基于D-果糖合成的碳量子點(diǎn)用于金屬離子的檢測(cè)

孫雪花 楊嬌莉 柴紅梅 高樓軍

(延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西延安 716000)

熒光碳量子點(diǎn)(Carbon Quantum Dots,CQDs)是繼量子點(diǎn)之后的又一種新型熒光納米材料[1]。與半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，CQDs具有光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和細(xì)胞毒性低等特性[2，3]，且具有尺寸效應(yīng)、限域效應(yīng)和表面效應(yīng)[4，5]等獨(dú)特的性質(zhì)。這使得CQDs在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[6]。目前，已有大量研究認(rèn)為CQDs應(yīng)用于細(xì)胞標(biāo)記毒性低，對(duì)細(xì)胞損傷小[7，8]，且在食品添加劑[9]、藥物[10，11]及環(huán)境金屬離子[12，13]等的分析中也備受關(guān)注。CQDs的制備方法有電化學(xué)法、水熱法和微波法等方法，其中微波法由于簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)以D-果糖為碳源，以L-賴氨酸為鈍化劑，通過(guò)一步微波反應(yīng)獲得CQDs。CQDs由于尺寸較小，表面積大，其表面存在大量晶格缺陷，至使晶體表面非常不穩(wěn)定，故易于發(fā)生晶體聚集甚至光化學(xué)降解。而在CQDs核外表面進(jìn)行賴氨酸的修飾鈍化，可以消除CQDs表面的懸空鍵，還可將受激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴限制在核內(nèi)，減少了核表面缺陷，大大提高了CQDs的化學(xué)熱穩(wěn)定性[14]。本文深入探討了不同因素對(duì)CQDs熒光強(qiáng)度的影響，以及CQDs在幾種金屬離子分析檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-2550紫外分光光度計(jì)(日本，島津公司)；F-4500熒光分光光度計(jì)(日本，日立公司)；JEM-2100透射電子顯微鏡(日本，電子公司)；IRPrestige-21紅外光譜儀(日本，島津公司)；XRD-7000 X-粉末衍射儀(日本，島津公司)；LG10-2.4A離心機(jī)(北京京立)。

D-果糖、L-賴氨酸、NaAc、HAc；Zn2+(0.02 mol/L)、Co2+(0.02 mol/L)、Mg2+(0.02 mol/L)、Cu2+(0.02 mol/L)、Mn2+(0.02 mol/L)、Fe3+(0.02 mol/L)、Cd2+(0.02 mol/L)；試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水(18.25 MΩ·cm)。

1.2 CQDs的制備

稱取0.5 g的D-果糖，0.8 g的L-賴氨酸，置于100 mL的燒杯中，加水到40 mL，攪拌30 min將其溶解，在功率為530 W的條件下微波4.0 min，得到CQDs溶液。在轉(zhuǎn)速為10 000 r/min下離心4.0 min后，取上清液，再用微孔濾膜(孔徑0.22 μm)過(guò)濾，然后在3 500 Da的透析袋中透析24 h后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)即可得到均勻的CQDs溶液。

以硫酸奎寧(0.050 mol/L稀H2SO4溶液中的量子產(chǎn)率為55%)為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，計(jì)算樣品的量子產(chǎn)率。在360 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與待測(cè)CQDs的積分熒光強(qiáng)度和對(duì)該波長(zhǎng)激發(fā)光的吸光度(吸光度相近且均不大于0.05)，根據(jù)文獻(xiàn)方法[15]計(jì)算CQDs的量子產(chǎn)率為18.7%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取3.0 mL的 CQDs 溶液于10 mL比色管中，依次加入適量的不同金屬離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，pH=3.5的HAc-NaAc緩沖溶液2.0 mL，加水定容，混勻。室溫下，反應(yīng)10 min后，以對(duì)應(yīng)空白為參比，在450 nm波長(zhǎng)處測(cè)定熒光發(fā)射強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 CQDs的表征

圖1為CQDs的透射電鏡(TEM)圖，是將稀釋的CQDs溶液滴覆到無(wú)定形碳膜的銅網(wǎng)上，自然干燥后用電鏡觀察，該CQDs呈均勻球狀，尺寸均一，分散性良好。圖2為CQDs的X射線衍射(XRD)圖，在2θ=20°左右有一個(gè)很寬的峰，這個(gè)峰是無(wú)定型碳的特征峰，由于CQDs溶液不純而出現(xiàn)一些雜質(zhì)尖峰。樣品的紅外(IR)光譜如圖3所示，波數(shù)為3 450 cm-1處強(qiáng)吸收峰為-OH伸縮振動(dòng)，2 923、2 846 cm-1處出現(xiàn)了-CH2的吸收峰，這是由于CQDs本身的碳骨架結(jié)構(gòu)引起的；波數(shù)為1 633 cm-1出現(xiàn)的明顯特征峰是C=O的伸縮振動(dòng)，波數(shù)為1 260 cm-1屬于C-O-C的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)。說(shuō)明CQDs含有羥基和羧基等含氧基團(tuán)，這些基團(tuán)說(shuō)明CQDs有很好的水溶性。

圖1 CQDs的透射電鏡(TEM)圖Fig.1 TEM image of CQDs

圖2 CQDs的X射線衍射(XRD)圖Fig.2 XRD pattern of CQDs

2.2 CQDs的光學(xué)性能

圖4為CQDs的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖，可以看出CQDs在250～400 nm之間有一個(gè)寬吸收帶，可歸屬為CQDs的π-π*躍遷，說(shuō)明果糖經(jīng)微波輻射后結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，形成了碳骨架，形成的CQDs存在共軛結(jié)構(gòu)。并且在300 nm處有一個(gè)陡峭的吸收邊，說(shuō)明制備的CQDs粒徑均勻。

圖3 CQDs的傅里葉紅外(FT-IR)紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectrum of CQDs

圖4 CQDs的紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)吸收光譜圖Fig.4 UV-Vis absorption spectrum of CQDs

CQDs溶液在自然光下呈棕黃色，而在紫外燈(365 nm)下為藍(lán)色。如圖5(a)，其最大激發(fā)波長(zhǎng)為360 nm，CQDs在450 nm處可發(fā)射強(qiáng)而穩(wěn)定的熒光。如圖5(b)所示，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增大，發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生了不同程度的紅移，對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度先增大后減小，說(shuō)明發(fā)射具有激發(fā)依賴性。目前，對(duì)于CQDs的發(fā)光機(jī)理還不清楚，一般認(rèn)為其發(fā)光是來(lái)自于某種缺陷，即以存在于CQDs表面的缺陷作為激發(fā)能量阱，在一定波長(zhǎng)光的激發(fā)下發(fā)光。水解D-果糖制備的熒光CQDs，其形成及表面鈍化同時(shí)發(fā)生在微波碳化的過(guò)程中，CQDs表面具有豐富的官能團(tuán)，如羧基和羥基，能夠在CQDs表面作用形成不同的缺陷，從而使CQDs在不同的制備條件下表現(xiàn)出不同的光學(xué)性質(zhì)。

圖5 CQDs的熒光光譜Fig.5 Fluorescence spectra of CQDs

2.3 CQDs的穩(wěn)定性

對(duì)CQDs溶液進(jìn)行了穩(wěn)定性考察，每隔5 d測(cè)一次熒光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在30 d后其熒光基本穩(wěn)定?？梢?jiàn)，由D-果糖為原料，L-賴氨酸為鈍化劑制得的CQDs穩(wěn)定性良好。酸度的變化會(huì)對(duì)熒光強(qiáng)度有輕微影響，在pH=3.0～11.0的范圍內(nèi)，隨著pH的增加，熒光強(qiáng)度逐漸降低。推斷是由于CQDs表面富含羥基、羧基等基團(tuán)，當(dāng)pH增加時(shí)CQDs表面的羧酸脫掉H+，表面帶負(fù)電荷，從而影響了熒光性能，這一研究結(jié)果和Chang小組[16]的結(jié)果相似。但當(dāng)加入金屬離子后，在堿性條件下由于金屬離子水解效應(yīng)，能與CQDs作用的金屬離子溶液濃度降低，熒光猝滅能力降低。而在酸性條件下金屬離子可能會(huì)氧化CQDs表面的羥基為羧基，降低CQDs的熒光強(qiáng)度，也可能是帶正電荷的金屬離子有中心軌道，能接受CQDs表面孤對(duì)電子，從而形成無(wú)熒光的物質(zhì)，致使猝滅強(qiáng)度較顯著。因此，通過(guò)對(duì)介質(zhì)的選擇，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中確定以pH=3.5的HAc-NaAc緩沖溶液作為介質(zhì)。

2.4 CQDs在金屬離子分析中的應(yīng)用

多數(shù)金屬離子都對(duì)CQDs熒光有不同程度的猝滅，其猝滅程度：Fe3+>Ag+>Cu2+。其中，F(xiàn)e3+和Ag+熒光猝滅程度較大，Cu2+次之，可能是CQDs被氧化為熒光性低的物質(zhì)或無(wú)熒光物質(zhì)。Zn2+、Mg2+以及Cd2+對(duì)CQDs的熒光強(qiáng)度基本無(wú)影響。因此，在酸性條件下，應(yīng)用CQDs作為測(cè)定金屬離子Fe3+、Ag+和Cu2+的熒光探針，提高了這些金屬離子的選擇性響應(yīng)，避免了金屬離子水解的影響。隨著Fe3+濃度的增加，CQDs的熒光強(qiáng)度猝滅線性增加，其熒光強(qiáng)度猝滅值(ΔF)與Fe3+濃度在0.2～70 μmol/L范圍內(nèi)成良好線性關(guān)系，線性回歸方程為:ΔF=9.34c+1.0207(c:μmol/L)，相關(guān)系數(shù)為0.9986，檢出限按3σ/k方法計(jì)算為0.02 μmol/L。Ag+與CQDs的熒光猝滅強(qiáng)度在0.04～10 μmol/L范圍內(nèi)成良好線性關(guān)系，線性回歸方程為:ΔF=31.37c+2.6220(c:μmol/L)，相關(guān)系數(shù)為0.9962，檢出限為0.024 μmol/L。CQDs的熒光猝滅強(qiáng)度與Cu2+濃度在5.0～80 μmol/L范圍內(nèi)成良好線性關(guān)系，線性回歸方程為:ΔF=4.1986c+1.0379(c:μmol/L)，相關(guān)系數(shù)為0.9953，檢出限為2.0 μmol/L。

3 結(jié)論

以D-果糖為原料，采用微波法制備的CQDs，原料簡(jiǎn)單易得，制備方法簡(jiǎn)便，快捷。所合成的熒光CQDs穩(wěn)定性良好，且表面富有羥基、羧基等親水基團(tuán)，故具有強(qiáng)親水性。在酸性條件下，可以作為金屬離子Fe3+、Ag+和Cu2+很好的熒光探針。