稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针、其制备方法及应用

1.本发明属于荧光纳米材料与环境检测技术领域，具体涉及一种稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针、其制备方法及应用。


背景技术：

2.四环素(tc)是一种重要的常用抗生素，因其成本低、抗菌活性高、口服吸收好、毒性低，在畜牧业、水产养殖和个体化治疗中得到广泛应用。不幸的是，由于过度使用tc产品，已经对食品安全、环境保护和人类健康造成了一些严重的不利影响。目前，有大量检测四环素的分析策略，如液相色谱
‑
质谱(lc
‑
ms)、高效液相色谱(hplc)、毛细管电泳(ce)，化学发光和电化学分析，可准确检测四环素。然而，存在仪器要求严格，耗时，步骤操作繁琐，要求专业技能等不足。近年来，荧光传感器或荧光分析技术以其操作简单、响应速度快、检测限低、样品用量少、选择性好、分析成本低等优点，成功地应用于tc的测定。值得注意的是，铕基荧光传感平台在与tc结合时表现出高度增强的荧光，近年来引起了广泛关注。这可以归因于这样一个事实，即tc可以与铕离子(eu
3+
)结合，形成铕
‑
四环素复合物(eu
3+
‑
tc)，并将四环素吸收的能量传递给eu
3+
，使eu
3+
的特征荧光得以极大增强，这被称为“天线效应”。此外，eu
3+
的荧光具有独特的光谱特性，包括大的stokes位移、长的荧光寿命和尖锐的线性发射区。然而，由于eu
3+
配位水分子振动模式引起的猝灭效应，eu
3+
‑
tc复合物的荧光强度很弱。此外，这些基于铕的传感器平台由于在潮湿环境和紫外光下稳定性差，在实际应用中受到限制。
3.由于金属离子在人和动物体内的过度积累引起的毒性效应，金属离子的检测引起了广泛关注。在所有金属中，铝是现代日常生活和许多工业中使用最广泛的金属之一。酸雨和人类活动会显著增加土壤中游离铝离子的含量，对作物生产造成环境污染。铝容器、包装材料、电气和电子设备可导致饮用水和食品中的al
3+
污染。此外，al
3+
可通过呼吸道、消化道、皮肤进入生物体，对神经系统造成损害，并导致多种疾病，如小细胞低色素性贫血、胃肠道疾病、肝肾损害、记忆丧失等，人体平均al
3+
摄入量为每天3
‑
10毫克，每周最大铝摄入量为7毫克/千克体重。原子吸收光谱法原子和发射光谱法、高效液相色谱法、电化学法和电感耦合等离子体质谱法是最广泛使用的常规al
3+
检测方法。这些方法通常需要复杂的样品制备和昂贵的精密仪器，这使得它们无法用于铝离子的快速现场检测。因此，高效、快速、简便的al
3+
可视化现场检测仍然是一个巨大的挑战。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于提供一种稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的制备方法，为了达到该目的，具体采用如下步骤：
5.原料以柠檬酸为碳源，三聚氰胺为氮源，加入稀土化合物eu(no3)3·
6h2o，将三者在超纯水中混合均匀后，进行高温反应，反应结束后冷却至室温，将所得溶液用超纯水透析，以去除小分子；剩余溶液通过蒸发干燥，获得稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针粉
末。
6.优选的，所述高温反应为180～220℃，反应5～10h；
7.优选的，所述柠檬酸的用量为8～12mmol；所述三聚氰胺的用量为0.2～0.3mmol；所述稀土化合物eu(no3)3·
6h2o的用量为300
‑
800mg。
8.在几个具体的实施例中，所述稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的制备方法的原料中还含有甲醛，所述甲醛溶液的添加量为0～1000μl，甲醛溶液的浓度为8mmol/l。
9.在一个具体的实施例中，所述稀土化合物eu(no3)3·
6h2o的用量为500mg时，荧光强度最强。
10.在一个具体的实施例中，柠檬酸的用量为10mmol；所述三聚氰胺的用量为0.25mmol；所述稀土化合物eu(no3)3·
6h2o的用量为500mg；甲醛用量为560μl时，量子产率最高。
11.以上关于原料用量的表述，仅为实验室的操作用量，而不是对其用量的绝对限定，本领域技术人员应当理解，在实际生产中，可以根据生产规模，按照上述比例调整用量。
12.在一个具体的实施例中，所述的透析是先采用0.22μm的过滤膜过滤，滤液采用切断分子量为1000da的透析袋在超纯水中透析24h，每隔6小时更新一次水以去除小分子。
13.本发明的目的之二在于提供上述方法制备的稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针，上述稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针可用于四环素和/或铝离子的检测以及四环素和/或铝离子的检测产品的制备。
14.本发明提供的稀土元素掺杂碳量子点的制备及其检测四环素和级联识别铝离子的原理为：将铕离子掺杂到碳量子点的晶格结构作为tc的特定识别单元。未加入四环素时，铕掺杂碳量子点发蓝色荧光(λem＝420nm)。与四环素结合后，基于内部过滤效应(ife)和eu
3+
‑
tc的“天线效应”，碳量子点的蓝色荧光逐渐淬灭，掺杂铕元素的特征红色荧光逐渐增强(λem＝620nm)，产生基于四环素含量的比率荧光信号变化。相应地，检测体系在紫外灯下的颜色逐渐从蓝色到棕黄色到浅紫色到浅玫瑰红色到浅粉色到最终的红色，发生显著的变化。本发明进一步应用于al
3+
的级联识别，由于四环素类化合(tcs)可以与多价阳离子al
3+
形成螯合物。铕掺杂碳量子点与tc作用后进一步加入al
3+
，铕掺杂碳量子点在468nm左右的荧光逐渐恢复，eu
3+
‑
tc复合物在620nm处的红色荧光逐渐消失，实现al
3+
的比率荧光级联识别，同时伴随着颜色从红色到粉色再到蓝色的显著变化。
15.本发明技术方案的优点：
16.通过一步水热法制备了稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针，将铕离子掺杂到碳量子点中，既能保持碳量子点本身的蓝色荧光，又能与四环素分子特异性结合增强铕离子的红色荧光。该复合体系可进一步与al
3+
作用，在四环素和al
3+
的级联识别中都产生比率荧光信号和颜色的显著渐变。这种新型荧光探针，具有优异的物理和化学稳定性，不需要复杂的碳量子点修饰，通过单一的碳量子点就可以实现对多个目标分子的比率荧光检测，在紫外灯下用肉眼就可以清晰观察到体系随着待测物浓度变化产生的显著颜色变化。
17.此外，还开发了一种无需仪器的便携式纸基传感器和智能手机辅助的poct平台，用于四环素和al
3+
的现场可视化检测。研制的纸基传感器，具有易于携带、低成本、高选择性和高灵敏度特点，可以用肉眼直接、轻松地读出检测信号。智能手机作为简单答案分析仪，具有便携、易操作的特点。当tc和al
3+
的浓度超过一定水平时，肉眼可见的直接颜色变化警
告用户，进一步手机辅助图像处理可提供四环素和al
3+
浓度的定量分析。为现场和资源贫乏地区四环素和al
3+
的定性鉴别和半定量分析提供了强有力的方法。在食品安全监测中显示出巨大的潜在应用。不仅为四环素和al
3+
的比率荧光和视觉传感提供了一种新的策略，而且为开发高效的比率荧光和视觉传感平台提供了新的见解，它在未来很有希望用于许多其他现场检测。
附图说明
18.图1稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的透射电镜分析图和hrtem图；
19.图2eu
‑
cds的x射线光电子能谱(xps)图；
20.图3铕掺杂浓度对eu
‑
cds
‑
tc复合物的荧光光谱的影响；
21.图4不同浓度tc对eu
‑
cds荧光强度影响的荧光光谱图；
22.图5稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针检测四环素的线性方程；
23.图6稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针对四环素的特异性；
24.图7不同浓度al
3+
对eu
‑
cds
‑
tc荧光强度影响的荧光光谱图；
25.图8稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针检测al
3+
的线性方程；
26.图9eu
‑
cds
‑
tc复合物对al
3+
级联识别的选择性；
27.图10基于铕掺杂碳量子点比率荧光探针结合智能手机和纸基传感器检测四环素的线性方程；
28.图11基于铕掺杂碳量子点比率荧光探针结合智能手机和纸基传感器检测al
3+
的线性方程。
具体实施方式
29.在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
30.下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
31.实施例1
32.一种稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的制备方法，步骤如下：
33.称取1920mg(10.0mmol)柠檬酸和31.5mg(0.25mmol)三聚氰胺溶解在10ml超纯水中，然后添加560μl甲醛溶液(甲醛浓度为8.0mmol/l)和500mg eu(no3)3·
6h2o(99.99％)。将溶液充分混合，转移到25ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在220℃的温度下反应10h小时，冷却至室温后，所得深黄色溶液通过0.22μm的过滤膜过滤并用透析袋(切断分子量为1000da)在超纯水中进一步透析24小时，每隔6小时更新一次水以去除小分子。随后，通过蒸发透析袋内的溶液并在80℃下干燥，获得稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的粉末，量子产率为10.81％。
34.图1为上述方法制备的稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针(eu
‑
cds)的透射电镜(tem)图和高分辨透射电镜(hrtem)图。由图1中的a可知，eu
‑
cds为均匀分布的近球形纳米颗粒，eu
‑
cds粒径分布柱状图显示粒径分布为1.0
‑
3.0nm，平均粒径为2.0nm。hrtem图像(图1中b)显示eu
‑
cds具有清晰的晶格条纹，晶格间距约为0.20nm，这与石墨碳的(100)面一致。
35.为了进一步确认eu
‑
cds的元素组成和化学键，进行了x射线光电子能谱(xps)测量。图2为eu
‑
cds的xps图，其中，a为eu
‑
cds的xps全扫描光谱，b为c1s的xps光谱，c为n1s的xps光谱，d为o1s的xps光谱，e为eu3d的xps光谱；
36.由图2可知，xps全扫描光谱在281.08,398.08,537.08和1131.08ev处显示四个明显的峰，归因于c1s、n1s、o1s和eu3d，元素含量分别为60.11％,2.99％,33.03％和3.87％。高含量的eu证实了eu在cds中的成功掺杂(图2中a)。在高分辨率光谱中(图2b
‑
e)，c1s波段可以在284.7,285.7和288.4ev处反褶积成三个峰值，分别对应于c
‑
c/c＝c，c
‑
n/c
‑
o和c＝o基团；在n1s光谱中，399.9和401.5ev处的峰对应于n
‑
c和n
‑
h基团；o1s波段在531.2，532.0和532.9ev，可以反褶积成三个峰值，分别归属于c＝o和c
‑
oh基团。eu3d在1134.0和1164.0ev分别归因于3d
5/2
和3d
3/2
结构的光电发射。高分辨率eu3d光谱由四个峰组成，分别为eu
3+
(1165.0和1135.4ev)和eu
2+
(1155.0和1125.5ev)。
37.实施例2
38.一种稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的制备方法，步骤如下：
39.称取1536mg(8.0mmol)柠檬酸和25.2mg(0.2mmol)三聚氰胺溶解在10ml超纯水中，然后添加300mg eu(no3)3·
6h2o(99.99％)。将溶液充分混合，转移到25ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在220℃的温度下反应10h小时，冷却至室温后，所得深黄色溶液通过0.22μm的过滤膜过滤并用透析袋(切断分子量为1000da)在超纯水中进一步透析24小时，每隔6小时更新一次水以去除小分子。随后，通过蒸发透析袋内的溶液并在80℃下干燥，获得稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的粉末，量子产率为7.50％。
40.实施例3
41.一种稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的制备方法，步骤如下：
42.称取2304mg(12.0mmol)柠檬酸和37.8mg(0.3mmol)三聚氰胺溶解在10ml超纯水中，然后添加1000μl甲醛溶液(甲醛浓度为8.0mmol/l)和800mg eu(no3)3·
6h2o(99.99％)。将溶液充分混合，转移到25ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在220℃的温度下反应10h小时，冷却至室温后，所得深黄色溶液通过0.22μm的过滤膜过滤并用透析袋(切断分子量为1000da)在超纯水中进一步透析24小时，每隔6小时更新一次水以去除小分子。随后，通过蒸发透析袋内的溶液并在80℃下干燥，获得稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针的粉末，量子产率为9.02％。
43.实施例4
44.铕掺杂浓度对eu
‑
cds
‑
tc复合物的荧光光谱的影响
45.在实施例1的方法的基础上，设置eu(no3)3·
6h2o掺杂浓度分别为300mg、500mg和800mg，制备不同eu(no3)3·
6h2o掺杂浓度的eu
‑
cds；并检测其在加入tc后的荧光光谱，结果如图3所示，从荧光强度曲线和荧光强度照片可以看出，荧光光谱显示出强烈的掺杂浓度依赖性，随着eu掺杂浓度从300mg提高到500mg，eu
‑
cds
‑
tc的荧光强度增强幅度变大；eu掺杂浓度超过500mg以后，由于新产生的缺陷和减少的表面钝化可导致荧光强度降低，eu掺杂浓度800mg的荧光强度增强幅度反而低于500mg eu掺杂的样品；因而，与其他掺杂浓度相比，500mg掺杂的eu
‑
cds在与tc作用后产生了最高的荧光强度增强。因此，500mg的eu掺杂浓度为最佳浓度。
46.实施例5
47.一种检测四环素的方法，步骤如下：
48.(1)将实施例1制备的稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针制备成浓度为60μg
·
ml
‑1的水溶液，即为eu
‑
cds溶液；
49.(2)取步骤(1)制备的eu
‑
cds溶液，向其中加入不同量的四环素，将其制备成四环素不同浓度梯度的标准溶液，其中四环素的浓度为0
‑
100μm；混合均匀后，于室温条件下培养5min；
50.(3)采用荧光光谱法在380nm的激发下记录四环素不同浓度梯度的标准溶液的发射光谱；结果如图4所示；从图4可以看出随着四环素浓度的增加，eu
‑
cds体系在468nm处的荧光强度明显下降，而在620nm处的荧光强度逐渐增加。当四环素浓度高于80μm时，f
468
处于猝灭状态，但f
620
不再增加并开始下降。
51.(4)将得到的实验数据整理作图，以i
620
/i
468
的强度比作为纵坐标，tc浓度作为横坐标，获得线性方程如图5所示，线性关系式为y＝0.0630x
‑
0.242；线性相关系数r2＝0.999。
52.(5)将待测样品溶液与步骤(1)制备的eu
‑
cds溶液按照1:1比例混合，于室温条件下培养5min；采用荧光光谱法在380nm的激发下，获得待测溶液的468nm和620nm处的荧光强度，计算i
620
/i
468
的强度比，对照步骤(4)获得的线性方程，计算获得待测样品溶液中四环素的含量。
53.上述检测四环素的方法稳定性良好，重复性高，检出限为6.9nm。
54.稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针对四环素的特异性：
55.将相同浓度(100μm)的四环素(tetracycline)及其类似物(土霉素oxytetracycline、金霉素chlortetracycline、红霉素erythromycin)溶液分别与等体积的步骤(1)制备的eu
‑
cds溶液混合，在室温下培养5min后，采用荧光光谱法在380nm的激发下记录混合物的发射光谱。如图6所示，只有四环素可以引起eu
‑
cds在420nm处的荧光猝灭，并在620nm处产生很强的新的荧光发射峰。
56.实施例6
57.一种检测铝离子的方法，步骤如下：
58.(1)将实施例1制备的稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针制备成浓度为60μg
·
ml
‑1的水溶液，然后加入四环素，制备成四环素浓度为100μm、eu
‑
cds浓度为60μg
·
ml
‑1的混合溶液(eu
‑
cds
‑
tc复合物)；
59.(2)取步骤(1)制备的混合溶液，向其中加入不同量的al
3+
，将其制备成al
3+
不同浓度梯度的标准溶液(标准溶液制备中采用的是al(clo4)3·
9h2o)，其中al
3+
的浓度为0
‑
50μm；混合均匀后，于室温条件下培养5min；
60.(3)采用荧光光谱法在380nm的激发下记录al
3+
不同浓度梯度的eu
‑
cds
‑
tc
‑
al
3+
溶液的发射光谱；结果如图7所示；从图7可以看出：随着al
3+
浓度的增加，eu
‑
cds
‑
tc
‑
al
3+
在468nm处荧光发射增强，620nm处荧光发射随al
3+
量的增加而减弱。
61.(4)将得到的实验数据整理作图，以i
468
/i
620
的强度比作为纵坐标，al
3+
浓度作为横坐标，获得线性方程如图8所示，线性关系式为y＝0.160x
‑
0.379；线性相关系数r2＝0.996。
62.(5)将待测样品溶液与步骤(1)制备的eu
‑
cds
‑
tc复合物溶液按照1:1比例混合，于室温条件下培养5min；采用荧光光谱法在380nm的激发下，获得待测溶液的468nm和620nm处
的荧光强度，计算i
468
/i
620
的强度比，对照步骤(4)获得的标准曲线，计算获得待测样品溶液中al
3+
的含量。
63.上述检测al
3+
的方法稳定性良好，重复性高；检出限为28.6nm；al
3+
的lod计算为：lod＝3sb/s，其中sb代表空白样品的10次连续扫描的标准误差，s表示校准曲线的斜率。
64.检测eu
‑
cds
‑
tc复合物对al
3+
级联识别的选择性以及其他金属离子(ca
2+
、ni
2+
、co
2+
、mg
2+
、cd
2+
、hg
2+
、zn
2+
、cu
2+
)对al
3+
的干扰性：
65.将浓度均为50μm的金属离子溶液分别添加到上述步骤(1)制备的eu
‑
cds
‑
tc复合物溶液中，并以不添加金属离子溶液的eu
‑
cds
‑
tc复合物溶液作为空白对照(blank)。孵育5min后，采用荧光光谱法在380nm的激发下记录混合物的发射光谱，以研究eu
‑
cds
‑
tc对al
3+
的选择性。结果如图9所示，只有al
3+
可以引起eu
‑
cds
‑
tc复合物在468nm处的荧光恢复。
66.实施例7
67.一种基于铕掺杂碳量子点比率荧光探针结合智能手机和纸基传感器检测四环素的方法，步骤如下：
68.(1)将实施例1制备的稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针制备成浓度为60μg
·
ml
‑1的水溶液；
69.(2)将滤纸切割成直径约为6mm的圆形，然后浸入步骤(1)制备的eu
‑
cds(60μg
·
ml
‑1)溶液中；室温孵育培养10min后，室温条件下，在空气中干燥；获得用于检测四环素的纸基传感器；
70.(3)将不同浓度(0
‑
150μm)的tc水溶液添加到步骤(2)制备的圆形纸基传感器表面；添加量为200μl/片纸基传感器；
71.(4)在紫外灯下用肉眼观察圆形纸基传感器的荧光颜色变化。通过应用商店下载获得的颜色扫描应用程序(app:colorimeter)对纸基传感器的荧光颜色进行数字化和输出，获得rgb值；用得到实验数据(r/b)整理作图，获得线性方程(图10)，线性关系式为y＝0.049x
‑
0.219；线性相关系数r2＝0.998。
72.(5)将待测样品溶液添加到步骤(2)制备的纸基传感器表面；添加量为200μl/片纸基传感器；用智能手机上的颜色扫描应用程序记录纸基传感器在紫外灯下的荧光颜色，并对纸基传感器的荧光颜色进行数字化和输出，获得rgb值；计算r/b；将r/b的数值代入步骤(4)获得的线性方程，计算获得待测样品溶液中四环素的含量。
73.采用上述方法检测四环素的稳定性良好，重复性高，检出限为13.2nm。
74.实施例8
75.一种基于铕掺杂碳量子点比率荧光探针结合智能手机和纸基传感器检测al
3+
的方法，步骤如下：
76.(1)将实施例1制备的稀土元素掺杂碳量子点比率荧光探针制备成浓度为60μg
·
ml
‑1的水溶液；然后加入四环素，制备成四环素浓度为100μm、eu
‑
cds浓度为60μg
·
ml
‑1的混合溶液(eu
‑
cds
‑
tc复合物)；
77.(2)将滤纸切割成直径约为6mm的圆形，然后浸入步骤(1)制备的eu
‑
cds
‑
tc复合物溶液中；室温孵育培养10min后，室温条件下，在空气中干燥；获得用于检测al
3+
的纸基传感器；
78.(3)将不同浓度(0
‑
80μm)的al
3+
水溶液添加到步骤(2)制备的圆形纸基传感器表
面；添加量为200μl/片纸基传感器；
79.(4)在紫外灯下用肉眼观察圆形纸基传感器的荧光颜色变化。通过应用商店下载获得的颜色扫描应用程序(app:colorimeter)对纸基传感器的荧光颜色进行数字化和输出，获得rgb值；用得到实验数据(b/r)整理作图，获得线性方程(图11)，线性关系式为y＝0.1445x
‑
0.1445；线性相关系数r2＝0.998。
80.(5)将待测样品溶液添加到步骤(2)制备的纸基传感器表面；添加量为200μl/片纸基传感器；用智能手机上的颜色扫描应用程序记录纸基传感器在紫外灯下的荧光颜色，并对纸基传感器的荧光颜色进行数字化和输出，获得rgb值；计算b/r；将b/r的数值代入步骤(4)获得的线性方程，计算获得待测样品溶液中al
3+
的含量。
81.采用上述方法检测al
3+
的稳定性良好，重复性高，检出限为160nm。
82.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。