一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料及其合成方法和应用与流程

1.本发明涉及碳基荧光纳米材料技术领域，特别涉及一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料及其合成方法和应用。


背景技术：

2.荧光分析法与其他分析方法相比较由于具有灵敏度高、选择性强、准确快速，且仪器操作相对简单等优点引起了分析工作者的广泛关注，目前已广泛应用于药物分析、环境保护、食品检验等各个领域。荧光探针在各种检测和标记中应用广泛，比如测定农药残留、金属离子、生物分子含量、示踪生物分子，标记大分子及细胞和亚细胞结构等方面。
3.近年来，碳基纳米材料良好的光学特性使得其在制备荧光探针方面具有巨大的潜力。与传统的有机染料和半导体量子点相比，碳基纳米材料由于具有良好的水溶性和化学惰性，合成简单，表面性能可调，低毒性和耐光漂白性等优点，已被广泛应用于各种研究领域。其中掺杂型荧光碳基纳米材料作为荧光碳基纳米材料的衍生材料，因其具有独特的光学性能、环境友好及量子产率高而引起越来越多研究者的兴趣。
4.研究表明，在荧光碳基纳米材料的分子框架中掺杂原子半径和键能与碳原子相近的杂原子，可实现对荧光碳基纳米材料某些光电特性或物化性能的调控(如：荧光发光基团、表面活性、化学活性位点、电子特性等)，从而使其表现出不同于传统荧光碳点的光学性能。通常情况下，掺杂型荧光碳基纳米材料发射波长会随杂原子种类和含量的不同而表现出一定的差异，因此，寻找合适的掺杂原子碳源或合成条件就可以实现对探针位点或波段的调控。与此同时，掺杂荧光碳基纳米材料荧光光谱谱带比较狭窄，半峰宽一般在30nm～50nm之间，且荧光强度稳定、耐漂白、量子产率高，使其逐渐取代传统的荧光碳点应用于荧光分析检测领域，不仅为研发构建新型多功能荧光探针提供了可能，同时也拓展了碳基纳米材料的应用范围。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明鉴于掺杂型碳基纳米材料能够改变传统荧光碳点的电子性质且提供更多的活性位点，从而具备优异的荧光性能，同时考虑到氮(n)和硼(b)原子在尺寸上与碳原子相当，它们可以形成均匀的掺杂和均匀的本征缺陷，设计合成了一种新型具有双色近红外发射的n、b掺杂碳基纳米材料，并基于该n、b掺杂碳基纳米材料构建了荧光传感器应用于吡罗昔康的快速有效检测。
6.本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料，所述纳米材料为非晶结构，粒径为7～10nm，含有c、n、b和o元素，最佳激发波长为650nm，发射波长为700nm和730nm。
7.一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料的制备方法，以邻苯二胺为氮源，硼酸为硼源，采用水热法制备，所述制备步骤包括：
8.(1)将邻苯二胺和硼酸溶于去离子水中，在室温超声作用下形成均匀的悬浮液；
9.(2)将所得溶液转移到聚四氟乙烯高温反应釜中，在180℃条件下反应18h，待自然冷却至室温后，将所得溶液放置冰箱5～10天，静置除去大尺寸荧光碳基纳米材料；
10.(3)将收集到的红色溶液进行离心清洗，上清液于4℃下保存，即制得产物。
11.进一步的，
12.所述去离子水的电阻率为18mω
·
cm-1
。
13.进一步的，
14.所述邻苯二胺和硼酸的摩尔浓度比为1:1～1.5，优选为1:1.31。
15.一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料合成方法的应用，所述纳米材料用于荧光检测吡罗昔康药物。
16.进一步的，所述检测步骤包括：
17.(1)量取10.0μl纳米材料原液置于1.5ml的离心管中，依次加入50μl，50mm的磷酸盐缓冲液，然后分别加入不同体积的1.0mm吡罗昔康标准溶液和含未知浓度吡罗昔康的待测样品，在室温下将混合溶液充分混合后，孵化5～10分钟后，用18mω
·
cm-1
的去离子水将其定容到500μl，静置反应20min；
18.(2)在激发波长为650nm、激发和发射狭缝宽均为5nm的条件下，测定上述所得反应溶液荧光强度的变化，并以加入反应体系中吡罗昔康的浓度为横坐标，溶液荧光强度变化[(fl
0-fl)/fl0]为纵坐标，绘制标准曲线；
[0019]
(3)参照步骤(1)检测标准溶液的吡罗昔康浓度，根据待测样品的荧光猝灭程度[(fl
0-fl)/fl0]与所述标准曲线对比，计算得出样品中的吡罗昔康浓度。
[0020]
进一步的，
[0021]
所述磷酸盐缓冲液ph为6.0～8.0。
[0022]
进一步的，
[0023]
所述吡罗昔康标准溶液的浓度为0.05～200μm。
[0024]
进一步的，
[0025]
所述荧光强度变化记录为发射波长700nm和730nm处的峰值变化。
[0026]
进一步的，
[0027]
所述磷酸盐缓冲液ph为7.0。
[0028]
本发明一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料及其合成方法和应用的有益效果是：本发明采用简单快速的水热法合成水溶性好、分散均匀，具有双色近红外发射荧光特性，且荧光稳定的双色近红外发射碳纳米点(dniecnds)，并将所述dniecnds作为荧光探针构建高灵敏、高选择性检测吡罗昔康的荧光纳米传感器。测试结果表明，本发明所制的dniecnds对吡罗昔康具有较好的特异性作用，无须荧光标记，便能够实现吡罗昔康高灵敏、高选择性的荧光定量分析，且方法简单、快速、线性检测范围宽。此外，本发明所制得的产品不仅为高效检测吡罗昔康提供了有效途径，具有潜在的应用价值，同时还有利于扩展碳基荧光材料在药物检测中的应用范围。
附图说明
[0029]
图1a是本发明实施例dniecnds的透射电镜(tem)；
[0030]
b是本发明实施例dniecnds的电子衍射结构(saed)；
[0031]
c是本发明实施例dniecnds的x射线能谱分析(eds)；
[0032]
图2是本发明实施例dniecnds的紫外光谱图以及dniecdns在650nm激发波长下的发射光谱图；
[0033]
图3是本发明实施例dniecnds的激发波长优化图；
[0034]
图4是本发明实施例dniecnds检测吡罗昔康的可行性分析图；
[0035]
图5是本发明实施例ph对dniecnds荧光强度的影响图；
[0036]
图6a是本发明实施例dniecnds在不同浓度吡罗昔康(0～200μm)下的荧光光谱图；
[0037]
b是本发明实施例dniecnds的相对荧光强度[(fl
0-fl)/fl0]随吡罗昔康浓度变化定量检测吡罗昔康的标准曲线图；
[0038]
图7是本发明实施例dniecnds检测吡罗昔康选择性结果图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
[0040]
实施例1：
[0041]
一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料，所述纳米材料为非晶结构，粒径为7～10nm，含有c、n、b和o元素，最佳激发波长为650nm，发射波长为700nm和730nm。
[0042]
一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料的制备方法，以邻苯二胺为氮源，硼酸为硼源，采用水热法制备，所述制备步骤包括：
[0043]
(1)将邻苯二胺和硼酸(摩尔浓度比为1:1～1.31)，溶于18mω
·
cm-1
。去离子水中，在室温超声作用下形成均匀的悬浮液；
[0044]
(2)将所得溶液转移到聚四氟乙烯高温反应釜中，在180℃条件下反应18h，待自然冷却至室温后，将所得溶液放置冰箱5～10天，静置除去大尺寸荧光碳基纳米材料；
[0045]
(3)将收集到的红色溶液进行离心清洗，上清液于4℃下保存，即制得产物。
[0046]
所述纳米材料的制备原理：鉴于掺杂原子半径和键能与碳原子相近的杂原子，可实现对荧光碳基纳米材料光电特性或物化性能的调控，同时考虑到n、b原子在尺寸上与碳原子相当，它们可以形成均匀的掺杂和均匀的本征缺陷，本发明利用水热法，通过掺杂n、b元素合成了一种新型具有双色近红外发射的碳基荧光纳米材料。
[0047]
一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料合成方法的应用，所述纳米材料用于荧光检测吡罗昔康药物。
[0048]
所述检测步骤包括：
[0049]
(1)量取10.0μl纳米材料原液置于1.5ml的离心管中，依次加入50μl，50mm ph为6.0～8.0的磷酸盐缓冲液，然后分别加入不同体积的1.0mm吡罗昔康标准溶液和含未知浓度吡罗昔康的待测样品，在室温下将混合溶液充分混合后，孵化5～10分钟后，用18mω
·
cm-1
的去离子水将其定容到500μl(吡罗昔康标准溶液的浓度为0.05～200μm)，静置反应20min；
[0050]
(2)在激发波长为650nm、激发和发射狭缝宽均为5nm的条件下，测定上述所得反应溶液荧光强度的变化，所述荧光强度变化记录为发射波长700nm和730nm处的峰值变化。并以加入反应体系中吡罗昔康的浓度为横坐标，溶液荧光强度变化[(fl
0-fl)/fl0]为纵坐标，
绘制标准曲线；
[0051]
(3)参照步骤(1)检测标准溶液的吡罗昔康浓度，根据待测样品的荧光猝灭程度[(fl
0-fl)/fl0]与所述标准曲线对比，计算得出样品中的吡罗昔康浓度。
[0052]
绘制所述标准曲线及计算待测样品中吡罗昔康含量的方法，采用标准加入法。
[0053]
实施例2：
[0054]
一种双色近红外发射碳纳米点荧光纳米材料，
[0055]
水热法制备碳纳米点荧光纳米材料dniecnds：
[0056]
(1)将0.2g邻苯二胺和0.15g硼酸溶解在8ml的18mω
·
cm-1
去离子水中，在室温超声作用下形成均匀的悬浮液。
[0057]
(2)然后将所得溶液转移到聚四氟乙烯高温反应釜中，在180℃条件下反应18h，待自然冷却至室温后，将所得溶液放置冰箱5天，静置除去大尺寸荧光碳基纳米材料；
[0058]
(3)将收集到的红色溶液进行离心清洗，离心清洗转速为10,000rpm，离心时间为20min，上清液于4℃下保存，即制得荧光性能优异的dniecnds。
[0059]
材料表征：为了研究上述合成的dniecnds的表面形貌及元素组分，本发明首先对其进行了一系列的表征，表征结果如图1、图2、图3、图4所示。
[0060]
图1为dniecnds的透射电镜(tem)，电子衍射结构(saed)和x射线能谱分析(eds)图，由图1a可见dniecnds是单分散的且粒径较均匀的球状粒子，其粒径约为7～10nm，图1b的saed分析显示出用该方法制备的dniecnds为非晶结构，以及图1c证明所制备的dniecnds主要含有c、n、b和o三种元素。
[0061]
图2中a为dniecnds的紫外光谱图，b为dniecnds在650nm激发波长下的荧光光谱图。用紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱对所制备的dniecnds进行了表征。图2是dniecnds水分散体系的紫外-可见吸收光谱图。如图中a所示，dniecnds的紫外-可见光谱在235nm、285nm和424nm处分别出现三个吸收峰。如图中b所示，当激发波长为650nm时，dniecnds在700nm和730nm波长处出现了明显的荧光发射峰。
[0062]
图3是dniecnds在不同激发波长下的荧光光谱图。如图所示，当激发波长从610nm增加到680nm时，dniecnds在700nm和730nm两处的荧光峰强度都随激发波长的增加先逐渐增强，然后又随激发波长的增加而逐渐减小。从图3中可以看出本实施例合成的dniecnds最大激发波长在650nm波长处。
[0063]
图4是dniecnds检测吡罗昔康的可行性分析。为了验证dniecnds可以实现药物的有效检测，本实施例验证了dniecnds检测吡罗昔康的可行性。如图4所示，a为dniecnds溶液中未加入吡罗昔康时，dniecnds具有较强的荧光强度，b为向dniecnds溶液中加入一定浓度吡罗昔康(100μm)时，dniecnds在700nm和730nm处的发射峰强度都发生了猝灭行为，说明在吡罗昔康存在的条件下，dniecnds会发生明显的荧光猝灭现象。因此，将dniecnds作为一种简单有效的荧光探针可以进行吡罗昔康的荧光检测。
[0064]
实施例3：
[0065]
本实施例为探究dniecnds作为无标记荧光探针构建高灵敏、高选择性检测吡罗昔康的荧光纳米传感器用于吡罗昔康的检测时，pbs缓冲溶液的ph对检测结果的影响，步骤包括：
[0066]
量取5份10.0μl上述所制备的dniecnds原液置于1.5ml的离心管中，依次加入50μ
l50mm，ph为6.0,6.5,7.0,7.5,8.0的磷酸盐缓冲液，然后分别加入相同体积的1.0mm吡罗昔康标准溶液，在室温下将混合溶液充分混合后，孵化10min后，用18mω
·
cm-1
的去离子水将其定容到500μl，静置反应20min后；最后在激发波长为650nm、激发和发射狭缝宽均为5nm的条件下，测定上述所得反应溶液最大荧光强度的变化。
[0067]
由图5可知，检测体系最佳pbs缓冲溶液的最佳酸碱度为ph 7.0。
[0068]
实施例4：
[0069]
荧光传感器对吡罗昔康的响应度：
[0070]
本实施例在50mm，ph＝7.0pbs的缓冲溶液中，根据实施例1中的步骤测定一系列不同浓度的吡罗昔康，结果如图6所示，图6a显示了吡罗昔康在0～200μm浓度范围内dniecnds荧光强度的变化。由图6a可以看出，随着吡罗昔康浓度的不断增加，由图6b可以看出，dniecnds在700nm和730nm处的荧光强度不断降低，本实施例荧光强度变化记录发射波长730nm处的峰值变化，吡罗昔康在0.05～10μm浓度范围内呈现良好的线性关系，检测限为15.7nm。以上结果充分说明了本发明设计的荧光传感器对吡罗昔康具有良好的荧光响应。
[0071]
实施例5：
[0072]
dniecnds荧光探针对吡罗昔康的选择性检测：
[0073]
量取14份10.0μl上述所制备的dniecnds原液置于1.5ml的离心管中，依次加入50μl 50mm，ph为7.0的磷酸盐缓冲液，然后分别加入相同体积的1.0mm吡罗昔康、葡萄糖、乳糖、蔗糖、果糖、半胱氨酸、谷胱甘肽、多巴胺、阿霉素、肝素、卡托普利、美洛昔康、阿昔洛韦、氯霉素标准溶液，在室温下将混合溶液充分混合后，孵化10min后，用18mω
·
cm-1
的去离子水将其定容到500μl，静置反应20min后；最后在激发波长为650nm、激发和发射狭缝宽均为5nm的条件下，测定上述所得反应溶液最大荧光强度的变化。
[0074]
图7是本发明在ph＝7.0pbs缓冲溶液中对构建的吡罗昔康荧光传感器进行的选择性考察，主要对复杂的实际样品中可能存在的干扰物质包括葡萄糖、乳糖、蔗糖、果糖、半胱氨酸、谷胱甘肽、多巴胺、阿霉素、肝素、卡托普利、美洛昔康、阿昔洛韦、氯霉素进行了考察，结果显示基于dniecnds作为荧光探针对吡罗昔康检测具有良好的选择性，受到其他潜在干扰物种的影响相对较小，表明dniecnds对吡罗昔康具有特异性和稳定的相互作用和荧光响应，这在实际样品中选择性检测吡罗昔康具有非常重要的意义。
[0075]
实施例6：
[0076]
实际样品检测：
[0077]
(1)量取10.0μl纳米材料原液置于1.5ml的离心管中，依次加入50μl，50mm ph为7.0的磷酸盐缓冲液，然后分别加入不同体积的1.0mm吡罗昔康标准溶液和相同体积的1.0μm、50.0μm、150.0μm浓度的商用药片吡罗昔康的待测样品，在室温下将混合溶液充分混合后，孵化5～10分钟后，用18mω
·
cm-1
的去离子水将其定容到500μl(吡罗昔康标准溶液的浓度为0.05～200μm)，静置反应20min；
[0078]
(2)在激发波长为650nm、激发和发射狭缝宽均为5nm的条件下，测定上述所得反应溶液荧光强度的变化，所述荧光强度变化记录为发射波长700nm和730nm处的峰值变化。并以加入反应体系中吡罗昔康的浓度为横坐标，溶液荧光强度变化[(fl
0-fl)/fl0]为纵坐标，绘制标准曲线；
[0079]
(3)参照步骤(1)检测标准溶液的吡罗昔康浓度，根据待测样品的荧光猝灭程度
[(fl
0-fl)/fl0]与所述标准曲线对比，计算得出样品中的吡罗昔康浓度，并计算回收率。
[0080]
表1是本发明以标准加入法测定商用药片中吡罗昔康为例，验证本发明设计的荧光传感器在实际样品分析检测中的实用性。结果如表1所示，吡罗昔康的回收率在98.31％～100.4％之间，并且相对标准偏差小于4.83％，说明发明实施例方法具有较好的可靠性。
[0081]
上述结果说明，本发明设计的基于dniecnds的吡罗昔康荧光检测新方法能够有效地实现商用药片中吡罗昔康高灵敏、高选择性检测，并且方法简单、快速、线性检测范围宽，为高效检测实际样品中的吡罗昔康提供了有效途径，具有潜在的应用价值。
[0082]
表1商用药片中吡罗昔康的检测结果
[0083][0084]
本发明采用简单快速的水热法合成水溶性好、分散均匀，具有荧光特性，且荧光稳定的dniecdns，并将所述dniecnds作为荧光探针构建高灵敏、高选择性检测吡罗昔康的荧光纳米传感器。测试结果表明，本发明所制的dniecnds对吡罗昔康具有较好的特异性作用，无须荧光标记，便能够实现吡罗昔康高灵敏、高选择性的荧光定量分析，且方法简单、快速、线性检测范围。本发明所制得的产品不仅为高效检测吡罗昔康提供了有效途径，同时还有利于扩展碳基荧光材料在药物检测中的应用范围。
[0085]
在本发明的制备方法中，各种材料的加成顺序和具体反应步骤可由本领域技术人员进行调整，不仅适用于实验室的小规模制备，也适用于化工厂的工业化大规模生产。在工业批量生产中，具体反应参数可由本领域技术人员通过实验确定。
[0086]
若无特殊说明，下述实施例中所用的实验方法，均为常规方法。
[0087]
若无特殊说明，下述实施例中所用到的试剂、材料等，均可从商业途径获到或由商业途径所获原料合成。
[0088]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。