熒光碳點(diǎn)的快速合成及在Hg2+檢測(cè)中的應(yīng)用

陳 寬，于淑娟，覃金鳳，黃雪梅，韋 愉

（廣西師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

自2004 年Xu[1]首次發(fā)現(xiàn)熒光碳點(diǎn)以來(lái)，碳點(diǎn)便引起了廣泛關(guān)注。碳點(diǎn)的出現(xiàn)，使原本非發(fā)光的碳材料表現(xiàn)出優(yōu)異的發(fā)光特性，與半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳點(diǎn)具有良好的生物相容性、低細(xì)胞毒性及穩(wěn)定的光致發(fā)光性質(zhì)[2-3]，廣泛應(yīng)用于傳感器、生物成像、光電器件、光催化、離子檢測(cè)等領(lǐng)域[4-6]。碳點(diǎn)的合成方法也隨著研究的發(fā)展不斷增多，主要有弧光放電法、激光消蝕法[7-9]、電化學(xué)合成法[10-11]、燃燒/熱回流法[12-13]、場(chǎng)輔助法等。但這些方法往往用時(shí)較長(zhǎng)，并且要對(duì)碳點(diǎn)進(jìn)行鈍化處理。

近年來(lái)，快速增長(zhǎng)的城市化和工業(yè)化造成的環(huán)境污染以及重金屬造成的污染越發(fā)嚴(yán)重，其中二價(jià)汞離子(Hg2+)具有較高的毒性，會(huì)引起嚴(yán)重的疾病，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[14-15]。水生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬離子的檢測(cè)已成為環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。熒光的檢測(cè)方法顯示出靈敏度高、操作簡(jiǎn)單和響應(yīng)時(shí)間短等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[16]，已應(yīng)用于離子檢測(cè)中。半導(dǎo)體量子點(diǎn)[17]基于熒光的方法已經(jīng)被報(bào)道用于Hg2+的檢測(cè)，但半導(dǎo)體量子點(diǎn)水溶性差也限制了其在水環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。碳點(diǎn)經(jīng)表面修飾富含羧基、羥基、氨基等親水基團(tuán)，具有較好的水溶性，可應(yīng)用于水中離子的檢測(cè)。

本研究以葡萄糖為碳源，雙氧水為氧化劑，快速合成了一種熒光碳點(diǎn)。本研究?jī)?yōu)勢(shì)在于碳點(diǎn)的制備簡(jiǎn)單快速，不需要鈍化處理，所制備的碳點(diǎn)具有良好的水溶性，在水中重金屬離子檢測(cè)以及生物標(biāo)記等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及試劑

葡萄糖、硝酸鈰、硝酸鈣、雙氧水、乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸鋁、硝酸鉀、硫酸鋅、硝酸汞（均為分析純）。硫酸奎寧（生物試劑級(jí)）。

1.2 碳點(diǎn)的合成

碳點(diǎn)的合成通過(guò)熱解法。將1.0g 葡萄糖與0.5g NaOH 混合于50mL 小燒杯中，取2mL 30%的過(guò)氧化氫逐滴滴加到混合物上，瞬間放出大量的熱，劇烈反應(yīng)，可觀察到白色固體變?yōu)樽睾稚键c(diǎn)。待反應(yīng)恢復(fù)室溫后，采用8000r·min-1的離心取上層液體在攪拌下緩慢加入到50mL 乙醇溶液中，并攪拌30min 后離心，所得沉淀用20mL 乙醇溶液洗滌3 次后，經(jīng)3000r·min-1離心除去上清液，所得沉淀溶于少量去離子水，用鹽酸調(diào)節(jié)pH 為中性后，用去離子水定容至10mL 得強(qiáng)熒光碳點(diǎn)溶液，放于密封容器中置于低溫、避光、干燥的環(huán)境下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 碳點(diǎn)應(yīng)用于離子檢測(cè)

分別用移液槍移取等量碳點(diǎn)水溶液于若干個(gè)10mL 比色管中，并加入若干摩爾濃度的重金屬鹽溶液，并保證用去離子水稀釋至10mL 刻度線時(shí)，所得不同種重金屬鹽[Ce(NO3)2、Al2(SO4)3、KNO3、Ca(NO3)2、ZnSO4、Hg(NO3)2]溶液中，金屬離子濃度分別為25.00μM 和50.00μM，并配制一瓶相同濃度碳點(diǎn)溶液作為空白參比溶液。測(cè)試熒光強(qiáng)度前應(yīng)經(jīng)過(guò)震蕩并靜置12h，使溶液中的碳點(diǎn)與金屬離子充分作用之后，用波長(zhǎng)為310nm 的光激發(fā)測(cè)量熒光發(fā)射強(qiáng)度。

1.4 碳點(diǎn)量子效率的測(cè)定

以硫酸奎寧為基準(zhǔn)物，通過(guò)公式（1）計(jì)算產(chǎn)率。

其中Φu為待測(cè)物熒光量子產(chǎn)率；Φs為參比物熒光量子產(chǎn)率；Iu為待測(cè)物積分熒光強(qiáng)度；Is為參比物積分熒光強(qiáng)度；Au為待測(cè)物吸光度；As為參比物吸光度。測(cè)得所合成的熒光碳點(diǎn)量子效率為6.92%。

1.5 碳點(diǎn)的表征

熒光性能測(cè)定采用熒光磷光發(fā)光分光光度計(jì)；紅外測(cè)定采用傅立葉變換紅外（FTIR），溴化鉀壓片法。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點(diǎn)的光學(xué)性能

碳點(diǎn)的發(fā)光特性主要表現(xiàn)在光致發(fā)光和電化學(xué)發(fā)光，其中熒光性能是碳點(diǎn)最突出的性能[18]。碳點(diǎn)的熒光激發(fā)光譜與發(fā)射光譜如圖1 所示，其熒光激發(fā)波長(zhǎng)為310nm，當(dāng)用310nm 的光激發(fā)碳點(diǎn)水溶液時(shí)，其熒光發(fā)射峰在360nm。插圖分別為碳點(diǎn)水溶液在日光下和紫外燈照射下的數(shù)碼照片，從圖1 中可以看到碳點(diǎn)水溶液在日光下呈淺黃色透明狀態(tài)（a），而在365nm 紫外燈照射下發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光（b）。當(dāng)用不同波長(zhǎng)的紫外光激發(fā)碳點(diǎn)溶液時(shí)，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)的熒光發(fā)射峰表現(xiàn)出一定的激發(fā)波長(zhǎng)依賴行為。如圖2 所示，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從280nm 增加到400nm 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的熒光發(fā)射峰也從418nm 紅移到475nm，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增大，碳點(diǎn)的發(fā)射光譜逐漸紅移，這可能是由于碳點(diǎn)粒子間的不同表面狀態(tài)和不同粒徑大小差異所造成的[19]。其最佳熒光激發(fā)波長(zhǎng)是 310nm, 當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為 310nm 時(shí)，得到碳點(diǎn)的最大熒光發(fā)射強(qiáng)度。圖3 為碳點(diǎn)的上轉(zhuǎn)換熒光圖譜，用低能量長(zhǎng)波激發(fā)出相對(duì)高能量的短波熒光，與文獻(xiàn)報(bào)道相符[20]。

圖1 碳點(diǎn)的熒光激發(fā)與發(fā)射圖譜以及碳點(diǎn)溶液在365nm 下的數(shù)碼照片

圖2 不同激發(fā)波長(zhǎng)下碳點(diǎn)水溶液的熒光譜圖

圖3 碳點(diǎn)的上轉(zhuǎn)換熒光譜圖

2.2 不同pH 值對(duì)碳點(diǎn)熒光性能的影響

探索不同pH 值對(duì)碳點(diǎn)熒光性質(zhì)的影響，對(duì)于碳點(diǎn)在檢測(cè)癌細(xì)胞方面的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。正常體細(xì)胞為中性，生物體內(nèi)癌細(xì)胞微環(huán)境為酸性，因此利用碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化可以檢測(cè)癌細(xì)胞的位置以及存活狀態(tài)。測(cè)試了碳點(diǎn)在不同pH 值下的熒光強(qiáng)度，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，碳點(diǎn)在酸性與堿性條件下的熒光強(qiáng)度均有增強(qiáng)，堿性的增強(qiáng)效果比酸性要明顯，但碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度對(duì)溶液的pH 值沒(méi)有明顯的依賴性，當(dāng)pH 值為8 時(shí)，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。這可能是由于碳點(diǎn)表面含有的羧基、羥基在中性條件下易發(fā)生氫鍵締合作用，碳點(diǎn)聚集使部分熒光淬滅，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度不高。在酸性與堿性條件下，碳點(diǎn)發(fā)生了去質(zhì)子化使羥基或羧基帶上負(fù)電荷，碳點(diǎn)因靜電荷相斥而更加分散，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。

采用不同碳源與不同方法合成的碳點(diǎn)，可能因碳點(diǎn)表面所含官能團(tuán)以及官能團(tuán)的個(gè)數(shù)不同，對(duì)酸堿的反應(yīng)有所差異，導(dǎo)致碳點(diǎn)受pH 的影響也不同。

圖4 碳點(diǎn)在不同pH 值下的熒光強(qiáng)度

2.3 碳點(diǎn)的紅外表征

碳點(diǎn)的紅外譜圖如圖5 所示，碳點(diǎn)在3440cm-1有較寬強(qiáng)峰，是典型的聚集態(tài)的-OH 伸縮振動(dòng)吸收峰。2360cm-1處有明顯的吸收峰，表明碳點(diǎn)中含不飽和碳鍵；在1590cm-1處寬峰表明碳點(diǎn)中含有羰基C=O 基團(tuán)，1120cm-1為C-O 吸收峰，因此，分析該碳點(diǎn)中含有-COOH 和-OH，與其他課題組所報(bào)道的碳點(diǎn)具有相似的結(jié)構(gòu)。

圖5 碳點(diǎn)的紅外譜圖

2.4 碳點(diǎn)在離子檢測(cè)中的應(yīng)用

基于熒光淬滅機(jī)理，我們將碳點(diǎn)用于離子檢測(cè)，選取了Ce3+、Al3+、K+、Ca2+、Zn2+、Hg2+幾種離子，使碳點(diǎn)與離子相互作用，測(cè)試其熒光強(qiáng)度，結(jié)果如圖6 所示。可以看出，熒光碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨著加入離子濃度的增加均有降低，即金屬離子的加入都導(dǎo)致碳點(diǎn)熒光淬滅，但汞離子與碳點(diǎn)作用使碳點(diǎn)熒光猝滅更為明顯，其作用機(jī)理可能是：碳點(diǎn)表面富含-OH、-COOH、環(huán)氧基、C=O 等基團(tuán)，其均可通過(guò)孤對(duì)電子與金屬離子配位，而Hg2+相對(duì)其他金屬離子而言有較大的原子半徑，更容易與碳點(diǎn)表面的極性基團(tuán)的O 原子配位結(jié)合，而且配位時(shí)更容易發(fā)生極化和變形，從而導(dǎo)致O-Hg 等鍵的共價(jià)鍵成分增大，鍵也更穩(wěn)定，使Hg2+與碳點(diǎn)作用而發(fā)生明顯的熒光猝滅現(xiàn)象。由此分析該熒光碳點(diǎn)可應(yīng)用于水中Hg2+的檢測(cè)。

圖6 25μmol·L-1 和50μmol·L-1 不同種離子與碳點(diǎn)作用后的熒光強(qiáng)度柱形圖

3 結(jié)論

以葡萄糖為碳源，以一種快速制備碳點(diǎn)的方法合成了一種表面含有羧基、羥基等基團(tuán)的熒光碳點(diǎn)，該方法簡(jiǎn)單而且不需對(duì)碳點(diǎn)進(jìn)行鈍化即顯示較強(qiáng)的熒光性能。碳點(diǎn)有良好的水溶性，量子產(chǎn)率為6.92%，碳點(diǎn)溶液在酸性堿性條件下均有較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度，將碳點(diǎn)應(yīng)用到重金屬離子檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)Hg2+汞離子對(duì)碳點(diǎn)熒光有較明顯的淬滅現(xiàn)象，該碳點(diǎn)有望應(yīng)用到河水中重金屬Hg2+的檢測(cè)，另外在生物標(biāo)記中也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

[1] Xu X Y, Ray R, Gu Y L, et al. Electrophoretic analysis and purification of pluorescent single-walled carbon nanotube fragments [J] . J. Am. Chem. Soc., 2004, 126(40): 12736-12737.

[2] Liu. C.J, Zhang.P, Tian F, et al. One-step synthesis of surface passivated carbon nanodots by microwave assisted pyrolysis for enhanced multicolor photoluminescence and bioimaging[J]. J. Mater. Chem., 2011(21): 13163-13167.

[3] Hou J, Zhang F.S , Yan X, et al. Sensitive detection of biothiols and histidine based on the recovered fluorescence of the carbon quantum dots-Hg(II) system [J]. J. Analytica Chimica Acta., 2015(859): 72-78.

[4] Zhu A, Qu Q, Shao, X, et al. Carbon-Dot-Based Dual-Emission Nanohybrid Produces a Ratiometric Fluorescent Sensor for In Vivo Imaging of Cellular Copper Ions [J].Angew. Chem. Int. Ed., 2012(124): 7297-7301.

[5] Yang S, Cao L, Luo P G, et al. microwave-hydrothermal synthesis of grapheme quantum dots (GQDs) with strongly blue-photoluminescence [J]. J. Am. Chem.Soc., 2009(131):11308-11310.

[6] Zhu S, Meng Q, Wang L, et al. Highly Photoluminescent Carbon Dots for Multicolor Patterning, Sensors, and Bioimaging [J]. Angew. Chem. Int. Ed., 2013(125): 4045-4049.

[7] Cao L, Wang X, Meziani M. J, et al. Carbon dots for multiphoton bioimaging [J]. Journal of the American Chemical Society, 2007(129): 11318-11319.

[8] Hu S L, Niu K Y, Sun J, Yang J, et al. One-step synthesis of fluorescent carbon nanoparticles by laser irradiation [J].Journal of Materials Chemistry, 2009(19): 484-488.

[9] Hu S L, Bai P K, Cao S R, et al. Preparation of Fluorescent Carbon Nanoparticles by Pulsed Laser [J]. Chemical Journal of Chinese Universities-Chinese, 2009(30): 1497-1500.

[10] Lu J, Yang J x, Wang J, et al. One-Pot Synthesis of Fluorescent Carbon Nanoribbons, Nanoparticles, and Graphene by the Exfoliation of Graphite in Ionic Liquids [J].Acs Nano., 2009(3): 2367-2375.

[11] Yang S T, Cao L, Luo P G, et al. Carbon Dots for Optical Imaging in Vivo [J]. Journal of the American Chemical Society, 2009(131): 11308-11309.

[12] Liu H, Ye T, Mao C. Fluorescent carbon nanoparticles derivedfrom candle soot [J]. Angew Chem Int Ed Engl.,2007(46): 6473-6475.

[13] Bourlinos AB, Stassinopoulos A, Anglos D, et al. Photoluminescent carbogenic dots [J]. Chem Mater., 2008(20): 4539-4541.

[14] Yan F Y, Zou Y, Wang M, et al. Highly photoluminescent carbon dots-based fluorescentchemosensors for sensitive and selective detection ofmercury ions and application of imaging in living cells [J].Sensors and Actuators B,2014(192): 488-495.

[15] 舒杰明，高云玲，姚克儉，等.香豆素類熒光傳感器檢測(cè)金屬離子的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2014，33（12）：3144-3155.

[16] Zhu B C, Wang W Z, Liu L Y, et al. A highly selective colorimetric and long-wavelength fluorescent probe for Hg2+[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014(191):605-611.

[17] Fernandez-Arguelles M T, Jin W T, Costa-Fernandez J M,et al. Surface-modified CdSe quantum dots for the sensitive and selectivedetermination of Cu[Ⅱ] in aqueous solutions by luminescent measurements [J].Analytica Chimica Acta.,2005(549): 20-25.

[18] 顏范勇，鄒宇，王猛，等.熒光碳點(diǎn)的制備及應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展，2014，26（1）：61-74.

[19] Liu Y, Liu C Y, Zhang Z Y. Journal of Colloid and Interface Science, 2011(356): 416-421.

[20] Yang S T, Wang X, Wang H F, et al. J. Phys. Chem. C,2009(113): 18110-18114.