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磁核碳点制备及其主要影响因素分析

发布时间:2019-06-21 11:44所属分类:科技论文浏览:1

摘要:为富集碳点荧光信号,提高碳点在超痕量检测应用的灵敏性,用壳聚糖包埋磁核的纳米材料,通过水热法原位生成磁核碳点并进行表征,利用正交试验对其制备条件进行分析。试验结果表明,通过控制碳点生成的反应温度、反应时间和碳源浓度,可制备荧光性能优异

  摘要:为富集碳点荧光信号,提高碳点在超痕量检测应用的灵敏性,用壳聚糖包埋磁核的纳米材料,通过水热法原位生成磁核碳点并进行表征,利用正交试验对其制备条件进行分析。试验结果表明,通过控制碳点生成的反应温度、反应时间和碳源浓度,可制备荧光性能优异,并具有磁分离效果的碳点,其中反应温度是磁核碳点生成的关键影响因素(P=0.015)。该碳点的成功制备有利于提高检测灵敏度,应用前景广阔。

  关键词:磁核;碳点;磁分离;正交试验

计算物理

  荧光碳点(Carbondots,CDs)是21世纪初发现的一种新型的荧光纳米材料[1],它不仅由于极小的纳米尺度而具有优异的量子限域效应,而且具有良好的生物相容性和较高的荧光性能。与镧系金属量子点相比,新型荧光CDs不含有重金属元素,从而克服了传统量子点材料高毒性的缺点[2]。

  此外,荧光CDs的制备方法简单易行且可控性强,促使荧光CDs在光催化[1,3]、生化传感[4,5]、生物成像[6]、药物传递[7]等相关领域应用日益广泛。优异的荧光特性赋予碳点在检测领域的先天优势,通过不同建模方式,使碳点荧光信号与待测物发生相关性,建立荧光信号变化与目标分析物浓度之间的关系,从而实现目标分析物的定性和定量检测目标。

  碳点表面存在丰富的活性基团易与金属离子发生电子传递而导致荧光猝灭,因此大多数金属离子可以通过碳点荧光猝灭方式检测[8-10]。此外,通过配体修饰的碳点可特异结合生物细胞[11]、生物毒素[4]、致病菌[5]等,在快速检测方面正显示出巨大潜能。对有毒有害物检测的痕量检测是碳点应用的趋势[6],但是痕量检测对碳点信号的灵敏度提出了更高的要求,因此通过荧光信号放大实现超痕量检测已成为研究者关注的焦点[12],其中磁富集手段是实现信号放大的有效途径之一[13]。

  在无机量子点信号富集中已经出现磁核富集研究[14-16],对碳点而言,暂未看到有关磁富集方面的报道。本试验拟利用壳聚糖包埋磁核的碳源,通过水热法原位生成碳点制备磁核碳点,研究其生成的主要影响因素,为磁核碳点的制备提供技术依据。

  1材料与方法

  1.1试验材料和设备

  壳聚糖包埋磁核纳米材料由本实验室前期制备留用;无水乙醇、盐酸、氨水等试剂购于上海化学试剂总厂,均为分析纯;实验用水为超纯水(电阻率>18MΩ·cm)。磁铁购于本地五金市场,202-00A台式电热高温鼓风干燥箱购于天津市泰斯特仪器有限公司,100mL聚四氟乙烯内衬水热合成釜购于西安高温实验设备厂。

  1.2试验方法

  1.2.1预试验

  称量1.0g磁核纳米材料于50mL容量瓶中,添加10mL无水乙醇进行溶解,然后添加50mL纯水进一步分散,置于100mL聚四氟乙烯内衬水热合成釜中,在200℃高温烘箱中,水热反应2h获得褐色溶液,产物经6000rpm离心10min后,除去碳化大颗粒,取上清液过0.22μm滤膜,即得磁核碳点(Magneticcore-CDs,Mc-CDs)储备液,储备液低温保存,用于后续表征分析。

  1.2.2正交试验

  在预试验基础上,为进一步评价影响Mc-CDs制备的条件,根据文献资料和预试验结果,对其制备温度、时间和磁核材料的用量进行组合试验,利用设定如表1中的试验因素水平进行正交试验L9(34)。

  1.2.3表征

  利用普通的磁铁块对制备的Mc-CDs进行磁分离试验,磁铁块靠近添加Mc-CDs的试管,观察碳点在磁力作用下的移动和聚集状态,评价Mc-CDs的磁分离效果。用TEM、UV-vis、FTIR、荧光光谱仪等设备进行Mc-CDs表征。通过JEOL-4800场发射透射电子显微镜(FESEM,JEOL,Japan)获得碳点的TEM形貌图。

  利用UV-Vis2500分光光度计(日本Shimadzu)对紫外吸收光谱进行表征。利用Vetex70傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪(BrukerCorp,Germany)确定Mc-CDs表面的主要活性基团。通过LS-55荧光光谱仪(perkine-elmer,美国)获得Mc-CDs荧光光谱,其激发和发射缝隙宽度设为5nm。在350nm的激发波长下,记录300~600nm波长上的发射光谱。所有荧光测量进行三个重复试验。试验数据利用IBMSPSS19.0和Origin9.0软件进行分析和作图。

  2结果与分析

  2.1Mc-CDs的表征

  预试验制备的未经稀释的Mc-CDs在自然光下显示为黑褐色溶液,当磁铁块靠近溶液时,溶液颜色会迅速发生明显的变化。在磁力作用下,Mc-CDs会向磁块迅速移动,30min后,大量McCDs聚集于磁块附近,而溶液颜色由黑褐色变为透亮的清夜,由此我们判断,Mc-CDs具有非常良好的磁分离特性,可以用于磁富集,为进一步验证磁核碳点荧光特性提供条件。

  本试验所制备的Mc-CDs形貌表现为球形颗粒,如图1b的TEM图所示。该纳米粒子的直径尺寸约为50nm,预试验中没有对制备条件进行优化处理,磁核并不是很明显,而且纳米离子粒径也不是很均一,在后续试验中应进一步优化试验方案,控制McCDs的有序生成。对Mc-CDs的FTIR进行了分析,由图1c可见,该碳点在3370cm-1附近出现强的羟基(-OH)的伸缩振动吸收峰;在2940cm-1附近出现饱和C-H的伸缩振动峰;1650cm-1附近的C=O伸缩振动吸收峰是-COOH的振动;1400cm-1附近出现C=O的伸缩振动吸收峰;在1060cm-1附近C=O和C=N的伸缩振动吸收峰,1610cm-1归属于N-H的面内弯曲振动吸收峰。

  由FTIR图谱综合分析,本试验所制备的McCDs表面存在丰富的活性官能团,有利于后期实践应用。该碳点在267nm处观察到典型的芳香烃吸收峰为C=C双键的π-π*电子转移吸收,水热反应使有机物热分解过程中会出现碳原子重新组合,形成多环芳香化合物而引起紫外吸收。另外,该碳点在350nm附近具有明显的紫外吸收,这主要是由于碳点表面的羧基和氨基等基团的n-π*和n-σ*电子转移造成光吸收[3]。

  插图为碳点在普通光照条件下和用365nm紫外灯照射条件下的发光特点,可见该碳点在紫外灯下发射蓝色荧光。该磁核碳点的光学特性与文献报道的碳点材料一致。研究pH对Mc-CDs性能的影响时发现,在不同pH条件下,荧光发射峰没有发生移动,表明该碳点具有相对稳定的荧光发射峰位,不随pH变化而发生光谱移动。但是pH却会影响碳点荧光强度变化,当pH极低时,荧光几乎被猝灭,当pH值从3.0增至5.0时,碳点的荧光强度迅速升高,当pH值从5.0增至9.0时,碳点的荧光强度基本维持稳定,当pH值大于9.0时,碳点的荧光强度发生减弱现象;当pH值低于5.0或高于9.0时,荧光强度受到显著影响。这可能是由于在强酸或者强碱性条件下,可能发生质子化和去质子化作用。

  同时,碳点表面的功能基团O-H,N-H和-COOH等之间发生相互作用,引起碳点聚集而导致荧光猝灭[17]。试验进一步研究了激发波对Mc-CDs荧光发射的影响,当以不同激发波长(300-380nm)激发时,Mc-CDs荧光发射峰位置和强度均有变化,随着波长增大,发射光发射红移,而荧光强度减弱,显示出了碳点的荧光激发波依赖性,这与碳点的形貌也有直接关系,碳点颗粒大小的不均匀性是造成荧光激发波依赖性的主要因素。

  2.2正交试验分析

  正交试验结果以不同试验制备的Mc-CDs的荧光强度作为评价指标,用IBMSPSS19.0进行数据处理,4号和6号试验制备的Mc-CDs荧光强度远高于其他试验组的结果。极差分析结果显示,影响Mc-CDs的因素主次关系为磁核碳源>反应温度>反应时间。进而对各影响因素的显著性进行分析,同样发现磁核碳源对Mc-CDs的荧光强度具有显著影响(P=0.015<0.05)。

  在正交试验的9个试验中,6号和4号试验制备的Mc-CDs荧光强度远高于其他几个试验材料,同时他们各自的碳点溶液颜色也与荧光强度保持了一致性,6号试验荧光强度最高,其溶液颜色也较深,显黄褐色,而4号的荧光强度趋低,溶液颜色也略浅,显淡黄色。

  其他几个试验荧光强度非常弱,与之对应的是各自对应的碳点溶液颜色几乎是无色的。由此推断,影响Mc-CDs生成及其荧光特性的主要影响因素是反应温度,特点温度对碳源碳化形成碳点起着至关重要的作用,不同材料的碳化温度可能是一定的,达到碳化温度即可实现碳点生成,而碳源添加量和反应时间起到辅助作用,反应时间可能与碳点的增长有一定关系,这也会影响碳点量子特性,从而影响荧光特性。

  3讨论与结论

  本试验利用壳聚糖包埋的磁纳米颗粒进行碳点原位制备研究,结果表明,在控制反应温度、磁核碳源添加量和反应时间的条件下,可成功制备磁核碳点。经表征,该碳点具有一般碳点的光学特性,在磁分离方面显示出特有的应用前景。在制备过程中,反应温度是制备磁核碳点的关键影响因素,对碳点生成和碳点荧光均具有显著影响。磁核碳点的成功制备有利于扩大碳点的实践应用,为提高碳点荧光信号,便于为超痕量检测提供研究思路。

  参考文献:

  [1]ZuoJ,JiangT,ZhaoXJ,etal.PreparationandApplicationofFluorescentCarbonDots[J].JournalofNanomaterials,2015(10):1-13.

  [2]EstevesdaSilvaJCG,GoncalvesHMR.Analyticalandbioanalyticalapplicationsofcarbondots[J].TracTrendsinAnalyticalChemistry,2011,30(8):1327-1336.

  [3]MosconiD,MazzierD,SilvestriniS,etal.SynthesisandPhotochemicalApplicationsofProcessablePolymersEnclosingPhotoluminescentCarbonQuantumDots[J].ACSNano,2015,9(4):4156-4164.

  [4]HouJ,LiH,WangL,etal.Rapidmicrowave-assistedsynthesisofmolecularlyimprintedpolymersoncarbonquantumdotsforfluorescentsensingoftetracyclineinmilk[J].Talanta,2016(146):34-40.

  [5]WengCI,ChangHT,LinCH,etal.One-stepsynthesisofbiofunctionalcarbonquantumdotsforbacteriallabeling[J].BiosensBioelectron,2015(68):1-6.

  [6]MehtaVN,JhaS,BasuH,etal.One-stephydrothermalapproachtofabricatecarbondotsfromapplejuiceforimagingofmycobacteriumandfungalcells[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,2015(213):434-443.

  相关期刊推荐:《计算物理》是2007年清华大学出版社出版的图书,作者是NicholasJ.Giordano。本学科是随着计算机技术的飞跃进步而不断发展的一门学科,在借助各种数值计算方法的基础上,结合了实验物理和理论物理学的成果,开拓了人类认识自然界的新方法。

  

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