g-C3N4量子點的制備及對銅離子和肝素鈉檢測的研究

王潤霞, 王秀芳, 孫益民

(1.安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 藥學(xué)系，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學(xué) 先進建材重點實驗室，安徽 合肥 230601)

引 言

近年來，科學(xué)工作者們開始研究碳基量子點的各種性質(zhì)及在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。表面帶有多種官能團的碳基量子點可以高靈敏地檢測不同的陰、陽離子，如Cu2+、Cr3+、Fe3+、C1-等[1-4]，它是目前研究的熱點。

石墨相氮化碳量子點(g-C3N4量子點)是一種碳基量子點。1996年Teter[5]等運用共軛梯度法計算出C3N4可能具有α相(α-C3N4)、β相(β-C3N4)、立方相(c-C3N4)、準立方相(P-C3N4)和石墨相(g-C3N4)5種結(jié)構(gòu)，其中g(shù)-C3N4在室溫下最穩(wěn)定。石墨相氮化碳是一種新型的具有可見光響應(yīng)的不含金屬的光催化劑，其2.7eV的禁帶寬度決定了g-C3N4材料可以吸收太陽光中小于460nm的光。g-C3N4的分子結(jié)構(gòu)中，C、N原子之間形成強的共價鍵，這決定了g-C3N4在光照下也能表現(xiàn)出穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[6]。然而，塊體的g-C3N4由于層數(shù)相對較多，因此光照下光生電荷從體相遷移至表面比較困難，使得光生電荷的復(fù)合率增大，造成其光催化效率下降。與塊體g-C3N4相比，g-C3N4量子點具有以下獨特的優(yōu)點[7]：一是量子點粒徑小，一般介于1～10 nm之間，具有小尺寸效應(yīng)；二是具有量子限域效應(yīng)，即量子點的光吸收譜隨著量子點尺寸的逐漸變小出現(xiàn)藍移現(xiàn)象，并且藍移現(xiàn)象也隨著量子點尺寸變小越發(fā)顯著；三是量子點吸收一個光子能產(chǎn)生多個光生電子，使得光電轉(zhuǎn)換效率可進一步被提高；四是量子點光穩(wěn)定性良好。g-C3N4量子點還具有良好的熒光特性和水溶性，生物相容性好，且環(huán)境友好、無毒性[8]。此外，由于組成g-C3N4的C、N元素來源廣泛，所以g-C3N4還具有廉價易得的優(yōu)點，因此常被用作熒光化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于高效、靈敏地離子檢測[9-10]、生物成像[11]、以及光電催化[12]等領(lǐng)域。

目前，g-C3N4量子點常用的制備方法主要有低溫固相合成法[13](即將檸檬酸鈉與尿素按1∶6的質(zhì)量比混合研磨，置于反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)制備而得)、逐步剝離法[11](即以三聚氰胺為原料制備得到的g-C3N4經(jīng)過逐步剝離、水熱反應(yīng)和超聲振蕩得到g-C3N4量子點)、微波輔助加熱的蒸發(fā)冷凝法[9]、水熱法[12]、急速冷凍干燥法[14]等。

肝素鈉是主要是由艾杜糖醛酸、葡萄糖醛酸和葡萄糖胺組成的強負電荷的線性硫酸化糖胺聚糖，屬粘多糖硫酸酯類抗凝血藥，可以從?；蜇i的腸粘膜中提取而得[15]。近年來的研究證明肝素鈉具有降血脂的作用，臨床上還用作抗血栓和抗腫瘤藥物。在心血管外科術(shù)后治療或者長期治療中所用肝素鈉的劑量要求有不同限度[16]，因此有效靈敏的測量肝素鈉的含量具有實際意義。

人體中含有包括鐵、鋅和銅等在內(nèi)的多種微量元素，它們在維持人體健康中發(fā)揮重要的作用。微量元素攝入過量、不足、不平衡都會不同程度地引起人體生理的異?；虬l(fā)生疾病，如人體攝入過量的銅，就會引起阿爾茨海默氏病(老年癡呆癥)等神經(jīng)性疾病[17-18]。由于在工業(yè)制造業(yè)中銅的應(yīng)用比較廣泛，會對環(huán)境造成一定程度的污染，世界衛(wèi)生組織和一些國家都對飲用水中Cu2+的含量規(guī)定了上限[19-20]。所以，檢測環(huán)境和生物體中Cu2+的含量就非常有必要。

本文以g-C3N4量子點為研究對象，采用用三聚氰胺熱聚合法，經(jīng)過逐步剝離、水熱反應(yīng)和超聲振蕩，制備得到g-C3N4量子點。利用g-C3N4量子點的熒光性質(zhì)實現(xiàn)在pH7.4(正常人血液pH范圍內(nèi))條件下分別對Cu2+和肝素鈉進行檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺(天津市津北精細化工有限公司)，H2O2(江蘇強盛功能化學(xué)股份有限公司)、HCl(上?；瘜W(xué)試劑有限公司)，NaOH(上?；瘜W(xué)試劑有限公司)，CuSO4·5H2O(天津市津北精細化工有限公司)，肝素鈉(天津市津北精細化工有限公司)。溶液以去離子水配制。

KQ-250DB型數(shù)控超聲波清洗器(武漢敬信科技有限公司)、馬弗爐(武漢江宇電爐制造有限公司)、BS224S電子天平(深圳市朗普電子科技有限公司)、DHG-9123A干燥箱(上海昕儀儀器儀表有限公司)、TGL16M離心機(長沙湘儀離心機儀器有限公司)、F-4600熒光分光光度計(上海渡揚精密儀器有限公司)、100mL高溫加熱反應(yīng)釜(無錫市錫山雪浪化工設(shè)備有限公司)。

1.2 g-C3N4量子點溶液制備

取三聚氰胺于坩堝中，加蓋置于馬弗爐中進行煅燒(500℃煅燒4h，以20℃的升溫速率升至550℃，保溫2h)，煅燒結(jié)束后冷卻到室溫，取出塊狀g-C3N4，研磨成粉末。取0.2g制備的g-C3N4粉末于燒杯中，加入40mL去離子水和40mL雙氧水，超聲分散5min，倒入反應(yīng)釜中，200℃恒溫加熱12h，加熱結(jié)束后，冷卻到室溫，透析，離心得g-C3N4量子點溶液。

1.3 肝素鈉的檢測

用10mM的Tris-HCl緩沖液調(diào)節(jié)g-C3N4量子點溶液pH值為7.4，記錄1mL g-C3N4量子點溶液的熒光光譜，然后分別將1mL g-C3N4量子點溶液和一系列相同體積不同濃度(0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM)的肝素鈉溶液混合于11個2.0mL比色皿中，在室溫下反應(yīng)5分鐘。在310nm激發(fā)波長下，記錄熒光光譜。

1.4 Cu2+的檢測

圖1 g-C3N4量子點的透射電鏡圖(a)和高分辨透射電鏡圖(b)Fig.1 TEM(a)and HRTEM(b)of g-C3N4quantum dots

分別取1mL用10mM的Tris-HCl緩沖液調(diào)節(jié)pH值為7.4的g-C3N4量子點溶液，然后與不同濃度(0,25,50,75,100,125,150,175,200nM)的Cu2+(溶液平緩搖動下混合于9個2.0mL比色皿中，在室溫下反應(yīng)5分鐘。在310nm激發(fā)波長下，記錄熒光光譜。

1.5 表征

用TU-1800PC分光光度計測定了室溫下樣品的紫外-可見吸收光譜。熒光光譜是樣品在室溫下放在日立石英試池(1mm)用F-7000熒光分光光度計上記錄所得。利用Nexus-870分光光度計和KBr壓片獲得了傅里葉變換紅外光譜。透射電子顯微鏡圖(TEM)是利用JEM-2100F儀器在200kV下發(fā)射槍進行操作獲得。照片是用佳能350D數(shù)碼相機拍攝得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 g-C3N4量子點的透射電鏡圖

圖1a是g-C3N4量子點的透射電鏡圖，從圖中可以看出g-C3N4量子點樣品顆粒呈球狀，具有很好的分散性，顆粒大小均勻。通過對200個納米顆粒測量，得到量子點的平均粒徑約為5nm。從圖1b中可以看出絕大多數(shù)的石墨相氮化碳點顆粒觀察不到明顯的晶面，這說明得到的石墨相氮化碳點具有無定型的結(jié)構(gòu)。

2.2 樣品g-C3N4量子點的的紅外光譜圖

圖2為g-C3N4量子點的紅外光譜圖，在3430cm-1的吸收峰是O-H的伸縮振動，在1630cm-1的峰值是由于N-H彎曲振動(伯胺)，在1400和755cm-1的峰值是碳氫鍵彎曲振動。在1270cm-1的峰值是量子點表面酚羥基的伸縮振動。這一結(jié)果表明，合成的g-C3N4量子點表面含有胺基和羥基。

圖2 g-C3N4量子點的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of g-C3N4 quantum dots

2.3 g-C3N4量子點的紫外光譜圖

為進一步闡明g-C3N4量子點的表面特征，進行了紫外可見光譜分析。用水稀釋的g-C3N4量子點的紫外可見吸收光譜圖(圖3)顯示，量子點在紫外區(qū)有較強的吸收，紫外吸收特征峰集中在270nm，然后逐漸下降到可見區(qū)，但無特征吸收峰，這一性能與間帶半導(dǎo)體納米材料相一致，一定程度上表明g-C3N4量子點是半導(dǎo)體材料，圖中270nm處的吸收峰是g-C3N4量子點的特征峰。

2.4 g-C3N4量子點的熒光光學(xué)照片

圖4為g-C3N4量子點溶液在365nm紫外光照射下的光學(xué)照片，從圖中可以看出，樣品溶液在紫外光照射下發(fā)出明亮的藍光。這是由于g-C3N4量子點吸收紫外光后電子受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)，返回基態(tài)過程中一部分能量以光能形式的表現(xiàn)。

2.5 g-C3N4量子點的熒光光譜

圖5所示的是不同激發(fā)波長下(250～370nm)g-C3N4量子點的熒光光譜圖。從圖中可以看出：g-C3N4量子點的熒光強度在激發(fā)波長250～310nm范圍內(nèi)隨著激發(fā)波長的增加而升高；在激發(fā)波長310～370nm范圍內(nèi)隨著激發(fā)波長的增加而降低，在激發(fā)波長為310nm時出現(xiàn)最大值。

圖3 g-C3N4量子點的紫外光譜圖Fig.3 UV spectrum of g-C3N4 quantum dots

圖4 g-C3N4量子點的熒光光學(xué)照片(365nm紫外光)Fig.4 Fluorescence optical photos of g-C3N4 quantum dots(365nm UV)

圖5 不同激發(fā)波長下g-C3N4量子點的熒光光譜圖Fig.5 Fluorescence spectra of g-C3N4 quantum dots at different excitation wavelengths

2.6 肝素鈉的檢測分析

圖6 (a)不同濃度肝素鈉條件下g-C3N4量子點熒光光譜圖(λex=310nm)(肝素鈉濃度從上到下：0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM(pH=7.4)；(b)熒光強度與對應(yīng)肝素鈉濃度的關(guān)系曲線(I和I0分別是有、無肝素鈉存在時g-C3N4量子點的熒光強度)Fig.6 Fluorescence spectra (λex=310nm)of g-C3N4 quantum dots in acidic condition with different concentration of heparin sodium concentrations:0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM(pH=7.4),and(b)plots of the fluorescence intensity against the concentration of heparin sodium(I and I0 are the fluorescence intensity of g-C3N4 quantum dots in the presence and absence of heparin sodium,respectively).

如圖6a所示，在沒有肝素鈉的情況下，水溶液中的g-C3N4量子點的熒光強度相當強烈。隨著肝素納濃度的增加，熒光強度在420nm處逐漸減小。圖6b所示的圖是熒光下降百分比對應(yīng)肝素鈉的濃度。它們之間有良好的線性關(guān)系(I和I0分別是在有、無肝素鈉時g-C3N4量子點的熒光強度)，最佳線性響應(yīng)的肝素鈉濃度范圍是從20nM到200nM(R2=0.9981)?；诜磻?yīng)的標準偏差(σ)和校準曲線的斜率(S)計算LOD，根據(jù)公式：LOD=3.0(σ/S)，肝素鈉的最低檢測限(LOD)約為20nM。隨著肝素鈉濃度的增加，g-C3N4量子點在420nm處的熒光強度逐漸降低，利用這點可以用于檢測肝素鈉(見圖6b)。由此可見，g-C3N4量子點在水溶液中可以靈敏地檢測肝素鈉。在沒有肝素鈉的情況下，在水溶液中的g-C3N4量子點的熒光強度相當強。添加肝素鈉后，g-C3N4量子點表面的胺基與羥基會與肝素鈉中的硫酸和羧酸根陰離子通過靜電和氫鍵相互作用，使得g-C3N4量子點發(fā)生聚合，導(dǎo)致其熒光淬滅。利用肝素鈉使g-C3N4量子點熒光淬滅可以應(yīng)用于檢測肝素鈉。

2.7 Cu2+的檢測分析

圖7 (a)不同濃度Cu2+條件下(0,25,50,75,100,125,150,175,200nM,pH=7.4)g-C3N4量子點的熒光光譜圖(λex=310nm)，(b)熒光強度與對應(yīng)Cu2+濃度的關(guān)系曲線(I和I0分別是有、無Cu2+存在的g-C3N4量子點的熒光強度)

Fig.7 (a)Fluorescence spectra(λex=310nm)of g-C3N4quantum dots at different concentrations of Cu2+:0,25,50,75,100,125,150,175,200nM(pH=7.4)，(b)plots of the fluorescence intensity against the concentration of Cu2+,I and I0are the fluorescence intensity of g-C3N4quantum dots in the presence and absence of Cu2+.

如圖7a所示，在沒有Cu2+的情況下，在水溶液中的g-C3N4量子點的熒光強度相當強烈。隨著Cu2+濃度的增加，熒光強度逐漸減小。圖7b所示的圖是熒光下降百分比對應(yīng)Cu2+的濃度。I和I0之間有良好的線性關(guān)系(I和I0分別是在有、無Cu2+時g-C3N4量子點的熒光強度)，最佳線性響應(yīng)的Cu2+的濃度范圍是從25nM到200nM(R2=0.9981)。基于反應(yīng)的標準偏差(σ)和校準曲線的斜率(S)計算LOD，根據(jù)公式：LOD=3.0(σ/S)，Cu2+的最低檢測限(LOD)約為25nM。隨著Cu2+濃度增加，g-C3N4量子點在420nm處的熒光強度逐漸降低，利用這點可以用于檢測Cu2+(見圖7b)。由此可見，g-C3N4量子點在水溶液中可以靈敏地檢測Cu2+。這是由于在弱堿性條件下，g-C3N4量子點帶負電，表面的羧基與帶正電的Cu2+存在靜電作用，從而使g-C3N4量子點聚集，量子點的熒光強度降低。因此，利用Cu2+使g-C3N4量子點熒光淬滅可以應(yīng)用于靈敏地檢測Cu2+。

3 結(jié)論

本文用三聚氰胺為原料通過熱聚合法制備出g-C3N4，以雙氧水輔助，經(jīng)過逐步剝離、水熱反應(yīng)和超聲振蕩，最終得到熒光g-C3N4量子點，該量子點表面帶有氨基和羥基。本研究合成量子點的工藝簡單易行，且合成的量子點具有較高的熒光效率。用g-C3N4量子點溶液對肝素鈉溶液進行熒光檢測，從熒光光譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著肝素鈉濃度的增高，復(fù)合物的熒光強度逐漸降低，由此可得，樣品可以檢測肝素鈉。用g-C3N4量子點溶液對Cu2+溶液進行熒光檢測，從熒光光譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著Cu2+濃度的增高，復(fù)合物的熒光強度逐漸降低，由此，樣品可以檢測Cu2+。實驗結(jié)果表明，本工作利用熒光g-C3N4量子點在pH7.4下帶不同的電荷，為高靈敏地檢測肝素鈉和Cu2+提供了一條低成本的新途徑。