熒光碳量子點(diǎn)的制備及其在Cu2+檢測中的應(yīng)用

梁國熙, 潘常剛, 盧 慶, 黎彩琦, 王 麗

(1.江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著人口的劇增及人們生活水平的日益提高，對水的需求量和質(zhì)量要求越來越高，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重[1-2].研究表明體內(nèi)過量的銅能導(dǎo)致多種疾病[3].目前檢測的方法主要有原子吸收及發(fā)射光譜法，電感耦合質(zhì)譜法，電化學(xué)發(fā)光以及電化學(xué)方法等[4-5].但是這些儀器分析方法存在樣品前處理繁雜、技術(shù)操作要求較高、抗干擾能力差等缺陷，因而不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時快速監(jiān)測.與這些技術(shù)不同，熒光傳感器具有制備方法簡單、靈敏度高、響應(yīng)快速、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為定量檢測重金屬離子的有力工具，在生物和環(huán)境檢測中應(yīng)用廣泛.

碳量子點(diǎn)(CDs)的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是熒光納米材料發(fā)展的一個重要里程碑，由于準(zhǔn)確可靠、操作簡單、測量快速、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們越來越大的研究興趣，并且已成為目前最有前途的熒光納米材料之一[6]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生化傳感、細(xì)胞成像、光電轉(zhuǎn)換和載藥等領(lǐng)域，尤其在重金屬離子測方面發(fā)揮著重要作用[7].與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)一樣，CDs通過與金屬離子、陰離子、有機(jī)小分子及生物分子等的相互作用，改變其表面缺陷狀態(tài)，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的變化，最終實(shí)現(xiàn)對被檢測物的定性定量分析.

文中采用加熱回流法在70 ℃下一步合成得到穩(wěn)定的紅色熒光碳量子點(diǎn)，較其他方法具有方便和快捷等優(yōu)勢.通過探討并優(yōu)化反應(yīng)時間、溶液離子強(qiáng)度和pH值條件等對該碳量子點(diǎn)熒光的影響，建立了一種快速檢測Cu2+碳量子點(diǎn)熒光探針.最后通過EDTA對銅離子的配位作用，探究了銅離子對碳量子點(diǎn)熒光猝滅的機(jī)理.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)試劑與儀器

材料：三氯甲烷(氯仿，分析純)購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；二乙胺，甲醇，乙醇，CuCl2·2H2O，F(xiàn)eCl3·6H2O，F(xiàn)eCl2·4H2O，CaCl2，HgCl2，CdCl2·2.5H2O，NaCl，KCl，MgCl2·6H2O，ZnCl2，AgNO3，Ni(NO3)2·6H2O，AlCl3，BaCl2，NH4Cl，KBr，Na2SO4，Na3PO4和NaNO3等分析純級別，全部購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，所有化學(xué)試劑在使用前無任何純化處理.除特殊說明外，文中試驗(yàn)過程中均使用超純水.

儀器：熒光分光光度計(LF-1102002，美國Thermo Fisher公司)，UV-2600紫外-可見分光光度計(日本日立公司)，RV-211A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，透射電子顯微鏡(HRTEM，JEM-2100)，傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet 6700)，X射線衍射儀(Bruker，D8 Advance).

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1CDs的制備

精確量取40 mL氯仿和8 mL二乙胺于100 mL三頸燒瓶中，在70 ℃加熱回流3 h后，進(jìn)行二次加樣，迅速加入40 mL二乙胺和10 mL甲醇并繼續(xù)反應(yīng)9 h.自然冷卻至室溫后，得到橙黃色的碳量子點(diǎn)溶液.隨后，在45 ℃水浴條件下，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀純化干燥得到碳量子點(diǎn)，將得到的碳量子點(diǎn)溶于乙醇并保存在4 ℃待用.

1.2.2水溶液和實(shí)際樣品中Cu2+的檢測

首先對Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了分析.在最佳pH緩沖液中，取0.1 mL上述熒光碳量子點(diǎn)溶液，然后分別加入1.9 mL超純水和1 mL不同濃度的Cu2+溶液，混合均勻后室溫下反應(yīng)10 min，在600 nm激發(fā)波長下測定熒光強(qiáng)度.

為探討Cu2+檢測傳感器在河水樣品中的應(yīng)用，首先取玉帶河水樣，用截留分子量為3 000 kD的超濾管超濾離心處理去除較大的懸浮物(7000 r·min-1，15 min).隨后采用加標(biāo)回收試驗(yàn)的方法檢測水樣中的Cu2+濃度，并計算回收率.

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的表征及分析

2.1.1熒光性能表征

光學(xué)特性是熒光納米材料最重要的性質(zhì)之一，圖1為碳量子點(diǎn)的光譜圖.

圖1 熒光碳量子點(diǎn)光譜圖及電鏡圖

2.1.2透射電鏡表征(TEM)

利用透射電鏡可對物質(zhì)的形貌進(jìn)行觀察，如圖1b所示，碳量子點(diǎn)粒徑在7 nm左右具有良好的分散性，為球形納米顆粒、且尺寸均一，與文獻(xiàn)[8]報道一致.

2.1.3紅外光譜表征(FTIR)

紅外分光光度計可對物質(zhì)表面的官能團(tuán)進(jìn)行分析.圖2為碳量子點(diǎn)的紅外光譜.

圖2 熒光碳量子點(diǎn)的FTIR圖

由圖2可見，具有明顯的—OH伸縮振動峰(3 421 cm-1)和—NH峰(1 392，801 cm-1)，表明該碳量子點(diǎn)表面具有明顯的氨基和羥基功能基團(tuán).

2.1.4X射線衍射表征(XRD)

利用X射線衍射儀可對材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.碳量子點(diǎn)的XRD圖見圖3.

圖3 碳量子點(diǎn)的XRD圖

由圖3可見，該碳量子點(diǎn)的XRD圖有3個尖銳的峰，主峰位置也在13°，27°和41°左右，表明該碳量子點(diǎn)有較完整且連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu).

2.1.5熒光性能分析

為了進(jìn)一步探究本體系的紅色熒光碳量子點(diǎn)發(fā)光性能，特別是溶劑極性對碳量子點(diǎn)熒光的影響，本試驗(yàn)以水和乙醇2種不同極性的溶液溶解碳量子點(diǎn)并測定熒光，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可見，與前人報道的碳量子點(diǎn)不同，不論是在非極性的乙醇溶液中還是在極性的水溶液中，隨著激發(fā)波長的變化，碳量子點(diǎn)的熒光發(fā)射峰并沒有出現(xiàn)較大藍(lán)移或者紅移，表明本體系的碳量子點(diǎn)沒有激發(fā)光依賴的光致發(fā)光特性.在圖4a中，碳量子點(diǎn)在乙醇溶液中激發(fā)光波長由570 nm增加到630 nm，采集相應(yīng)的熒光發(fā)射光譜，很顯然，在620 nm激發(fā)光下有最大的熒光發(fā)射強(qiáng)度；如圖4b所示，碳量子點(diǎn)在水中熒光強(qiáng)度較乙醇中降低了18%左右，最大激發(fā)波長移動到600 nm；而且碳量子點(diǎn)在水相中熒光峰的位置(約645 nm)藍(lán)移5 nm，這可能是溶劑效應(yīng)引起的[9].因此，在水樣中檢測Cu2+時激發(fā)波長設(shè)為600 nm，發(fā)射波長為645 nm.

2.2 試驗(yàn)優(yōu)化

為了更好地分析其他條件因素對Cu2+猝滅碳量子點(diǎn)熒光的影響，本試驗(yàn)體系對pH、離子強(qiáng)度和反應(yīng)時間等進(jìn)行了條件優(yōu)化，結(jié)果見圖5.

圖5 不同參數(shù)對紅色熒光碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

如圖5a所示，在pH=4～10的范圍，熒光碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度變化較小(小于±10%)，考慮到實(shí)際環(huán)境中水樣的pH接近中性，因此，在后續(xù)試驗(yàn)中選擇pH=7進(jìn)行研究.

在實(shí)際水樣中檢測Cu2+，必須要考慮到水樣中離子強(qiáng)度對紅色熒光碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響.本試驗(yàn)選擇以不同濃度氯化鈉代替總?cè)芤旱碾x子強(qiáng)度，并考察了其對紅色熒光碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5b所示,由圖可見，即使在氯化鈉高達(dá)1 mol·L-1時，紅色熒光碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度影響也較小(約5%).因此，在Cu2+檢測試驗(yàn)中可忽略離子強(qiáng)度對碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響.

本試驗(yàn)選擇了加入50，100 μmol·L-1濃度的Cu2+，由圖5c可見Cu2+使碳量子點(diǎn)熒光猝滅的反應(yīng)在35 min左右達(dá)到穩(wěn)定.因此，本試驗(yàn)選擇35 min作為離子檢測時間.

2.3 Cu2+的選擇性

在分析檢測試驗(yàn)中，必須考慮到結(jié)構(gòu)類似的干擾物質(zhì)對反應(yīng)體系的影響，探究了一些常見陰陽離子對紅色熒光碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖6.

圖6 常見陰陽離子對紅色熒光碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響(n=3)

由圖6可見，Cu2+濃度為100 μmol·L-1，其他離子的濃度高達(dá)1 000 μmol·L-1時，Cu2+對碳量子點(diǎn)的熒光猝滅最明顯，而其他離子對碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響較小，因此本傳感器對Cu2+具有良好選擇性.

2.4 Cu2+檢測

在最優(yōu)化的分析條件下，基于Cu2+對碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的猝滅，建立了測定Cu2+的熒光方法，結(jié)果見圖7.

圖7 不同濃度Cu2+熒光光譜及其檢測標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

圖7可見，隨著Cu2+的濃度不斷增大，猝滅效果越來越明顯，并且當(dāng)Cu2+的濃度在0.01～1 μmol·L-1和5～150 μmol·L-1范圍時，與碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度有良好的線性關(guān)系，所得的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程分別為Y=22 432.76-2 180.93X和Y=17 597.46-111.34X，其中X指的是加入的Cu2+的濃度，Y指的是加入不同濃度Cu2+后碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度.線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.964 7，0.994 9，該檢測系統(tǒng)的最低檢出限LLOD= 3.4 nmol·L-1.

2.5 實(shí)際樣品的檢測

在最佳試驗(yàn)條件下，采用本方法測定了實(shí)際水樣(江蘇大學(xué)玉帶河水樣)的Cu2+濃度.表1為實(shí)際水樣Cu2+的加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果，加標(biāo)回收率為90.00%～110.00%，表明本試驗(yàn)體系構(gòu)建的Cu2+的熒光傳感器可用于實(shí)際水樣的檢測.

表1 實(shí)際水樣中Cu2+的測定

3 試驗(yàn)機(jī)理探究

熒光猝滅機(jī)制可分為靜態(tài)猝滅與動態(tài)猝滅[10]，靜態(tài)猝滅指基態(tài)熒光分子與猝滅劑之間通過較弱的結(jié)合作用生成非熒光復(fù)合物，動態(tài)猝滅指激發(fā)態(tài)熒光分子與猝滅劑碰撞使其熒光猝滅.

為了研究Cu2+對CDs的猝滅作用，在Cu2+-CDs體系中加入常見的Cu2+螯合劑(乙二胺四乙酸二鈉，EDTA)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示.

圖8 Cu2+對碳量子點(diǎn)熒光猝滅機(jī)制

由圖8可見加入EDTA后，碳量子點(diǎn)的熒光有很大程度上的恢復(fù).因此本試驗(yàn)體系的熒光猝滅機(jī)理可以理解如下：碳量子點(diǎn)表面帶有豐富的氨基可吸附Cu2+引起明顯的熒光猝滅，碳量子點(diǎn)的FTIR光譜見圖3，因?yàn)榘被械腘原子含有孤對電子，這些孤對電子能與Cu2+的d軌道產(chǎn)生配位作用，從而形成了沒有熒光的CDs-Cu2+的配合物.加入EDTA后，由于Cu2+與EDTA的配位能力較碳量子點(diǎn)表面氨基結(jié)合能力強(qiáng)，使得碳量子點(diǎn)Cu2+配合物重新解離出Cu2+，熒光性能恢復(fù).

4 結(jié) 論

1)所提出的Cu2+熒光檢測方法線性范圍為0.01～150 μmol·L-1，檢測限為3.4 nmol·L-1.在實(shí)際水樣中Cu2+的回收率為90.00%～110.00%，表明該碳量子點(diǎn)在Cu2+的環(huán)境生物分析檢測等研究領(lǐng)域具有很好應(yīng)用前景.

2)應(yīng)用EDTA對Cu2+的強(qiáng)配位作用，可以解離出CDs-Cu2+配位體系中的Cu2+，從而探究了Cu2+對CDs的猝滅機(jī)理.