一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法及其應用的制作方法
【專利摘要】本發明涉及碳量子點制備領域，尤其涉及一種一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法及其應用。其制備方法為：取對苯二酚，置于內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應釜中，按1.0g對苯二酚5mL丙酮的比例加入丙酮，然后取三溴化硼緩慢滴入反應釜中；將密封好的反應釜置于鼓風干燥箱中在150～220℃下加熱1～5h后，冷卻至室溫；用旋轉蒸發的方式將上述反應釜內的混合液體濃縮蒸干，即得到硼摻雜碳量子點。制備得到的硼摻雜碳量子點可用于過氧化氫和葡萄糖含量的檢測。
【專利說明】一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及碳量子點制備領域，尤其涉及一種一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法及其應用。
【背景技術】
[0002]碳量子點以其獨特的性能被認為是一種在光電器件、傳感器、生物影像和光催化劑方面非常有應用前景的材料。與傳統的有機染料和半導體量子點相比，碳量子點具有化學惰性、無光閃爍、低毒性和良好的生物相容性。然而偏低的量子產率限制了它們在生物科學方面的應用。為了解決這個問題，很多研究常采用聚合物或有機小分子鈍化碳量子點表面提高其量子產率。此外，對碳量子點進行摻雜也是改善其化學性能和拓展其應用的很好的選擇。用雜原子摻雜碳納米材料可以有效改善其性能如表面及其化學結構和電化學性質。經摻雜的碳量子點可用于生物檢測，生物傳感。
[0003]目前，已有多種方法用來測定葡萄糖的含量，在這些方法中，應用最為廣泛的是基于電化學傳感的方法，電信號的變化而進行的葡萄糖測定。然而，這些傳感器容易受到生物體系中其它一些電活性物質諸如抗壞血酸和尿酸的干擾。
【發明內容】
[0004]本發明的主要目的在于克服現有技術中的不足，提供一種通過一步溶劑熱法制備具有強熒光性質的硼摻雜碳量子點，并采用熒光測定方法用該硼摻雜碳量子點檢測過氧化氫和葡萄糖的含量。
[0005]本發明的上述技術問題是通過以下技術方案得以實施的:
[0006]一種一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]A.取對苯二酚，置于內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應釜中，按1.0g對苯二酚5mL丙酮的比例加入丙酮，然后取三溴化硼緩慢滴入反應釜中；
[0008]B.將密封好的反應釜置于鼓風干燥箱中在150~220°C下加熱I~5h后，冷卻至
室溫;
[0009]C.用旋轉蒸發的方式將上述反應釜內的混合液體濃縮蒸干，即得到硼摻雜碳量子點。
[0010]作為優選，所述的對苯二酚和三溴化硼的摩爾比為1:1~3。
[0011]作為優選，所述的步驟B中鼓風干燥箱的溫度為200°C，加熱時間為2h。
[0012]本發明還涉及硼摻雜碳量子點在檢測過氧化氫含量中的應用。
[0013]硼摻雜碳量子點在檢測過氧化氫含量的檢測方法。其檢測步驟為:將硼摻雜碳量子點溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸緩沖溶液混合均勻，再加入雙氧水，超聲3~8分鐘，靜置20~30分鐘后測定熒光。
[0014]本發明還涉及硼摻雜碳量子點在檢測葡萄糖含量中的應用。
[0015]硼摻雜碳量子點在檢測葡萄糖含量的檢測方法。其檢測步驟為:將硼摻雜碳量子點溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸緩沖溶液混合均勻，再加入葡萄糖氧化酶和葡萄糖，超聲3~8分鐘，靜置20~30分鐘后測定熒光。
[0016]如圖8所不，al代表未摻硼的原始碳量子點的突光譜圖，bl代表在未摻硼的原始碳量子點內加入一定濃度和體積的過氧化氫后的熒光譜圖，從圖8中可以看出，未摻硼的原始碳點在IOmM的過氧化氫作用下熒光強度降低了 100。如圖9所示，a2代表硼摻雜碳量子點的熒光譜圖，b2代表在硼摻雜碳量子點內加入與圖8中相同濃度和體積的過氧化氫后的熒光譜圖，從圖9中可以看出，硼摻雜碳量子點在IOmM的過氧化氫作用下熒光幾乎完全猝滅。對比圖8和圖9可以得出，過氧化氫對硼摻雜碳量子點有強烈的熒光猝滅效應，進一步試驗發現，在一定范圍內硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應與過氧化氫濃度呈現良好的線性關系，所以硼摻雜碳量子點可以應用于過氧化氫含量的檢測。
[0017]由于過氧化氫對硼摻雜碳量子點有強烈的熒光猝滅效應，而且在一定范圍內呈線性，葡萄糖氧化酶(GOx)又能高度專一性地催化葡萄糖與氧反應，使葡萄糖氧化成為葡萄糖酸和過氧化氫，通過檢測過氧化氫的含量，從而能夠間接地測定葡萄糖的含量。反應式如下:
[0018]
葡萄糖+O2+ H2O GOx ?葡萄糖酸+ H2O2
[0019]因此，通過硼摻雜碳量子點對葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖產生的過氧化氫的熒光響應可以定量檢測葡萄糖的含量。
[0020]本發明的有益效果在于:本發明采用一種簡單、高效、溫和的方法制備了具有強熒光性質的硼摻雜碳量子點，該操作成本低，制備工藝設備簡易，使用鼓風箱即可完成，易于推廣。所得的硼摻雜碳量子點熒光量子產率大大提高，最高達到14.8%。除了優異的光學、電化學性質之外，硼摻雜碳量子點毒性低、生物相容性好、耐光性好，并進一步應用于過氧化氫和葡萄糖的檢測，發展了一種良好的葡萄糖生物傳感器。通過酶催化分解產生過氧化氫而導致硼摻雜碳量子點的熒光信號降低，和傳統的方法相比，此傳感器不需要任何復雜的表面修飾過程，簡單易行，選擇性好，靈敏度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為硼摻雜碳量子點的制備及檢測過氧化氫和葡萄糖的流程示意圖。
[0022]圖2為實施例1的硼摻雜碳量子點TEM圖片、高分辨透射電鏡照片和分布粒徑圖。
[0023]圖3為實施例1的硼摻雜碳量子點的熒光譜圖及紫外燈下的照片。
[0024]圖4為實施例1的硼摻雜碳量子點檢測過氧化氫時，熒光強度隨過氧化氫濃度變化圖。
[0025]圖5為實施例1的硼摻雜碳量子點檢測過氧化氫時，相對熒光強度隨過氧化氫濃度變化線性圖(^表示不加雙氧水時測得的熒光強度，I表示加入各種濃度的雙氧水時測得的熒光強度)。
[0026]圖6為實施例1的硼摻雜碳量子點檢測葡萄糖時，熒光強度隨葡萄糖濃度變化圖。
[0027]圖7為實施例1的硼摻雜碳量子點檢測葡萄糖時，相對熒光強度隨葡萄糖濃度變化線性圖(^表示不加葡萄糖時測得的熒光強度，I表示加入各種濃度的葡萄糖時測得的熒光強度)。
[0028]圖8為未摻硼的原始碳量子點的熒光譜圖和加入過氧化氫后的熒光譜圖。
[0029]圖9為硼摻雜始碳量子點的熒光譜圖和加入過氧化氫后的熒光譜圖。
【具體實施方式】
[0030]下面通過實施例，結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明:
[0031]實施例1:一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法
[0032]如圖1所示，稱取1.0g對苯二酚，置于容積為25mL內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應釜中，加入5mL丙酮溶解，移取2.58mL三溴化硼緩慢滴入上述反應釜中，將密封好的反應釜置于鼓風干燥箱中在200°C的條件下加熱2小時。當高壓反應釜冷卻至室溫時，用旋轉蒸發的方式把反應釜內的混合液體濃縮蒸干，即得硼摻雜碳量子點。如圖2中的aTEM成像結果顯示，制備的硼摻雜碳量子點近似球形，大小均勻，分散性良好，無團聚現象，粒徑大小主要分布在8~22nm的范圍。如圖2中的b、c高分辨透射電鏡照片顯示，硼摻雜碳量
子點具有明顯的晶格條紋結構，相鄰晶形條紋間的距離為2.0~2.4 k。如圖3所示，在315nm的激發波長下，硼摻雜碳量子點在365nm處得到一個較強的發射峰，這與在紫外燈下熒光碳點發射的明亮藍色熒光(插圖)一致。
[0033]采用參比法測量熒光量子產率，計算公式為:Φ = Φ5[(Ι *As.n2)/(Is.A.ns2)](Φ表示量子產率，I表示在最佳激發波長激發下熒光發射譜圖的積分面積，A表示紫外光譜中最佳激發波長處的吸光度，η代表溶劑的折射率，下標s代指作為標準參照物硫酸奎寧，并且已知硫酸奎寧在激發波長200nm~400nm范圍內的量子產率為0.577)，計算得出硼摻雜碳量子點量子產率為14.8%。
[0034]過氧化氫的檢測:如圖1所示,取15只5mL容量瓶,依次往容量瓶中加入ImL上述制備得到的硼摻雜碳量子點，2mL乙醇，ImL PBS (pH = 7.4，IOmM)磷酸緩沖溶液，再分別加入 300 P L 濃度不同的雙氧水(O, 0.025,0.05,0.1, 0.3,0.5,0.75,1.0, 1.5, 2.5,4.0,6.5,
8.0,9.0,10.0mM)，最后加PBS緩沖溶液稀釋成5mL，超聲5分鐘，靜置25分鐘后加入石英比色皿中進行熒光分析，記錄數據。如圖4所示，隨著過氧化氫濃度增加，硼摻雜碳量子點的熒光強度逐漸減弱，即隨著過氧化氫濃度增加，過氧化氫對硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應逐漸增強。如圖5所示，并在過氧化氫濃度為0.1~1.0mM的范圍內，硼摻雜碳量子點的相對熒光強度與過氧化氫濃度呈現良好的線性關系，當過氧化氫濃度超過1.0mM時，硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應呈現緩慢的連續增長。根據此線性關系，通過檢測過氧化氫待測溶液的相對熒光強度，便可計算得出待測過氧化氫溶液的濃度。
[0035]葡萄糖的檢測:如圖1所示,取15只5mL容量瓶,依次往容量瓶中加入ImL上述制備得到的硼摻雜碳量子點，2mL乙醇，ImL PBS (pH = 7.4，IOmM)磷酸緩沖溶液和500 μ L葡萄糖氧化酶(20mg/mL)，再加入500 μ L濃度不同的葡萄糖(0，8，25，50，80，120，200，350，500,800,1000,1200 μ Μ)，最后加PBS緩沖溶液稀釋成5mL，超聲5分鐘，靜置25分鐘后加入石英比色皿中進行熒光 分析，記錄數據。如圖6所示，隨著葡萄糖濃度的增加，硼摻雜碳量子點的熒光強度逐漸減弱，即隨著葡萄糖濃度增加，硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應逐漸增強。如圖7所示，并在葡萄糖濃度為8~80 μ M的范圍內，硼摻雜碳量子點的相對熒光強度與葡萄糖濃度呈現良好的線性關系，根據此線性關系，通過檢測待測葡萄糖溶液相對熒光強度，便可計算得出待測葡萄糖溶液的濃度。
[0036]實施例2:—步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法
[0037]如圖1所示，稱取1.0g對苯二酚，置于容積為25mL內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應釜中，加入5mL丙酮溶解，移取1.72mL三溴化硼緩慢滴入上述反應釜中，將密封好的反應釜置于鼓風干燥箱中在220°C的條件下加熱5小時。當高壓反應釜冷卻至室溫時，用旋轉蒸發的方式把反應釜內的混合液體濃縮蒸干，即得硼摻雜碳量子點。
[0038]采用參比法測量熒光量子產率，計算公式為:Φ = Φ5[(Ι *As.n2)/(Is.A.ns2)](Φ表示量子產率，I表示在最佳激發波長激發下熒光發射譜圖的積分面積，A表示紫外光譜中最佳激發波長處的吸光度，η代表溶劑的折射率，下標s代指作為標準參照物硫酸奎寧，并且已知硫酸奎寧在激發波長200nm~400nm范圍內的量子產率為0.577)，計算得出硼摻雜碳量子點量子產率為12.5%。
[0039]過氧化氫的檢測:如圖1所示,取15只5mL容量瓶,依次往容量瓶中加入ImL上述制備得到的硼摻雜碳量子點，2mL乙醇，ImL PBS (pH = 7.4，IOmM)磷酸緩沖溶液，再加入 300 μ L 濃度不同的雙氧水(O, 0.025,0.05,0.1,0.3, 0.5,0.75,1.0, 1.5,2.5,4.0,6.5,
8.0,9.0,10.0mM)，最后加PBS緩沖溶液稀釋成5mL，超聲8分鐘，靜置30分鐘后加入石英比色皿中進行熒光分析，記錄數據。結果顯示同實施例1，隨著過氧化氫濃度增加，硼摻雜碳量子點的熒光強度逐漸減弱，即隨著過氧化氫濃度增加，硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應逐漸增強。且在過氧化氫濃度為0.1~1.0mM的范圍內，硼摻雜碳量子點的相對熒光強度與過氧化氫濃度呈現良好的線性關系，根據此線性關系，通過檢測待測過氧化氫溶液的相對熒光強度，便可計算得出待測過氧化氫溶液的濃度。
[0040]葡萄糖的檢測:如圖1所示,取15只5mL容量瓶,依次往容量瓶中加入ImL上述制備得到的硼摻雜碳量子點，2mL乙醇，ImL PBS (pH = 7.4，IOmM)磷酸緩沖溶液和500 μ L葡萄糖氧化酶(20mg/mL)，再加入500 μ L濃度不同的葡萄糖(0，8，25，50，80，120，200，350，500，800，1000,1200 μ Μ)，最后加PBS緩沖溶液稀釋成5mL，超聲8分鐘，靜置30分鐘后加入石英比色皿中進行熒光分析，記錄數據。結果顯示同實施例1，隨著葡萄糖濃度的增加，硼摻雜碳量子點的熒光強度逐漸減弱，即隨著葡萄糖濃度增加，硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應逐漸增強。并在葡萄糖濃度為8~80 μ M的范圍內，硼摻雜碳量子點的相對熒光強度與葡萄糖濃度呈現良好的線性關系，根據此線性關系，通過檢測待測葡萄糖溶液相對熒光強度，便可計算得出待測葡萄糖溶液的濃度。
[0041]實施例3:—步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法
[0042]如圖1所示，稱取1.0g對苯二酚，置于容積為25mL內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應釜中，加入5mL丙酮溶解，移取0.86mL三溴化硼緩慢滴入上述反應釜中，將密封好的反應釜置于鼓風干燥箱中在150°C的條件下加熱I小時。當高壓反應釜冷卻至室溫時，用旋轉蒸發的方式把反應釜內的混合液體濃縮蒸干，即得硼摻雜碳量子點。
[0043]采用參比法測量熒光量子產率，計算公式為:Φ = Φ5[(Ι *As.n2)/(Is.A.ns2)](Φ表示量子產率，I表示在最佳激發波長激發下熒光發射譜圖的積分面積，A表示紫外光譜中最佳激發波長處的吸光度，η代表溶劑的折射率，下標s代指作為標準參照物硫酸奎寧，并且已知硫酸奎寧在激發波長200nm~400nm范圍內的量子產率為0.577)，計算得出硼摻雜碳量子點量子產率為10.7%。[0044]過氧化氫的檢測:如圖1所示,取15只5mL容量瓶,依次往容量瓶中加入ImL上述制備得到的硼摻雜碳量子點，2mL乙醇，ImL PBS (pH = 7.4，IOmM)磷酸緩沖溶液，再加入 300 P L 濃度不同的雙氧水(O, 0.025,0.05,0.1, 0.3,0.5,0.75,1.0, 1.5, 2.5,4.0,6.5,
8.0,9.0,10.0mM)，最后加PBS緩沖溶液稀釋成5mL，超聲3分鐘，靜置20分鐘后加入石英比色皿中進行熒光分析，記錄數據。結果顯示同實施例1，隨著過氧化氫濃度增加，硼摻雜碳量子點的熒光強度逐漸減弱，即隨著過氧化氫濃度增加，過氧化氫對硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應逐漸增強。且在過氧化氫濃度為0.1~1.0mM的范圍內，硼摻雜碳量子點的相對熒光強度與過氧化氫濃度呈現良好的線性關系，根據此線性關系，通過檢測待測過氧化氫溶液的相對熒光強度，便可計算得出待測過氧化氫溶液的濃度。
[0045]葡萄糖的檢測:如圖1所示，取15只5mL容量瓶,依次往容量瓶中加入ImL上述制備得到的硼摻雜碳量子點，2mL乙醇，ImL PBS (pH = 7.4，IOmM)磷酸緩沖溶液和500 μ L葡萄糖氧化酶(20mg/mL)，再加入500 μ L濃度不同的葡萄糖(0，8，25，50，80，120，200，350，500，800，1000,1200 μ Μ)，最后加PBS緩沖溶液稀釋成5mL，超聲3分鐘，靜置20分鐘后加入石英比色皿中進行熒光分析，記錄數據。結果顯示同實施例1，隨著葡萄糖濃度的增加，硼摻雜碳量子點的熒光強度逐漸減弱，即隨著葡萄糖濃度增加，硼摻雜碳量子點的熒光猝滅效應逐漸增強。并在葡萄糖濃度為8~80 μ M的范圍內，硼摻雜碳量子點的相對熒光強度與葡萄糖濃度呈現良好的線性關系，根據此線性關系，通過檢測待測葡萄糖溶液相對熒光強度，便可計算得出待測葡萄糖溶液的濃度。
[0046]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的 精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法，其特征在于，包括以下步驟: A.取對苯二酚，置于內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應釜中，按1.(^對苯二酚511^丙酮的比例加入丙酮，然后取三溴化硼緩慢滴入反應釜中； B.將密封好的反應釜置于鼓風干燥箱中在150~220°C下加熱I~5h后，冷卻至室溫； C.用旋轉蒸發的方式將上述反應釜內的混合液體濃縮蒸干，即得到硼摻雜碳量子點。
2.根據權利要求1所述的一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法，其特征在于，所述的對苯二酚和三溴化硼的摩爾比為1:1~3。
3.根據權利要求1所述的一步溶劑熱法制備硼摻雜碳量子點的方法，其特征在于，所述的步驟B中鼓風干燥箱的溫度為200°C，加熱時間為2h。
4.根據權利要求1~3任意一條制備方法得到的硼摻雜碳量子點在檢測過氧化氫含量中的應用。
5.根據權利要求4所述的硼摻雜碳量子點在檢測過氧化氫含量中的應用，其特征在于，檢測包括如下步驟:將硼摻雜碳量子點溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸緩沖溶液混合均勻，再加入雙氧水，超聲3~8分鐘，靜置20~30分鐘后測定熒光。
6.根據權利要求1~3任意一條制備方法得到的硼摻雜碳量子點在檢測葡萄糖含量中的應用。
7.根據權利要求6所述的硼摻雜碳量子點在檢測葡萄糖含量中的應用，其特征在于，檢測包括如下步驟:將硼摻雜碳量子點溶于乙醇溶液中，然后加入PBS磷酸緩沖溶液混合均勻，再加入葡萄糖氧化酶 和葡萄糖，超聲3~8分鐘，靜置20~30分鐘后測定熒光。
【文檔編號】G01N21/64GK103881708SQ201410037711
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】錢兆生, 單曉月, 豐慧, 柴魯靜, 馬娟娟 申請人:浙江師范大學