碳量子點(diǎn)熒光探針制備及對鉻(Ⅵ)的檢測應(yīng)用

(嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院， 嘉興 314001)

土壤和水體中的重金屬污染已成為我國環(huán)境污染和治理的重點(diǎn)[1]。因此，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時有效地監(jiān)視環(huán)境中的重金屬離子，研究開發(fā)準(zhǔn)確、快速、簡便和經(jīng)濟(jì)的分析材料以及方法顯得尤為迫切和至關(guān)重要。Cr(Ⅵ)有強(qiáng)毒性，可與人體的蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生相互作用, 使它們失去活性, 對人體有致癌的危害。目前測定 Cr(Ⅵ)的方法有催化光度法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法( ICP-MS)、色譜法、原子吸收光譜法( AAS)、熒光光譜法、化學(xué)發(fā)光法等。而熒光檢測法因其設(shè)備簡單、直觀、選擇性好、實(shí)時原位、靈敏度高、檢測下限濃度較低，在環(huán)境監(jiān)測中倍受青睞。傳統(tǒng)的量子點(diǎn)通常是由半導(dǎo)體材料尤其是鎘和硒制備的，為有機(jī)相或水相體系，存在毒性和高成本的問題[2]。CQDs是一類新型零維碳納米材料[3]，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，CQDs具有激發(fā)波長與發(fā)射波長可調(diào)諧、發(fā)射穩(wěn)定、良好的耐光漂泊等優(yōu)異的熒光性能，在水溶液中，CQDs的熒光可以有效地被電子受體或者電子給體所猝滅，CQDs的光引發(fā)電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)可被用于納米探針檢測金屬離子[4]。

本實(shí)驗(yàn)以檸檬酸銨和甘露糖、乳糖、蔗糖等生物質(zhì)基原料，運(yùn)用“自下而上”的一步水熱法制備具有良好熒光穩(wěn)定性和水溶性的藍(lán)色熒光CQDs[5-8]，表征其性能，將CQDs初步應(yīng)用于鉻(Ⅵ)的檢測[9，10]，建立新型熒光檢測[11]方法。

1 主要試劑與儀器

檸檬酸銨、甘露糖、蔗糖、乳糖、醋酸、醋酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉、碳酸氫鈉、醋酸、醋酸鈉、三羥甲基氨基甲烷、1000μg·L-1鉻(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液、鹽酸，分析純；透析袋(截留分子量1000和3500Da)，以上化學(xué)試劑購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，未進(jìn)一步純化；實(shí)驗(yàn)所用水為MilliQ制得的超純水。

X-射線粉末衍射儀DX-2600(丹東浩元儀器公司)；S-4800掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；NEXUS470傅立葉變換紅外光譜儀(美國熱電尼高力儀器公司)；分子熒光分光光度計(jì)(美國瓦里安技術(shù)有限公司)；真空冷凍干燥器(北京四環(huán)科學(xué)儀器LGJ-10)等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 CQDs制備方法

稱取0.1802g甘露糖和6.0805g檸檬酸銨于100 mL燒杯中，加入30 mL去離子水?dāng)嚢璩浞秩芙?，轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中放入180℃的烘箱中恒溫反應(yīng)4h得到產(chǎn)物；冷卻至室溫后超聲分散1h，高速離心 40 min，截留分子量為3500Da和1000Da的透析袋透析12h得到藍(lán)色澄清溶液即為CQDs，緩沖液稀釋配制18.72μg·mL-1的CQDs溶液。選擇碳源確定最佳碳源，以熒光發(fā)射強(qiáng)度為考察依據(jù)。

2.2 材料表征

X-射線衍射采用銅靶射線(λ=1.5418?)，CQDs溶液冷凍干燥滴鍍成膜，掃描速度為1.8°min-1，測試電壓為30kV，電流20mA，5～80°掃描。紅外表征掃描范圍400～4000 cm-1，分辨率4 cm-1。掃描電鏡觀察CQDs形貌使用硅晶片滴度微量液體樣品冷凍干燥選擇1.0kV電壓(不噴金處理)。CQDs稀釋不同倍數(shù)，用熒光分光光度計(jì)測得碳量子點(diǎn)的光致發(fā)光性能。

2.3 鉻(Ⅵ)的檢測應(yīng)用

室溫28℃用pH分別為4.0、6.0和7.6的醋酸-醋酸鈉、磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉、Tris-HCl緩沖液溶解CQDs，在440nm發(fā)射光下測定CQDs的熒光強(qiáng)度，確定反應(yīng)pH和熒光猝滅響應(yīng)時間(t)。CQDs對鉻(Ⅵ)離子濃度檢測時，取最優(yōu)條件制備的18.72μg·mL-1熒光CQDs溶液，取1 mL CQDs溶液與1 mL相應(yīng)濃度的鉻(Ⅵ) 離子溶液(均用緩沖液配制)混合室溫反應(yīng)，用熒光強(qiáng)度檢測建立鉻(Ⅵ) 濃度檢測方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 CQDs的紫外可見和熒光光譜

CQDs溶液在332nm處有較強(qiáng)紫外特征吸收峰(圖1)，該峰是由C=C骨架組成的共軛雙鍵中的p-p*躍遷吸收所致，峰型較為光滑，且無雜峰[5,6]。用該波長激發(fā)CQDs可在440nm處有顯著熒光發(fā)射峰；440nm熒光發(fā)射對應(yīng)的最大激發(fā)峰在330nm左右。確定332nm為激發(fā)波長，440nm為熒光發(fā)射波長。不同碳源制備的CQDs熒光性能有差異(圖2)，甘露糖做碳源與檸檬酸銨1∶25，180℃恒溫水熱反應(yīng)4h，超聲1h，離心 40 min，透析袋中透析12h制得的藍(lán)色CQDs溶液熒光發(fā)射最強(qiáng)。確定該方法制備的CQDs為應(yīng)用檢測的熒光探針。

圖1 CQDs的紫外吸收和熒光發(fā)射光譜圖

圖2 三種碳源制備的CQDs熒光性能比較

3.2 碳量子點(diǎn)的微觀形貌、結(jié)構(gòu)、組成及物相

紅外圖譜顯示中1637 cm-1處的峰C=C伸縮振動，3450cm-1處的峰表示O-H 和N-H的伸縮振動峰，表明碳量子點(diǎn)表面存在氨基、羥基等基團(tuán)[5,6,11]，有利于與金屬離子結(jié)合(圖3)。X-射線衍射圖反應(yīng)碳材料的標(biāo)志峰(圖4)。掃描電子顯微鏡觀察如圖5所示文中制備的CQDs是一種近似球狀的微小顆粒點(diǎn)，尺寸為3～5nm，分散性較好無團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 碳點(diǎn)CQDs紅外譜圖

圖4 CQDs 衍射圖

圖5 CQDs掃描電鏡微觀形貌圖

3.3 CQDs熒光探針測定Cr(Ⅵ)的初步優(yōu)化

室溫下，3種pH體系中CQDs的熒光強(qiáng)度及對鉻的猝滅程度有差異。pH 7.6時，對應(yīng)的熒光強(qiáng)度并沒有降低，未發(fā)生熒光猝滅；pH 6.0時，熒光強(qiáng)度明顯下降，鉻離子可對碳點(diǎn)熒光猝滅。pH 4.0時熒光強(qiáng)度有少量降低，酸性條件下，猝滅程度隨著pH增加，猝滅效果增強(qiáng)。猝滅反應(yīng)時間30min后基本穩(wěn)定，CQDs濃度1.8～18.72 μg·mL-1(以碳計(jì)) 熒光發(fā)射強(qiáng)度呈線性增加趨勢。故pH 6.0體系常溫反應(yīng)30min，CQDs濃度18.72 μg·mL-1適合鉻(Ⅵ)檢測。

初步檢測應(yīng)用(圖6)發(fā)現(xiàn)，1～10μg·L-1鉻(Ⅵ)離子溶液與等體積18.72 μg·mL-1CQDs混合，pH6.0常溫反應(yīng)30min，反應(yīng)穩(wěn)定，鉻(Ⅵ)對CQDs有不同程度的猝滅效應(yīng)，鉻(Ⅵ)離子濃度越高，猝滅程度越大。猝滅反應(yīng)不受Cu2+和Pb2+離子的干擾，可用于探討建立鉻(Ⅵ)離子濃度的新型熒光檢測方法。

圖6 不同鉻(Ⅵ)濃度的CQDs溶液的熒光發(fā)射譜圖

4 結(jié)論與分析

采用“自下而上”一步水熱法合成的碳量子點(diǎn)具有優(yōu)良的熒光特性，制備成本低、材料熒光性能穩(wěn)定，可大規(guī)模生產(chǎn)，可作為熒光探針應(yīng)用于痕量重金屬鉻(Ⅵ)的檢測。該材料在激發(fā)波長332 nm，發(fā)射波長440 nm 處的熒光發(fā)射強(qiáng)度與鉻(Ⅵ)可發(fā)生猝滅效應(yīng)，以此可建立熒光探針快速檢測水中鉻(Ⅵ)離子的方法。