一种氮掺杂碳量子点及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及荧光纳米材料技术领域，尤其是一种氮掺杂碳量子点及其制备方法与应用。


背景技术：

2.吡罗昔康(piroxicam)是非甾体抗炎药家族的一员，具有抗炎、镇痛、解热等作用。它们通过抑制环氧化酶家族(cox-1和cox-2)发挥作用。非甾体抗炎药多用于慢性疼痛、骨关节炎、类风湿关节炎等炎症患者的治疗，甚至被广泛用于止痛和解热。然而，过量使用吡罗昔康可能会引起头痛、头晕、耳鸣和胃溃疡。
3.目前，保健品市场上的产品良莠不齐，一些商家可能会非法添加药物使其产品达到良好的疗效，这将对消费者的健康产生不良作用。因此，对保健品中吡罗昔康的含量的检测十分有必要。目前对吡罗昔康的定量方法有紫外分光光度法、高效液相色谱法、电化学法、毛细管区带电泳法、液相-质谱联用法等。上述方法虽然具有较高的灵敏度，但也存在预处理过程复杂、检测时间长、设备昂贵、操作要求高等问题。因此，研究一种简便、省时的吡罗昔康检测方法具有重要意义。
4.碳量子点(cds)作为一种新型的零维碳纳米材料，其典型尺寸小于10nm。与传统的有机染料和半导体量子点相比，cds具有光稳定性好、易功能化、生物相容性好、低毒等特点。由于这些独特的光学性质，cds在光催化、生物医学、传感和光电子学等领域显示出良好的应用前景。但未修饰的cds的荧光量子产率较低。近年来，其他元素掺杂可以引入新的表面性质，改变原始cds的结构缺陷，提高量子产率。因此，开发一种环保有效的碳量子点检测保健品中吡罗昔康是否存在非法添加，在食品工业领域具有重要的应用价值。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种氮掺杂碳量子点。
6.本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述氮掺杂碳量子点的制备方法。
7.本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述氮掺杂碳量子点的应用。
8.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
9.一种氮掺杂碳量子点，以百草霜和乙二胺为碳和氮源，采用一步水热法合成法制备得到氮掺杂的碳纳米材料，含有非晶碳相，表面有含氮官能团。
10.上述氮掺杂碳量子点的制备方法，以百草霜和乙二胺为碳和氮源，采用一步水热法合成法制备氮掺杂碳量子点，具体步骤如下：
11.(1)将乙二胺和百草霜加入到超纯水中，超声处理后，得到混合物；
12.(2)将步骤(1)中混合物转移到不锈钢高压反应釜中加热；
13.(3)将步骤(2)中高压反应釜中产物冷却至室温，离心后收集上层液体，过滤，透析，收集产物；
14.(4)将步骤(3)中的产物于2-8℃低温保存。
15.优选的，上述氮掺杂碳量子点的制备方法，所述步骤(1)每20ml超纯水中乙二胺的体积为300μl；百草霜的质量为0.2g；超声时间为25min。
16.优选的，上述氮掺杂碳量子点的制备方法，所述步骤(2)中的高压反应釜体积为30ml；加热温度为180℃，加热时间为4h。
17.优选的，上述氮掺杂碳量子点的制备方法，所述步骤(3)中离心转速为4200rpm，离心时间为10min，采用滤膜为0.22μm，透析袋分子量为1.0kd。
18.优选的，上述氮掺杂碳量子点的制备方法，所述步骤(4)中低温保存的产物使用时取500μl储备液，加pbs至10ml制备成所需的碳量子点溶液。
19.优选的，上述氮掺杂碳量子点的制备方法，所述步骤(4)中pbs浓度为0.01m，ph7.2-7.4。
20.上述氮掺杂碳量子点在定量检测吡罗昔康中的应用。
21.优选的，上述氮掺杂碳量子点的应用，具体步骤如下：
22.(1)氮掺杂荧光纳米材料定量检测吡罗昔康
23.取氮掺杂碳量子点溶液,向其中加入不同浓度的吡罗昔康溶液，室温下反应3min后，记录荧光强度；
24.(2)氮掺杂荧光纳米材料对吡罗昔康的选择性
25.吡罗昔康与保健品中常用的金属离子以及非甾体抗炎药和甘油溶液分别加入到氮掺杂碳量子点溶液中，记录其荧光强度；
26.(3)保健品样品的预处理
27.将液体钙片剪破，取出内容物，加甲醇定容至10ml；涡旋，超声，离心；过滤，用甲醇定容至10ml；
28.(4)氮掺杂碳量子点快速测定保健品中非法添加的吡罗昔康
29.氮掺杂碳量子点溶液中加入不同浓度的保健品溶液，室温下反应3min后，记录荧光强度，将所得的荧光强度与步骤(1)中荧光强度作比较得到保健品溶液中的吡罗昔康浓度。
30.上述氮掺杂碳量子点检测吡罗昔康的各个步骤中：
31.步骤(1)的目的是用氮掺杂的碳量子点检测吡罗昔康原料药以得到量子点的荧光强度与吡罗昔康浓度之间的线性方程，根据此方程可将步骤(4)中测得的荧光强度代入，得到保健品实际样品溶液中的吡罗昔康浓度。
32.步骤(2)的目的是确保所制备的氮掺杂碳量子点对实际样品中的吡罗昔康有良好的选择性。在步骤(4)的实施中，实际样品溶液中会存在一些非目标检测物的干扰性物质。步骤(2)就是为了确定在进行步骤(4)中的检测时，实际样品中可能添加的其他物质不会干扰氮掺杂碳量子点对待测物吡罗昔康浓度的检测。
33.步骤(3)的目的是阐明在面对各种包装形式的保健品实际样品时，如何将产品处理成可以用于步骤(4)检测的实际样品溶液。
34.通过步骤(1)、(2)、(3)确保步骤(4)的准确进行。
35.优选的，上述氮掺杂碳量子点的应用，所述步骤(1)中氮掺杂碳量子点溶液的体积为100μl；不同浓度的吡罗昔康溶液体积为100μl；荧光分析条件为：扫描速度：1000nm/min；激发带宽：10nm；发射带宽：10nm；增益：中、650v；激发波长：370nm。
36.优选的，上述氮掺杂碳量子点的应用，所述步骤(2)中常用的金属离子为ca
2
、na

、mg
2
、zn
2
；所述的非甾体抗炎药为扑热息痛、吲哚美辛、布洛芬、萘普生、阿司匹林和塞来昔布；溶液浓度均为0.5mg/ml；氮掺杂碳量子点溶液体积为100μl。
37.优选的，上述氮掺杂碳量子点的应用，所述步骤(3)中涡旋时间为2min，超声处理时间为2min；离心转速为4200rpm，离心时间为5min。
38.优选的，上述氮掺杂碳量子点的应用，所述步骤(4)中氮掺杂碳量子点溶液体积为100μl；不同浓度的保健品溶液体积为100μl；荧光分析条件为：扫描速度：1000nm/min；激发带宽：10nm；发射带宽：10nm；增益：中、650v；激发波长：370nm。
39.有益效果：
40.上述氮掺杂碳量子点，是以绿色原材料百草霜和乙二胺为碳和氮源，采用一步水热法合成法制备得到的氮掺杂荧光纳米材料，具有较好的水溶性和光稳定性，引入氮元素使费米能级向上运动，显著提高了碳量子点的发光性能，增加了导带中的电子活度，从而使cds的光致发光性能有效增强，对吡罗昔康表现出较强的选择性、抗干扰能力强，可以快速检测保健品中是否非法添加吡罗昔康，灵敏度高，检测速度快。
41.上述氮掺杂碳量子点在加入吡罗昔康后，发生显著的荧光猝灭效应，猝灭效率较高；其荧光强度与吡罗昔康在较大的浓度范围内具有较好的线性关系，在食品保健品工业领域具有广阔的应用前景。
附图说明
42.图1为基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的x射线衍射图；
43.图2为基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的红外光谱图；
44.图3为基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点激发和发射光谱图；
45.图4为基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点在不同激发波长下的发射光谱图；
46.图5为基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点在加入不同浓度吡罗昔康后的荧光发射图；
47.图6为基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点在加入不同浓度吡罗昔康后的荧光关系图；
48.图7为基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点在加入不同干扰物质后的荧光强度对比图。
具体实施方式
49.实施例1
50.以百草霜为原材料制备氮掺杂碳量子点(n-cds)。
51.取50ml离心管，将0.2g百草霜加入到20ml水中，再加入300μl乙二胺。超声处理25min后，将混合物转移到装有30ml衬有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在180℃下加热4h，自然冷却至室温后，取出产物，在4200rpm下离心10min，收集上层液体。将所得到的液体用0.22μm滤膜过滤，随后，通过透析膜(1.0kd)用去离子水透析48h。产物作为储备液于2-8℃条件下低温保存。
52.实施例2
53.实施例1制备的氮掺杂碳量子点的表征
54.实施例1基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的x射线衍射图参见图1，图中显示本实施例中基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点含有非晶碳相。
55.实施例1基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的红外光谱图参见图2，3440cm-1
附近的宽峰来自o-h基团的n-h伸缩振动吸收，2960cm-1
处的谱带则归属于c-h键的伸缩振动。在1635cm-1
和1384cm-1
处的强吸收峰是c＝o,c-n的伸缩振动，在1488cm-1
和1342cm-1
处的强吸收峰分别归属于c＝c,o-h的弯曲振动。ft-ir结果表明，制备的荧光纳米材料表面有含氮官能团。
56.实施例1基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的激发和发射谱图参见图3，图中显示本实施例中基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的最大激发和发射波长为370nm和455nm。
57.实施例1基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点在不同激发波长下的发射光谱参见图4，图中显示本实施例中制备的基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点，具有激发波长依赖性。
58.实施例3
59.应用实施例1所制备的氮掺杂碳量子点定量检测吡罗昔康。
60.具体操作方法为：
61.将制备好的氮掺杂碳量子点溶液储备液取500μl，用pbs(0.01m,ph7.2-7.4)定容至10ml，得到所需的氮掺杂碳量子点溶液。取100μl氮掺杂碳量子点溶液,加入100μl的不同浓度的吡罗昔康溶液，分别为：0mg/ml、0.002mg/ml、0.004mg/ml、0.006mg/ml、0.008mg/ml、0.01mg/ml、0.03mg/ml、0.05mg/ml、0.06mg/ml、0.07mg/ml、0.08mg/ml、0.09mg/ml、0.1mg/ml、0.15mg/ml、0.2mg/ml、0.25mg/ml、0.3mg/ml、0.35mg/ml、0.4mg/ml、0.45mg/ml、0.5mg/ml、0.55mg/ml、0.6mg/ml、0.65mg/ml、0.7mg/ml、0.75mg/ml、0.8mg/ml、0.85mg/ml、0.9mg/ml、1.0mg/ml。室温下反应3min后，在370nm激发波长下记录455nm处的荧光强度。
62.实施例1中基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点加入不同浓度吡罗昔康后的荧光强度曲线图见图5。从图中可以看出，随着吡罗昔康浓度从0增加到1mg/ml,基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点在455nm处的荧光强度不断降低。
63.实施例1中基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点与吡罗昔康混合后的荧光关系见图6。从图中可以看出，基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的荧光强度与吡罗昔康的浓度在0.006-0.2mg/ml和0.25-0.7mg/ml范围内，呈现良好的线性关系(相关系数均大于0.994)。方法的灵敏度较高。
64.实施例4
65.应用实施例1所制备的氮掺杂碳量子点对保健品中吡罗昔康的快速检测。
66.保健品样品的预处理：将市售的液体钙片剪破，取出内容物加甲醇定容至10ml。涡旋2min，超声处理2min。于4200rpm转速离心5min。得到的上清液用0.22μm滤膜过滤，用甲醇定容至10ml。
67.保健品样品中吡罗昔康的测定：采用标准加入法考察基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点的适用性。向预处理好的保健品实际样品溶液中加入0.02μg/ml，0.15μg/ml，0.45μg/ml的吡罗昔康溶液后涡旋混匀。取100μl基于百草霜制备的实施例1所述的氮掺杂碳量子点，向其中加入100μl制备的含有0.02μg/ml，0.15μg/ml，0.45μg/ml吡罗昔康的实际样品溶液，混合3min后，用荧光分析仪分析，记录455nm波长下的荧光强度。根据记录的荧光强度计
算加标回收率和rsd％，结果见表1。
68.本方法考察了低中高3个浓度的回收率，吡罗昔康的回收率在99.8％-102.0％之间，rsd％的值均小于3.1，表明方法的准确度和重复性较好。
69.表1保健品中加标回收率
[0070][0071]
实施例5
[0072]
实施例1所制备的氮掺杂碳量子点对吡罗昔康的选择性。
[0073]
吡罗昔康与保健品中常用的金属离子(ca
2
、na

、mg
2
、zn
2
)以及非甾体抗炎药(扑热息痛、吲哚美辛、布洛芬、萘普生、阿司匹林、塞来昔布)和甘油加入基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点溶液中,各溶液浓度均为0.5mg/ml。基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点与保健品中可能会存在的干扰成分的混合液的荧光强度对比见图7。从图中可以看出，基于百草霜制备的氮掺杂碳量子点对吡罗昔康具有较好选择性。
[0074]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。