一种利用红光碳量子点荧光探针检测白酒乙醇浓度的方法

1.本发明属于荧光探针技术领域，具体涉及一种利用高水溶性的红光碳量子点荧光探针检测白酒乙醇浓度的方法。


背景技术：

2.中国白酒因为历史悠久、工艺独特深受到世界各地消费者的喜爱。酒精度是酒中乙醇含量的体积百分比，它是鉴别白酒质量的一个重要指标，也是消费者购买白酒时的主要依据之一。作为一种合格的白酒，其标识的酒精度必须十分准确。然而，一些不法商人标识的酒精度有时存在着较大的偏差。所以，我们可以通过对白酒中乙醇含量的测量对白酒品质进行初步评估。为了规范市场中白酒的品质，我国已经颁布了一系列标准方法用于检测白酒的酒精度，例如：密度瓶法、酒精计法、气相色谱法和数字密度计法等。但是，这些方法操作复杂，耗时长。因此，迫切需要开发一种简便、灵敏并且高效的方法用于检测白酒的酒精度。
3.碳量子点(cqds)自2000年被发现以来，因其优异的稳定性、低成本和良好的生物相容性而成为研究热点
1.。碳量子点被应用于各个领域，例如：太阳能电池、电容器、传感检测和生物应用
[2-6]
等，研究者们尝试用各种不同的原料和方法合成了具有不同发射波长的碳量子点。但是在紫外光的照射下，碳量子点的发射波长大多位于蓝光或绿光区域，这限制了碳量子点的实际应用。因此，迫切需要开发一种廉价、环保并且简便的方法来制备红光碳量子点。
[0004]
之前的发明
[7]
选用对苯二胺(ppd)和柠檬酸(ca)作为原料，合成了具有红色发光特性的碳量子点，将其应用于乙醇-水体系中乙醇浓度检测时，其呈现很好的线性响应。但是，当进一步将其用于实际白酒中乙醇浓度的检测时却发现：当乙醇-水体系和白酒中乙醇浓度相同时，碳量子点在其中的荧光发射强度却存在着一定差异(明显偏低)。通过考察白酒中多种添加剂和ph值对碳量子点荧光强度的影响，结果发现：碳量子点的这种荧光猝灭主要是由酒中酸度所致：随着ph值的减小而荧光强度明显被降低。亦即，实际白酒的ph值低于相同浓度乙醇-水溶液的ph值。因此，通过调控补偿白酒的ph值后，本发明的荧光碳量子点能够精准检测实际白酒的酒精度。


技术实现要素：

[0005]
本发明提供了一种利用高水溶性的红光碳量子点荧光探针检测白酒乙醇浓度的方法。本发明以对苯二胺(ppd)和柠檬酸(ca)作为原料，在高温高压的条件下通过一步水热法直接制备获得了碳量子点，该碳量子点的最佳激发波长是500nm，发射波长为620nm，在紫外灯(365nm)的照射下该碳量子点发红光；进一步，我们将该碳量子点用于白酒的酒精度检测。我们观察到：当乙醇-水体系和白酒中乙醇浓度相同时，碳量子点的荧光强度明显偏低。为了解释这种猝灭性差异，我们考察了白酒中多种添加剂对碳量子点荧光强度的影响，结果表明：除乳酸、乙酸和苹果酸可以猝灭碳量子点的荧光强度外，其余几种常用的白酒添加
剂均对碳量子点的荧光强度没有影响。而且，当人为改变溶液的ph值时，碳量子点的荧光强度也会随之发生改变；并且，溶液的ph值越低，碳量子点的荧光强度被猝灭越多。进一步，我们通过加碱补偿白酒的ph值后，发现碳量子点的荧光强度会逐渐增强，并且可恢复到相同乙醇-水体系中的荧光强度。综上结果表明：通过补偿调控白酒的ph值，该碳量子点可作为荧光探针用于白酒酒精度的精确检测。
[0006]
本发明所述的一种利用高水溶性的红光碳量子点荧光探针检测白酒乙醇浓度的方法光探针，其步骤如下：
[0007]
(1)称取0.01～0.03g对苯二胺溶于10ml水中，充分溶解后加入8～15ml、1mm柠檬酸水溶液，再于室温下搅拌8～15min；将反应溶液转移到聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，在170～190℃下反应8～15h，得到红光碳量子点溶液；
[0008]
(2)将步骤(1)得到的红光碳量子点溶液用水稀释50～150倍后分别与0％～100％乙醇浓度的乙醇-水溶液混合；混合后溶液总体积为1000μl，其中稀释后红光碳量子点溶液的体积为5～20μl，其余为乙醇-水溶液；然后测量该混合溶液的荧光发射光谱，建立“荧光发射峰荧光强度-乙醇浓度”关系曲线；
[0009]
(3)将步骤(1)得到的红光碳量子点溶液用水稀释50～150倍后与未知乙醇浓度的白酒混合；混合后溶液总体积为1000μl，其中稀释后红光碳量子点溶液的体积为5～20μl，其余为白酒；再向该混合溶液中添加终浓度为10～20mm的氢氧化钠，然后测量溶液的荧光发射光谱，将发射峰荧光强度值代入步骤(2)建立的“荧光发射峰荧光强度-乙醇浓度”关系曲线中，计算得到白酒浓度，从而实现对白酒乙醇浓度的检测。
附图说明
[0010]
图1在500nm激发下，荧光探针溶液荧光发射峰荧光强度差值随乙醇-水溶液和白酒中乙醇浓度(0～100％)变化的线性关系图。
[0011]
图2在500nm激发下，超纯水中荧光探针溶液荧光发射峰荧光强度随清香型白酒常用添加剂浓度(10～50mm)变化的点线图。
[0012]
图3在500nm激发下，超纯水中荧光探针溶液随乳酸、苹果酸、乙酸浓度(10～50mm)变化的荧光发射光谱图。
[0013]
图4在500nm激发下，超纯水中荧光探针溶液荧光发射峰荧光强度随不同浓度乳酸、苹果酸、乙酸(10～50mm)变化的点线图。
[0014]
图5在500nm激发下，荧光探针溶液随ph变化的荧光发射光谱图。
[0015]
图6在500nm激发下，荧光探针溶液荧光发射峰荧光强度随ph变化的点线图。
[0016]
图7在500nm激发下，低浓度荧光探针溶液荧光发射峰荧光强度随乙醇-水溶液中乙醇浓度(0～100％)变化的线性关系图。
[0017]
图8在500nm激发下，清香型白酒中荧光探针溶液随氢氧化钠浓度变化的荧光发射光谱图。
[0018]
图9在500nm激发下，清香型白酒中荧光探针溶液荧光发射峰荧光强度随氢氧化钠浓度变化的点线图。
[0019]
表1不同酒精度乙醇-水溶液和白酒的ph值对比表。
[0020]
表2采用荧光探针溶液检测市售清香型白酒的酒精度结果评估。
[0021]
表3采用荧光探针溶液检测未知白酒酒精度结果与传统方法结果的对比。
[0022]
如图1所示，当乙醇-水体系和白酒中乙醇浓度相同时，碳量子点荧光发射峰荧光增强幅度存在差异，这种差异可能是由于白酒中的添加剂导致的。如图2所示，当碳量子点和不同种类的添加剂混合时，除乳酸可以猝灭碳量子点的荧光强度外，其余白酒添加剂均对碳量子点的荧光强度没有影响。然而，其余酸(苹果酸，乳酸)也会影响碳量子点的荧光。另外，当改变溶液的ph值时，碳量子点的荧光强度会发生改变，随着溶液的ph值减小，碳量子点的荧光强度越低。与此同时，白酒的ph值低于相同浓度乙醇-水溶液的ph值。该结果表明ph值可能是造成碳量子点荧光强度在两个体系中存在差异的主要因素。通过补偿白酒的ph值，碳量子点的荧光强度会逐渐增强，并恢复到纯乙醇-水体系中的荧光发射强度。综上结果表明：通过补偿ph值，本发明碳量子点可作为荧光探针用于检测白酒的酒精度。
具体实施方式
[0023]
以下实施例进一步说明了本发明的内容，但本发明并不局限于这些实施例。
[0024]
本发明用到的对苯二胺、柠檬酸、苹果酸、乳酸、乙缩醛、甲醇、乙酸乙酯、1-丙醇、乳酸、正丁醇、异丁醇、异戊醇购买于上海阿拉丁试剂公司。无水乙醇购买于山东禹王和天下新材料有限公司，杏花村、大曲原酒、北京二锅头、中国白酒购买于当地超市，氢氧化钠购买于国药集团化学试剂有限公司，乙酸购买于北京化工厂，整个实验过程中都使用去离子超纯水。
[0025]
实施例1：
[0026]
红光碳量子点荧光探针溶液的制备
[7]
，具体是：称取0.02g对苯二胺溶于10ml水中，充分溶解后加入10ml、1mm柠檬酸水溶液，再于室温下搅拌10min；然后将反应溶液转移到聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，在180℃下反应10h，得到红光碳量子点荧光探针溶液。
[0027]
荧光探针溶液对乙醇-水溶液和白酒中乙醇的荧光响应：将无水乙醇加入到去离子超纯水中，分别配置不同浓度的乙醇-水混合溶液(乙醇的体积浓度分别为0％，10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％，100％)，然后向比色皿中加入950μl上述不同浓度的乙醇-水混合溶液和50μl上述红光碳量子点荧光探针溶液，充分混匀后测量上述溶液的荧光发射谱图。
[0028]
通过稀释和增加乙醇的浓度，分别配置不同浓度的白酒(乙醇的体积浓度分别为26.5％，50.35％，63％，73％，83％，93％)，然后向比色皿中加入950μl上述不同浓度的白酒和50μl红光碳量子点荧光探针溶液，充分混匀后测量上述溶液的荧光发射谱图。
[0029]
通过绘制两个体系碳量子点的荧光强度的差值(f-f0，f0表示加入乙醇/白酒前荧光发射谱中荧光发射峰荧光强度；f表示加入乙醇/白酒后荧光发射谱中荧光发射峰荧光强度)与乙醇浓度的关系曲线(图1)。可明显看出，当乙醇-水体系和白酒中乙醇浓度相同时，碳量子点的荧光强度存在较大差异。
[0030]
实施例2：
[0031]
乙醇-水溶液和白酒的ph:分别配置一系列与白酒酒精度相同浓度的乙醇-水混合溶液(42％，53％，56％，65.8％)，分别检测乙醇-水溶液和白酒的ph值。结果列于表1。结果表明：白酒的ph值低于相同浓度乙醇-水溶液的ph值。
[0032]
表1：不同酒精度乙醇-水溶液和白酒的ph值对比表。
[0033][0034]
实施例3：
[0035]
白酒中的添加剂对荧光探针溶液荧光强度的影响：分别配置1.0m的白酒添加剂母液(2-苯乙醇、甲醇、1-丙醇、正丁醇、异丁醇、异戊醇、乙缩醛、糠醛、乙酸乙酯、乳酸，溶剂为水)；将实施例1制备得到的红光碳量子点荧光探针溶液用水稀释100倍，并分成多份(每份1.0ml)，向每份稀释液中分别加入不同体积、不同种类的白酒添加剂母液，使白酒添加剂的终浓度分别为10、20、30、40、50mm。然后，利用荧光光谱仪记录溶液的荧光发射谱图。如图2所示，除乳酸可以猝灭碳量子点的荧光强度外，其余白酒添加剂均对碳量子点的荧光强度没有较大影响。
[0036]
实施例4：
[0037]
常见酸对荧光探针溶液荧光强度的影响：分别配置相同浓度的乳酸、乙酸、苹果酸母液(1.0m)；将990μl、53％的乙醇-水混合溶液和10μl红光碳量子点荧光探针溶液(将实施例1制备得到的红光碳量子点荧光探针溶液用水稀释100倍)混合作为待测液，向上述多份待测液中分别滴加不同体积的乳酸、乙酸、苹果酸母液，使其终浓度分别为10、20、30、40、50mm。充分混匀后测量上述溶液的荧光发射光谱图。如图3的实验结果所示：随着乳酸(图a)、乙酸(图b)、苹果酸(图c)浓度的增加，碳量子点的荧光发射峰荧光强度逐渐变弱。同时，通过绘制该体系碳量子点荧光发射峰荧光强度与乳酸、乙酸、苹果酸浓度的关系图(图4)可明显看出：乳酸、乙酸、苹果酸均可以猝灭碳量子点的荧光强度。
[0038]
实施例5：
[0039]
ph值对荧光探针溶液荧光强度的影响：配置ph值分别为3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、9、9.5、10的hepes-naoh缓冲溶液。向比色皿中加入900μl不同ph的hepes-naoh缓冲溶液和100μl红光碳量子点荧光探针溶液(将实施例1制备得到的红光碳量子点荧光探针溶液用水稀释10倍)，充分混匀后测量上述溶液的荧光发射光谱图。图5表明，碳量子点荧光发射峰荧光强度与ph值密切相关，随着ph的增加，碳量子点荧光发射峰荧光强度逐渐变强。同时，通过绘制碳量子点荧光发射峰荧光强度与ph值的关系图(图6)，可明显看出，ph值越低，碳量子点的荧光强度越弱。
[0040]
实施例6：
[0041]
低浓度荧光探针溶液对乙醇-水溶液中乙醇的荧光响应：分别配置不同体积浓度的乙醇-水混合溶液(0％，10％，20％，30％，40％，50％，52％，53％，60％，65.8％，70％，80％，90％，100％)，然后向比色皿中加入990μl不同浓度的乙醇-水混合溶液和10μl红光碳量子点荧光探针溶液(将实施例1制备得到的红光碳量子点荧光探针溶液用水稀释100倍)，充分混匀后测量上述溶液的荧光发射光谱图。通过绘制该体系碳量子点荧光发射峰荧光强度与乙醇浓度的关系图(图7)可明显看出：当乙醇浓度在20％～90％范围内时，碳量子点荧光发射峰荧光强度(f)和乙醇浓度(ethanol)之间呈现较好的线性响应关系(r2＝0.99107)，其线性响应方程为：f＝6.22507[ethanol]-8.29971。
[0042]
实施例7：
[0043]
荧光探针溶液检测白酒的酒精度：将10μl红光碳量子点荧光探针溶液(将实施例1制备得到的红光碳量子点荧光探针溶液用水稀释100倍)分别和990μl不同浓度(42％，53％，56％，65.8％)的白酒进行混合，然后，向上述溶液中逐滴加入氢氧化钠溶液(终浓度范围为2～20mm，终浓度分别为2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm)，并检测上述溶液的荧光发射光谱图。图8表明，碳量子点在白酒中荧光发射峰荧光强度会随着氢氧化钠浓度的增加而增大。通过绘制白酒中碳量子点荧光发射峰荧光强度与氢氧化钠浓度的关系图(图9)可明显看出，当氢氧化钠的浓度大于10mm时，随着氢氧化钠浓度的增加，碳量子点荧光发射峰荧光强度基本保持不变，因此合适的荧光探针溶液中氢氧化钠的终浓度为10～20mm。
[0044]
最后，向比色皿中分别加入10μl红光碳量子点荧光探针溶液(将实施例1制备得到的红光碳量子点荧光探针溶液用水稀释100倍)，990μl白酒和氢氧化钠(终浓度10.0mm)，测得上述溶液的荧光发射强度。结果表明回收率在95.8％～101.0％，说明该碳量子点可用于检测白酒的酒精度(表2)。为了进一步证明该方法的准确性，我们将碳量子点检测的酒精度与传统方法(液相色谱)进行了对比。结果表明相符度在96.1％～98.8％(表3)，进一步说明该方法能够快速准确的检测白酒的酒精度。
[0045]
表2：采用荧光探针溶液检测白酒的酒精度(白酒样品来源于超市)
[0046]
样品原料标称酒精度(％)本发明方法检测酒精度(％)回收率(％)1
#
4242.4101.02
#
5352.098.23
#
5653.795.84
#
65.864.197.4
[0047]
表3：采用荧光探针溶液检测未知白酒酒精度结果与传统方法结果的对比(白酒样品来源于酒厂)
[0048]
样品碳量子点检测酒精度(％)传统方法检测的酒精度(％)相符度(％)1
#
32.432.898.82
#
44.246.096.13
#
57.359.097.14
#
64.165.897.4
[0049]
此外，还需要说明的是：本说明书中所列举的具体实施例只是用来示例性说明本发明的内容，并不以任何方式限定本发明的保护范围；本领域的相关技术人员可以根据上述一些说明加以改进或变化，但所有这些改进和变化都应属于本发明权利要求的保护范围。
[0050]
参考文献：
[0051]
[1]y.jiang,z.dai sensors actuators b chem 234(2016)15
–
20.
[0052]
[2]r.guo,h.hou energy stor.mater.37(2021)8
–
39.
[0053]
[3]y.jin,l.dai adv.funct.mater.28(2018)1804630.
[0054]
[4]l.cai,f.cui j fluoresc 30(2020)11
–
20.
[0055]
[5]s.bian,x.dong sensors actuators b chem 242(2017)231
–
2.
[0056]
[6]p.shen,j.yao chemistryselect 1(2016)1314
–
1317.
[0057]
[7]吴玉清.一种基于红光碳量子点的荧光探针及其在乙醇-水体系中对乙醇浓度的检测应用[p].中国专利：202210244301.3。