[发明专利]一种以氨基酸为前驱体合成碳量子点的方法及其用于金属离子浓度的检测

说明书

技术领域

本发明涉及一种氨基酸为前驱体自下而上的方法合成碳量子点的制备方法及应用该碳量子点直接检测金属离子浓度的方法。

背景技术

随着工农业生产的发展和社会现代化建设的进行，污染物的排放已使环境日趋恶化，其中重金属污染已成为最严重的环境生态污染之一，直接或间接地对各种生物的生存和人类的健康造成了威胁。重金属排入环境后不易除去，而是在环境中长期累积，对生物和人体产生毒副作用，它们的污染已成为重大的世界性环境问题。

重金属对人体产生伤害的方式主要有两种：一是重金属离子通过改变酶的结构使其变性或者使其中毒失活，微量的重金属离子不会对人体造成伤害，但是如果体内重金属离子浓度过高，便会与蛋白质分子中的活性基团紧密结合，改变酶的立体结构，或者改变酶的活性中心的电荷，从而使其丧失应有的催化活性；二是有些金属离子干扰人体必需金属离子的代谢，通过替换酶中的其他必需金属离子，使酶失活，对生物和人体产生极大的毒害作用。它具有以下特征：通过进食、饮水、呼吸进入人体，甚至可以通过遗传、母乳和食物链进行富集。可见重金属污染的态势已十分严重，因此准确而快速地检测环境中重金属元素的含量，对于食品安全、生态环境改善和人类健康都有极其重要的意义。

纳米材料特有的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，使其在光、电、磁、热、力学、机械等方面表现出独特的性能，荧光碳纳米粒子主要是依据其荧光光谱的特征变化来对离子进行定性分析，而利用荧光性能和离子浓度的关系可以进行离子的定量分析。这种方法不但方便、快捷，通常还具有较高的灵敏度和选择性，故很容易用于重金属离子的实时或原位检测。碳量子点(Carbon quantum dots，CQDs)是碳纳米材料家族的新秀，亦具有荧光性质。它不仅具有类似于传统半导体量子点的发光性能、抗光漂白与小尺寸特性，而且还具有水溶性好、稳定性高、生物毒性低等优势，使得它成为传统半导体量子点在生物成像、生物标记等应用中很好的替代物；其在重金属离子的检测有较高的灵敏度和选择性，非常低的检测限和定量限(都为nM级)，为其在环境检测的实际应用提供了可靠保障。

从合成方法的多样性来看，提高碳量子点的荧光属性主要有下列几方面的工作：(1)碳源的选择应该经济、无毒、无需复杂的前处理，反应步骤尽量的简单；(2)提高已有碳量子点的量子产率及光谱性能，加入钝化剂、改变反应条件等；(3)控制已有碳量子点的粒径，可以控制反应条件、简单的柱层析法等；(4)研制更多新型碳量子点，包括特异性识别与键合无机物或有机物，高效的光催化剂，提高荧光发射光谱范围等。

因此，为了达到经济、绿色、快速的合成碳量子点及其拓展量子点在环境监测、生物影像、光催化剂和医药领域的应用。本专利提出以氨基酸为前驱体自下而上(bottom-up)的方法合成碳量子点，并对其荧光特性进行系统研究，用于痕量金属离子浓度的检测和建立高效快速检测金属离子浓度的方法。

发明内容

技术问题：

本发明要解决的技术问题是普通水热法制备的碳量子点的荧光量子产率均较低。我们以氨基酸为前驱体，一步制备的碳量子点具有荧光强度强、量子产率高、抗光漂白、水溶性好、耗时短，无需对前驱体的预处理等优势，从而完善碳量子点的合成方法。

本发明另外要解决的技术问题是利用该碳量子点，不加修饰直接快速高效检测金属离子的方法。

技术方案

本发明是基于如下的方案实现的：

1、氨基酸为前驱体自下而上(bottom-up)的方法合成碳量子点(CQDs)，其特征在于合成步骤为：

将一定量的氨基酸溶于一定量的蒸馏水中，超声成均一性溶液，在加热的条件下，快速倒入盛有一定量五氧化二磷的圆底烧瓶中，并快速塞住瓶口，反应一段时间，圆底烧瓶中溶液颜色为棕黑色，静置至室温，所得产物即为碳量子点。

2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所用加热温度为160～270℃，反应时间为1～5min。

3、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所用氨基酸前驱体量为0.2～0.8g，蒸馏水的量为1～5mL。

4、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所用的五氧化二磷的量为1～5g。