甘薯熒光碳點(diǎn)的合成及其對(duì)Fe3+的靈敏檢測(cè)

孫穎, 金東日

( 延邊大學(xué) 理學(xué)院, 吉林 延吉 133002 )

0 引言

鐵作為人體中必不可少的微量元素，當(dāng)其含量異常時(shí)可導(dǎo)致機(jī)體障礙.例如缺乏Fe3+會(huì)導(dǎo)致貧血，影響機(jī)體生長(zhǎng)，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致阿爾茲海默癥；過(guò)量攝入Fe3+則會(huì)損傷肝臟和腎臟[1].目前，檢測(cè)Fe3+的常用方法有原子吸收法[2]、電感耦合等離子體光譜法[3]、EDTA滴定法[4]等，但這些方法耗時(shí)長(zhǎng)、操作復(fù)雜，而且所需設(shè)備較為昂貴，所以需要建立一種快速、簡(jiǎn)單且低成本的檢測(cè)方法.

近年來(lái)，熒光碳點(diǎn)(CDs)因具有良好的熒光特性以及毒性低和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[5].目前，CDs的合成方法有電化學(xué)法[6]、化學(xué)氧化法[7]、激光燒蝕法[8]、水熱法[9]、熱解法[10]等，其中水熱法因具有綠色環(huán)保、易于大批量合成的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用.合成CDs的材料主要分為天然材料(如生物質(zhì)等)和有機(jī)分子(如檸檬酸等)兩類，其中生物質(zhì)由于資源豐富且易于碳化而被廣泛用作合成CDs的碳源.研究表明，基于CDs建立的熒光(FL)檢測(cè)方法具有響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).本文以甘薯為原料，采用一種簡(jiǎn)單、環(huán)境友好的方法合成得到CDs，并利用紅外光譜、熒光光譜、紫外吸收光譜對(duì)CDs的性質(zhì)進(jìn)行表征，而且考察CDs在實(shí)際水樣中檢測(cè)Fe3+的能力.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電子分析天平(先行者CP114)，奧豪斯儀器(上海)有限公司；高壓反應(yīng)釜(聚四氟乙烯內(nèi)襯)，西安常儀儀器設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG -型)，紹興市蘇珀儀器有限公司；高速離心機(jī)(TGL -15B)，上海安亭科學(xué)儀器廠；紫外可見分光光度計(jì)(V-630)，日本分光株式會(huì)社；手提紫外燈(WFH -204B)，上海馳唐電子有限公司；熒光分光光度計(jì)(FP -8200)，日本分光株式會(huì)社；塑料熒光比色皿(10 mm)，宜興市譜析光學(xué)元件有限公司；石英紫外比色皿(10 mm)，SHIMADZU；傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR -650)，天津港東科技發(fā)展股份有限公司；微孔濾膜過(guò)濾器(0.22 μm)，天津市騰達(dá)過(guò)濾器件廠；超低溫冰箱(TF-86-158-LA)，上海拓紛機(jī)械設(shè)備有限公司；真空冷凍干燥機(jī)(FD -1D -50)，上海比朗儀器制造有限公司；實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)(ST3100)，奧豪斯儀器(常州)有限公司.

HCl(分析純)，北京北化精細(xì)化學(xué)品有限責(zé)任公司生產(chǎn)；AgNO3(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；MnSO4(分析純)，沈陽(yáng)化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；CuSO4、MgSO4、KCl、ZnSO4，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；FeCl3(純度為99%)，上海艾覽化工科技有限公司生產(chǎn)；NiCl2為實(shí)驗(yàn)室自制，純度>99%； CaCl2(分析純)，上海阿拉丁試劑有限公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用水為超純水.

1.2 制備步驟

稱取10 g洗凈切碎的甘薯放入100 mL高壓反應(yīng)釜中，加入30 mL超純水，在200 ℃下反應(yīng)12 h.反應(yīng)液自然冷卻至室溫后，將其液移入50 mL離心管，用超純水將反應(yīng)釜內(nèi)壁洗滌3次.將洗滌液并入離心管，用高速離心機(jī)(9 000 r/min)離心30 min反應(yīng)液，清液用0.22 μm濾膜過(guò)濾，過(guò)濾液即為CDs溶液.將CDs溶液移入反應(yīng)燒瓶中，并置于-76 ℃超低溫冷凍箱中冷凍，然后利用冷凍干燥機(jī)凍干45 h后放入4 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆?

1.3 CDs表征

取CDs溶液并稀釋到一定濃度后測(cè)定其紫外光譜.掃描波長(zhǎng)設(shè)置為200～700 nm，狹縫設(shè)置為1.5 nm，采樣間距設(shè)置為1 nm.使用激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm的手提紫外燈在黑暗環(huán)境下照射CDs溶液，并觀察熒光顏色.

取CDs溶液，測(cè)試其熒光激發(fā)和發(fā)射光譜.狹縫寬度設(shè)置為5 nm，儀器響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為20 ms，采樣間距設(shè)置為0.5 nm.

將KBr晶體和凍干的CDs均勻混合，用瑪瑙研缽將其研磨成粉末后放入100 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥1 h,然后使用傅里葉變換紅外光譜分析儀表征CDs的表面官能團(tuán).

1.4 考察酸度對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響

配制pH分別為1、2、3、4、5、6的HCl溶液，然后在比色管中加入2 mL不同濃度的HCl溶液.將溶液和2 mL CDs溶液在室溫下混合均勻后反應(yīng)5 min.反應(yīng)結(jié)束后利用熒光分光光度計(jì)測(cè)試熒光光譜，儀器參數(shù)為：激發(fā)波長(zhǎng)為390 nm，激發(fā)和發(fā)射的狹縫寬度為5 nm.

1.5 選擇性實(shí)驗(yàn)

配制Fe3+、Cu2+、Ag+、Ni2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、K+、Zn2+的鹽溶液，濃度均為0.01 mol/L.在比色管中加入2 mL不同的金屬離子鹽溶液和2 mL的CDs溶液，在室溫下混合均勻后反應(yīng)5 min.反應(yīng)結(jié)束后利用熒光分光光度計(jì)測(cè)試熒光光譜，儀器參數(shù)設(shè)置同上.

1.6 Fe3+檢測(cè)

在比色管中加入2 mL不同濃度的Fe3+溶液(Fe3+溶液的濃度范圍為0～1 000 μmol/L)，再加入2 mL CDs溶液，在室溫下充分混合后反應(yīng)5 min.反應(yīng)結(jié)束后利用熒光分光光度計(jì)測(cè)試熒光光譜，儀器參數(shù)設(shè)置同上.

1.7 實(shí)際樣品檢測(cè)

實(shí)際水樣取自延邊大學(xué)理工實(shí)訓(xùn)教學(xué)樓內(nèi)的自來(lái)水.水樣先用0.22 μm濾膜過(guò)濾(除去雜質(zhì))，然后利用熒光分光光度計(jì)測(cè)試熒光光譜(儀器參數(shù)設(shè)置同上)，最后利用上述1.6中的方法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算水樣中的Fe3+濃度.

2 結(jié)果與分析

2.1 CDs的紫外可見光譜和熒光光譜

2.2 CDs的紅外光譜

圖1 CDs溶液的紫外可見光譜

圖2 CDs溶液在不同激發(fā)波長(zhǎng)下所激發(fā)的熒光光譜

圖3 CDs的傅里葉變換紅外光譜

2.3 CDs的熒光穩(wěn)定性

在4 ℃下儲(chǔ)存CDs溶液30 d后，CDs溶液仍澄清透明，且熒光強(qiáng)度變化很小.圖4是溶液pH對(duì)CDs溶液熒光強(qiáng)度的影響.由圖4可以看出，當(dāng)pH在2.0～6.8范圍內(nèi)時(shí)，CDs溶液的熒光強(qiáng)度變化不大；當(dāng)pH=1時(shí)，CDs溶液熒光強(qiáng)度明顯降低.其原因是在強(qiáng)酸條件下(pH=1)CDs會(huì)大量聚集進(jìn)而使熒光猝滅[13].

圖4 pH對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響

2.4 CDs的金屬離子選擇性

圖5為不同金屬離子對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響.由圖5可以看出，F(xiàn)e3+可顯著降低CDs溶液的熒光強(qiáng)度(熒光猝滅效應(yīng)達(dá)到73.82%)；Cu2+、Ni2+、Ag+、Mn2+也均可不同程度地降低CDs溶液的熒光強(qiáng)度，但均低于Fe3+；Ca2+、K+、Mg2+、Zn2+對(duì)CDs溶液的熒光強(qiáng)度影響較小.這表明，CDs對(duì)Fe3+檢測(cè)具有良好的選擇性.這是由于CDs表面的親水性官能團(tuán)(如OH、COOH等)與Fe3+發(fā)生了較強(qiáng)的絡(luò)合等作用，進(jìn)而引起了熒光猝滅[14-15].

圖5 不同金屬離子對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響

圖6為加入不同濃度Fe3+時(shí)CDs溶液的熒光光譜.由圖6可以看出，初始時(shí)隨著Fe3+濃度的增加，CDs熒光強(qiáng)度逐漸減弱；當(dāng)Fe3+濃度達(dá)到10 mmol/L時(shí)，CDs熒光幾乎完全猝滅.CDs熒光幾乎完全猝滅的原因可能是，F(xiàn)e3+與CDs表面的COOH基之間的相互作用使得CDs間彼此更為接近，進(jìn)而通過(guò)電子轉(zhuǎn)移大幅降低了CDs熒光強(qiáng)度[15].

因CDs熒光猝滅程度隨Fe3+濃度的增加而增大，因此此過(guò)程符合Stern -Volmer動(dòng)力學(xué)方程.CDs熒光猝滅的動(dòng)力學(xué)方程為F0/F=1+KsvC， 其中F0為沒(méi)有加入Fe3+的CDs溶液的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為加入等體積不同濃度Fe3+的CDs溶液的熒光強(qiáng)度，C為Fe3+的濃度，Ksv為Stern-Volmer猝滅常數(shù).圖7為檢測(cè)Fe3+的線性關(guān)系曲線.由圖7可以看出，在10～1 670 μmol/L線性范圍內(nèi)，(F0/F-1)與Fe3+濃度顯示出良好的線性關(guān)系，線性方程為F0/F-1=0.000 781C-0.007 1(R2=0.994 4)，檢出限為5.64 μmol/L.表1為不同碳源檢測(cè)Fe3+的結(jié)果.由表1可以看出，本文碳源的線性范圍較寬，檢出限較低.

圖6 加入不同濃度Fe3+時(shí)CDs溶液的熒光光譜

圖7 Fe3+的線性關(guān)系曲線

表1 不同碳源的Fe3+檢測(cè)結(jié)果 μmol/L

2.5 實(shí)際樣品中Fe3+的檢測(cè)

利用上述2.4中的檢測(cè)方法檢測(cè)自來(lái)水樣中的Fe3+，結(jié)果未檢出Fe3+離子.為了進(jìn)一步評(píng)估本文方法的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行Fe3+加標(biāo)實(shí)驗(yàn)(加標(biāo)濃度分別為50、500、1 500 μmol/L)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.由表2可見，加標(biāo)實(shí)驗(yàn)的回收率為94%～104%，RSD<2.4%.

表2 加標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論

本文以甘薯為碳源，利用環(huán)保、簡(jiǎn)便的一步水熱法制備了一種水溶性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗酸能力優(yōu)良的熒光CDs.并根據(jù)Fe3+的猝滅效應(yīng)，建立了一種基于CDs的簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)Fe3+的方法.該方法的Fe3+檢出限為5.64 μmol/L，回收率為94%～104%，RSD<2.4%.該方法在檢測(cè)實(shí)際水樣中的Fe3+具有較好的應(yīng)用前景.