一种生物质衍生氮掺杂碳量子点、制备方法及在检测Cu2+和Fe3+中的应用

本发明属于碳纳米材料，更具体地，涉及一种生物质衍生氮掺杂碳量子点、制备方法及在检测cu2+和fe3+中的应用。

背景技术：

1、碳量子点通常被认为是尺寸小于10nm、具有荧光性质的零维碳基材料，目前被普遍接受的机制有量子限域效应、表面态发光和分子态发光等。作为一种新型材料，碳量子点在生物医学、化学催化、印刷防伪、离子检测及传感等领域具有广泛的应用。

2、传统分析重金属离子浓度的方法有很多，如紫外分光光度法、原子吸收光谱法、原子荧光法等，然而其普遍存在检测设备昂贵、操作过程复杂、检测时间长等缺点。生物质衍生碳量子点的原料廉价易得，合成方法简单，工艺绿色环保，制得的碳量子点荧光量子产率高，凭借荧光标记特性可以将碳量子点应用于金属离子即时检测，使得检测周期、成本大为降低。

3、近年来，有关碳量子点作为荧光探针应用于重金属离子检测的报道很多。cn201911201883.1公开了一种以杨桃为碳源的碳量子点的制备方法及其在cu2+检测中的应用。所述方法采用新鲜杨桃汁和聚乙烯亚胺为前驱体，利用水热法一步合成氨基功能化的绿色荧光碳量子点，该量子点在cu2+浓度为0-45μm区间内呈现较好的线性关系。cn202210454107.8公开了一种以废弃苹果树叶为碳源、加入少量磷酸脲制备氮-磷共掺杂荧光碳量子点的方法，获得的碳量子点可用于检测自来水中的微量fe3+和生物成像。然而，现有方法制备的碳量子点仍然存在发光强度较低、检测效果不明显、检出限高(如：对cu2+和fe3+的检出限分别为0.49μm和4.0μm)等不足，难以满足更高的检出需求。此外，现有方法合成的碳量子点绝大多数只表现为单一的发射，即使发光可调也不具备相应的重金属离子响应性，这限制了碳量子点在传感领域的广泛应用。因此，开发更为高效的碳量子点，提高对重金属离子的检测灵敏度和准确度，构建发光可调且具备重金属离子响应性的碳量子点传感器件尤为重要。

技术实现思路

1、本发明为克服现有碳量子点发射单一，发光可调但不具备重金属离子响应性，以及在检测cu2+或fe3+浓度时，存在检测灵敏度低、检测特异性不强等问题，提供了一种生物质衍生氮掺杂碳量子点。

2、本发明解决的另一技术问题是提供所述生物质衍生氮掺杂碳量子点在检测cu2+及fe3+中的应用。

3、本发明是通过以下技术方案实现的：

4、一种生物质衍生氮掺杂碳量子点、制备方法及在检测cu2+和fe3+中的应用，所述生物质衍生氮掺杂碳量子点以铜钱草粉末、二胺类有机物为前驱体，经水热反应后离心、透析得到。

5、进一步地，所述二胺类有机物为乙二胺和对苯二胺中的任意一种。

6、进一步地，所述铜钱草粉末和二胺类有机物的质量比为2∶0.5-3.0。优选地，所述铜钱草粉末与乙二胺的质量比为2∶2～3；所述铜钱草粉末与对苯二胺的质量比为2∶0.5～1。

7、进一步优选地，所述铜钱草粉末和乙二胺的质量比为2：3，所述铜钱草粉末和对苯二胺的质量比为2：1。

8、进一步地，所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点的制备步骤包括：将新鲜的铜钱草叶片在50-80℃下热烘3-4h，去除叶片中水分，再经研磨得到铜钱草粉末；将铜钱草粉末、二胺类有机物与去离子水混合得到均匀分散的待反应溶液，再将待反应溶液在160-200℃下反应4-8h得到悬浮液，最后将悬浮液离心、透析得到发光可调的生物质衍生碳量子点。

9、进一步地，所述生物质衍生氮掺杂碳量子点应用于cu2+及fe3+浓度检测。

10、进一步地，所述cu2+或fe3+浓度检测步骤包括：

11、s1.将生物质衍生氮掺杂碳量子点溶液与不同摩尔浓度的cu2+或fe3+溶液在室温下等体积混合，静置反应10-20min，以360nm为激发波长，测定每个样品的荧光发射光谱；

12、s2.根据不同样品的荧光强度变化，作出荧光强度随cu2+或fe3+浓度变化的图谱，拟合并计算得到拟合曲线方程；

13、s3.室温下在待检测cu2+或fe3+溶液中加入等体积的生物质衍生氮掺杂碳量子点溶液，测试其荧光强度值并代入s2中拟合曲线方程，即可检测得到待测试样中的cu2+或fe3+浓度。

14、进一步地，s1中所述生物质衍生氮掺杂碳量子溶液为生物质衍生氮掺杂碳量子原液稀释60-120倍后的水溶液，所述生物质衍生氮掺杂碳量子原液的体积为0.5ml。

15、进一步地，s1中所述cu2+溶液的摩尔浓度0～100μm，梯度依次设置为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100μm。

16、进一步地，s1中所述fe3+溶液的摩尔浓度为0～1000μm，梯度依次设置为0、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、400、600、800、1000μm。

17、进一步地，cu2+溶液浓度与荧光强度拟合曲线方程为：f0/f＝0.0067[c]+1.0026，r2＝0.993，检测限为0.039μm，其中f0和f分别表示添加cu2+前后542nm处g-cqds的最大荧光强度，[c]表示cu2+浓度。

18、进一步地，fe3+溶液浓度与荧光强度拟合曲线方程为：f0/f＝0.0047[c]+1.012，r2＝0.997，检测限为0.057μm，其中f0和f分别表示添加fe3+前后486nm处b-cqds的最大荧光强度，[c]表示fe3+浓度。

19、有益效果：

20、本发明以生物质-铜钱草为碳源、二胺类有机物为氮源，采用一步水热法制得生物质衍生氮掺杂碳量子点，通过不同的氮掺杂同时调控碳量子点的发光颜色和金属离子响应性。该碳量子点能够在水中均匀分散，对cu2+及fe3+具有更好的检测效果。本发明利用所制备的碳量子点荧光强度与重金属离子浓度之间的相关关系，实现了对cu2+和fe3+的定量检测，检出限分别为0.039μm和0.052μm，解决了现有碳量子点对cu2+和fe3+浓度检测效率低、准确性不高等问题，拓展了其在荧光探针和传感领域的应用。本发明所述的碳量子点原料绿色、来源广，制备工艺简单，发光和金属离子响应性可调，检测灵敏、准确性高，适于放大生产，同时检测方法简单快捷。

技术特征：

1.一种生物质衍生氮掺杂碳量子点，其特征在于，所述生物质衍生氮掺杂碳量子点以铜钱草粉末、二胺类有机物为前驱体，经水热反应后离心、透析得到。

2.根据权利要求1所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点，其特征在于，所述铜钱草粉末和二胺类有机物的质量比为2∶0.5-3.0。

3.根据权利要求1所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点，其特征在于，所述二胺类有机物为乙二胺或对苯二胺。

4.根据权利要求3所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点，其特征在于，所述铜钱草粉末与乙二胺的质量比为2∶2～3；所述铜钱草粉末与对苯二胺的质量比为2∶0.5～1。

5.根据权利要求1-4任一所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点，其特征在于，制备步骤包括：将新鲜的铜钱草叶片在50-80℃下热烘3-4h，去除叶片中水分，再经研磨得到铜钱草粉末；将铜钱草粉末、二胺类有机物与去离子水混合得到均匀分散的待反应溶液，再将待反应溶液在160-200℃下反应4-8h得到悬浮液，最后将悬浮液离心、透析得到生物质衍生氮掺杂碳量子点。

6.根据权利要求1-4任一所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点应用于cu2+和fe3+浓度检测。

7.根据权利要求6所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点的应用，其特征在于，所述cu2+或fe3+浓度检测步骤包括：

8.根据权利要求7所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点的应用，其特征在于，所述cu2+溶液的摩尔浓度为0～100μm；所述fe3+溶液的摩尔浓度为0～1000μm。

9.根据权利要求7所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点的应用，其特征在于，cu2+溶液浓度与荧光强度拟合曲线方程为：f0/f＝0.0067[c]+1.0026，r2＝0.993，检测限为0.039μm，其中f0和f分别表示添加cu2+前后542nm处g-cqds的最大荧光强度，[c]表示cu2+浓度。

10.根据权利要求7所述一种生物质衍生氮掺杂碳量子点的应用，其特征在于，fe3+溶液浓度与荧光强度拟合曲线方程为：f0/f＝0.0047[c]+1.012，r2＝0.997，检测限为0.057μm，其中f0和f分别表示添加fe3+前后486nm处b-cqds的最大荧光强度，[c]表示fe3+浓度。

技术总结本发明公开了一种生物质衍生氮掺杂碳量子点、制备方法及在检测Cu<supgt;2+</supgt;和Fe<supgt;3+</supgt;中的应用，本发明以铜钱草为碳源、二胺类有机物为氮源，采用一步水热法制得生物质衍生氮掺杂碳量子点。该方法以生物质‑铜钱草为碳源，通过不同的氮掺杂同时调控碳量子点的发光颜色和金属离子响应性，具有原料绿色、来源广，制备工艺简单，发光可调等特点，制备的碳量子点呈现良好的水溶性、荧光性能和金属离子响应性。本发明利用所制备的碳量子点荧光强度与金属离子浓度之间的相关关系，实现了对Cu<supgt;2+</supgt;和Fe<supgt;3+</supgt;的定量检测，解决了现有碳量子点在对Cu<supgt;2+</supgt;及Fe<supgt;3+</supgt;检测时存在检测效率低、准确率不高等技术问题，拓展了其在荧光探针和传感领域的应用。技术研发人员：谭海湖,张轩,杨玲,刘跃军,朱锋利,陆鑫,胡舒阳受保护的技术使用者：湖南工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29