氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法转让专利
申请号 : CN201710105908.2
文献号 : CN106978160B
文献日 : 2019-07-05
发明人 : 王海涛 , 谭明乾 , 毕景然 , 刘珊 , 谢伊莎 , 宋玉昆
申请人 : 大连工业大学
摘要 :
本发明公开了一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，包括以下步骤：A、以富含蛋白质的鱼类加工废弃物为原料，清洗之后切成质量为10‑100克的鱼肉块；B、将切块后的鱼肉块原料进行热处理，其中热处理温度为100‑500℃，处理时间为10‑60 min；C、将经过烤制的鱼肉块浸泡于有机溶剂中浸提，其中浸提时间为2‑48小时，料液比为1:1‑1:10；D、浸提处理后，收集液相，旋转蒸发除去有机溶剂；E、脂溶性有机溶剂脱脂后采用体积排阻凝胶柱层析纯化，与含铁离子化合物复配后即为碳纳米荧光探针，其中纳米颗粒与铁离子质量比为20:1‑5:1。本发明氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，检测过程操作简单方便、灵敏度高且选择性好，检测结果直观、可定量检测。
权利要求 :
1.一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A、以富含蛋白质的鱼类加工废弃物为原料，清洗之后切成质量为10-100克的鱼肉块；
B、将切块后的鱼肉块原料进行烤制，其中烤制温度为100-500℃，处理时间为10-60 min；
C、将经过烤制的鱼肉块浸泡于有机溶剂中浸提，其中浸提时间为2-48小时，料液比为
1:1-1:10；
D、浸提处理后，收集液相，旋转蒸发除去有机溶剂；
E、脂溶性有机溶剂脱脂后采用体积排阻凝胶柱层析纯化，与含铁离子化合物复配后即为碳纳米荧光探针，其中纳米颗粒与铁离子质量比为20:1-5:1。
2.根据权利要求1所述的一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，其特征在于：所述步骤A中鱼类为淡水鱼类。
3.根据权利要求1所述的一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，其特征在于：所述步骤A中鱼肉块的厚度为0.1-10厘米。
4.根据权利要求1所述的一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，其特征在于：所述步骤C中的有机溶剂为乙醇、甲醇、乙醚、乙酸乙酯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，其特征在于：所述步骤E中脂溶性有机溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、正己烷、异丙醇中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，其特征在于：所述步骤E中体积排阻凝胶柱为交联葡聚糖、琼脂糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，其特征在于：所述步骤E中含铁离子化合物为氯化铁、硝酸铁、乙酸铁、硫酸铁铁盐以及它们的水合物。
说明书 :
氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及荧光探针的制备及应用技术领域，尤其涉及一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法。
背景技术
[0002] 现有技术中，碳纳米颗粒是指直径小于100纳米的颗粒，碳纳米颗粒具有优异的光学性能，在特定波长激发光的作用下可以发出明亮的荧光，在金属离子检测、生物成像、药物递送等领域有着广泛的应用，就其制备方法而言，包括自上而下的通过大块物质裂解制备纳米颗粒的方法和自下而上的通过小分子聚合合成纳米颗粒的方法，自上而下的方法通常需要较为苛刻的条件，并且制备的纳米颗粒荧光产率相对较低，自下而上的制备方法简单，可以方便的制备纳米颗粒，通常通过采用掺杂其他元素的方法，得到高荧光量子产率的碳纳米颗粒，常用于掺杂元素是氮，另一方面，废弃物的再利用也是绿色化学中非常重要的问题，目前通过鱼类加工废弃物制备氮硫掺杂碳点的方法还未见报道，维生素C 是一种己糖醛基酸，具有抗坏血病的作用，也称作抗坏血酸，在维持人体健康方面发挥着重要的作用，同时，维生素C还是一种抗氧化剂和自由基清除剂，能够缓和多种疾病的氧化应激，是一种与生命活动密切相关的有机化合物，维生素C 是一种水溶性维生素，在常态下不稳定，容易被空气中的氧所氧化，易受温度、pH值、酶、铜离子、铁离子、紫外线以及糖、盐等的影响；同时，对于人类来讲，维生素C必须从食物中摄取，因此，检测维生素C含量不仅可以评价食品品质，还对研究维生素C在饮食健康、医疗保健和食品保鲜方面都具有十分重要的意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种突破传统制备方式，降低生产成本低，实现过程简单、可控的氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法。
[0004] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，包括以下步骤：
[0005] A、以富含蛋白质的鱼类加工废弃物为原料，清洗之后切成质量为10-100克的鱼肉块；
[0006] B、将切块后的鱼肉块原料进行热处理，其中热处理温度为100-500℃，处理时间为10-60 min；
[0007] C、将经过烤制的鱼肉块浸泡于有机溶剂中浸提，其中浸提时间为2-48小时，料液比为 1:1-1:10；
[0008] D、浸提处理后，收集液相，旋转蒸发除去有机溶剂；
[0009] E、脂溶性有机溶剂脱脂后采用体积排阻凝胶柱层析纯化，与含铁离子化合物复配后即为碳纳米荧光探针，其中纳米颗粒与铁离子质量比为20:1-5:1。
[0010] 所述步骤A中鱼类为淡水鱼类。
[0011] 所述步骤A中鱼肉块的最大厚度为0.1-10厘米。
[0012] 所述步骤C中的有机溶剂为乙醇、甲醇、乙醚、乙酸乙酯中的一种或几种。
[0013] 所述步骤E中脂溶性有机溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、正己烷、异丙醇中的一种或几种。
[0014] 所述步骤E中体积排阻凝胶柱为交联葡聚糖、琼脂糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶中的一种或几种。
[0015] 所述步骤E中含铁离子化合物为氯化铁、硝酸铁、乙酸铁、硫酸铁铁盐以及它们的水合物。
[0016] 本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，检测过程操作简单方便、灵敏度高且选择性好，检测结果直观、可定量检测。
附图说明
[0017] 图1是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例一制备的碳纳米荧光探针的粒径分布示意图。
[0018] 图2是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例一制备的碳纳米荧光探针的X射线光电子能谱扫描图。
[0019] 图3是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例一制备的碳纳米荧光探针的C1s精细谱图。
[0020] 图4是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例一制备的碳纳米荧光探针的N1s精细谱图。
[0021] 图5是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例一制备的碳纳米荧光探针的O1s精细谱图。
[0022] 图6是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例一制备的碳纳米荧光探针的S2p精细谱图。
[0023] 图7是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例一制备的碳纳米荧光探针的红外光谱图。
[0024] 图8是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例二中的Fe3+浓度对荧光强度的影响示意图。
[0025] 图9是本发明一种氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法的实施例五中的维生素C浓度对荧光强度的影响示意图。
具体实施方式
[0026] 如图1-图9所示，氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，包括以下步骤：
[0027] A、以富含蛋白质的鱼类加工废弃物为原料，清洗之后切成质量为10-100克的鱼肉块，其中最大厚度为0.1-10厘米，其中鱼类为鲫鱼、鲤鱼等淡水鱼类；B、将切块后的鱼肉块原料进行热处理，其中热处理温度为100-500℃，处理时间为10-60 min；C、将经过烤制的鱼肉块浸泡于有机溶剂中浸提，其中浸提时间为2-48小时，料液比为 1:1-1:10，有机溶剂包括乙醇、甲醇、乙醚、乙酸乙酯中的一种或几种，；D、浸提处理后，收集液相，旋转蒸发除去有机溶剂；E、脂溶性有机溶剂脱脂后采用体积排阻凝胶柱层析纯化，与含铁离子化合物复配后即为碳纳米荧光探针，其中纳米颗粒与铁离子质量比为20:1-5:1，有脂溶性有机溶剂包括三氯甲烷、二氯甲烷、正己烷、异丙醇中的一种或几种，体积排阻凝胶柱包括：Sephadex 交联葡聚糖、Sepharose 琼脂糖凝胶、Bio-Gel P 聚丙烯酰胺凝胶中的一种或几种，含铁离子化合物包括：氯化铁、硝酸铁、乙酸铁、硫酸铁等铁盐以及它们的水合物，该碳纳米荧光探针应用于还原性物质检测，尤其是维生素C的检测，检测中激发光范围为250-400纳米，发射光范围是400-600纳米，维生素C的检测是基于“开-关-开”三态发射的。
[0028] 实施例一：氮硫掺杂的碳纳米颗粒的制备，将鲫鱼洗净，切成10-20 g肉块，在400 ℃烤制30 min，自然冷却后通过乙醇浸提提取纳米颗粒，料液比为1:5，提取时间为15小时；通过真空旋转蒸发器将乙醇粗提物中的乙醇除去；残留物采用水复溶后采用三氯甲烷萃取脱脂，水与三氯甲烷的体积比为1:1，至水相溶液澄清透明为止（重复5次）；将水相粗提溶液过G-25葡聚糖凝胶柱层析，收集荧光强度高于80（激发波长=340 nm，发射波长=410 nm）部分，冻干后即得到的粉末状的碳纳米颗粒，通过透射电镜观察，发现其呈球形，平均粒径为
16.7 nm，碳纳米荧光产率通过已知的公式测量，Φ1=Φ2I1A2η21/I2A1η22 ，要求吸光度A1，A2 小于0.1，以减少误差，采用硫酸奎宁作为参比物，I2-硫酸奎宁荧光强度的积分面积值，I1-纳米颗粒荧光强度的积分面积值，A2-硫酸奎宁的紫外吸收值，A1-纳米颗粒荧光强度的紫外吸收值，η2-硫酸奎宁溶剂的折射率，η1-纳米颗粒的折射率。制备碳纳米量子荧光量子产率为12.6%，通过X射线光电子能谱分析，制得的纳米颗粒由碳、氮、氧和硫组成，其比例为57.15%、15.64%、26.1%和1.11%，同时，X射线光电子能谱分析与傅里叶红外光谱分析表明其表面含有丰富的官能团，包括羟基、羰基、氨基等。
16.7 nm，碳纳米荧光产率通过已知的公式测量，Φ1=Φ2I1A2η21/I2A1η22 ，要求吸光度A1，A2 小于0.1，以减少误差，采用硫酸奎宁作为参比物，I2-硫酸奎宁荧光强度的积分面积值，I1-纳米颗粒荧光强度的积分面积值，A2-硫酸奎宁的紫外吸收值，A1-纳米颗粒荧光强度的紫外吸收值，η2-硫酸奎宁溶剂的折射率，η1-纳米颗粒的折射率。制备碳纳米量子荧光量子产率为12.6%，通过X射线光电子能谱分析，制得的纳米颗粒由碳、氮、氧和硫组成，其比例为57.15%、15.64%、26.1%和1.11%，同时，X射线光电子能谱分析与傅里叶红外光谱分析表明其表面含有丰富的官能团，包括羟基、羰基、氨基等。
[0029] 实施例二：用于维生素C检测的碳纳米荧光探针的制备，将实施例一中制得的纳米颗粒配置成浓度为0.1 mg mL-1的水溶液，向其中加入氯化铁，使其终浓度分别10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 300, 400, 500 μmol L-1，充分混合后，后静置2 min，采用检测波长范围涵盖280-700nm的荧光光度计检测标准溶液中的荧光强度F1，检测条件为激发波长为340 nm，发射波长410 nm ，空白对照组（未加铁离子）的荧光强度为F0 （激发波长为
340 nm，发射波长410 nm ），绘制出荧光淬灭强度（（F0- F1）/ F0）与Fe3+浓度之间的标准曲线，图8 为碳纳米荧光探针对Fe3+的敏感性分析图，可见随着Fe3+浓度的增加，碳纳米颗粒荧光强度逐渐降低，说明该碳纳米颗粒对Fe3+的浓度很敏感；但当[Fe3+] ≥100 μmol L-1 时，碳纳米颗粒的荧光强度的降低和铁离子浓度的升高不再具有线性关系；以Fe3+溶液浓度范围在10-100 μmol L-1 为横坐标，以荧光淬灭强度（（F0- F1）/ F0）为纵坐标，可制得线性回归方程y=0.00378x+0.01998，相关系数R2＝0.9948，将实施例中1制得的纳米颗粒配置成浓度为0.1 mg mL-1的水溶液，加入氯化铁溶液，使之终浓度为40 μmol L-1，静置
10分钟后，纳米颗粒与铁离子配合后即可得到荧光探针，在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，其荧光强度因铁离子的存在发生淬灭，可以用于维生素C的检测。
340 nm，发射波长410 nm ），绘制出荧光淬灭强度（（F0- F1）/ F0）与Fe3+浓度之间的标准曲线，图8 为碳纳米荧光探针对Fe3+的敏感性分析图，可见随着Fe3+浓度的增加，碳纳米颗粒荧光强度逐渐降低，说明该碳纳米颗粒对Fe3+的浓度很敏感；但当[Fe3+] ≥100 μmol L-1 时，碳纳米颗粒的荧光强度的降低和铁离子浓度的升高不再具有线性关系；以Fe3+溶液浓度范围在10-100 μmol L-1 为横坐标，以荧光淬灭强度（（F0- F1）/ F0）为纵坐标，可制得线性回归方程y=0.00378x+0.01998，相关系数R2＝0.9948，将实施例中1制得的纳米颗粒配置成浓度为0.1 mg mL-1的水溶液，加入氯化铁溶液，使之终浓度为40 μmol L-1，静置
10分钟后，纳米颗粒与铁离子配合后即可得到荧光探针，在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，其荧光强度因铁离子的存在发生淬灭，可以用于维生素C的检测。
[0030] 实施例三：用于维生素C检测的碳纳米荧光探针的制备，将实施例一中制得的纳米颗粒配置成浓度为0.1 mg mL-1的水溶液，加入氯化铁溶液，使之终浓度为100 μmol L-1，静置10分钟后，纳米颗粒与铁离子配合后即可得到荧光探针，在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，可以用于维生素C的检测。
[0031] 实施例四：用于维生素C检测的碳纳米荧光探针的制备，将实施例一中制得的纳米颗粒配置成浓度为0.1 mg mL-1的水溶液，加入氯化铁溶液，使之终浓度为150μmol L-1。静置10分钟后，纳米颗粒与铁离子配合后即可得到荧光探针。在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，可以用于维生素C的检测。
[0032] 实施例五：维生素C的检测，将实施例三中制得的碳纳米荧光探针用于检测维生素C的含量，取1.9 mL上述碳纳米荧光探针溶液，加入维生素C使其终浓度分别为10, 40, 80, 150, 250, 400, 500 μmol L-1，充分混合后，后静置30 min，采用检测波长范围涵盖280-
700nm的荧光光度计检测标准溶液中的荧光强度F1，检测条件为激发波长为340 nm，发射波长410 nm ，空白对照组（未加铁离子）的荧光强度为F0 （激发波长为340 nm，发射波长410 nm ），绘制出荧光淬灭强度（（F1- F0）/ F0）与维生素C浓度之间的标准曲线，图9 为碳纳米荧光探针对维生素C的敏感性分析图，可见碳纳米荧光探针随着维生素C浓度的增加，荧光强度逐渐升高，说明该碳纳米荧光探针对维生素C的浓度敏感；但当维生素C浓度 ≥250 μmol L-1 时，碳纳米的荧光强度的升高和维生素C浓度的升高不再具有线性关系；以维生素C浓度范围在10-250 μmol L-1 为横坐标，以荧光淬灭强度（（F0- F1）/ F0）为纵坐标，可制得线性回归方程y=0.000862x+0.01505，相关系数R2＝0.9108，将实施例三中制得的碳纳米荧光探针用于检测维生素C的含量，取1.9 mL上述碳纳米荧光探针溶液，加入0.1 mL 0.8 mmol L-1的维生素C溶液，在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，在加入还原性物质后，铁离子被还原成亚铁离子，因铁离子存在导致荧光强度淬灭在一定程度上得到恢复，其恢复程度与还原性物质加入量成正比，实现荧光的“开-关-开”的响应，达到测定目的，在本例中，根据标准曲线计算获得其浓度为0.84 mmol L-1，回收率为105%。
700nm的荧光光度计检测标准溶液中的荧光强度F1，检测条件为激发波长为340 nm，发射波长410 nm ，空白对照组（未加铁离子）的荧光强度为F0 （激发波长为340 nm，发射波长410 nm ），绘制出荧光淬灭强度（（F1- F0）/ F0）与维生素C浓度之间的标准曲线，图9 为碳纳米荧光探针对维生素C的敏感性分析图，可见碳纳米荧光探针随着维生素C浓度的增加，荧光强度逐渐升高，说明该碳纳米荧光探针对维生素C的浓度敏感；但当维生素C浓度 ≥250 μmol L-1 时，碳纳米的荧光强度的升高和维生素C浓度的升高不再具有线性关系；以维生素C浓度范围在10-250 μmol L-1 为横坐标，以荧光淬灭强度（（F0- F1）/ F0）为纵坐标，可制得线性回归方程y=0.000862x+0.01505，相关系数R2＝0.9108，将实施例三中制得的碳纳米荧光探针用于检测维生素C的含量，取1.9 mL上述碳纳米荧光探针溶液，加入0.1 mL 0.8 mmol L-1的维生素C溶液，在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，在加入还原性物质后，铁离子被还原成亚铁离子，因铁离子存在导致荧光强度淬灭在一定程度上得到恢复，其恢复程度与还原性物质加入量成正比，实现荧光的“开-关-开”的响应，达到测定目的，在本例中，根据标准曲线计算获得其浓度为0.84 mmol L-1，回收率为105%。
[0033] 实施例六：维生素C的检测，将实施例三中制得的碳纳米荧光探针用于检测维生素C的含量，取1.9 mL上述碳纳米荧光探针溶液，加入0.1 mL 1.6 mmol L-1的维生素C溶液，在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，在加入还原性物质后，铁离子被还原成亚铁离子，因铁离子存在导致荧光强度淬灭在一定程度上得到恢复，其恢复程度与还原性物质加入量成正比，实现荧光的“开-关-开”的响应，达到测定目的，在本例中根据标准曲线计算获得其浓度为1.82 mmol L-1，回收率为114%。
[0034] 实施例7：维生素C的检测，将实施例三中制得的碳纳米荧光探针用于检测维生素C的含量，取1.9 mL上述碳纳米荧光探针溶液，加入0.1 mL 5.0 mmol L-1的维生素C溶液，在340 纳米激发光下，在410纳米下检测荧光强度，在加入还原性物质后，铁离子被还原成亚铁离子，因铁离子存在导致荧光强度淬灭在一定程度上得到恢复，其恢复程度与还原性物质加入量成正比，实现荧光的“开-关-开”的响应，达到测定目的，在本例中，根据标准曲线计算获得其浓度为5.2 mmol L-1，回收率为104%，本发明氮硫掺杂碳纳米荧光探针绿色制备方法，原料易得、成本低、过程简单可控，即对烤鱼进行简单的有机溶剂提取、旋蒸、萃取、凝胶层析即可，所得碳纳米为直径小于20纳米的球状结构，具有荧光寿命长、量子效率高、结果重复性好的特点。