一种基于工业大麻制备碳量子点的方法、碳量子点及其应用

1.本发明涉及碳纳米材料技术领域，具体而言，涉及一种基于工业大麻制备碳量子点的方法、碳量子点及其应用。


背景技术：

2.fe
3+
对人类来说是一种重要元素，其具有输送氧气的能力，也可以作为各种酶活性的辅因子。但是过量的fe
3+
离子可能对人类健康产生负面影响，例如增加脂质、蛋白质和其他生物成分的氧化。四环素类抗生素是药品和食品防腐剂中常用的抗生素。尽管它们的抗菌范围很广，但它们在食物和环境中的残留对所有生物都构成了重大威胁。因此，对fe
3+
和四环素类抗生素进行检测的技术至关重要。现有技术中存在分别检测fe
3+
和四环素类抗生素的仪器分析方法，但是这些仪器价钱昂贵、操作步骤复杂、样品前处理繁琐，使得仪器分析方法不太适合现场使用。
3.碳量子点，也可简称为碳点(cds)，其是一种新型的荧光碳纳米材料，与其他荧光碳纳米材料相比，碳点具有优良的水溶性、光学稳定性、良好的生物相容性等特点，可以应用于fe
3+
和四环素类抗生素的检测，但由于检测fe
3+
和四环素类抗生素的机理及所用的碳量子点性质不同，因此通常需要分别制备不同种类的碳量子点，制备过程繁琐，且增加成本。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题是，如何制备碳量子点，针对现有技术中对fe
3+
和四环素类抗生素的检测存在检测仪器昂贵、操作步骤复杂、样品前处理繁琐等缺陷，本发明提供了一种碳量子点的制备方法，快速准确地检测fe
3+
和四环素类抗生素。
5.为解决上述问题，本发明提供一种基于工业大麻制备碳量子点的方法，包括：
6.工业大麻经预处理后与超纯水混合，进行水热碳化反应，得到第一溶液；
7.所述第一溶液经离心、过滤及微孔滤膜分离后，得到第二溶液；
8.将所述第二溶液注入到分子量为1000da的第一透析袋中，连续透析60-90小时，取出所述第一透析袋内的液体，得到第一碳量子点，所述第一碳量子点用于检测fe
3+
；
9.将所述第一透析袋外的液体进行浓缩后，注入到分子量为200da的第二透析袋中，连续透析60-90小时，取出所述第二透析袋内的液体，得到第二碳量子点，所述第二碳量子点用于检测四环素类抗生素。
10.较佳地，所述工业大麻经预处理后与超纯水混合，进行水热碳化反应，得到第一溶液包括：
11.将所述工业大麻预处理后与所述超纯水混合，在150-200℃下进行水热炭化反应6-10小时，自然冷却至室温，经离心、过滤，得到所述第一溶液。
12.较佳地，所述工业大麻的预处理包括：所述工业大麻的叶和皮纤维干燥后，将所述工业大麻的叶制成粉状，将所述工业大麻的皮纤维制成块状，将所述工业大麻的叶与皮纤
维按照质量比为1:1的比例混合。
13.本发明的基于工业大麻制备碳量子点的方法相较于现有技术的优势在于：
14.本发明以工业大麻为原料，利用一次水热碳化法制备出两种粒径不同的碳量子点，分别用于检测fe
3+
和四环素类抗生素。与现有技术中分别制备的方式相比，本发明通过选择以环境友好无污染的天然产物工业大麻为碳源，经预处理后与超纯水经水热碳化反应后，将反应溶液在透析袋中进行一次透析，再将一次透析后的袋外液体再次透析，且两侧透析采用不同分子量的透析袋，从而获得两种尺寸不同的碳量子点，制备出的碳点具有良好的光学稳定性，制备过程简单、快速，同时由于工业大麻成本低廉，不仅降低成本，且使工业大麻秸秆能够废物利用。
15.本发明还提供一种碳量子点，由上述基于工业大麻制备碳量子点的方法制得，包括尺寸不同的第一碳量子点和第二碳量子点。
16.本发明制备的碳量子点相较于现有技术的优势与基于工业大麻制备碳量子点的方法相同，在此不再赘述。
17.本发明还提供一种碳量子点的应用，包括碳量子点在检测fe
3+
和四环素类抗生素方面的应用，具体包括：
18.将第一碳量子点稀释到第一设定浓度，得到第一检测溶液；
19.向所述第一检测溶液中分别加入不同浓度的fe
3+
，得到多个第一检测样品；
20.在所述第一碳量子点的设定激发波长下，分别对多个所述第一检测样品进行荧光测定，获得第一标准曲线，所述第一标准曲线的横坐标为fe
3+
的浓度，纵坐标为荧光淬灭效率；
21.将第一待测样品加入所述第一检测溶液中，得到第一待测样品，在所述第一碳量子点的设定激发波长下，对所述第一待测样品进行荧光测定，得到第一荧光淬灭效率；
22.根据所述第一荧光淬灭效率与所述第一标准曲线，确定所述第一待测样品中fe
3+
的浓度。
23.较佳地，所述根据所述第一荧光淬灭效率与所述第一标准曲线，确定所述第一待测样品中fe
3+
的浓度包括：
24.根据所述第一标准曲线确定所述荧光淬灭效率随所述fe
3+
浓度变化的第一线性方程；
25.将所述第一荧光淬灭效率代入所述第一线性方程中，得到所述第一待测样品中fe
3+
的浓度。
26.较佳地，所述方法还包括：
27.将第二碳量子点稀释到第二设定浓度，得到第二检测溶液；
28.向所述第二检测溶液中分别加入不同浓度的四环素类抗生素，得到多个第二检测样品；
29.在所述第二碳量子点的设定激发波长下，分别对多个所述第二检测样品进行荧光测定，获得第二标准曲线，所述第二标准曲线的横坐标为四环素类抗生素的浓度，纵坐标为荧光淬灭效率；
30.将第二待测样品加入所述第二检测溶液中，得到第二待测样品，在所述第二碳量子点的设定激发波长下，对所述第二待测样品进行荧光测定，得到第二荧光淬灭效率；
31.根据所述第二荧光淬灭效率与所述第二标准曲线，确定所述第二待测样品中四环素类抗生素的浓度。
32.较佳地，所述根据所述第二荧光淬灭效率与所述第二标准曲线，确定所述第二待测样品中四环素类抗生素的浓度包括：
33.根据所述第二标准曲线确定所述荧光淬灭效率随所述四环素类抗生素浓度变化的第二线性方程；
34.将所述第二荧光淬灭效率代入所述第二线性方程中，得到所述第二待测样品中四环素类抗生素的浓度。
35.较佳地，所述荧光测定的测试条件包括：狭缝宽度为10nm，荧光测量范围为300-700nm。
36.较佳地，所述第一碳量子点的设定激发波长为445nm，所述第二碳量子点的设定激发波长为350nm。
37.本发明的基于碳量子点检测fe
3+
和四环素类抗生素的方法相较于现有技术的优势在于：
38.本发明利用基于工业大麻制备的两种碳量子点的尺寸效应分别检测fe
3+
和四环素类抗生素，第一碳量子点检测fe
3+
的机理是静态淬灭，第二碳量子点检测四环素类抗生素的机理是内滤效应。由于碳点具有良好的选择性和光学稳定性，检测方法便捷快速、灵敏度高、检出限低，fe
3+
的实际样品浓度范围是0.1-60μmol/l，检测含有四环素和土霉素的实际样品浓度范围是0.1-40μmol/l，检测含有金霉素实际样品浓度范围是0.1-55μmol/l。其余优势与基于工业大麻制备碳量子点的方法相较于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
39.图1为本发明实施例中基于工业大麻制备碳量子点的方法流程图；
40.图2为本发明实施例中基于工业大麻制备的碳量子点分别用于检测fe
3+
和四环素类抗生素的流程示意图；
41.图3为本发明实施例中基于工业大麻制备的碳量子点的透射电子显微镜示意图；
42.图4为本发明实施例1中第一碳量子点的紫外-可见吸收光谱以及激发光谱与发射光谱；
43.图5为本发明实施例2中第二碳量子点的紫外-可见吸收光谱以及激发光谱与发射光谱；
44.图6为本发明实施例1中第一碳量子点与fe
3+
作用的猝灭曲线；
45.图7为本发明实施例1中第一碳量子点与fe
3+
作用的标准曲线；
46.图8为本发明实施例2中第二碳量子点与四环素作用的猝灭曲线；
47.图9为本发明实施例2中第二碳量子点与四环素作用的标准曲线；
48.图10为本发明实施例2中第二碳量子点与金霉素作用的猝灭曲线；
49.图11为本发明实施例2中第二碳量子点与金霉素作用的标准曲线；
50.图12为本发明实施例2中第二碳量子点与土霉素作用的猝灭曲线；
51.图13为本发明实施例2中第二碳量子点与土霉素作用的标准曲线。
具体实施方式
52.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
53.请参照图1、图2所示，本发明实施例的一种基于工业大麻制备碳量子点的方法，包括：
54.步骤110，工业大麻经预处理后与超纯水混合，进行水热碳化反应，得到第一溶液；
55.步骤120，所述第一溶液经离心、过滤及微孔滤膜分离后，得到第二溶液；
56.步骤130，将所述第二溶液注入到分子量为1000da的第一透析袋中，连续透析60-90小时，取出所述第一透析袋内的液体，得到第一碳量子点，所述第一碳量子点用于检测fe
3+
；
57.步骤140，将所述第一透析袋外的液体进行浓缩后，注入到分子量为200da的第二透析袋中，连续透析60-90小时，取出所述第二透析袋内的液体，得到第二碳量子点，所述第二碳量子点用于检测四环素类抗生素。
58.在一个具体的实施例中，所述工业大麻经预处理后与超纯水混合，进行水热碳化反应，得到第一溶液包括：将所述工业大麻预处理后与所述超纯水混合，在150-200℃下进行水热炭化反应6-10小时，自然冷却至室温，经离心、过滤，得到所述第一溶液。
59.其中，所述工业大麻的预处理包括：所述工业大麻的叶和皮纤维干燥后，将所述工业大麻的叶制成粉状，将所述工业大麻的皮纤维制成块状，将所述工业大麻的叶与皮纤维按照质量比为1:1的比例混合。
60.具体地，取同一工业大麻植株上的叶和皮纤维，将其放入鼓风干燥箱内干燥除去水分，将干燥的叶放入研钵中研磨成细粉，将皮纤维用剪刀剪成块状。按照质量比为1:1的比例称取叶和皮纤维盛放在聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入15-20ml超纯水搅拌均匀，拧紧反应釜放入带鼓风的干燥箱内150-200℃下水热碳化6-10小时，待反应结束后自然冷却至室温。取出反应溶液，经过离心、过滤处理之后，通过0.22μm的微孔滤膜，得到棕褐色的第一溶液。
61.合成量子点的原料多种多样，目前为了使碳量子点的发光性能可控，大多数选用化学药品作为合成原料，但很多化学药品对人体有毒有害。本实施例以工业大麻为原料，使用的工业大麻来源于黑龙江省齐齐哈尔市下属的田间耕地，是一种环境友好无污染的天然产物，汁液中含有多种复杂成分，再利用一锅水热法可以一次性制备出两种粒径不同的碳点，且基于工业大麻制备出的碳点具有良好的光学稳定性，可以分别用于检测fe
3+
和四环素类抗生素。
62.目前常见碳量子点的制备方法有微波法和水热合成法，与微波法相比，水热合成法所制备的碳量子点粒径更均匀。为了使所制备的碳量子点具有长波长发光的性质，现有技术多数使用有机溶剂作为合成溶剂，这种情况下基本选用柱层析的纯化方式，然而，柱层析法操作复杂，耗费溶剂，所挥发出的试剂可能对人体产生毒害作用。而本发明实施例中，所用合成溶剂选用超纯水，不会对人体造成危害，且本身操作简单。
63.以天然产物为原料，利用水热法合成碳量子点，一般是将水热反应的溶液经透析或者其它分离手段进行纯化，且一次透析即实现了纯化目的，得到所需的碳量子点。但是这种利用天然产物合成的碳量子点在纯化之后只能得到一种碳量子点。而本发明实施例以工
业大麻原料，以超纯水为合成溶剂，进行水热反应后，将反应溶液经一次透析获得第一碳量子点，而后再将透析后的余液进行二次透析，且通过控制两次透析的尺寸分别为1000da和200da，分别获得了尺寸不同的两种碳量子点，两种碳量子点结构上基本相同，但二者含硅基团略有差异。由于两种碳量子点的粒径不同，基于量子尺寸效应，使得二者性质不同，由于fe
3+
和四环素类抗生素对两种碳量子点的响应方式不同，使得本实施例一次性制得的碳量子点具有良好的选择性。除此之外，本实施例制得的两种碳点，在光学性质上还存在其它差异，例如，第一碳量子点不耐酸碱，第二碳量子点耐酸碱；与第一碳量子点相比，第二碳量子点更容易受到浓度的调控等。
64.本发明实施例还提供一种碳量子的应用，利用碳量子点检测fe
3+
和四环素类抗生素，方法包括：
65.将第一碳量子点稀释到第一设定浓度，得到第一检测溶液；
66.向所述第一检测溶液中分别加入不同浓度的fe
3+
，得到多个第一检测样品；
67.在所述第一碳量子点的设定激发波长下，分别对多个所述第一检测样品进行荧光测定，获得第一标准曲线，所述第一标准曲线的横坐标为fe
3+
的浓度，纵坐标为荧光淬灭效率；
68.将第一待测样品加入所述第一检测溶液中，得到第一待测样品，在所述第一碳量子点的设定激发波长下，对所述第一待测样品进行荧光测定，得到第一荧光淬灭效率；
69.根据所述第一荧光淬灭效率与所述第一标准曲线，确定所述第一待测样品中fe
3+
的浓度。
70.其中，所述根据所述第一荧光淬灭效率与所述第一标准曲线，确定所述第一待测样品中fe
3+
的浓度包括：
71.根据所述第一标准曲线确定所述荧光淬灭效率随所述fe
3+
浓度变化的第一线性方程；
72.将所述第一荧光淬灭效率代入所述第一线性方程中，得到所述第一待测样品中fe
3+
的浓度。
73.所述基于碳量子点检测fe
3+
和四环素类抗生素的方法，还包括：
74.将第二碳量子点稀释到第二设定浓度，得到第二检测溶液；
75.向所述第二检测溶液中分别加入不同浓度的四环素类抗生素，得到多个第二检测样品；
76.在所述第二碳量子点的设定激发波长下，分别对多个所述第二检测样品进行荧光测定，获得第二标准曲线，所述第二标准曲线的横坐标为四环素类抗生素的浓度，纵坐标为荧光淬灭效率；
77.将第二待测样品加入所述第二检测溶液中，得到第二待测样品，在所述第二碳量子点的设定激发波长下，对所述第二待测样品进行荧光测定，得到第二荧光淬灭效率；
78.根据所述第二荧光淬灭效率与所述第二标准曲线，确定所述第二待测样品中四环素类抗生素的浓度。
79.其中，所述根据所述第二荧光淬灭效率与所述第二标准曲线，确定所述第二待测样品中四环素类抗生素的浓度包括：
80.根据所述第二标准曲线确定所述荧光淬灭效率随所述四环素类抗生素浓度变化
的第二线性方程；
81.将所述第二荧光淬灭效率代入所述第二线性方程中，得到所述第二待测样品中四环素类抗生素的浓度。
82.在一个具体的实施例中，取分析纯级别的硫酸铁以及四环素、金霉素、土霉素等四环素类抗生素，溶解后配制成不同浓度的标准系列溶液。
83.将制得的第一碳量子点稀释到第一设定浓度，加入配置好的不同浓度的fe
3+
溶液，在荧光光谱仪上观察荧光曲线的变化，并记录相应的光谱数据，其中以fe
3+
离子的浓度为横坐标，以荧光猝灭效率(f
0-f)/f0为纵坐标，绘制出相应的第一标准曲线。
84.将第一待测样品加入已经稀释好的第一碳量子点中，观察荧光曲线的变化，并提取相应的荧光数据带入第一标准曲线，得到第一待测样品中fe
3+
的含量。
85.将制得的第二碳量子点稀释到第二设定浓度，加入配置好的不同浓度的四环素、金霉素、土霉素溶液，在荧光光谱仪上观察相应荧光曲线的变化，并记录相应的光谱数据，其中以四环素类抗生素(四环素、金霉素、土霉素)的浓度为横坐标，以荧光猝灭效率(f
0-f)/f0为纵坐标，绘制出各自对应的第二标准曲线。
86.将第二待测样品加入已经稀释好的第二碳量子点中，观察荧光曲线的变化，并提取相应的荧光数据带入所得到的四环素、金霉素、土霉素的第二标准曲线，得到第二待测样品中四环素类抗生素的含量。
87.上述涉及的溶液配制均使用超纯水。
88.其中，所述荧光测定的测试条件包括：狭缝宽度为10nm，荧光测量范围为300-700nm。第一碳量子点检测实际的第一待测样品的激发波长为445nm，第二碳量子点检测实际的第二待测样品的激发波长为350nm。
89.本实施例的碳量子点具有良好的选择性以及抗干扰能力，其中第一碳量子点适合检测的实际样品为水样品，第二碳量子点适合检测的实际样品为牛奶样品或化妆品样品。
90.本实施例中第一碳量子点检测含有fe
3+
的实际样品浓度范围是0.1-60μmol/l，第二碳量子点检测含有四环素和土霉素的实际样品浓度范围是0.1-40μmol/l，检测含有金霉素实际样品浓度范围是0.1-55μmol/l。
91.本实施例的检测方法便捷快速、灵敏度高、检出限低，为当前需要快速检测fe
3+
和四环素类抗生素的前景提供了新的方案与思路，而且具有良好的应用前景。
92.下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
93.实施例1：
94.一种利用工业大麻制备得到的碳点检测水样品中fe
3+
的方法，步骤如下：
95.(1)基于工业大麻的第一碳量子点的制备
96.取同一工业大麻植株上的叶和皮纤维放入待鼓风的干燥箱中充分干燥，除去水分，将叶放入研钵中磨成粉末，将皮纤维用剪刀剪成细块，分别称取叶和皮纤维0.7g放于聚四氟乙烯内衬反应釜中，加入15ml超纯水，在电热鼓风干燥箱中170℃下水热反应10h，自然冷却至室温，8000r/min的转速下离心30min、过滤，并通过0.22μm的微孔滤膜，得到棕褐色溶液，将溶液注入到分子量为1000da的透析袋中，连续透析72h，取出袋内溶液放置在4℃的冰箱中保存备用，将第一碳量子点放置在透射电子显微镜下观察其形貌如图3中a图所示，其粒径大小为6.838
±
0.8910nm。
97.(2)fe
3+
标准溶液的配制
98.准确称取分析纯级别的硫酸铁并配制成10mmol/l的溶液作为母液，将母液稀释到100μmol/l，最后配制成0-60μmol/l的梯度标准系列溶液，将上述溶液放置在4℃的冰箱中保存备用。
99.(3)测定工业大麻第一碳量子点检测fe
3+
的标准曲线
100.测定第一碳量子点的最佳激发波长以及所对应的发射波长如图4所示，图4中横坐标wavelength为波长，主纵坐标absorbance为吸光度，次纵坐标fluorescence intensity为荧光强度，由图4可知，第一碳量子点的最佳激发波长为445nm，所对应的发射波长为510nm。
101.将第一碳量子点用超纯水稀释到6000-8000μg/ml浓度，以使其在荧光光谱中的荧光强度达到最大值，待调好最佳光谱条件之后将配制好的标准系列溶液分别加入第一碳量子点溶液中，在激发波长为445nm下记录荧光曲线的变化如图6所示，以fe
3+
的浓度为横坐标，以荧光猝灭效率(f
0-f)/f0为纵坐标绘制出标准曲线如图7所示，每个浓度下的线性方程以及各自的相关系数如表1所示。
102.表1 0-60μmol/l内fe
3+
的浓度和荧光猝灭效率(f
0-f)/f0之间的关系
[0103][0104]
其中，表1中[fe
3+
]表示fe
3+
的浓度。
[0105]
(4)实际水样品的预处理
[0106]
取20ml水样品作为实际样品的储备液，将上述储备液过滤以除去大颗粒杂质，将滤液通过0.22μm的微孔滤膜放置在4℃的冰箱中保存备用。
[0107]
(5)工业大麻第一碳量子点对实际水样品的检测
[0108]
将处理好的实际样品加入到第一碳量子点溶液中，待体系完全反应之后记录光谱数据，将所得到荧光猝灭效率(f
0-f)/f0带入到标准曲线中得到实际样品中fe
3+
的含量。
[0109]
实施例2：
[0110]
一种利用工业大麻制备得到的碳点检测实际样品中四环素类抗生素的方法，步骤如下：
[0111]
(1)基于工业大麻的第二碳量子点的制备
[0112]
取出实施例1步骤(1)中分子量为1000da透析袋外的液体进行浓缩，并注入到分子量为200da的透析袋中连续透析72h，取出袋内溶液放置在4℃的冰箱中保存备用，将第二碳量子点放置在透射电子显微镜下观察其形貌如图3中b图所示，观察到其粒径大小为1.978
±
0.2783nm。
[0113]
(2)四环素类抗生素标准溶液的配制
[0114]
按照实施例1步骤(2)中的方法将四环素、金霉素、土霉素分别配制成0-50μmol/l、0-55μmol/l、0-40μmol/l的梯度标准系列溶液，将上述溶液放置在4℃的冰箱中保存备用。
[0115]
(3)测定工业大麻第二碳量子点检测四环素类抗生素的标准曲线
[0116]
测定第二碳量子点的最佳激发波长以及所对应的发射波长如图5所示，由图5可知，第二碳量子点的最佳激发波长为350nm，所对应的发射波长为435nm。
[0117]
将第二碳量子点用超纯水稀释到2000μg/ml，使其在荧光光谱中的荧光强度达到最大值，待调好最佳光谱条件之后将步骤(2)中所配制好的标准系列溶液分别加入第二碳量子点溶液中，在激发波长为350nm下记录荧光曲线的变化如图8、图10、图12所示，以四环素类抗生素的浓度为横坐标，以荧光猝灭效率(f
0-f)/f0为纵坐标绘制出标准曲线如图9、图11、图13所示，每种物质的线性方程以及各自的相关系数如表2所示。
[0118]
表2四环素类抗生素浓度和荧光猝灭效率(f
0-f)/f0之间的关系
[0119][0120]
其中，表2中[tc]表示四环素的浓度，[ctc]表示金霉素的浓度，[otc]表示土霉素的浓度。
[0121]
(4)实际样品的预处理
[0122]
牛奶样品按照gbt 22990-2008进行处理，化妆品样品按照sn/t3897-2014进行处理。
[0123]
(5)工业大麻第二碳量子点对实际样品中四环素类抗生素的检测
[0124]
将处理好的实际样品加入到第二碳量子点溶液中，待体系完全反应之后记录光谱数据，将所得到荧光猝灭效率(f
0-f)/f0带入到标准曲线中得到实际样品中四环素类抗生素的含量。
[0125]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。