一步合成氮摻雜的碳量子點(diǎn)并用于對(duì)Fe3+的檢測(cè)

蔣云霞，李 艷，劉柏松，徐百靈

（吉林化工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

碳量子點(diǎn)一般是指納米顆粒尺寸在10 nm 以下、形狀接近于球型、顆粒單分散的一種熒光碳納米材料[1-2]。相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)染料，碳量子點(diǎn)作為一種新型的熒光探針，具備寬而連續(xù)的激發(fā)光譜、窄而對(duì)稱的發(fā)射光譜、良好的生物相容性和低毒性，在生物醫(yī)學(xué)、標(biāo)記、重金屬檢測(cè)等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景[3-9]。其中，對(duì)金屬離子進(jìn)行檢測(cè)是碳量子點(diǎn)研究的重要方向之一。

作為生物系統(tǒng)中最豐富的微量元素之一，F(xiàn)e3+在人體中起著至關(guān)重要的作用[10]。然而，異常水平的Fe3+離子會(huì)破壞機(jī)體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致某些疾病的發(fā)生，如貧血、血色素沉著癥、肝炎、關(guān)節(jié)炎、糖尿病、心力衰竭和癌癥[11-12]等。因此，F(xiàn)e3+的測(cè)定對(duì)于早期識(shí)別和預(yù)防這些疾病很重要。目前，已有幾種檢測(cè)Fe3+離子的方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)，包括原子吸收光譜法、分光光度法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）和電化學(xué)方法[13-16]。但是，這些檢測(cè)方法需要復(fù)雜的儀器和繁瑣的樣品制備程序，極大限制了它們?cè)跍y(cè)定Fe3+離子中的實(shí)際應(yīng)用。最近，量子點(diǎn)（QDs）熒光探針由于其高靈敏度和選擇性、低成本和易于操作的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為測(cè)定Fe3+離子提供了更好的選擇[17]。

碳量子點(diǎn)經(jīng)過(guò)氮摻雜或表面鈍化后，其熒光量子產(chǎn)量可以得到明顯的提升[18]。本文以檸檬酸和異煙肼為原料，采用水熱法一步合成了氮摻雜的碳量子點(diǎn)（N-CQD），以此建立了一種新型熒光探針，并探究了其用于Fe3+檢測(cè)的可能性。研究發(fā)現(xiàn)，N-CQDs 對(duì)Fe3+具有良好的選擇性猝滅現(xiàn)象，探究了Fe3+濃度與N-CQDs 熒光強(qiáng)度間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者具有良好的線性關(guān)聯(lián)，表明該量子點(diǎn)可用于實(shí)際樣品中Fe3+的檢測(cè)，從而建立了一種簡(jiǎn)單、快速且對(duì)Fe3+具有良好選擇性的檢測(cè)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：檸檬酸、異煙肼、氯化鈷、硝酸鉛、氯化鎳、硫酸鎂、氯化鋇、硫酸鋁、氯化銅、氯化鍶、醋酸鋅、硝酸鉻、氯化鈣、硝酸銀、醋酸錳、硫酸亞鐵、三氯化鐵（均為分析純）。

儀器：ZF-1 型三用紫外分析儀，Cary Eclipse 型熒光分光光度計(jì)，VECTOR-22 型傅立葉紅外光譜儀，DHG-9140A 型鼓風(fēng)烘箱，KQ5200 型超聲波清洗儀，KH-50mL 型聚四氟乙烯反應(yīng)釜。

1.2 氮摻雜的碳量子點(diǎn)的合成

稱取檸檬酸0.5 g，異煙肼1 g，分別用15 mL 去離子水溶解，混合均勻，放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，放入鼓風(fēng)烘箱中210℃下加熱6h。加熱結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，打開(kāi)反應(yīng)釜，將液體移入透析袋中透析，24h 后即得到透明澄清的碳量子點(diǎn)，放入冰箱上層保存。圖1 為本實(shí)驗(yàn)所制的碳量子點(diǎn)的合成示意圖。

圖1 氮摻雜碳量子點(diǎn)的合成示意圖Fig.1 Schematic illustration of preparation process for N-CQDs

1.3 金屬離子的檢測(cè)

取2.5mL 的N-CQDs 溶液于離心管中，再往離心管中分別加入相同濃度（0.19 mmol·L-1）的不同金屬陽(yáng)離子（Co2+、Pb2+、Ni2+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Cu2+、Sr2+、Zn2+、Cr3+、Ca2+、Ag+、Mn2+、Fe2+、Fe3+）。混 合2min 后，測(cè)量各個(gè)離心管中N-CQDs 溶液的熒光發(fā)射光譜，并與未加金屬離子的空白N-CQDs 溶液比較熒光強(qiáng)度的變化。

1.4 氮摻雜的碳量子點(diǎn)檢測(cè)Fe3+

取2.5 mL 的N-CQDs 溶液于離心管中，將配置好的不同體積的鐵離子溶液（0.02 mol·L-1）加入到N-CQDs 溶液中，混合均勻2 min 后，測(cè)其熒光發(fā)射光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮摻雜碳量子點(diǎn)的傅立葉紅外光譜圖

圖2 為N-CQDs 的傅立葉紅外光譜圖。3000 cm-1～3438cm-1為O-H 和N-H 的伸縮振動(dòng)峰，1711cm-1、1666cm-1、1577cm-1為 對(duì) 應(yīng) 的 芳 香 族 化合物中C=C 的伸縮振動(dòng)峰和C=O 的伸縮振動(dòng)峰，1411cm-1、1335cm-1、1271cm-1對(duì)應(yīng)C-N 的伸縮振動(dòng)峰。以上結(jié)果表明，N-CQDs 表面含有大量的羥基、羧基和氨基等基團(tuán)，從而保證了碳量子點(diǎn)良好的水溶性。

圖2 氮摻雜碳量子點(diǎn)的傅立葉紅外光譜圖Fig.2 Fourier infrared spectrum of N-CQDs

2.2 氮摻雜碳量子點(diǎn)的熒光性能

圖3 為N-CQDs 在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光光譜圖。從圖中可以看出，當(dāng)波長(zhǎng)從345 nm 增加到365 nm 時(shí)，碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從365 nm 繼續(xù)增大到385 nm 時(shí)，熒光強(qiáng)度反而下降，由此可以得出碳量子點(diǎn)的最佳激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm。從圖中可以看出，當(dāng)波長(zhǎng)從345 nm 增加到385 nm 時(shí)，N-CQDs 的熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，并伴隨著紅移，這可能是N-CQDs 的尺寸效應(yīng)造成的。量子點(diǎn)的尺寸越小，其有效能級(jí)的禁帶寬度越大，激發(fā)所需的能量就越大，因此發(fā)射出的光的波長(zhǎng)越短，反之則發(fā)射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)[18]。從圖中可以看出，激發(fā)波長(zhǎng)為365～385 nm 時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)的紅移范圍不大，此結(jié)果可以從側(cè)面驗(yàn)證所制備的碳量子點(diǎn)的尺寸分布較為均一。N-CQDs 在紫外燈照射下發(fā)出強(qiáng)烈的藍(lán)光(圖3 插圖)。N-CQDs 具有很強(qiáng)的光穩(wěn)定性，我們將制得的N-CQDs 溶液放入冰箱上層保存后，再進(jìn)行熒光強(qiáng)度的測(cè)試，結(jié)果表明，在冰箱上層放了14d 之后，N-CQDs 的熒光強(qiáng)度未發(fā)生明顯改變，穩(wěn)定性較好（圖4）。

圖3 氮摻雜碳量子點(diǎn)在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光發(fā)射光譜(插圖：紫外燈照射下的碳量子點(diǎn)溶液)Fig.3 Fluorescence emission spectra of N-CQDs under different excitation wavelengths(inset: N-CQDs solution under ultraviolet light)

圖4 氮摻雜碳量子點(diǎn)的穩(wěn)定性Fig.4 The stability of N-CQDs

2.3 溶液pH 對(duì)氮摻雜碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

圖5 為N-CQDs 在不同pH 條件下的熒光發(fā)射光譜。碳量子點(diǎn)原溶液的pH 為4，當(dāng)其pH 為6 時(shí)，可以看到熒光略有下降，當(dāng)pH 為8 時(shí)，熒光強(qiáng)度下降幅度增大，當(dāng)pH 為10 和12 時(shí)，熒光強(qiáng)度繼續(xù)降低，由此可知，酸性溶液對(duì)N-CQDs 熒光強(qiáng)度的影響較小，而堿性溶液對(duì)N-CQDs 熒光強(qiáng)度的影響略大。本次實(shí)驗(yàn)選擇pH 值為4 進(jìn)行金屬離子的測(cè)試。

圖5 氮摻雜碳量子點(diǎn)在不同pH 條件下的熒光發(fā)射光譜Fig.5 Fluorescence emission spectra of N-CQDs under different pH

2.4 氮摻雜碳量子點(diǎn)對(duì)Fe3+的選擇性

對(duì)多種常見(jiàn)的金屬離子（Co2+、Pb2+、Ni2+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Cu2+、Sr2+、Zn2+、Cr3+、Ca2+、Ag+、Mn2+、Fe2+、Fe3+）進(jìn)行檢測(cè)，以建立N-CQDs 熒光體系對(duì)Fe3+的選擇性。如圖6(a)所示，向N-CQDs 中加入相同濃度（0.19mmol·L-1）的不同金屬離子時(shí)，只有Fe3+能夠在很大程度上淬滅碳量子點(diǎn)的熒光，其中Co2+、Pb2+、Ni2+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Cu2+、Sr2+對(duì)熒光的淬滅程度較小，Zn2+、Cr3+、Ca2+、Ag+、Mn2+、Fe2+對(duì)熒光強(qiáng)度均有不同程度的淬滅，但遠(yuǎn)不及Fe3+，說(shuō)明該N-CQDs 對(duì)Fe3+具有良好的選擇性，由此可以建立基于N-CQDs熒光猝滅檢測(cè)Fe3+的方法。同時(shí)探究了該N-CQDs的抗干擾性，結(jié)果如圖6(b)所示。在其他金屬離子存在的情況下，向N-CQDs 溶液中加入0.19mmol·L-1的Fe3+，可以看出熒光發(fā)生了猝滅現(xiàn)象，說(shuō)明該N-CQDs 作為Fe3+探針具有可靠的抗干擾能力。

圖6 熒光相對(duì)強(qiáng)度(a) Fluorescence intensity rations (F/F0) of N-CQDs in the presence of different metal ions (0.19 mmol/L) (b) Corresponding fluorescence intensities of N-CQDs before (black) and after (red) the treatment with Fe3+Fig.6 Fluorescence intensity rations

2.5 氮摻雜的碳量子點(diǎn)對(duì)Fe3+的檢測(cè)

在最優(yōu)化的分析條件下，基于Fe3+對(duì)N-CQDs熒光強(qiáng)度的猝滅，建立了測(cè)定Fe3+的熒光方法。圖7(a)為Fe3+檢測(cè)的熒光滴定結(jié)果，可以看出，隨著Fe3+濃度不斷增大，熒光猝滅效果越來(lái)越明顯。由圖7(b)可知，在0～400μmol·L-1范圍內(nèi)，N-CQDs 的熒光淬滅程度與Fe3+濃度存在良好的線性關(guān)系，所得的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：F0/F=0.01099C(Fe3+)+0.92898，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.99119，檢出限為9.25×10-6mol·L-1。

圖7 熒光光譜和線性關(guān)系曲線(a)Fluorescence spectra of different iron ion concentrations; (b)The relationship between the degree of fluorescence quenching of carbon quantum dots and the concentration of iron ionsFig.7 Fluorescence spectra and Linear relation curve

3 結(jié)論

本文以檸檬酸和異煙肼為原料，采用水熱法一步合成了N-CQDs，產(chǎn)物在紫外燈的照射下能夠發(fā)出強(qiáng)烈的藍(lán)光，最佳激發(fā)波長(zhǎng)為365nm。N-CQDs的熒光發(fā)射強(qiáng)度與pH 值密切相關(guān)，最佳pH 值為4。N-CQDs 用來(lái)檢測(cè)常見(jiàn)的多種金屬離子，發(fā)現(xiàn)氮摻雜的碳量子點(diǎn)對(duì)Fe3+具有選擇性熒光猝滅現(xiàn)象，且猝滅程度明顯，在0～400 μmol·L-1范圍內(nèi)，熒光猝滅程度與Fe3+濃度存在良好的線性關(guān)系，R2=0.99119，檢出限為9.25×10-6mol·L-1，表明該量子點(diǎn)可用于實(shí)際樣品中Fe3+的檢測(cè)。