一种基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法

技术领域

本发明属于食品检测技术领域，尤其涉及一种基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法。

背景技术

目前，碳点(CDs)通常是指尺寸小于10nm表面钝化的零维碳纳米粒子，由sp2/sp3杂化的碳组成，也叫碳量子点、碳纳米点、碳质点等。碳点是2004 年首次在单壁碳纳米管纯化过程中被发现的，碳点的合成过程中具有前驱体来源广泛、合成方法简单经济、产物易得等优点，所获得的碳点具有表面结构丰富、荧光特性优良、制备成本低、生物毒性小、可调谐激发/发射等特点，因此碳点已被广泛应用于光电器件、金属离子检测、生物成像、治疗和诊断等领域。

碳点的合成方法有很多种，由于水热法因操作简单、条件可控，在碳点的合成中常被采用。但是碳点合成过程中很难避免中间产物的生成，目前得到的碳点多为混合物，因而导致碳点混合液中由于能量共振和内滤效应，荧光量子产率较低，极大地限制了碳点的应用领域和应用效果。为得到成分单一、尺寸均匀、荧光量子产率高的碳点，对碳点混合液进一步分离纯化是非常必要的。目前分离纯化碳点的方法有凝胶电泳法、毛细管电泳法、离心法、液相色谱法和柱色谱法等。

柱色谱法是一种有效的纯化和分离方法。由于碳点粒径和表面的功能团不同，可通过改变洗脱剂的极性，将碳点分离纯化，得到粒径均一的碳点。

白酒为中国特有的一种蒸馏酒，是世界八大蒸馏酒之一，由淀粉或糖质原料制成酒醅或发酵后经蒸馏而得。中国传统白酒中含有多种微量成分，如醇类、酸类、酯类、醚类以及杂环类等，其中有机酸的含量对白酒的口感和风味有很大影响。国标GBT100345-2007规定白酒中有机酸以乙酸计，白酒中总酸的检测方法为酸碱滴定法，以酚酞为指示剂，采用氢氧化钠溶液进行中和滴定。滴定法是一种经典的化学分析法，但是滴定分析常常费时较长，且容易产生人为误差。近年来，文献报道了多种仪器分析方法，如气相色谱、液相色谱以及气质联用、液质联用等，不仅可以对总有机酸含量进行测定，还可以鉴别出不同白酒中有机酸的种类，但这些需要昂贵的大型仪器。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有的白酒中的总有机酸含量测定方法费时较长，检测过程繁杂，容易产生人为误差，需要的流动相有较大毒性，对人体和环境不友好，需要昂贵的大型仪器才能完成。

解决以上问题及缺陷的难度为：

白酒中的物质主要有水、酸、酯、醛、醇类等物质，对其中有机酸含量检测时，前处理耗时长、操作较复杂，设备、成本高，因此不利于大批量的快速检测。

解决以上问题及缺陷的意义为：

有机酸是影响白酒风味以及品质的重要物质，但目前相关检测方法研究较少，而荧光光谱法检测具有准确度高、重现性好、简便、分析时间短、试剂与样品消耗少和无需前处理等优点，因此，荧光光谱法为检测白酒中总有机酸含量提供准确可靠手段。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法。

本发明是这样实现的，一种基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法包括：

步骤一，混合荧光碳点的制备：

将间苯二胺和尿素混合溶于水中，移入不锈钢反应釜中，进行加热反应，待反应结束后，待反应釜自然冷却到室温，过滤，得到深棕色的碳点溶液；

步骤二，红色荧光碳点的分离：

向装好填料的硅胶柱中加入适量碳点溶液，分别以石油醚、乙酸乙酯和甲醇为洗脱剂，对碳点进行分离，收集淋洗液，测定荧光光谱；

步骤三，利用红色碳点检测白酒中总有机酸含量：

将碳点溶液干燥后，加入白酒样品，超声振荡后移入比色皿中，设置荧光光谱仪参数，记录荧光强度，将其数值代入相应的标准曲线中，计算得到白酒中总有机酸含量。

进一步，所述步骤一中，间苯二胺和尿素的混合比例为1:1，溶解在25～50 mL蒸馏水中。

进一步，所述不锈钢反应釜设置有聚四氟乙烯衬里，进行加热反应时，控制程序升温3～5℃/min，反应温度140～180℃，反应10～12小时。

进一步，所述步骤二中，所述装好填料的硅胶柱的制备方法为：取适量粒径为100-200目的硅胶填料，放入250mL烧杯中，加入150mL石油醚溶液，用保鲜膜封口，超声30min后装入玻璃柱中。

进一步，所述步骤二中，当采用不同体积比比例的乙酸乙酯和石油醚为洗脱剂时，得到荧光较弱的淡粉色溶液，再将淡粉色溶液加入到新填的硅胶柱中，用不同比例乙醇洗涤硅胶柱，即可得到红色荧光碳点溶液。

进一步，所述步骤三中，取1mL碳点溶液在80℃烘箱中干燥，加入1mL 白酒样品。

进一步，所述步骤三中，所述荧光光谱仪参数为：激发波长500～540nm，发射波长范围540nm～750nm。

本发明的另一目的在于提供一种红色荧光碳点，所述红色荧光碳点利用所述检测方法获取。

本发明的另一目的在于提供一种所述红色荧光碳点在光电器件、金属离子检测上的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述红色荧光碳点在生物成像、医学检测领域上的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明通过简单的水热法合成碳点；经硅胶柱色谱分离得到长波长碳点--- 红色碳点；该红色碳点能够快速高效检测白酒中的总有机酸含量。

本发明采用碳点荧光探针，在普通荧光光度计上即可实现对白酒中总有机酸含量的测定，不需要复杂繁琐的实验和计算步骤，准确度高，选择性好，且测定时间短，还有望发展成便携式检测方法，利于广泛应用。

本发明中的红色碳点具有良好的抗干扰能力，因此检测过程中无需前处理；只需加入1mL样品即可进行检测，因此样品消耗少；检测过程中无需额外操作，因此可减少操作误差；通过扫描荧光光谱可知荧光强度，便可得到总有机酸含量，因此可以达到快速检测的效果，仅需1～2分钟；并且有效降低了检测成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的合成的碳点的透射电镜图(图a右上角插图为粒径分布图)以及不同激发波长下的荧光光谱图。

图3是本发明实施例提供的红色碳点的透射电镜图(插图为粒径分布图) 和三维荧光光谱图。

图4是本发明实施例提供的红色碳点的荧光强度随乙醇-水体积比变化的规律曲线图。

图5是本发明实施例提供的乙酸含量对红色碳点荧光强度的影响以及相应的线性关系曲线图。

图6是本发明实施例提供的红色碳点检测白酒中总有机酸含量流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法包括：

S101，混合荧光碳点的制备；

S102，红色荧光碳点的分离；

S103，利用红色碳点检测白酒中总有机酸含量。

本发明实施例提供的基于红色荧光碳量子点的白酒中总有机酸含量的检测方法具体包括：

1.碳点的制备及分离纯化，以得到性能稳定的红色碳量子点。

以间苯二胺和尿素为原料，采用水热法制备出深棕色的混合碳量子点。从透射电镜(TEM)中(图2a)可以看到，所制备的碳点是直径约为5～11nm的球形颗粒，分散良好，粒径分布不均匀，且具有不规则的轮廓，其平均间距约为0.33nm。与石墨的晶格间距吻合，证明实验得到的碳点是碳材料。

通过测定不同激发波长下碳点的发射光谱，(图2b)可以看出，改变激发波长可以得到一系列不同波长的发射光谱，表明该碳点具有激发依赖性，也说明该混合碳点的表面官能团可能形成不同的发射位点。碳点的最佳激发波长和发射波长分别为390nm和470nm。

经柱色谱分离得到的红色荧光碳点溶液的TEM图像(图2a)显示，红色碳点是相对均匀的球体，平均粒径为8.5nm，晶格间距为0.345nm，与石墨的(100) 晶面一致，表明柱层析分离后仍得到炭材料。由图2a右上角插图可见，在可见光下，红色碳点是浅棕色溶液，但在365nm紫外灯下是明亮的红色荧光。

从红色碳点的三维荧光光谱(图2b)可知，其最佳激发波长为535nm，最佳发射波长为610nm，测得荧光量子产率为38％，荧光寿命为9.25ns。碳点的荧光量子产率和荧光寿命在柱层析分离后得到显著提高，为其进一步应用奠定了良好的基础。

2.建立可用于白酒中有机酸含量快速检测的荧光分析法

向红色碳点的乙醇溶液中加入一定量的水，荧光强度会有不同程度的降低。图3a、b的结果表明，红色碳点荧光强度的降低与水量的增加之间存在良好的线性关系，线性方程为I/I0＝0.973-0.0093x，相关系数为0.995，其中I0为乙醇含量为100％时的荧光强度，I为乙醇中不同水体积时的荧光强度。

乙酸含量对三种乙醇-水体系中CDs荧光强度的影响在图4中列出。在不同的乙醇-水体系中，乙酸诱导红色碳点荧光猝灭的程度不同。例如，对于红色碳点纯乙醇溶液，乙酸浓度600mg/L时，红色碳点荧光仅猝灭12％；而对于碳点的溶剂为乙醇(40％)-水(60％)体系时，同为600mg/L的乙酸则使荧光猝灭52％。

醋酸含量(x)与碳点荧光强度(y)的线性关系如下：

y＝190.09-0.139x R

y＝279.71-0.139x R

y＝309.75-0.139x R

y＝622.43-0.105x R

三种乙醇-水体系的标准曲线斜率均为0.139，表明乙酸对碳点荧光强度的影响是相同的。

本发明以间苯二胺和尿素为原料，提供了一步水热法合成多色碳点的方法，并通过硅胶柱色谱分离，得到了红色碳点，最后将其应用于检测白酒中总有机酸含量。

本发明的合成和检测方法包括以下步骤：1)将间苯二胺和尿素1:1混合溶于水中，一步水热法合成碳点；2)通过硅胶柱色谱法分离，得到平均粒径为8.5 nm的红色荧光碳点；3)当体系中乙醇和乙酸含量有变化时，该红色荧光碳点的荧光强度呈线性变化。

下面通过实施例对本发明进一步阐述。

实施例一

步骤一，将间苯二胺和尿素1:2混合，溶解在25mL蒸馏水中，移入聚四氟乙烯衬里，装入不锈钢反应釜中，放于电热鼓风干燥箱中，控制程序升温3℃ /min，反应温度150℃，并反应10小时。待反应结束后，将反应釜自然冷却到室温，过滤，得到深棕色的碳点溶液。

取适量硅胶填料(粒径100-200目)，活化和填柱，向装好填料的硅胶柱中加入适量碳点溶液，分别以石油醚、乙酸乙酯和乙醇为洗脱剂，对碳点进行分离，收集淋洗液，测定荧光光谱。当采用不同比例的乙酸乙酯和石油醚(体积比1:10～10:1)为洗脱剂时，到荧光较弱的淡粉色溶液，再将淡粉色溶液加入到新填的硅胶柱中，用无水乙醇洗涤硅胶柱，并收集淋洗液。

实施例二

步骤一，将间苯二胺和尿素2:1混合，溶解在50mL蒸馏水中，移入聚四氟乙烯衬里，装入不锈钢反应釜中，放于电热鼓风干燥箱中，控制程序升温5℃ /min，反应温度170℃，并反应12小时。待反应结束后，将反应釜自然冷却到室温，过滤，得到深棕色的碳点溶液。

取适量硅胶填料(粒径100-200目)，放入250mL烧杯中，加入150mL 石油醚溶液，用保鲜膜封口，超声30min后装入玻璃柱中。向装好填料的硅胶柱中加入适量碳点溶液，分别以石油醚、乙酸乙酯和甲醇为洗脱剂，对碳点进行分离，收集淋洗液，测定荧光光谱。当采用不同比例的乙酸乙酯和石油醚(体积比1:90～100:1)为洗脱剂时，得到荧光较弱的淡粉色溶液，再将淡粉色溶液加入到新填的硅胶柱中，用无水乙醇洗涤硅胶柱，并收集淋洗液。

实施例三

取1mL碳点溶液在80℃烘箱中干燥后，加入1～2mL白酒样品，超声 60s～120s，移入比色皿中，设置荧光光谱仪参数(激发波长500～540nm，发射波长范围540nm～750nm)，记录荧光强度，将其数值代入本发明中相应的标准曲线中，计算得到白酒中总有机酸含量。

根据标准曲线，利用红色碳点的荧光猝灭效应测定了3种市售白酒样品中乙酸的含量，测定结果分别为9.93、13.79和12.33mmol/L，与气相色谱法(国标方法)的检测结果(9.69、13.92和12.70mmol/L)几乎相同(见表1)，10次测定的相对标准偏差分别为1.22％、1.16％和1.12％。

表1白酒中醋酸和酒精的检测结果

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。