碳量子点的高效制备及食品分析应用

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在人类生命活动中,食品作是最基本物质条件,其质量或危害成分关系到人民的身体和生命健康。随着社会发展和人民生活质量的提升,食品安全问题已经成为了全社会关注的热点问题。因此,开发快速、灵敏、低成本的高效分析方法对于评价食品质量与安全尤为重要。CDs(Carbon dots,CDs)作为新型荧光碳纳米材料,由于其具有优良而稳定的荧光发射,且生物相容性好,毒性低,在金属离子、有机小分子和生物分子传感分析及成像分析领域受到了广泛的关注。本文主要探索了基于自放热和热解反应的CDs快速、大规模制备方法;研究了CDs的荧光性质、过氧化物模拟酶和化学发光性质,建立了食品分析新方法。主要研究内容如下:(1)以猪肉碳源,麦芽糖为修饰试剂,利用美拉德反应,通过烤箱热解成功快速制备了N、S共掺杂CDs(N,S-CDs)。制备的N,S-CDs在激发波长330 nm条件下,具有良好的紫外区发射(390 nm),荧光量子产率达到9.3%。研究发现,在碱性条件下,Ag+对N,S-CDs荧光发射具有明显的猝灭作用,基于这种荧光猝灭作用建立了Ag+分析方法,检出限(3σ)为9.8 ng m L-1。该方法成功应用于抗菌食品包装材料中Ag+溶出量测定。由于谷胱甘肽(GSH)中-SH基团与Ag+有很强的结合能力,在N,S-CDs-Ag+体系中加入GSH,GSH-Ag+的形成破坏了Ag+对N,S-CDs的荧光猝灭作用,从而使得N,S-CDs的荧光得以恢复。基于这种荧光恢复机理建立了GSH的分析方法。该方法的检出限(3σ)为36 n M,该方法成功应用于麦胚中GSH的选择性测定。(2)以蝗虫粉为碳源,二乙烯三胺(DETA)为掺杂试剂,利用硝酸和DETA之间的自放热反应,在10分钟内实现了N掺杂CDs(N-CDs)的高效克级制备,同时采用活性炭吸附分离的方法成功对所制备的N-CDs的分离纯化。对所制备的N-CDs的形态和光学性质进行了表征。所制备的N-CDs有蓝色荧光发射峰(470 nm),荧光量子产率为3.1%。在p H 4.0条件下,日落黄(SY)482 nm处的吸收峰与N-CDs的荧光发射峰(470nm)有较大重叠,SY对N-CDs的荧光具有明显的内滤作用(IFE)。基于荧光猝灭作用建立了SY的高灵敏,高选择性分析新方法,并证实了其荧光猝灭机理为IFE。该方法检出限(3σ)为28 n M,成功应用于不同食品样品中SY分析。(3)上述基于蝗虫粉碳源和自放热反应的N-CDs经进一步研究表明,所制备的N-CDs表现出明显的过氧化物模拟酶性质。该N-CDs可催化H2O2氧化3,3?,5,5?-四甲基联苯胺(TMB)由无色变为蓝色;研究了p H、反应温度、底物TMB浓度和N-CDs浓度对催化反应的影响;基于Michaelis-Menten曲线的稳态动力学研究了N-CDs作为过氧化物模拟酶的动力学活性。鉴于葡萄糖氧化酶(GOD)可催化葡萄糖氧化产生H2O2,采用智能手机对反应溶液拍照,并通过APP(Color Analyzer)读取照片中的像素色彩空间参数数据,建立了基于N-CDs过氧化物模拟酶的葡萄糖智能手机比色分析新方法。该方法的检出限(3σ)为1.09μM,所建立的方法成功应用于水果、粮食和蔬菜样品中的葡萄糖含量测定。(4)除了荧光性质和过氧化物模拟酶性质,所制备的N-CDs还表现出化学发光性质。N-CDs对Na HCO3-H2O2超微弱化学发光体系具有强烈的增敏作用,考察了Na HCO3浓度、H2O2浓度和N-CDs浓度对化学发光强度的影响。基于维生素C(Vc)对Na HCO3-H2O2-N-CDs体系化学发光信号的抑制作用,建立了化学发光检测Vc的分析新方法。该方法检出限(3σ)为0.12μM,成功应用于野菜和水果样品中Vc含量的分析。
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