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磁核碳點制備及其主要影響因素分析

發布時間:2019-06-21所屬分類:科技論文瀏覽:1

摘要:為富集碳點熒光信號,提高碳點在超痕量檢測應用的靈敏性,用殼聚糖包埋磁核的納米材料,通過水熱法原位生成磁核碳點并進行表征,利用正交試驗對其制備條件進行分析。試驗結果表明,通過控制碳點生成的反應溫度、反應時間和碳源濃度,可制備熒光性能優異

  摘要:為富集碳點熒光信號,提高碳點在超痕量檢測應用的靈敏性,用殼聚糖包埋磁核的納米材料,通過水熱法原位生成磁核碳點并進行表征,利用正交試驗對其制備條件進行分析。試驗結果表明,通過控制碳點生成的反應溫度、反應時間和碳源濃度,可制備熒光性能優異,并具有磁分離效果的碳點,其中反應溫度是磁核碳點生成的關鍵影響因素(P=0.015)。該碳點的成功制備有利于提高檢測靈敏度,應用前景廣闊。

  關鍵詞:磁核;碳點;磁分離;正交試驗

計算物理

  熒光碳點(Carbondots,CDs)是21世紀初發現的一種新型的熒光納米材料[1],它不僅由于極小的納米尺度而具有優異的量子限域效應,而且具有良好的生物相容性和較高的熒光性能。與鑭系金屬量子點相比,新型熒光CDs不含有重金屬元素,從而克服了傳統量子點材料高毒性的缺點[2]。

  此外,熒光CDs的制備方法簡單易行且可控性強,促使熒光CDs在光催化[1,3]、生化傳感[4,5]、生物成像[6]、藥物傳遞[7]等相關領域應用日益廣泛。優異的熒光特性賦予碳點在檢測領域的先天優勢,通過不同建模方式,使碳點熒光信號與待測物發生相關性,建立熒光信號變化與目標分析物濃度之間的關系,從而實現目標分析物的定性和定量檢測目標。

  碳點表面存在豐富的活性基團易與金屬離子發生電子傳遞而導致熒光猝滅,因此大多數金屬離子可以通過碳點熒光猝滅方式檢測[8-10]。此外,通過配體修飾的碳點可特異結合生物細胞[11]、生物毒素[4]、致病菌[5]等,在快速檢測方面正顯示出巨大潛能。對有毒有害物檢測的痕量檢測是碳點應用的趨勢[6],但是痕量檢測對碳點信號的靈敏度提出了更高的要求,因此通過熒光信號放大實現超痕量檢測已成為研究者關注的焦點[12],其中磁富集手段是實現信號放大的有效途徑之一[13]。

  在無機量子點信號富集中已經出現磁核富集研究[14-16],對碳點而言,暫未看到有關磁富集方面的報道。本試驗擬利用殼聚糖包埋磁核的碳源,通過水熱法原位生成碳點制備磁核碳點,研究其生成的主要影響因素,為磁核碳點的制備提供技術依據。

  1材料與方法

  1.1試驗材料和設備

  殼聚糖包埋磁核納米材料由本實驗室前期制備留用;無水乙醇、鹽酸、氨水等試劑購于上海化學試劑總廠,均為分析純;實驗用水為超純水(電阻率>18MΩ·cm)。磁鐵購于本地五金市場,202-00A臺式電熱高溫鼓風干燥箱購于天津市泰斯特儀器有限公司,100mL聚四氟乙烯內襯水熱合成釜購于西安高溫實驗設備廠。

  1.2試驗方法

  1.2.1預試驗

  稱量1.0g磁核納米材料于50mL容量瓶中,添加10mL無水乙醇進行溶解,然后添加50mL純水進一步分散,置于100mL聚四氟乙烯內襯水熱合成釜中,在200℃高溫烘箱中,水熱反應2h獲得褐色溶液,產物經6000rpm離心10min后,除去碳化大顆粒,取上清液過0.22μm濾膜,即得磁核碳點(Magneticcore-CDs,Mc-CDs)儲備液,儲備液低溫保存,用于后續表征分析。

  1.2.2正交試驗

  在預試驗基礎上,為進一步評價影響Mc-CDs制備的條件,根據文獻資料和預試驗結果,對其制備溫度、時間和磁核材料的用量進行組合試驗,利用設定如表1中的試驗因素水平進行正交試驗L9(34)。

  1.2.3表征

  利用普通的磁鐵塊對制備的Mc-CDs進行磁分離試驗,磁鐵塊靠近添加Mc-CDs的試管,觀察碳點在磁力作用下的移動和聚集狀態,評價Mc-CDs的磁分離效果。用TEM、UV-vis、FTIR、熒光光譜儀等設備進行Mc-CDs表征。通過JEOL-4800場發射透射電子顯微鏡(FESEM,JEOL,Japan)獲得碳點的TEM形貌圖。

  利用UV-Vis2500分光光度計(日本Shimadzu)對紫外吸收光譜進行表征。利用Vetex70傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀(BrukerCorp,Germany)確定Mc-CDs表面的主要活性基團。通過LS-55熒光光譜儀(perkine-elmer,美國)獲得Mc-CDs熒光光譜,其激發和發射縫隙寬度設為5nm。在350nm的激發波長下,記錄300~600nm波長上的發射光譜。所有熒光測量進行三個重復試驗。試驗數據利用IBMSPSS19.0和Origin9.0軟件進行分析和作圖。

  2結果與分析

  2.1Mc-CDs的表征

  預試驗制備的未經稀釋的Mc-CDs在自然光下顯示為黑褐色溶液,當磁鐵塊靠近溶液時,溶液顏色會迅速發生明顯的變化。在磁力作用下,Mc-CDs會向磁塊迅速移動,30min后,大量McCDs聚集于磁塊附近,而溶液顏色由黑褐色變為透亮的清夜,由此我們判斷,Mc-CDs具有非常良好的磁分離特性,可以用于磁富集,為進一步驗證磁核碳點熒光特性提供條件。

  本試驗所制備的Mc-CDs形貌表現為球形顆粒,如圖1b的TEM圖所示。該納米粒子的直徑尺寸約為50nm,預試驗中沒有對制備條件進行優化處理,磁核并不是很明顯,而且納米離子粒徑也不是很均一,在后續試驗中應進一步優化試驗方案,控制McCDs的有序生成。對Mc-CDs的FTIR進行了分析,由圖1c可見,該碳點在3370cm-1附近出現強的羥基(-OH)的伸縮振動吸收峰;在2940cm-1附近出現飽和C-H的伸縮振動峰;1650cm-1附近的C=O伸縮振動吸收峰是-COOH的振動;1400cm-1附近出現C=O的伸縮振動吸收峰;在1060cm-1附近C=O和C=N的伸縮振動吸收峰,1610cm-1歸屬于N-H的面內彎曲振動吸收峰。

  由FTIR圖譜綜合分析,本試驗所制備的McCDs表面存在豐富的活性官能團,有利于后期實踐應用。該碳點在267nm處觀察到典型的芳香烴吸收峰為C=C雙鍵的π-π*電子轉移吸收,水熱反應使有機物熱分解過程中會出現碳原子重新組合,形成多環芳香化合物而引起紫外吸收。另外,該碳點在350nm附近具有明顯的紫外吸收,這主要是由于碳點表面的羧基和氨基等基團的n-π*和n-σ*電子轉移造成光吸收[3]。

  插圖為碳點在普通光照條件下和用365nm紫外燈照射條件下的發光特點,可見該碳點在紫外燈下發射藍色熒光。該磁核碳點的光學特性與文獻報道的碳點材料一致。研究pH對Mc-CDs性能的影響時發現,在不同pH條件下,熒光發射峰沒有發生移動,表明該碳點具有相對穩定的熒光發射峰位,不隨pH變化而發生光譜移動。但是pH卻會影響碳點熒光強度變化,當pH極低時,熒光幾乎被猝滅,當pH值從3.0增至5.0時,碳點的熒光強度迅速升高,當pH值從5.0增至9.0時,碳點的熒光強度基本維持穩定,當pH值大于9.0時,碳點的熒光強度發生減弱現象;當pH值低于5.0或高于9.0時,熒光強度受到顯著影響。這可能是由于在強酸或者強堿性條件下,可能發生質子化和去質子化作用。

  同時,碳點表面的功能基團O-H,N-H和-COOH等之間發生相互作用,引起碳點聚集而導致熒光猝滅[17]。試驗進一步研究了激發波對Mc-CDs熒光發射的影響,當以不同激發波長(300-380nm)激發時,Mc-CDs熒光發射峰位置和強度均有變化,隨著波長增大,發射光發射紅移,而熒光強度減弱,顯示出了碳點的熒光激發波依賴性,這與碳點的形貌也有直接關系,碳點顆粒大小的不均勻性是造成熒光激發波依賴性的主要因素。

  2.2正交試驗分析

  正交試驗結果以不同試驗制備的Mc-CDs的熒光強度作為評價指標,用IBMSPSS19.0進行數據處理,4號和6號試驗制備的Mc-CDs熒光強度遠高于其他試驗組的結果。極差分析結果顯示,影響Mc-CDs的因素主次關系為磁核碳源>反應溫度>反應時間。進而對各影響因素的顯著性進行分析,同樣發現磁核碳源對Mc-CDs的熒光強度具有顯著影響(P=0.015<0.05)。

  在正交試驗的9個試驗中,6號和4號試驗制備的Mc-CDs熒光強度遠高于其他幾個試驗材料,同時他們各自的碳點溶液顏色也與熒光強度保持了一致性,6號試驗熒光強度最高,其溶液顏色也較深,顯黃褐色,而4號的熒光強度趨低,溶液顏色也略淺,顯淡黃色。

  其他幾個試驗熒光強度非常弱,與之對應的是各自對應的碳點溶液顏色幾乎是無色的。由此推斷,影響Mc-CDs生成及其熒光特性的主要影響因素是反應溫度,特點溫度對碳源碳化形成碳點起著至關重要的作用,不同材料的碳化溫度可能是一定的,達到碳化溫度即可實現碳點生成,而碳源添加量和反應時間起到輔助作用,反應時間可能與碳點的增長有一定關系,這也會影響碳點量子特性,從而影響熒光特性。

  3討論與結論

  本試驗利用殼聚糖包埋的磁納米顆粒進行碳點原位制備研究,結果表明,在控制反應溫度、磁核碳源添加量和反應時間的條件下,可成功制備磁核碳點。經表征,該碳點具有一般碳點的光學特性,在磁分離方面顯示出特有的應用前景。在制備過程中,反應溫度是制備磁核碳點的關鍵影響因素,對碳點生成和碳點熒光均具有顯著影響。磁核碳點的成功制備有利于擴大碳點的實踐應用,為提高碳點熒光信號,便于為超痕量檢測提供研究思路。

  參考文獻:

  [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.

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