.图4是本发明一个实施例提供的模拟胃液中不同浓度fe
3
在裸电极上的 标准循环伏安曲线；
37.图5是本发明一个实施例提供的模拟肠液中不同浓度fe
3
在裸电极上的 标准循环伏安曲线；
38.图6是本发明一个实施例提供的模拟胃液中不同浓度fe
3
在氮掺杂石墨 烯量子点修饰的玻碳电极上的标准循环伏安曲线；
39.图7是本发明一个实施例提供的模拟胃液中不同浓度fe
2
在氮掺杂石墨 烯量子点修饰的玻碳电极上的标准循环伏安曲线；
40.图8是本发明一个实施例提供的模拟肠液中不同浓度fe
3
在氮掺杂石墨 烯量子点修饰的玻碳电极上的标准循环伏安曲线；
41.图9是本发明一个实施例提供的模拟肠液中不同浓度fe
2
在氮掺杂石墨 烯量子点修饰的玻碳电极上的标准循环伏安曲线；
42.图10是本发明一个实施例提供的模拟胃液中1000mg/l的fe
3
在不同扫 描速率下氧化还原峰的循环伏安曲线；
43.图11是本发明一个实施例提供的图8中氧化还原峰电流对扫描速率的 依赖性；
44.图12是本发明一个实施例提供的不同工作电极的阻抗谱；
45.图13是本发明一个实施例提供的相同扫描条件下，胃蛋白酶对于铁离 子电化学信号的影响。
【具体实施方式】
46.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行 详细描述。
47.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳 动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非 旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的
ꢀ“
一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其 他含义。
49.本发明提供
50.实施例1
51.(1)以向日葵果胶为生物质碳基水热法制石墨烯量子点
52.称取0.2g向日葵果胶(mw为316kda)分散到100ml去离子水中，在 水浴锅中50-60℃溶胀24h，倒入水热釜，于烘箱中分别在160℃下反应8h。 反应后的溶液用0.22μm的水系膜过滤，滤液再用截留分子量mw为 12000-14000da的透析袋透析48h，每12h换一次去离子水。收集透析液旋 蒸，然后于50-60℃烘箱中烘干得到尺寸均一的石墨烯量子点。保持其他反 应条件不变，改变温度使水热反应在160、170、180、190、200℃下进行， 各组实验重复3次，各组产率分别为14.9％、28.3％、39.4％、23.2％、20.5％。
53.(2)以向日葵果胶为生物质碳基水热法制氮掺杂石墨烯量子点
54.称取0.2g向日葵果胶(mw为316kda)分散到100ml去离子水中，在 水浴锅中50-60℃溶胀24h后加入0.2ml 90％的氨水，然后超声10min倒入 水热釜，于烘箱中170℃反应8h。反应后的溶液用0.22μm的水系膜过滤， 滤液再用截留分子量mw为12000-14000da的透析袋透析48h，每12h换一 次去离子水。收集透析液旋蒸，然后于50-60℃烘箱中烘干得到尺寸均一的 石墨烯量子点。保持其他反应条件不变，改变温度使水热反应在160、170、 180、190、200℃下进行，各组实验重复3次，各组产率分别为26.9％、30.3％、 22.7％、30.1％、23.0％。
55.本实施可通过控制向日葵果胶碳源的分子量、加入碳源的初始质量、反 应温度和反应时间来调控制石墨烯量子点的产率及粒径，最终得到平均粒径 为2.46nm的氮掺杂石墨烯量子点。
56.实施例2
57.工作电极修饰
58.电化学传感器采用三电极体系，包括玻碳电极(工作电极)、氯化银电 极(参比电极)和铂丝电极(对电极)。玻碳电极使用前依此用0.5μm、0.3μ m和0.05μm的氧化铝粉末在麂皮绒布上打磨抛光至镜面，依次用蒸馏水和 无水乙醇冲洗、超声1-2min。以0.5m的硫酸溶液为电解液，使用循环伏安 法对玻碳电极进行活化，设置灵敏度为10-5
a/v，扫描速率为50mv/s，在
ꢀ‑
5-1.2v之间扫描10-20个循环。将氮掺杂石墨烯量子点用去离子水配制成0.5 mg/ml的溶液，超声30min后吸取5μl溶液滴涂于玻碳电极表面，红外灯 下烘干即为修饰电极。
59.实施例3
60.模拟胃液中电化学传感器对fe
3
、fe
2
的检测
61.配制氯化钾(6.9mmol/l)、磷酸二氢钾(0.9mmol/l)、碳酸氢钠(25 mmol/l)、氯化钠(47.2mmol/l)、六水合氯化镁(0.1mmol/l)、碳酸铵(0.5 mmol/l)的盐溶液，用盐酸溶液调ph至1.2-1.4，最后加入胃蛋白酶(25mg/l) 作为模拟胃液。精密称取fecl3·
6h2o，然后使用模拟胃液配制铁离子浓度 分别为10、20、50、100mg/l的标准溶液各100ml，fecl2·
4h2o溶液配制 相同浓度。活化后的裸电极晾干，在配置好的fecl3和fecl2溶液中用循环伏 安法，以100mv/s的速率在-0.6-1v之间扫描10个循环。根据铁离子浓度与 循环伏安曲线中的还原峰电流呈线性关系，以浓度为横坐标，峰电流强度为 纵坐标拟合线性方程。
62.实施例4
63.模拟胃液中氮掺杂石墨烯量子点修饰的电化学传感器对fe
3
、fe
2
的检 测
64.精密称取fecl3·
6h2o、fecl2·
4h2o，分别使用模拟胃液配制铁离子浓 度分别为10、20、30、50、70mg/l的标准溶液各100ml。用修饰的工作电 极与其他两个电极搭建起电化学体系，在配置好的氯化铁溶液和氯化亚铁溶 液中用循环伏安法，以100mv/s的速率在-0.5-1v之间扫描10个循环。根据 亚铁离子浓度与循环伏安曲线中的还原峰电流呈线性关系，以浓度为横坐标， 峰电流强度为纵坐标拟合线性方程。
65.实施例5
66.模拟肠液中电化学传感器对fe
3
、fe
2
的检测
67.配制氯化钾(6.8mmol/l)、磷酸二氢钾(0.8mmol/l)、碳酸氢钠(85 mmol/l)、氯化钠(38.4mmol/l)和六水合氯化镁(0.33mmol/l)的盐溶液， 用盐酸溶液调ph至6.8-7.0。精密称取fecl3·
6h2o、fecl2·
4h2o，分别使 用模拟胃液配制铁离子浓度分别为10、20、50、100mg/l的标准溶液各100 ml。活化后的裸电极晾干，在配置好的fecl3和fecl2溶液中用循环伏安法， 以100mv/s的速率在-0.6-1v之间扫描10个循环。根据铁离子浓度与循环伏 安曲线中的还原峰电流呈线性关系，以浓度为横坐标，峰电流强度为纵坐标 拟合线性方程。
68.实施例6
69.模拟肠液中氮掺杂石墨烯量子点修饰的电化学传感器对fe
3
、fe
2
的检 测
70.精密称取fecl3·
6h2o、fecl2·
4h2o，分别使用模拟胃液配制铁离子浓 度分别为10、20、30、50、70mg/l的标准溶液各100ml。用修饰的工作电 极与其他两个电极搭建起电化学体系，在配置好的氯化铁溶液和氯化亚铁溶 液中用循环伏安法，以100mv/s的速率在-0.5-1v之间扫描10个循环。根据 亚铁离子浓度与循环伏安曲线中的还原峰电流呈线性关系，以浓度为横坐标， 峰电流强度为纵坐标拟合线性方程。
71.实施例7
72.扫描速率影响
73.取120.76mg六水合氯化铁溶于25ml模拟胃液中，配制成fe
3
浓度为 1000mg/l的电解液，使用未修饰的电化学传感器，通过改变循环伏安法的 扫描速率观察fe
3
氧化还原峰的变化，结果发现fe
3
的电化学反应为准可逆 反应。
74.通过氧化还原峰的变化趋势，将氧化还原峰电流与扫描速率拟合作图， 得到两组拟合方程。分别为：
75.ipa(μa)＝1.06v(mv
·
s-1
) 71.02(r2＝0.9598)
76.ipc(μa)＝-1.03v(mv
·
s-1
)-148.54(r2＝0.9469)
77.实施例8
78.不同电极阻抗谱图
79.电解液中包括铁氰化钾(5mmol/l)、亚铁氰化钾(5mmol/l)和氯化 钾(0.1mol/l)，使用裸电极、石墨烯量子点修饰的工作电极和氮掺杂石墨 烯量子点修饰的工作电极进行阻抗测试，结果如图10。图中出示了不同电极 的电化学阻抗谱奈奎斯特曲线，半圆直径的变化作为电荷转移电阻r
ct
的反 射参数，是表征该技术中电极界面处探针动力学特性的关键因素。r
ct
值越大 则电极电阻越大，各电极的电阻大小为gqds修饰工作电极(r
ct
＝1688ω)》 n-gqds修饰工作电极(r
ct
＝873ω)》裸电极(r
ct
＝821ω)，表面修饰材 料已成功附着到电极表面。
80.实施例9
81.胃蛋白酶影响
82.配制两份模拟胃液，其中各种盐浓度保持一致，一份加胃蛋白酶，一份 不加胃蛋白酶。精确称取fecl3分别溶于配置好的模拟胃液中，配制成fe
3
浓度为1000mg/l的电解液。在三电极体系中，使用裸电极以循环伏安法扫 描，以50mv/s的速率在-0.5-1.2v之间扫描10个循环。
83.以上对本技术实施例所提供的一种以向日葵果胶为碳源的氮掺杂石 墨烯量子点制备方法及其应用，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是 用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术 人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处， 综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
84.如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领 域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。 本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以 组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当 中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包 括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员 能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明 书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的 一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所 附权利要求书所界定者为准。
85.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括 那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商 品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情
况下，由语句“包括一 个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在 另外的相同要素。
86.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关 联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a， 同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表 示前后关联对象是一种“或”的关系。
87.上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当 理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排 除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范 围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所 进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利 要求书的保护范围内。