1.本发明涉及空心莲子草荧光碳量子点的制备及其在柠檬黄检测中的应用，属于食品添加剂检测领域。


背景技术：

2.柠檬黄(3-羧基-5-羟基-4-吡唑三钠盐)是应用最广泛的偶氮类合成色素之一。在食品生产、加工过程中，通常使用柠檬黄对食品进行调色以满足人们的感官需求。多数情况下，人工合成色素较天然色素色彩鲜艳、稳定性强、价格低廉、应用范围广泛。柠檬黄则是人工合成色素中最有代表性的一种，一些商家为吸引消费者以谋取更多经济利益而超量添加柠檬黄。who所规定的柠檬黄每日最高允许摄入量(adi)为0.75mg/kg。我国《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》gb 2760-2014中明确规定柠檬黄的使用范围和用量(0.04～0.5g/kg)，凡是超过使用规范均属于滥用食品添加剂。因此，建立一种简便、灵敏度高、选择性好的柠檬黄检测方法对于食品安全监督检测具有重要意义。
3.当前国家发布的最新《食品安全国家标准食品中合成着色剂的测定》gb 5009.35-2016只提供了一种测定柠檬黄的方法：液相色谱法。此外，文献报道中关于测定柠檬黄含量的方法还涉及到电化学法、紫外-可见分光光度法、液相色谱-质谱联用法、elisa检测法、近红外光谱法、荧光光谱法等。详见文献如下：牛家华，王勇，卢明华.电分析化学法检测食品中有机合成色素的应用进展[j].理化检验(化学分册)，2020，56(10):1137-1144.；郭群，杜艳红，张李文，魏童杰.紫外分光光度法测定合成色素日落黄和柠檬黄[j].农技服务,2016，33(14):18-19.；陈燕，吕沈亮，李永吉，王柯.超高效液相色谱-串联质谱法同时检测食品中30种食品添加剂[j].中国卫生检验杂志，2021，31(02):134-140.。以上方法各有特点，但也存在操作繁琐、设备昂贵、样品前处理费时、制备条件严格、灵敏度低、误差大等问题。因此，亟需建立一种灵敏度高、成本低、选择性好的柠檬黄快速检测方法。
[0004]
碳量子点是一种新型的荧光碳基纳米材料，相较于传统的半导体量子点和有机染料，碳量子点因具有高水溶性、耐光性、低毒性以及良好的生物适应性等优势而广泛应用于生物成像、生物传感、物质检测等方面。当前制备碳量子点的原料有柠檬酸、谷氨酸、乙二胺等小分子有机物；木质素、壳聚糖、淀粉和海藻酸钠等有机高分子；香菇、白菜、榴莲等蔬菜和水果以及凤眼莲、银杏、芦荟、绿茶等植物，但利用空心莲子草制备碳量子点尚未见报道。
[0005]
空心莲子草隶属于苋科的一种杂草，被中国《国家重点管理外来入侵物种名录》列为强危害性的入侵物种，具有极强的生态适应性和繁殖扩散能力，给我国生态系统的完整性和自然性造成了巨大危害。但空心莲子草含有无机盐、氨基酸、脂肪烃以及植物纤维等成分，是一种具有巨大发展潜力的生物质资源，因此资源化利用入侵植物空心莲子草成为新的研究热点。本发明首次采用空心莲子草作为碳源，加入硫脲对其进行修饰，采用一步水热法绿色合成碳量子点。利用碳量子点与柠檬黄之间的相互反应来产生荧光强度减弱的效果，从而实现环保、快速、准确地检测实际样品中柠檬黄含量。


技术实现要素：

[0006]
本发明解决的第一个技术问题是空心莲子草荧光碳量子点的制备。
[0007]
本发明空心莲子草荧光碳量子点的制备方法，制备步骤如下：
[0008]
a、称量适量空心莲子草于烧杯中，且以1:1的质量比掺杂硫脲，加入超纯水，玻璃棒搅拌均匀，将溶液转移至反应釜中；
[0009]
b、将反应釜放入烘箱，在设定的温度下反应；
[0010]
c、待反应结束，取出反应釜，自然冷却至室温，用循环水式真空泵将反应液过滤，收集到的滤液在超纯水中的透析袋透析纯化，使用旋转蒸发仪旋蒸，之后烘干得到空心莲子草荧光碳量子点粉末。
[0011]
优选的，在a步骤前，用乙醇与蒸馏水的混合液(体积比7：3)超声清洗反应釜和烧杯15min。
[0012]
优选的，a步骤的具体操作为：称取0.125g空心莲子草和0.125g硫脲于烧杯中，加入40ml超纯水，玻璃棒搅拌均匀，随后将溶液转移至反应釜，进行b步骤。
[0013]
优选的，b步骤中，设定反应温度为210℃，反应时间为12h。
[0014]
优选的，c步骤中，倒出反应液，经循环水式真空泵过滤获得澄清的碳量子点溶液，再经过透析袋透析纯化，利用旋转蒸发仪旋蒸，之后烘干得到粉末状碳量子点。
[0015]
本发明解决的第二个技术问题是空心莲子草荧光碳量子点在柠檬黄检测中的应用。
[0016]
本发明空心莲子草荧光碳量子点，采用上述方法制备后，通过透射电镜可以看出碳量子点平均粒径在6.0
±
2.3nm且分布较为均匀，荧光光谱图可以看出该材料具有良好的荧光性质。
[0017]
本发明空心莲子草荧光碳量子点，采用上述方法制备后，当激发波长为390nm时，其最大发射在462nm处，表现出最大的荧光发射强度。将一定量的空心莲子草荧光碳量子点与柠檬黄混合相互作用后，在7.8～125μmol/l柠檬黄浓度范围内与空心莲子草荧光碳量子点的荧光强度变化成良好线性关系，线性相关系数r2＝0.9983。
[0018]
本发明空心莲子草荧光碳量子点，采用上述方法制备后，在酸性和中性环境下(ph＝1.8～6.8)，空心莲子草荧光碳量子点对柠檬黄有良好的检出效果。
[0019]
本发明空心莲子草荧光碳量子点，采用上述方法制备后，检测柠檬黄灵敏度高，检出限为0.45μmol/l，低于国标gb/t 5009.35-2003所提供的检出限187.14μmol/l，可作为快速、灵敏检测柠檬黄的方法。
附图说明
[0020]
图1为本发明中是以空心莲子草为原料制备的碳量子点xrd图。
[0021]
图2为本发明中制备的空心莲子草荧光碳量子点ft-ir图。
[0022]
图3为本发明中空心莲子草荧光碳量子点tem图。
[0023]
图4为本发明中空心莲子草荧光碳量子点粒径分布图。
[0024]
图5为本发明中的空心莲子草荧光碳量子点在不同激发波长下的荧光发射光谱图。
[0025]
图6为本发明中的空心莲子草荧光碳量子点在λ
ex
＝390nm的发射光谱图、λ
em
＝
462nm的激发光谱图以及紫外吸收光谱图。
[0026]
图7为本发明中的空心莲子草荧光碳量子点cie图。
[0027]
图8为本发明中制备空心莲子草荧光碳量子点检测柠檬黄的标准曲线。
[0028]
图9为本发明中的空心莲子草碳量子点在不同ph条件下有无柠檬黄添加的荧光强度对比图。
[0029]
图10为本发明中柠檬黄检测过程中待测溶液的ph值对空心莲子草荧光碳量子点的荧光强度影响图。
[0030]
图11为本发明中柠檬黄检测过程中空心莲子草碳量子点的荧光传感最大饱和度
[0031]
图12为本发明中柠檬黄检测过程中反应时间对空心莲子草荧光碳量子点的荧光强度影响图。
[0032]
图13为本发明中不同反应时间对空心莲子草荧光碳量子点的荧光图谱。
[0033]
图14为本发明中柠檬黄和其他干扰物质对空心莲子草荧光碳量子点荧光传感影响对比图。
具体实施方式
[0034]
为了对本发明的目的、技术特征和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
[0035]
本发明以下实例中所采用的试剂、原材料和设备如下：
[0036]
表1本发明中所用到的试剂和原材料
[0037][0038][0039]
表2本发明中所用到的设备
[0040][0041]
实施例1：空心莲子草荧光碳量子点的制备
[0042]
本实施例1提供一种空心莲子草荧光碳量子点的制备方法，具体包括如下步骤：
[0043]
优选的，a、配制1.5625g/l～25g/l空心莲子草溶液，玻璃棒搅拌均匀，将溶液转移到反应釜；更优选3.125g/l空心莲子草溶液。
[0044]
优选的，b、将反应釜放入烘箱，在150℃～210℃反应6～16h；更优选210℃，12h。
[0045]
优选的，c、待反应结束，取出反应釜，自然冷却至室温，将反应液经循环水式真空泵过滤获得澄清的碳量子点溶液，再经过透析袋透析纯化，使用旋转蒸发仪旋蒸，之后烘干得到空心莲子草荧光碳量子点粉末。
[0046]
优选的，在a步骤前，用乙醇与蒸馏水的混合液(体积比7：3)超声清洗反应釜和容器10～20min；更优选15min。
[0047]
实施例2：空心莲子草荧光碳量子点在柠檬黄检测中的应用
[0048]
将上述实施例1制备空心莲子草荧光碳量子点粉末配制成3.125g/l溶液加入到含有不同柠檬黄浓度的溶液中，进行荧光检测，根据检测的荧光强度变化与柠檬黄浓度之间的线性关系，绘制标准曲线(整个检测结果显示柠檬黄在7.8～125μmol/l范围内线性良好，相关系数r2＝0.9983)；
[0049]
将空心莲子草荧光碳量子点溶液加入到含有柠檬黄的待测溶液中进行荧光检测，获得荧光强度变化；
[0050]
通过标准曲线计算出待测样品溶液中柠檬黄的浓度。
[0051]
本实施例中研究了不同空心莲子草荧光碳量子点浓度、反应体系的ph值和反应时间，以获得空心莲子草荧光碳量子点的特征和最佳检测条件。空心莲子草荧光碳量子点的激发波长为390nm。选择了不同金属离子(cu
2+
、fe
3+
、al
3+
、na
+
、k
+
、mg
2+
、ca
2+
)作为干扰物质，探究其对空心莲子草荧光碳量子点的荧光强度影响，并对检测柠檬黄的选择性进行研究。实验结果和分析如下：
[0052]
(1)空心莲子草荧光碳量子点的表征
[0053]
图1为本发明空心莲子草荧光碳量子点粉末的xrd图。由图1可以看出，空心莲子草荧光碳量子点为非晶态结构，在23.5
°
附近有一处石墨碳的(002)晶面衍射峰。
[0054]
图2为本发明空心莲子草荧光碳量子点粉末的红外光谱图。由图2可以看出，在3450cm-1
有一处有羟基-oh的振动峰；在3000cm-1
左右对应的是c-h的特征峰；在1600cm-1
附
近对应羰基c＝o官能团的特征峰；在1400cm-1
左右对应基团为-c(ch3)2的振动峰；在1120cm-1和619cm-1对应基团c-h的特征峰。从中可以看出，合成的荧光碳量子点含有-oh、c＝o官能团，使空心莲子草荧光碳量子点具有良好的水溶性。
[0055]
图3为本发明空心莲子草荧光碳量子点粉末的tem图。在透射电镜下可以清晰的观察到近似圆形的碳量子点。
[0056]
图4为本发明空心莲子草荧光碳量子点平均粒径在6.0
±
2.3nm且分布较为均匀。这也是碳量子点拥有良好荧光性质的原因之一。
[0057]
图5显示了当激发波长在λ
ex
＝300～400nm范围内增强时，合成荧光碳量子点的激发依赖发射光谱的变化。荧光强度随着激发波长λ
ex
＝300～390nm逐渐增大，然后随激发波长从λ
ex
＝390～400nm增大而减小，因此选择激发波长为λ
ex
＝390nm作为最佳激发波长。
[0058]
图6再一次证实了最大激发波长和最大发射波长的位置以及紫外吸收光谱。
[0059]
图7可得出该碳量子点属于蓝光发射型
[0060]
(2)柠檬黄检测过程中空心莲子草荧光碳量子点浓度对荧光传感的影响
[0061]
图8为本发明中制备空心莲子草荧光碳量子点检测柠檬黄的标准曲线。具体是配制3.125g/l空心莲子草荧光碳量子点溶液40ml，量取1ml溶液到比色皿中，依次加入50μl预先配置好不同浓度的柠檬黄溶液到比色皿中，搅匀，使用荧光分光光度计做出对应的发射光谱。在加入不同浓度柠檬黄溶液后整个溶液体系的荧光发射强度逐渐减弱，属于“turn off”型(荧光减弱)。根据上述所获得的荧光强度值绘制出空心莲子草荧光碳量子点检测柠檬黄的标准曲线，其中f0表示原液掺杂空心莲子草碳量子点荧光强度，f代表加入柠檬黄后发生荧光减弱的荧光强度，c表示加入柠檬黄的浓度值；整个检测结果显示在7.8～125μmol/l的柠檬黄浓度范围内线性良好，相关系数r2＝0.9983，证明该方法所获得的检测数据具有实际应用价值。
[0062]
(3)柠檬黄检测过程中待测溶液ph值对空心莲子草荧光碳量子点荧光传感效果的影响
[0063]
图9为柠檬黄检测过程中待测溶液的ph值对本发明中空心莲子草荧光碳量子点的荧光强度影响图。溶液ph值在1.81～11.58之间变化时，测得空心莲子草荧光碳量子点溶液有无添加柠檬黄的荧光强度。实验结果显示未添加柠檬黄时空心莲子草荧光碳量子点自身荧光发射强度随着ph值的增加先增加后降低。且在不同ph条件下，加入柠檬黄之后，测得的荧光强度均有所降低。随后计算ph值在1.81～11.58之间加入柠檬黄后荧光强度变化率δf/f，f0代表空心莲子草荧光碳量子点溶液荧光强度，f代表加入柠檬黄后溶液荧光强度，δf＝f-f0表示为加入柠檬黄前后荧光强度的差值。结果如图10所示，在酸性和中性环境中空心莲子草荧光碳量子点的荧光减弱率比较明显且能够大致稳定在15％左右，最佳反应ph＝5.72，反观碱性环境下荧光强度变化较大、稳定性也相对较差但整体依然是呈减弱趋势。该荧光碳量子点在ph＝1.81～6.8范围内对柠檬黄表现出荧光减弱且变化率稳定，证明空心莲子草荧光碳量子点对于柠檬黄的检测在酸性和中性环境更佳。
[0064]
(4)柠檬黄检测过程中柠檬黄溶液用量对空心莲子草荧光碳量子点荧光传感效果的影响
[0065]
图11为柠檬黄检测过程中柠檬黄溶液用量对本发明中空心莲子草荧光碳量子点的荧光强度影响图。在比色皿中加入空心莲子草荧光碳量子点原液，再加入100μl柠檬黄溶
液，使用荧光光谱仪进行荧光检测。随后连续加入等体积柠檬黄溶液，直至荧光强度不在变化，证明传感已经达到了饱和。结果显示当加入900μl时，空心莲子草碳量子点荧光传感达到饱和。
[0066]
(5)柠檬黄检测过程中反应时间对空心莲子草荧光碳量子点荧光传感效果的影响
[0067]
图12为柠檬黄检测过程中反应时间对本发明中空心莲子草荧光碳量子点的荧光强度影响图。由图可以得出：0min(刚加入时)加入柠檬黄后获得的荧光发射已经是趋于整个图谱的平衡点，并在之后的30min内中荧光强度基本保持不变，且稳定性强。图13为在不同反应时间的空心莲子草荧光碳量子点的荧光图谱。基本证明反应时间对该碳量子点与柠檬黄的荧光猝灭效果没有很大影响。
[0068]
(5)实施例1的空心莲子草荧光碳量子点检测柠檬黄的灵敏度实验
[0069]
表3 10次空心莲子草荧光碳量子点溶液及添加柠檬黄后溶液荧光强度
[0070][0071][0072][0073][0074][0075]
首先分别测得10次碳量子点原液和第一次加入柠檬黄后溶液的荧光强度，记录结果如表3所示。然后计算出原液平均荧光强度并将数据带入公式(1)得到标准偏差sb值，然后由得出荧光强度差值，同时导入公式(2)得到灵敏度s，其中δc加入柠檬黄后整个溶液体系中增强剂的浓度变化值；最终通过公式(3)得到检出限dl＝0.45μmol/l，低于国标gb/t 5009.35-2003所提供的检出限187.14μmol/l。本发明制备的空心莲子草荧光碳量子点检测柠檬黄的检出限远低于国标检出限，且本发明制备的荧光传感器简单环保、操作方便、成本低、灵敏度高、选择性好，可用于柠檬黄的快速选择性检测，具良好的应用前景。
[0076]
(6)实施例1的空心莲子草荧光碳量子点检测柠檬黄的选择性实验
[0077]
如图14所示，除了柠檬黄，同时对比研究了cu
2+
、fe
3+
、al
3+
、na
+
、k
+
、mg
2+
、ca
2+
等金属离子对空心莲子草荧光碳量子点检测的影响。
[0078]
可以看出空心莲子草荧光碳量子点与柠檬黄之间的荧光传感属于“turn off”型，且猝灭效果较强；和cu
2+
、fe
3+
之间表现微弱的“turn off”型荧光传感效果；对于其他金属离子基本没有荧光传感响应。因此说明空心莲子草荧光碳量子点对柠檬黄的检测具有高度选择性。