氨基化碳量子點(diǎn)熒光猝滅法測定焦性沒食子酸的研究

李滿秀， 李永霞， 張 媛， 賀晨芳

(忻州師范學(xué)院 化學(xué)系, 山西 忻州 034000)

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氨基化碳量子點(diǎn)熒光猝滅法測定焦性沒食子酸的研究

李滿秀*， 李永霞， 張 媛， 賀晨芳

(忻州師范學(xué)院 化學(xué)系, 山西 忻州 034000)

以葡萄糖為原料，通過一步水熱法合成穩(wěn)定性高的碳量子點(diǎn)，并用乙二胺使其表面氨基化。焦性沒食子酸能使氨基化的碳量子點(diǎn)熒光明顯猝滅，由此建立一種簡便、高效檢測焦性沒食子酸的新方法?？疾炝司彌_體系pH、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等對焦性沒食子酸測定的影響。結(jié)果表明，在pH=11.20的三酸緩沖溶液中，室溫反應(yīng)20 min時，體系的F0/F與焦性沒食子酸的濃度呈良好的線性關(guān)系，其線性范圍為4.0×10-6～9.0×10-5mol·L-1，相關(guān)系數(shù)r=0.997 4，檢出限為3.5×10-6mol·L-1。該方法快速簡便，適用于水樣中焦性沒食子酸的檢測。

氨基化碳量子點(diǎn)； 焦性沒食子酸； 熒光猝滅

1 引 言

碳量子點(diǎn)(CQDs)是以碳為骨架結(jié)構(gòu)的新型納米材料，是一種分散的、尺寸小于10 nm的類球形納米顆粒[1-2]。這種材料不僅繼承了半導(dǎo)體量子點(diǎn)的優(yōu)異光學(xué)性能，有高的熒光強(qiáng)度、好的穩(wěn)定性和耐光漂白性，同時還具備低毒、環(huán)境友好及良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在生物成像、藥物傳遞、光催化和光電領(lǐng)域[3]引起人們的廣泛關(guān)注。目前制備碳量子點(diǎn)的方法有電化學(xué)法[4]、化學(xué)氧化法[5]和水熱法[6]等。其中水熱法是一種較為簡單、快速合成碳量子點(diǎn)的方法。與常規(guī)碳量子點(diǎn)相比，用乙二胺修飾碳量子點(diǎn)得到的表面氨基化的碳量子點(diǎn)具有更高的熒光強(qiáng)度且性能更穩(wěn)定。

焦性沒食子酸廣泛應(yīng)用于攝影工業(yè)、塑料工業(yè)、食品加工及保鮮、染料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)藥等領(lǐng)域[7]，對人體和環(huán)境有一定的影響，尤其是對水生生物有很大危害，甚至可能對水體環(huán)境產(chǎn)生長期不可逆的不良影響。因此，建立一種簡便、高效檢測焦性沒食子酸的方法具有重要意義。

目前，檢測焦性沒食子酸的方法有高效液相色譜法[8]、循環(huán)伏安法[9]、化學(xué)發(fā)光法[10]、光度法[11]、電化學(xué)方法[12]等。本文以葡萄糖為碳源，采用水熱法合成碳量子點(diǎn),再通過乙二胺使之表面氨基化，進(jìn)而與焦性沒食子酸作用，使體系的熒光發(fā)生猝滅，且猝滅程度在一定范圍內(nèi)與焦性沒食子酸的濃度成正比，從而實(shí)現(xiàn)對焦性沒食子酸的檢測。該方法可用于水樣中焦性沒食子酸的快速檢測。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1主要儀器和試劑

UV-2550型紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司)；F-4500型熒光分光光度計(jì)(日本日立公司)；IRAffinity-1S傅立葉變換紅外光譜儀(日本島津公司)； 85-2型恒溫磁力攪拌器(上海司樂儀器廠)；DHG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

葡萄糖(天津市申泰化學(xué)試劑有限公司)；乙二胺(天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠)；焦性沒食子酸(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；三酸緩沖溶液：在100 mL 三酸混合液(硼酸、磷酸、乙酸濃度均為0.04 mol/L)中，加入一定體積的0.2 mol/L NaOH溶液，得到相應(yīng)pH值的緩沖溶液。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。試劑級別均為分析純。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 碳量子點(diǎn)的合成

稱取葡萄糖1.44 g，用適量超純水溶解，定容至50 mL容量瓶中。然后，轉(zhuǎn)移至100 mL單口圓底燒瓶中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌10 min，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，于200 ℃下加熱8 h。反應(yīng)結(jié)束后，獲得淺黃色粘稠液體，自然冷卻至室溫，定容至原容量瓶中，過濾、離心后，得到均一的碳量子點(diǎn)。

2.2.2 氨基化碳量子點(diǎn)的合成

取制備的碳量子點(diǎn)10 mL于圓底燒瓶中，再加入200 μL乙二胺。充分振蕩后，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，于200 ℃下加熱5 h。反應(yīng)結(jié)束后，獲得深褐色粘稠液體，自然冷卻至室溫，稀釋至10 mL，過濾，即得到乙二胺修飾的碳量子點(diǎn)(記為N-CQDs)。

2.2.3 焦性沒食子酸的定量檢測

取系列10 mL比色管，均加入0.3 mL乙二胺修飾的碳量子點(diǎn)，然后按一定體積梯度依次加入1.0×10-3mol·L-1焦性沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液， 1 mL pH=11.20的三酸緩沖溶液，最后用超純水定容至10 mL。充分振蕩后，在室溫下反應(yīng)20 min，測定其熒光強(qiáng)度F(以481 nm為激發(fā)波長掃描發(fā)射光譜，激發(fā)和發(fā)射光譜帶通均為10 nm)。

2.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

配制4，6，8，10，35，45，78，90×10-6mol·L-1的焦性沒食子酸系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，依照上述實(shí)驗(yàn)方法測定其熒光強(qiáng)度。然后以濃度C為橫坐標(biāo)，體系的相對熒光強(qiáng)度F0/F為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2.5 量子點(diǎn)的光譜表征

使用傅立葉變換紅外光譜儀對合成的碳量子點(diǎn)及氨基化的碳量子點(diǎn)進(jìn)行表征。將稀釋不同倍數(shù)的碳量子點(diǎn)和氨基化碳量子點(diǎn)置于比色皿中，用紫外可見分光光度計(jì)在200～800 nm范圍內(nèi)進(jìn)行檢測。

取兩支10 mL比色管，分別加入0.3 mL碳量子點(diǎn)和乙二胺修飾的碳量子點(diǎn)，再加入1 mL pH=11.20的三酸緩沖溶液，用超純水定容至10 mL，用熒光分光光度計(jì)進(jìn)行熒光檢測。所有的光學(xué)檢測均在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1碳量子點(diǎn)的光譜表征

3.1.1 紅外光譜

圖1 碳量子點(diǎn)和氨基化的碳量子點(diǎn)的紅外光譜圖

3.1.2 紫外-可見吸收光譜

從碳量子點(diǎn)和氨基化碳量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜(圖2)可知，在最優(yōu)條件下合成的碳量子點(diǎn)的紫外吸收光譜中有兩個較為明顯的吸收峰，位于225 nm和283 nm。而氨基化的碳量子點(diǎn)較為明顯的吸收峰僅有一個，位于260 nm處。

(a) 1～4： C=30，15，6，3×10-3mol·L-1； (b) 1～4： C=7.5，6.7，6.0，5.5×10-4 mol·L-1.

3.1.3 熒光光譜

在圖3所示的熒光光譜中，碳量子點(diǎn)在347 nm激發(fā)下，最大發(fā)射波長為438 nm；氨基化的碳量子點(diǎn)在481 nm激發(fā)下，最大發(fā)射波長為539 nm，且熒光強(qiáng)度明顯增大。這是因?yàn)樘剂孔狱c(diǎn)表面有環(huán)氧基團(tuán)和羧基基團(tuán)，它們是非輻射復(fù)合中心[13]，氮源可以與之發(fā)生親核反應(yīng)，從而減少環(huán)氧基團(tuán)和羧基基團(tuán)，即碳量子點(diǎn)表面的部分C—O—C和—COOH在加熱條件下與氮源反應(yīng)，生成了酰胺和醇類，減少了非輻射復(fù)合，從而增強(qiáng)了碳量子點(diǎn)的熒光發(fā)射[14]。

圖3 碳量子點(diǎn)和氨基化碳量子點(diǎn)(4.4×10-3mol·L-1)的熒光發(fā)射光譜

Fig.3 Fluorescence emission spectra of CQDs and N-CQDs

3.2碳量子點(diǎn)合成條件的優(yōu)化

為了得到性能良好的碳量子點(diǎn)，我們在不同反應(yīng)溫度(160，180，200 ℃)和不同反應(yīng)時間(6，8，10，15，20，24 h)下制備了熒光碳量子點(diǎn)并檢測其激發(fā)和發(fā)射光譜。結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度為200 ℃、反應(yīng)時間為8 h時，得到的碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最大，如圖4和圖5所示。

圖4 反應(yīng)時間對碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

Fig.4 Effect of reaction time on the fluorescence intensity of CQDs

圖5 反應(yīng)時間為8 h時的碳量子點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射光譜

Fig.5 Excitation and emission spectra of CQDs with the reaction time of 8 h

3.3氨基化碳量子點(diǎn)合成條件的優(yōu)化

對合成的氨基化碳量子點(diǎn)進(jìn)行熒光檢測，我們發(fā)現(xiàn)其熒光強(qiáng)度不夠穩(wěn)定，推測是乙二胺用量的影響。實(shí)驗(yàn)選擇乙二胺加入量分別為100，200，300，535 μL來合成氨基化碳量子點(diǎn)，并對其進(jìn)行熒光測定，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)乙二胺的加入量為300 μL時，氨基化碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最大，但與乙二胺加入量為200 μL時的產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度相差較小?？紤]到熒光強(qiáng)度的穩(wěn)定性，我們選擇乙二胺加入量為200 μL。

圖6 乙二胺加入量對N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響

Fig.6 Effect of amount of ethylenediamine on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.4氨基化碳量子點(diǎn)與焦性沒食子酸相互作用的條件優(yōu)化

3.4.1 緩沖體系pH

筆者搜集、查閱了很多資料，關(guān)于這一點(diǎn)外國專家也沒有太具體的建議。以下是筆者自己的想法，與大家分享交流。

實(shí)驗(yàn)考察了pH范圍為8.36～11.58的三酸緩沖溶液對體系熒光強(qiáng)度的影響，如圖7所示。結(jié)果表明，量子點(diǎn)在pH=11.20時的猝滅效果較佳且體系較為穩(wěn)定，因此，我們選擇三酸緩沖體系的最佳pH為11.20(ΔF為未加入與加入1.8×10-5mol·L-1焦性沒食子酸的氨基化碳量子點(diǎn)體系的熒光強(qiáng)度之差)。

圖7 pH對N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響

Fig.7 Effect of pH on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.4.2 反應(yīng)時間

我們考察了反應(yīng)時間為10，20，30，40，50，60，90，120 min對體系熒光強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，焦性沒食子酸對氨基化碳量子點(diǎn)的熒光猝滅作用在20 min左右趨于穩(wěn)定，延長反應(yīng)時間，體系不再發(fā)生變化。所以，實(shí)驗(yàn)選擇焦性沒食子酸加入20 min后進(jìn)行測定。

3.4.3 反應(yīng)溫度

我們考察了反應(yīng)溫度為15，25，35，45，55，65 ℃對體系熒光強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，焦性沒食子酸對氨基化碳量子點(diǎn)的熒光猝滅作用在室溫25 ℃時效果最佳，升溫或降溫均使猝滅效果受到不同程度的影響。

3.5干擾成分對體系熒光強(qiáng)度的影響

將焦性沒食子酸濃度定為1.8×10-5mol·L-1，我們在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下考察了常見離子、氨基酸和酚類化合物對體系測定的影響，結(jié)果如表1所示(相對誤差在5%范圍內(nèi))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氨基酸、酚類化合物和多數(shù)離子對體系干擾很小，故本方法具有較好的選擇性。

表1 干擾物質(zhì)的影響

3.6標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和精密度

在最佳條件下，體系的相對熒光強(qiáng)度F0/F(F0、F代表未加和加入焦性沒食子酸測得體系的熒光強(qiáng)度)與焦性沒食子酸在4.0×10-6～9.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為：F0/F=0.0048C+0.9871，線性相關(guān)系數(shù)r=0.997 4。平行測定10組1.8×10-5mol·L-1的焦性沒食子酸溶液，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為1.1%。根據(jù)IUPIC推薦的標(biāo)準(zhǔn)，測得檢出限(三倍標(biāo)準(zhǔn)差法)為3.5×10-6mol·L-1。

圖8 焦性沒食子酸對氨基化碳量子點(diǎn)的熒光猝滅

Fig.8 Fluorescence quenching of different concentration of pyrogallic acid in N-CQDs

3.7猝滅機(jī)理

為了探討熒光猝滅機(jī)理, 我們先用Stern-Volmer方程來區(qū)分動態(tài)猝滅還是靜態(tài)猝滅。我們考察了不同溫度下焦性沒食子酸對氨基化碳量子點(diǎn)的猝滅作用，并用Stern-Volmer方程F0/F=1+KsvC=1 +Kqτ0C處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中：F0、F分別為未加和加入焦性沒食子酸氨基化碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度；Ksv為Stern-Volmer猝滅常數(shù)；C為加入焦性沒食子酸的濃度；Kq為熒光猝滅速率常數(shù)；τ0為猝滅劑不存在時熒光分子的平均壽命。

不同溫度下的焦性沒食子酸濃度對氨基化碳量子點(diǎn)的Stern-Volmer曲線如圖9所示。由于Ksv為斜率，因此 1/Ksv在數(shù)值上等于猝滅效率為50%時猝滅劑的濃度。由式Kqτ0=Ksv可求得雙分子猝滅過程的速率常數(shù)Kq(單位為L /(mol·s))。由圖可得，25 ℃的回歸方程為F0/F=0.0048C+ 0.8971，r=0.997 4；35 ℃的回歸方程為F0/F=0.0035C+0.9973，r=0.997 0。

已知碳量子點(diǎn)的熒光平均壽命約為2.74×10-9s，可得25 ℃時的Kq=1.74×1012；35 ℃時的Kq=1.29×1012，均大于最大動態(tài)猝滅常數(shù)Kq=2×1010L /(mol·s)，因此應(yīng)為靜態(tài)猝滅過程。

圖9 溫度對氨基化碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

Fig.9 Effect of temperature on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.8樣品測定

按照實(shí)驗(yàn)方法，我們在優(yōu)化條件下對自來水樣中焦性沒食子酸的含量進(jìn)行了測定，并進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，每個樣品平行測定5次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明，水樣加標(biāo)測定平均回收率在92.3%～109.4%之間。

表2 水樣中焦性沒食子酸含量的測定(n=5)

4 結(jié) 論

碳量子點(diǎn)是近年來出現(xiàn)的一種新型熒光納米粒子，目前以氨基化碳量子點(diǎn)為熒光探針，測定焦性沒食子酸的研究還較少。本文合成了乙二胺修飾的碳量子點(diǎn)，利用氨基化碳點(diǎn)為熒光探針與焦性沒食子酸作用，建立了一種簡單、快速定量檢測焦性沒食子酸的新方法。該方法已成功用于水樣檢測，具有較好的實(shí)用價值。

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李滿秀(1955-)，男，山西原平人，教授，1997年本科畢業(yè)，主要從事發(fā)光分析方面的研究。

E-mail: Lmxxz@sohu.com

Determination of Pyrogallic Acid in Amino-functional Carbon Quantum Dots Fluorescence Quenching

LI Man-xiu*, LI Yong-xia, ZHANG Yuan, HE Chen-fang

(DepartmentofChemistry,XinzhouTeachers’University,Xinzhou034000,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:Lmxxz@sohu.com

With crystal giucose as raw material, the carbon quantum dots were synthesized through one-step hydrothermal method. The surface of the carbon quantum dot was amino modificated using ethylenediamine. Pyrogallic acid can cause the fluorescence quenching effect of the amino-functional carbon quantum dots more obvious, hereby, a simple and efficient method to measure the pyrogallic acid was established. Different influencing factors were studied including pH buffer system, reaction time, reation temperature and so on. The results show thatF0/Fof the system has linear relationship with the concentration of the pyrogallic acid in Britton-Robinson buffer solution with pH=11.20 and the reaction time of 20 min at room temperature. The linear range is 4.0×10-6-9.0×10-5mol·L-1, the correlation coefficientris 0.997 4, and the detection limit is 3.5×10-6mol·L-1, respectively. The method is simple and applicable to the determination of pyrogallic acid in water samples with satisfactory results.

amino-functional carbon quantum dots; pyrogallic acid; fluorescence quenching

2016-07-17；

2016-09-23

山西省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(20141010)； 山西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2015381)； 山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目 Supported by Key Subject of Shanxi Province(20141010); Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students in Shanxi Province(2015381); Key Laboratary Foudation of Shanxi Province

1000-7032(2017)01-0117-07

O482.31

A

10.3788/fgxb20173801.0117