拥有模拟酶性质的铜掺杂碳量子点及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纳米材料催化传感领域，具体地，涉及一种拥有模拟酶性质的铜掺杂碳量子点及其制备方法和应用。
背景技术
纳米材料作为模拟酶一直是研究热点，科学家们一直努力用最简单结构的化合物作为模拟酶。碳量子点作为一种新型的纳米荧光材料，在荧光传感、催化等领域具有优良的性能。重要的是，碳量子点作为模拟酶可以借助自身的荧光性质为催化过程提供指示信号，有效避免外加指示剂的干扰，也为催化反应过程中难以捕捉信号这一难题提供了新的方法。
苯酚是化学工业中制造石化、制药、塑料和农药材料的重要原料，同时也是环境和水中的重要污染物，因此准确地测定水中苯酚的浓度对于工业和自然环境都是至关重要的。目前检测苯酚主要有液相色谱法、毛细管电泳法和分光光度法等多种方法。尽管这些技术具有很高的灵敏度和重复性，但是这些方法操作比较复杂、耗时且花费较大，并且不能做到现场实时检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种拥有模拟酶性质的铜掺杂碳量子点及其制备方法和应用，解决了目前的苯酚检测方法比较复杂、耗时且花费较大，并且不能做到现场实时检测的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种拥有模拟酶性质的铜掺杂碳量子点的制备方法，所述制备方法包括：将抗坏血酸、EDC、乙酸铜和水混合，水热反应后得到所述铜掺杂碳量子点。
本发明还提供了一种拥有模拟酶性质的铜掺杂碳量子点，所述铜掺杂碳量子点由上述的制备方法制得。
本发明还提供了一种利用上述的铜掺杂碳量子点测定苯酚浓度的方法，所述方法包括：
(1)将苯酚和空白待测溶液混合，得到待测溶液；其中，空白待测溶液由碳酸盐缓冲溶液、H2O2、4-APP和铜掺杂碳量子点混合得到；
(2)分别测定空白待测溶液和待测溶液的最大荧光强度；
(3)以待测溶液的最大荧光强度和空白待测溶液的最大荧光强度的比值为纵坐标，苯酚的浓度为横坐标，建立荧光发射光谱曲线方程；
(4)测定苯酚的最大荧光强度，然后根据荧光发射光谱曲线方程计算得到苯酚的浓度。
通过上述技术方案，本发明提供了一种一锅水热碳化法制备铜掺杂碳量子点的方法，是在密闭的高温高压反应釜中，采用二次蒸馏水作为反应溶剂，加入抗坏血酸、EDC、乙酸铜，通过加热产生一个封闭的高温高压的化学反应环境，制备铜掺杂碳量子点。反应过程中EDC的作用：(1)作为合成铜掺杂碳量子点的碳源；(2)作为乙酸铜的螯合剂；抗坏血酸作为还原剂；乙酸铜的作用是作为金属掺杂剂合成铜掺杂碳量子点。本发明提供的催化剂与以前报道的金属配合物不同，该催化剂不需要有机溶剂溶解，而且合成的催化剂具有双功能性质，既可以催化也可以指示H2O2、4-APP和苯酚显色反应，基于产物的紫外吸收及铜掺杂碳量子点的荧光光谱变化，构建了苯酚的双参数催化传感新方法。本发明通过控制原料用量和浓度及反应温度和时间，制备了形貌均匀、荧光量子产率高、分散性好、生产成本低、重现性好且可控制的铜掺杂碳量子。通过上述方法制备出来的铜掺杂碳量子点作为模拟酶，不仅具有尺寸优势、强的量子局限和边缘效应，同时还拥有类似于量子点的优良发光性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为实施例1中制备的铜掺杂碳量子点的(A)透射电子显微镜照片(TEM)及(B)尺寸分布柱状图；
图2为实施例1中制备的铜掺杂碳量子点的荧光激发依赖图(Fluorescence)；
图3为实施例1中制备的铜掺杂碳量子点的紫外吸收图(Absorbance)；
图4为实施例1-3中不同反应温度制备的铜掺杂碳量子点催化反应效果对比图；
图5为利用实施1中制备的铜掺杂碳量子点检测苯酚的荧光发射图谱；
图6为利用实施列1中制备的铜掺杂碳量子点检测苯酚的荧光强度线性图；
图7为利用实施例1中制备的铜掺杂碳量子点检测苯酚的紫外吸收图谱；
图8为利用实施列1中制备的铜掺杂碳量子点检测苯酚的紫外吸收强度线性图；
图9为实施例1中制备的铜掺杂碳量子点检测苯酚的显色示意图；
图10为对比例1中制备的铜掺杂碳量子点检测苯酚和其异构体的显色对比图；
图11为对比例2中制备的铜掺杂碳量子点对苯酚选择性检测的显色对比图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种拥有模拟酶性质的铜掺杂碳量子点的制备方法，所述制备方法包括：将抗坏血酸、EDC、乙酸铜和水混合，水热反应后得到所述铜掺杂碳量子点。
在本发明的一种优选的实施方式中，相对于1L的水，抗坏血酸的用量为0.03-0.05mol，EDC的用量为2.5-2.7mol，乙酸铜的用量为2.3-2.5mol。
在本发明的一种优选的实施方式中，水热反应的条件包括：温度为200-240℃；和/或时间为7-9h。
在本发明的一种优选的实施方式中，混合的时间为20-40min。
本发明还提供了一种拥有模拟酶性质的铜掺杂碳量子点，所述铜掺杂碳量子点由权利要求1-4中任意一项所述的制备方法制得。
本发明还提供了一种利用上述的铜掺杂碳量子点测定苯酚浓度的方法，所述方法包括：
(1)将苯酚和空白待测溶液混合，得到待测溶液；其中，空白待测溶液由碳酸盐缓冲溶液、H2O2、4-APP和铜掺杂碳量子点混合得到；
(2)分别测定空白待测溶液和待测溶液的最大荧光强度；
(3)以待测溶液的最大荧光强度和空白待测溶液的最大荧光强度的比值为纵坐标，苯酚的浓度为横坐标，建立荧光发射光谱曲线方程；
(4)测定苯酚的最大荧光强度，然后根据荧光发射光谱曲线方程计算得到苯酚的浓度。
以下通过实施例进行说明。
实施例1
称取0.3g乙酸铜溶解于25mL二次蒸馏水中，超声溶解，加入抗坏血酸，称取0.3gEDC上述溶液中，搅拌30分钟，得到均匀的混合溶液，混合溶液中1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)浓度为0.065mol/L，乙酸铜浓度为0.06mol/L，抗坏血酸的浓度为1.6mol/L；
将混合溶液转移至50mL不锈钢聚四氟乙烯的高温反应釜中，于220℃水热反应8h，取出反应釜自然冷却至室温，之后，通过离心收集产物，用1000Da透析袋透析5h，置于冰箱内4℃贮存备用，其TEM图如图1所示，从图中可以看出铜掺杂碳量子点尺寸大小分散较均匀，接近球形的颗粒物，平均尺寸大小在3nm以内，和碳纳米材料尺寸分布特点相一致。从铜掺杂碳量子点的荧光激发依赖图(图2)和铜掺杂碳量子点的吸收图谱(图3)可以看出所制备的铜掺杂碳量子点与之前报道的碳量子点特征相一致。
实施例2
按照实施例1的方法进行，不同的是，水热反应的条件包括：温度为240℃，时间为8h。
实施例3
按照实施例1的方法进行，不同的是，水热反应的条件包括：温度为200℃，时间为8h。以上述制备的铜掺杂碳量子点监测苯酚，对铜掺杂碳量子点水热反应的温度选择如图4，从图4可知220℃条件下掺杂的碳量子点效果最佳，所以选择220℃作为最佳温度。
实施例4
量取800uL碳酸盐缓冲溶液(0.01mol/L，pH＝10.0)，上述400uL纯化的铜掺杂碳量子点溶液(铜掺杂碳量子点的含量为7.2×10-5g/L)、5mM 4-AAP(200μL)、0.5mM H2O2(200μL)和20uL不同浓度的苯酚溶液依次加入2mL离心管中，定容，振荡混匀。在25℃条件下恒温静置3min，随后测定反应溶液的荧光发射光谱如图5所示；
以碳酸盐缓冲溶液、H2O2、4-APP、纯化的铜掺杂碳量子点溶液混合、定容2mL，得到空白待测溶液，以加入不同浓度苯酚溶液的最大荧光强度和空白待测溶液的最大荧光强度比值为纵坐标，苯酚的浓度为横坐标，建立荧光发射光谱曲线方程，得到荧光发射光谱曲线方程Y＝-0.439×10-2[PA]+1.0018(Y表示荧光强度，[PA]表示苯酚的浓度)相关系数0.994如图6。
实施例5
量取800uL碳酸盐缓冲溶液(0.01mol/L，pH＝10.0)，上述400uL纯化的铜掺杂碳量子点溶液(铜掺杂碳量子点的含量为7.2×10-5g/L)、5mM 4-AAP(200μL)、0.5mM H2O2(200μL)和20uL不同浓度的苯酚溶液依次加入2mL离心管中，定容，振荡混匀。在25℃条件下恒温静置30min，随后测定反应溶液在505nm的紫外吸收光谱如图7所示。
以碳酸盐缓冲溶液、H2O2、4-APP、不同浓度苯酚溶液、纯化的铜掺杂量子点溶液混合定容到2mL，以加入不同浓度苯酚溶液的最大吸光强度为纵坐标，苯酚的浓度为横坐标，建立紫外吸收光谱曲线方程，得到紫外吸收光谱曲线方程Y＝0.596×10-2[PA]+0.01955(Y表示紫外吸收强度，[PA]表示苯酚的浓度)相关系数0.993如图8。
实施例6
准确量取800uL碳酸盐缓冲溶液(0.01mol/L，pH＝10.0)，上述400uL纯化的铜掺杂碳量子点溶液(铜掺杂碳量子点的含量为7.2×10-5g/L)、5mM 4-AAP(200μL)、0.5mM H2O2(200μL)和20uL不同浓度的苯酚溶液依次加入2mL离心管中，定容，振荡混匀。在25℃条件下恒温静置30min，观察颜色变化如图9。
对比例1
对苯酚的同分异构体邻硝基苯酚、对硝基苯酚、3-氨基苯酚、邻氨基苯酚、N-乙酰基苯酚进行鉴别。准确量取800uL碳酸盐缓冲溶液(0.01mol/L，pH＝10.0)，上述400uL纯化的铜掺杂碳量子点溶液(铜掺杂碳量子点的含量为7.2×10-5g/L)、5mM 4-AAP(200μL)、0.5mM H2O2(200μL)和20uL不同苯酚同分异构体溶液依次加入2mL离心管中，定容，振荡混匀。在25℃条件下恒温静置30min，实验结果如图10所示，以上苯酚与其同分异构体有着明显区别，所以我们可以认为此方法可以用于对苯酚的可视化鉴别。在图10中，1-邻硝基苯酚；2-对硝基苯酚；3-氨基苯酚；4-邻苯二酚；5-邻氨基苯酚；6-N-乙酰基苯酚；7-苯酚。
对比例2
为了研究铜参杂碳量子点对苯酚的的选择性，考察了硫氰酸钾、烟酸、Cys、GSH、丝氨酸、组氨酸、苯酚等物质对铜掺杂碳量子点的响应，准确量取800uL碳酸盐缓冲溶液(0.01mol/L，pH＝10.0)，上述400uL纯化的铜掺杂碳量子点溶液(铜掺杂碳量子点的含量为7.2×10-5g/L)、5mM 4-AAP(200μL)、0.5mM H2O2(200μL)和20uL不同上述溶液依次加入2mL离心管中，定容，振荡混匀。在25℃条件下恒温静置30min，实验结果如图11所示，可以看出除苯酚外其他溶液没有明显的显色。在图11中，1-硫氰酸钾；2-烟酸；3-半胱氨酸；4-谷胱甘肽；5-丝氨酸；6-组氨酸；7-苯酚。
这一结果表明铜掺杂碳量子点对苯酚有很好的选择性，每次平行实验测定三次，以保证数据的准确性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
