青柿子粗提物簡(jiǎn)易制備熒光碳點(diǎn)及對(duì)Fe3+的檢測(cè)

韓 雍，汪 慧，宋 曦，雒雪麗

(1.隴東學(xué)院 農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

碳點(diǎn)(Carbon dots，CDs)是具有三維尺寸的粒徑為10nm左右的類球形碳納米材料，于2004年由Xu等[1]在剝離碳納米管時(shí)發(fā)現(xiàn)，2006年由孫亞平教授以CDs命名[2]。CDs作為一種以碳元素為主體的新型熒光納米材料，具有良好的水溶性，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)和熒光染料相比，具有毒性小、生物相容性好、化學(xué)惰性好、光穩(wěn)定性優(yōu)異，以及具備熒光可調(diào)性，易于實(shí)現(xiàn)表面功能化，抗光漂白能力較強(qiáng)，原材料來(lái)源豐富且價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)[3]。其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括細(xì)胞成像[4]、生物標(biāo)記[5]、分析監(jiān)測(cè)[6]、藥物傳遞[7]、光電轉(zhuǎn)換[8]以及催化[9]等領(lǐng)域。CDs的制備方法分為自上而下(Top-down)法(如激光剝蝕法)以及自下而上(Bottom-up)法(如水熱法[10])。水熱法簡(jiǎn)單可靠，便于操作，成為主流的CDs制備方法。CDs應(yīng)用的關(guān)鍵在于其對(duì)目標(biāo)結(jié)合物的高度特異性，因此對(duì)CDs表面官能團(tuán)的設(shè)計(jì)引起研究者的關(guān)注。理論上，CDs制備只要有碳元素存在即可，因此很多含碳元素的自然物被用于制備CDs[11-13]。由于植物提取物中含有各種生物活性物質(zhì)，如酸性成分(鞣質(zhì)、多酚類、類黃酮、檸檬酸、酒石酸和抗壞血酸)、堿性成分(生物堿)和中性成分(碳水化合物)，因此其在納米顆粒合成中很有吸引力。當(dāng)植物提取物用于CDs的合成時(shí)，合成動(dòng)力學(xué)有時(shí)取決于特定萃取物中存在的植物成分。提取的植物成分不僅決定了碳點(diǎn)的表面官能團(tuán)，還直接影響材料的反應(yīng)特性。柿子是北方常見水果，由于未成熟柿子中含有大量單寧，而單寧對(duì)鐵離子具有一定的識(shí)別能力[14]，可利用青柿子作為碳源進(jìn)行CDs制備，并用于鐵離子檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)以青柿子粗提物為碳源，通過(guò)水熱法制備碳點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行表征分析，依據(jù)所制備碳點(diǎn)的表面官能團(tuán)特性評(píng)價(jià)了其對(duì)Fe3+的檢測(cè)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

青柿子(Persimmon)采于西北農(nóng)林科技大學(xué)校園內(nèi)柿樹，選擇半熟狀態(tài)的青柿子作為試驗(yàn)材料。氨水溶液(25%)、乙腈、乙醇、二甲亞砜(DMSO)、硝酸鋁、硝酸鈣、硝酸銀、氯化鈉、硝酸鎂、硫酸錳、硫酸鋅、硫酸鈷、氯化鐵、氫氧化鈉、硫酸(98%)、鹽酸等均為市售分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。利用氨水溶液調(diào)節(jié)柿子提取物的pH值。實(shí)驗(yàn)用水為去離子水(DW)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1碳點(diǎn)制備稱取50 g青柿子，切碎研細(xì)，放入燒杯中，添加100 mL水，30 ℃超聲處理20 min后，利用紗布過(guò)濾去除未研細(xì)的青柿子，濾液再經(jīng)濾紙過(guò)濾即得青柿子提取液。將青柿子提取液加入100 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯水熱合成釜中，置于高溫烘箱以180 ℃水熱反應(yīng)2 h獲得褐色溶液，產(chǎn)物經(jīng)10 000 r/min離心后，取上清液過(guò)0.22 μm濾膜，即得淡褐色青柿子碳點(diǎn)(Persimmon-CDs，PM-CDs)溶液。該溶液在365 nm紫外燈下顯示藍(lán)色熒光，以此為儲(chǔ)備液于低溫保存。

1.2.2碳點(diǎn)表征利用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(JEOL-S4800，F(xiàn)ESEM,日本JEOL)獲得碳點(diǎn)的透射電子顯微鏡(TEM)形貌圖。利用X射線衍射儀(D8 ADVANCE，德國(guó)Bruker Corp)獲得X射線衍射(XRD)圖。使用配有Al-KαX-ray射線源(1 486.6 eV)的X-ray 光電子能譜儀(Axis Ultra DLD，英國(guó)Kratos)進(jìn)行X-ray光電子能譜(XPS)數(shù)據(jù)收集。利用分光光度計(jì)(UV-Vis 2500，日本Shimadzu)對(duì)紫外吸收光譜進(jìn)行表征。利用傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀(Vetex 70，德國(guó)Bruker Corp)確定CDs的主要活性基團(tuán)。通過(guò)熒光光譜儀(LS-55，美國(guó)Perkine-Elmer)獲得熒光光譜(FL)，其激發(fā)和發(fā)射縫隙寬度設(shè)為5 nm。在365 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，記錄300～600 nm范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。所有熒光測(cè)量均重復(fù)3次。IBM Origin 9.0軟件用于數(shù)據(jù)處理和作圖。

1.2.3Fe3+檢測(cè)以PM-CDs的熒光表征結(jié)果為依據(jù)，確定最佳Fe3+猝滅熒光體系，配制濃度梯度為0～50 μmol/L的Fe3+溶液，對(duì)其進(jìn)行熒光猝滅檢測(cè)，以熒光猝滅量為檢測(cè)指標(biāo)，通過(guò)Stern-Volmer猝滅方程進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立Fe3+濃度與熒光強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方程:F0/F=1+Ksv[Q]。式中:F0和F分別為碳點(diǎn)在加入目標(biāo)分析物前后的熒光強(qiáng)度；Ksv為熒光猝滅結(jié)合常數(shù)；[Q]為目標(biāo)分析物的濃度。

為評(píng)價(jià)PM-CDs的選擇性，取1 mL 0.01 mol/L的不同金屬離子分別加至2 mL PM-CDs中，在優(yōu)化檢測(cè)條件下，觀察不同金屬離子的熒光猝滅效果，評(píng)價(jià)不同離子對(duì)該碳點(diǎn)檢測(cè)Fe3+的干擾情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM-CDs的表征

因青柿子碳源成分復(fù)雜，激發(fā)光對(duì)PM-CDs的熒光發(fā)射強(qiáng)度可能存在較大影響，如圖1G所示，在波長(zhǎng)285～500 nm范圍內(nèi)，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增大，PM-CDs的熒光發(fā)射峰發(fā)生明顯紅移，而熒光強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm時(shí)，熒光強(qiáng)度最大，發(fā)射波長(zhǎng)為445 nm。試驗(yàn)表明PM-CDs發(fā)射光具有明顯的依賴激發(fā)波長(zhǎng)的熒光特性，主要原因可能是碳點(diǎn)粒徑不均勻，粒徑分布范圍寬，對(duì)激發(fā)能量的吸收和釋放途徑存在差異，導(dǎo)致熒光發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生明顯改變；另一方面可能是該碳點(diǎn)的碳源純化不徹底，碳點(diǎn)的官能團(tuán)成分相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致碳點(diǎn)熒光發(fā)射中心受其他化學(xué)基團(tuán)的影響嚴(yán)重。該碳點(diǎn)在不同pH值條件下的熒光發(fā)射峰位置保持一定，但熒光強(qiáng)度隨pH值變化發(fā)生相應(yīng)改變(圖1H)。在pH 3.0～5.0范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度迅速增大，在pH 5.0～11.0范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度變化不明顯，具有相對(duì)穩(wěn)定的熒光發(fā)射強(qiáng)度，且熒光強(qiáng)度較高，但pH值大于11.0后，熒光強(qiáng)度明顯降低(圖1H插圖)。在pH 5.0～11.0 范圍的高熒光強(qiáng)度和穩(wěn)定性說(shuō)明該碳點(diǎn)具有比較優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)能力，這可能是由于柿子中的活性基團(tuán)較多，尤其—COOH和—NH2的含量較多，在溶液體系中的緩沖能力較強(qiáng)所致。

2.2 Fe3+檢測(cè)

根據(jù)熒光猝滅原理，在預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用制備的PM-CDs對(duì)Fe3+進(jìn)行檢測(cè)，將不同濃度的Fe3+添加到經(jīng)預(yù)試驗(yàn)優(yōu)化稀釋的PM-CDs溶液中，以熒光猝滅強(qiáng)度為指標(biāo)，建立Fe3+的熒光檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明，在一定濃度范圍內(nèi)，隨著Fe3+濃度的升高，PM-CDs的熒光強(qiáng)度逐漸降低。在0.45～50 μmol/L范圍內(nèi)，F(xiàn)e3+濃度(x，μmol/L)與PM-CDs的熒光猝滅強(qiáng)度(y，y=F0/F-1)呈較好線性關(guān)系，線性方程為y=0.166 2x-0.734 9，r2=0.923 4。

Fe3+能夠與碳點(diǎn)上的活性基團(tuán)進(jìn)行配位螯合，改變碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的電子傳遞特性，并通過(guò)電子轉(zhuǎn)移方式實(shí)現(xiàn)熒光猝滅。另外，對(duì)Fe3+溶液的紫外光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Fe3+溶液的吸收峰在370 nm附近(圖2A)，與實(shí)驗(yàn)制備的PM-CDs的吸收峰大部分重合，因此Fe3+對(duì)PM-CDs的熒光猝滅并非單純的電子轉(zhuǎn)移，而是存在內(nèi)濾效應(yīng)[17]，兩者共同導(dǎo)致對(duì)碳點(diǎn)熒光的猝滅。

2.3 干擾試驗(yàn)

碳點(diǎn)的表面狀態(tài)不同，尤其是表面活性基團(tuán)不同，將導(dǎo)致對(duì)金屬離子的選擇性有很大差異。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，考察了不同金屬離子(Fe3+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、K+、Al3+、Co2+、Mn2+和Ag+)對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度變化(F0-F)的影響(圖2B)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe3+對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響最顯著，Na+和Ag+對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度有一定的影響，而其他離子對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響較小,表明所制備的碳點(diǎn)對(duì)Fe3+具有更好的選擇性，可用于Fe3+的檢測(cè)。雖然該碳點(diǎn)具有豐富的表面官能團(tuán)，擁有優(yōu)異的電子供給和接受能力，但在與金屬離子螯合的過(guò)程中，由于Fe3+的電子供給能力較強(qiáng)，PM-CDs表現(xiàn)出明顯的電子接受能力，故對(duì)Fe3+具有明顯的選擇性。此外由于Fe3+溶液對(duì)熒光的內(nèi)濾作用，也影響Fe3+對(duì)該碳點(diǎn)的熒光猝滅效果，使PM-CDs熒光對(duì)Fe3+具有相對(duì)高的選擇性。

金屬離子對(duì)熒光猝滅作用主要表現(xiàn)為供電子-受電子能力的強(qiáng)弱，以及碳點(diǎn)表面官能團(tuán)對(duì)金屬離子的協(xié)同配合作用，F(xiàn)e3+與PM-CDs表現(xiàn)為強(qiáng)供電子體和受電子體，而PM-CDs本身碳源的多官能團(tuán)作用，促進(jìn)Fe3+與PM-CDs良好的識(shí)別能力，而Fe2+的供電子能力遠(yuǎn)弱于Fe3+，所以Fe2+水溶液在355 nm激發(fā)波條件下不具備對(duì)PM-CDs熒光內(nèi)濾效應(yīng)。此外，在普通環(huán)境下的水溶液中，鐵離子主要以三價(jià)存在，因此，干擾試驗(yàn)中未考慮Fe2+對(duì)檢測(cè)的影響。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)表明，青柿子經(jīng)簡(jiǎn)單浸提后的混合物可用于碳點(diǎn)制備，制備方法簡(jiǎn)易、環(huán)保、高效。所制備的碳點(diǎn)在形貌、表面官能團(tuán)和光學(xué)特征等方面有明顯特點(diǎn)，并與常規(guī)化學(xué)試劑制備的碳點(diǎn)具有相似結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性，但其復(fù)雜的碳源成分導(dǎo)致官能團(tuán)存在不確定性，對(duì)于碳點(diǎn)檢測(cè)應(yīng)用的選擇性和靈敏度提出了挑戰(zhàn)。依賴于電子轉(zhuǎn)移和內(nèi)濾效應(yīng)，該碳點(diǎn)可用于水溶液中Fe3+的檢測(cè)，在0.45～50 μmol/L濃度范圍內(nèi)，該碳點(diǎn)的熒光猝滅強(qiáng)度與Fe3+濃度具有較好的線性關(guān)系，同時(shí)對(duì)Fe3+具有明顯的選擇性和抗干擾能力。由此可見，通過(guò)簡(jiǎn)單的粗提，生物質(zhì)材料可用于碳點(diǎn)制備，依靠特有官能團(tuán)成分可用于目標(biāo)分析物檢測(cè)，為生物質(zhì)碳點(diǎn)制備及其在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。