碳量子点的制备及其在食品检测中的应用

碳量子点的制备及其在食品检测中的应

用

摘要：碳量子点（CDs）因合成方法不同、碳源材料不同其光学性能各不相同。其共有的性质就是 CDs发射波长的位置和强度会随着激发波长的改变而改变，究其原因多数文献认为是因粒径大小不均匀所致，但是对于其具体的作用机理目

前研究还没有很明确的结论。结合文献总结出CDs的这些性质可能与其制备原料

的结构、合成条件以及分离过程有关。在大量学者的研究基础之上，本论文尝试

以不同有机化合物为原料，通过掺杂N、S等杂元素以改善其发光性能，开发其

在分析检测中的实际应用。

关键词：碳量子点；有机化合物；食品检测

1.

引言

纵观这些年荧光纳米材料的研究趋势，无疑最受欢迎的荧光纳米材料是CDs。首先碳元素在地壳中的分布非常广泛，而且在生物体内的含量也是非常的高，并

且碳能够在很多反应中形成很多有用的化合物。另外CDs对生物体一般都是呈现

出低毒性甚至是无毒性等优势性状，这也使得CDs在生物应用方面具有非常大的

潜力，随着科研的不断进步也正在慢慢实现，如CDs作为一种生物荧光标记材料，对生物的相关性状进行实时研究。最后CDs由于表面都含有大量丰富的含氧基团，具有很好的水溶性。综合这些原因不难发现CDs受到越来越多学者的追捧也是有

它的道理的。本文分别从CDs的制备以及应用等几个方面做简单的阐述。

（一）碳量子点制备

取0.2315g邻苯二酚、间苯二酚以及对苯二酚分别溶解在30mL的去离子水中，充分溶解后在通风橱里面快速滴加300μL的乙二胺溶液，最后将溶液转移

到50mL的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在烘箱中200℃下反应7小时。反

应完成后将反应液自然冷却至室温，用吸管取出反应后的溶液用0.22μm过滤膜

过滤较大的颗粒，然后再用3500DA的透析膜在去离子水中透析24小时以除去未

反应的原料以及其它杂质颗粒。透析后的CDs溶液最后用离心机在12000rpm转

速下离心15分钟，最后得到的CDs溶液放在冷冻干燥箱中冷冻干燥72小时，得

到的CDs保存在4℃冰箱中备用。

（一）实验部分

检测三聚氰胺：先配好浓度为1.1mg/mL的CDs溶液以及多种浓度的Mel溶液，溶剂都为去离子水。取850μL的CDs溶液（先测定CDs的初始荧光强度），150μL的PAH-AgNPs溶液，将CDs溶液与PAH-AgNPs溶液按这种体积比混合并测

定此时混合液的荧光光谱图记录好相关实验数据。随后分别向上述混合溶液中加

入不同浓度的Mel溶液，反应适当时间后用离心机在5000rpm的条件下离心20

分钟，再分别测量处理后溶液的荧光光谱图并做好相关实验记录。

检测牛奶样中的三聚氰胺：验证该方法对固体牛奶样品中Mel的检测效果。

首先对牛奶做前期的样品处理，具体处理过程如下：称取2.0g牛奶，向牛奶中

依次加入1.5mL10%三氯乙酸、5.0mL乙腈用于去除牛奶中的蛋白质和脂肪，再加

入375μL1.0MNa2CO3去除牛奶中的钙离子。将混合溶液移至离心管中震荡10min，然后在12000rpm转速下离心15分钟，取上层清液通过0.22μm过滤器去除滤液

中的颗粒物，将滤液稀释至10mL用于分析。采用加标法向牛奶样品中分别加入

不同浓度的Mel，对加标后的Mel含量进行检测分析。

检测三聚氰胺：在上述优化条件下，随着Mel加入CDs/PAH-AgNPs混合溶液

中的量慢慢增加，混合溶液的荧光也慢慢恢复（如图1A）。如图4.9B，Mel加入

的量在0.5-30μM范围内时，与荧光恢复强度成线性关系，线性方程为[（F-F'0）/（F0–F'0）]=0.0244[Mel]+0.0042（R2=0.9953）（图1B内插图），其中F0

表示CDs的初始荧光强度，F'0表示混合溶液的荧光强度，F代表混合溶液中分

别加入不同浓度的Mel后的荧光强度。最终线性范围为0.5-30μM，并且通过

3δ/k计算出该荧光探针对Mel的检测限为43nM（δ代表测量10次不加入Mel

空白荧光信号的标准偏差，k表示测量的出的线性方程的斜率）。

图1（A）CDs/PAH-AgNPs加入不同浓度Mel的荧光光谱图，从a到n对应

Mel的浓度分别是：0，0.5，1.0，2.0，3.5，6.0，8.0，10，15，20，30，40，50，60μM；（B）CDs荧光发射光谱500nm处的荧光强度与加入的Mel量的曲线图，内插图：对应的线性校准曲线。

为了评估CDs对Mel的选择性以及对其他物质的抗干扰能力，分别做了选择

性和干扰性实验。选择性实验的对象主要是一些常见的离子、有机小分子以及氨

基酸，如K+，Na+，Ni2+，Fe2+，Zn2+，Fe3+，Mg2+，Ba2+，Ca2+，NO3-，Cl-，CO32-，SO42-，PAB，TEA，GUA，PRG，Thr，Arg，His，Asp，Ser，Mel。结果如

图2A所示，其它离子、有机小分子或者氨基酸加入后CDs荧光恢复相对于Mel

加入后恢复的程度来说都是非常的小，说明该检测体系对Mel具有很好的选择性

效果。接着做干扰试验，将浓度为50μMMel和其它离子、有机小分子以及氨基

酸分别都存在于待检测体系中用来考察检测Mel的效果，如K+，Na+，Ni2+，

Fe2+，Zn2+，Fe3+，Mg2+，Ba2+，Ca2+，NO3-，Cl-，CO32-，SO42-，PAB，TEA，GUA，PRG，Thr，Arg，His，Asp，Ser，Mel。结果如图2B所示，Mel与其它干扰

物质共存时也能够使1.1mg/mLCDs与PAH-AgNPs按体积比为17:3混合溶液的荧

光很好的恢复，与不同的干扰物质共存时检测结果偏差在5%以内，说明该检测体

系对Mel的检测具有比较好的抗干扰性。F代表CDs/PAH-AgNPs混合溶液中加入Mel的荧光强度，F1代表CDs/PAH-AgNPs混合溶液加入干扰物质后的荧光强度，

F2代表CDs/PAH-AgNPs混合溶液在Mel与干扰物质共存情况下恢复的荧光强度。