木質(zhì)素基碳量子點的制備及其在Fe3+熒光探針中的應(yīng)用

李瀟瀟，馬曉軍

（天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

碳量子點（CQDs）是碳材料家族新興的一種光致發(fā)光材料，為尺寸在10 nm左右的類球形顆粒，具有合成簡單、光穩(wěn)定性高、光致發(fā)光可調(diào)諧、水溶性好、細(xì)胞毒性低等特點[1-4]，是一種很有前途的替代材料。碳量子點優(yōu)異的光學(xué)特性使其在細(xì)胞成像[5-6]、離子檢測[7-10]、藥物傳輸[11-12]、光電催化[13-14]、生物傳感[15]和防偽[16-19]等領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。可用于合成碳量子點的前驅(qū)體有很多，自然界中大多數(shù)含碳的物質(zhì)均可作為制備CQDs的前驅(qū)體。生物質(zhì)資源作為自然界中一種成本低、環(huán)保、可再生等優(yōu)點的原料，可作為石油基化工產(chǎn)品的替代材料，實現(xiàn)其高利用價值，因此生物質(zhì)基碳量子點已成為前沿新材料領(lǐng)域的重要研究熱點。近年來，以生物質(zhì)為前驅(qū)體合成強熒光CQDs被大量報道[17,20-23]。如ZHAO等[21]利用簡單的一鍋法成功地將低價值的生物質(zhì)資源松木合成了發(fā)出強熒光的P-CQDs，P-CQDs還表現(xiàn)出良好的水溶性、熒光性和光學(xué)穩(wěn)定性；此外，探討了在水熱炭化（HTC）過程中P-CQDs的形成機(jī)理以及P-CQDs可對Fe3+選擇性識別的特性。RAO等[24]通過將香蕉樹的根莖作為碳源前驅(qū)體，利用一步水熱法制備的生物質(zhì)基碳量子點對Fe3+具有高選擇性，發(fā)生熒光猝滅效應(yīng)，F(xiàn)e3+的檢測限低至6.4 nM。LONG等[25]通過便捷的一步水熱法制備的FNCDs擁有可逆的自保護(hù)RTP和pH穩(wěn)定的藍(lán)色熒光特性。其中FNCDs的熒光顏色能夠?qū)崿F(xiàn)紫外光可控制的藍(lán)、綠光轉(zhuǎn)換(在紫外光下能顯示藍(lán)色熒光，無紫外光時顯示綠色熒光)，可以作為一種制備成本低、可分辨的新型智能隱藏墨水，用于信息加密和解密、反偽造和隱藏復(fù)雜圖案等安全級別較高的加密工作。另外，劉辰等[26]報道了以玉米秸稈發(fā)酵后的殘渣酶解木質(zhì)素為碳源，通過水熱法制備發(fā)出藍(lán)綠色熒光的CQDs，并研究了不同重金屬離子對CQDs熒光性能的影響。然而，沒有進(jìn)一步探究重金屬離子濃度對CQDs熒光性能的影響。

重金屬離子具有生物不親和性和不可降解性，是環(huán)境污染物之一。另外，重金屬離子很容易通過食物的攝入而在生物體內(nèi)聚集，最終將會危及人類的身體健康[27]。而Fe3+作為一種重金屬離子，對人類的新陳代謝貢獻(xiàn)很大，但高濃度的金屬離子也會給身體帶來眾多副作用，如引起貧血、肝損傷等疾病[8]。因此，可利用CQDs的優(yōu)異光致發(fā)光性能，開發(fā)一種簡單、耗時短、可裸眼識別的熒光探針，用于食品包裝中Fe3+的測定。

木質(zhì)素在自然界中的來源廣泛，具有天然可再生、無毒、價廉的獨特特性，儲量僅次于纖維素[28-29]。木質(zhì)素含有較高的碳含量和豐富的芳香結(jié)構(gòu)，可作為合成CQDs的前驅(qū)體[22-23,30]，以實現(xiàn)其高價值利用，同時降低制備成本。為此，本研究以廢棄的酶解木質(zhì)素作為前驅(qū)體，通過一步水熱反應(yīng)制備CQDs，探討酶解木質(zhì)素濃度、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度對CQDs熒光性能的影響，研究CQDs溶液在不同pH值下的熒光變化以及對Fe3+的熒光選擇性，從而為CQDs作為熒光探針和熒光傳感器在食品包裝等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供思路。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

酶解木質(zhì)素（EHL）是橡膠木粉在纖維素酶的作用下酶解后得到的殘渣[31]，為實驗室留存的廢棄物。

三氯化鐵，購自國藥試劑有限公司；蒸餾水，由實驗室自制。

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠；SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵，天津科諾儀器設(shè)備有限公司；Lab-1A-50E型真空冷凍干燥機(jī)，北京亞星儀科科技發(fā)展有限公司；FEL Tecnai F20型透射電子顯微鏡（TEM），美國FEI公司；ThermoFisher Scientific iS5型傅里葉紅外變換光譜儀（FTIR），美國Thermo electron科技公司；UV-2700型紫外－可見光分光光度計(UV-vis)，日本島津公司；HP-ZF01型紫外分析儀，濟(jì)南恒品機(jī)電技術(shù)有限公司；Cary Eclipse型熒光分光光度計，美國瓦里安公司。

1.2 木質(zhì)素基碳量子點（CQDs）的合成

稱取一定量酶解木質(zhì)素，加入20 mL水，超聲處理30 min后，將其轉(zhuǎn)移至100 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在不同的溫度下反應(yīng)一定時間。自然冷卻至室溫，用0.22μm的濾膜抽濾，得到的淺黃色溶液，使用截留分子量為500的透析袋，在1 L去離子水里透析48 h，每隔6 h換一次水。最后將其冷凍干燥3 d，得到CQDs粉末。

1.3 結(jié)構(gòu)與性能測試

1.3.1 透射電子顯微鏡(TEM)分析

使用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行CQDs尺寸和形貌分析。

1.3.2 傅里葉紅外光譜分析

采用KBr壓片法在紅外變換光譜儀下測定固定樣品的紅外光譜，在500~4000 cm-1的波長范圍內(nèi)掃描，分辨率設(shè)置為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次。

1.3.3 熒光光譜和紫外可見光譜

分別使用紫外分光光度計和熒光分光光度計對樣品進(jìn)行掃描，記錄紫外光譜和熒光光譜，用于判斷碳量子點的光致發(fā)光性質(zhì)。

1.3.4 CQDs的pH響應(yīng)特性

取適量的碳量子點溶液，將其分別放入不同pH值溶液中，反應(yīng)5 min，使用熒光分光光度計對樣品進(jìn)行掃描，記錄熒光光譜（PL）圖，觀察CQDs的熒光變化。

1.3.5 CQDs對Fe3+的熒光選擇性

取適量碳量子點溶液，分別放入不同濃度的Fe3+溶液中，反應(yīng)15 min，觀察CQDs的熒光變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 CQDs工藝優(yōu)化

圖1展示了不同影響因素對CQDs熒光性能的影響。圖1(a)是在一定時間和溫度下，不同酶解木質(zhì)素濃度(10、30、50、70、90 mg/mL)對制備的CQDs熒光強度的影響，從圖1（a）中可以看出，碳源濃度對CQDs熒光強度的影響相對明顯，隨著木質(zhì)素濃度的增加，CQDs的熒光強度先增強后減弱，當(dāng)木質(zhì)素濃度為50 mg/mL時，熒光強度達(dá)到最大值。當(dāng)木質(zhì)素濃度＞50 mg/mL時，CQDs的熒光強度開始下降，這是由于內(nèi)濾效應(yīng)，碳源濃度過高，熒光強度逐漸下降。從圖1（b）可以看出，隨著水熱溫度（160、180、200、220、240℃）的升高（固定碳源濃度和反應(yīng)時間），熒光強度逐漸增大，在220℃時，熒光強度達(dá)到最大，這可能是因為酶解木質(zhì)素是長鏈大分子，低溫時反應(yīng)不充分，得到的CQDs熒光較弱。隨著反應(yīng)溫度的升高，水熱反應(yīng)更加完全，熒光強度增強。而240℃時，熒光減弱，這可能是因為過高的溫度影響碳核的形成，導(dǎo)致碳量子點團(tuán)聚，部分熒光猝滅。因此，最佳的水熱溫度為220℃。從圖1（c）可以看出，隨著水熱反應(yīng)時間（8、10、12、14、16 h）的增加（固定碳源濃度和反應(yīng)溫度），CQDs熒光強度逐漸增強。當(dāng)反應(yīng)時間為12 h時，熒光強度能夠達(dá)到750，與反應(yīng)16 h的CQDs熒光相比，變化不大，考慮到效益最大化，認(rèn)為12 h為最佳反應(yīng)時間。

圖1 不同因素對CQDs熒光性能的影響

通過上述結(jié)果和分析可以得出工藝優(yōu)化后碳量子點的最佳合成條件是：酶解木質(zhì)素(碳源)濃度為50 mg/mL，反應(yīng)溫度為220℃，反應(yīng)時間為12 h。在此基礎(chǔ)上，以使用最佳工藝制備的碳量子點作為測試樣品，通過TEM、FTIR、UV-vis、FL測試對CQDs的分散性、尺寸大小和光學(xué)性能等進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.2 CQDs的TEM分析

圖2是CQDs的TEM圖像。從圖2中可以看出，CQDs呈類球形，尺寸分布均勻，無明顯團(tuán)聚，粒徑在7 nm左右，與文獻(xiàn)描述一致[13,18]。

圖2 CQDs的TEM圖像

2.3 CQDs的FTIR分析

圖3為CQDs的FTIR圖。從圖3的數(shù)據(jù)可以看出，合成的CQDs保留了酶解木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)。在3430 cm-1處的寬吸收峰對應(yīng)于CQDs中—OH的伸縮振動，豐富的—OH賦予了CQDs良好的水溶性特征[32-33]。在1610 cm-1和1436 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰歸屬于—COOH的伸縮振動。紅外光譜圖結(jié)果進(jìn)一步表明CQDs表面富含含氧官能團(tuán)，與文獻(xiàn)的報道一致[5]。

圖3 CQDs的紅外光譜圖

2.4 CQDs的光學(xué)性質(zhì)

圖4為CQDs溶液的紫外吸收光譜圖和熒光光譜圖。由圖4可知，CQDs水溶液在280 nm處出現(xiàn)較明顯的紫外吸收峰，這是由芳香族sp2碳的π-π*躍遷引起的[25]。另外，熒光光譜圖展示CQDs的最大激發(fā)波長為365 nm，最大發(fā)射波長為452 nm。CQDs具有良好的水溶性，在日光下呈透明的淡黃色，而在365 nm的紫外燈照射下發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光。

圖4 CQDs溶液的紫外吸收光譜圖和熒光光譜圖

圖5為CQDs在不同激發(fā)波長下得到發(fā)射光譜圖。從圖5可以看出，隨著激發(fā)波長從280 nm變化到420 nm，發(fā)射波長發(fā)生紅移，且發(fā)射峰先增強后減弱，說明制備的CQDs具有激發(fā)波長依賴性[22]。這與文獻(xiàn)報道的CQDs的性質(zhì)是一致的，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是CQDs的表面有不同的發(fā)射位點或CQDs的顆粒大小存在差異。

圖5 CQDs溶液在不同激發(fā)波長下的發(fā)射光譜圖

2.5 CQDs的pH響應(yīng)特性

為探討CQDs在不同pH溶液下的熒光性能變化，將一定濃度的CQDs放入不同pH溶液里，反應(yīng)5 min后，觀察CQDs溶液熒光變化，結(jié)果如圖6和圖7所示。實驗發(fā)現(xiàn)：溶液pH值從2.3變化到12.5，對應(yīng)CQDs的熒光強度先增強而后減弱，當(dāng)pH值大約在3～7時，熒光強度基本穩(wěn)定，pH為4.5時達(dá)到最大值。然而在堿性條件下，CQDs的熒光強度會逐漸減弱。這可能是因為在堿性環(huán)境中會形成羧酸鹽，破壞了CQDs表面的鈍化，造成大量CQDs團(tuán)聚，從而促使熒光發(fā)生一定程度的淬滅[23]。不同pH下CQDs溶液的熒光效果圖見圖7。上述結(jié)果表明，制備的CQDs具有一定的pH響應(yīng)特性，說明其有望應(yīng)用在食品包裝有害物檢測等更多領(lǐng)域。

圖6 在不同pH下CQDs溶液的熒光光譜圖

圖7 不同p H時CQDs溶液在可見光和365 nm紫外光下的效果圖

2.6 CQDs對Fe3+的檢測

為探究CQDs是否對重金屬離子具有熒光選擇性，觀察CQDs溶液的熒光強度與不同F(xiàn)e3+濃度（0~2000μmol/L）之間的關(guān)系，結(jié)果如圖8和圖9所示。沒有加入Fe3+時，CQDs溶液具有高的熒光強度，但隨著Fe3+濃度的增加，CQDs熒光強度逐漸降低，且最大發(fā)射波長略有改變，可能是由于加入Fe3+影響了CQDs表面的官能團(tuán)，造成CQDs聚集，從而發(fā)生熒光猝滅。不同F(xiàn)e3+濃度時CQDs溶液的熒光變化見圖9。實驗結(jié)果表明：CQDs對Fe3+有顯著的熒光選擇性，且對低濃度的Fe3+依然能表現(xiàn)出熒光猝滅現(xiàn)象。當(dāng)Fe3+濃度為30μmol/L時，熒光強度降低了13.8%；當(dāng)Fe3+濃度為300μmol/L時，熒光強度降低了50.2%。因此，CQDs可以作為快速簡便、可裸眼識別的熒光探針用于Fe3+的測定。

圖8 在不同F(xiàn)e3+濃度下CQDs溶液的熒光光譜圖

圖9 不同F(xiàn)e3+濃度時CQDs溶液在可見光和365 nm紫外光下的效果圖

3 結(jié)束語

本文以酶解木質(zhì)素為碳源，通過綠色簡便的一步水熱法合成了可發(fā)出強烈藍(lán)色熒光的碳量子點（CQDs）。CQDs的最佳合成條件是：酶解木質(zhì)素濃度為50 mg/mL，水熱溫度為220℃，水熱時間為12 h。上述方法合成的CQDs具有良好的水溶性和優(yōu)異的光致發(fā)光性能，且具有pH響應(yīng)特性和Fe3+選擇性。基于CQDs優(yōu)異的pH響應(yīng)特性和Fe3+選擇性能，其在食品包裝有害物檢測、重金屬Fe3+測定等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。