熒光碳點(diǎn)的制備及其在I-檢測(cè)中的應(yīng)用

龐紀(jì)平，江英霞，顏范勇，施錦輝

（1.天津中新藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司 中新制藥廠，天津 300450；2.天津工業(yè)大學(xué) 分離膜與膜過(guò)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家分離膜國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300387；3.南通海關(guān) 綜合技術(shù)中心，江蘇 南通 226004）

碘是人體必需的微量元素之一，可參與甲狀腺激素的合成，調(diào)控人體的生長(zhǎng)發(fā)育[1-3]。長(zhǎng)期缺碘可引起甲狀腺功能低下，而長(zhǎng)期碘過(guò)量則容易引起碘中毒，表現(xiàn)為消化道刺激癥狀等[4-5]。因此，準(zhǔn)確測(cè)定生物、環(huán)境樣品及食品蔬菜中的碘含量對(duì)人體健康狀況分析、食物營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)和環(huán)境評(píng)估有重要意義。目前，I-的檢測(cè)方法主要有離子色譜法、分光光度法、電化學(xué)法、中子活化法和色譜光譜法等[6-9]。這些方法具有靈敏度高和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，但成本高，操作復(fù)雜。與之相比，熒光分析法不僅選擇性好，而且操作簡(jiǎn)便、成本低廉，可以高靈敏快速檢測(cè)I-[10-13]。

CDs與傳統(tǒng)的石墨烯量子點(diǎn)相比，其光學(xué)性質(zhì)對(duì)pH值、光照、溫度和離子強(qiáng)度等具有更好的穩(wěn)定性，在應(yīng)用時(shí)受到的限制條件較少。CDs還具有良好的水溶性、低毒性和良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于傳感、生物成像和光學(xué)器件等多個(gè)領(lǐng)域[14-16]。CDs一般可用于檢測(cè)金屬離子以及其他無(wú)機(jī)離子，例如Fe3+、Hg2+、Al3+、F-、NO2-和OCl-[17-20]，但對(duì)I-檢測(cè)的研究仍然十分有限。因此，采用一步法合成用于檢測(cè)I-的熒光CDs至關(guān)重要。

本文以無(wú)水檸檬酸為碳源，乙二胺為氮源，通過(guò)一步水熱法合成了氮摻雜的CDs，通過(guò)TEM、UV-vis、FTIR和熒光光譜對(duì)CDs的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行表征；并在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于CDs的快速、靈敏檢測(cè)實(shí)際水樣中I-的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

試劑：無(wú)水檸檬酸（≥99.5%）、N-2-羥乙基哌嗪-N′-2-乙磺酸（HEPES），上海阿拉丁試劑有限公司產(chǎn)品；乙二胺，天津大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品；NaH2PO4、Na2HPO4、Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO3、Na2S，均為天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品；NaNO2、NaNO3、NaAc、NaF，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠產(chǎn)品；KBr、NaCl、KI，天津市福晨化學(xué)試劑廠產(chǎn)品；CaCl2、MgCl2、AlCl3，天津市化學(xué)試劑三廠產(chǎn)品。以上試劑均為AR級(jí)。

儀器：ALC-210.4型分析天平，上海奧豪斯儀器有限公司產(chǎn)品；DZG-401型電熱真空干燥箱，天津天宇實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海雅榮生化設(shè)備儀器有限公司產(chǎn)品；KH-250型超聲清洗器，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司產(chǎn)品；TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜儀、F380型熒光分光光譜儀，天津港東科技發(fā)展股份有限公司產(chǎn)品；ZF-1型紫外-可見分光光度計(jì)，北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；JEOL-2010F型透射電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社產(chǎn)品；T500型分析天平，天津市天馬儀器廠產(chǎn)品。

1.2 CDs的合成及純化

采用簡(jiǎn)單的一步水熱法制備CDs。準(zhǔn)確量取0.156 0 mL乙二胺和1.345 0 g無(wú)水檸檬酸于50 mL燒杯中，加入30 mL去離子水超聲使其溶解，將溶液倒入50 mL水熱反應(yīng)釜中于190℃加熱5 h。反應(yīng)完成后待其自然冷卻至室溫得到深棕色的溶液。通過(guò)離心除掉溶液中的不溶性顆粒，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，離心時(shí)長(zhǎng)為15 min。將離心后的上清液進(jìn)行進(jìn)一步的透析純化（MW=3.5 ku），透析時(shí)間為24 h，此操作目的是除去體系中未反應(yīng)的前體化合物。之后再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)透析后的產(chǎn)物進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，真空旋干，得到純化的CDs產(chǎn)物。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置

（1）精密稱量CDs 0.01 g，用水做溶劑使其充分溶解，溶解之后將其稀釋定容到50 mL并進(jìn)行適當(dāng)搖晃，配制成質(zhì)量濃度為0.2 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)母液。放置于冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

（2）準(zhǔn)確稱取適量的NaH2PO4、Na2HPO4、Na2S2O3、Na2SO4、Na2S、NaHSO3、NaNO2、NaNO3、NaAc、NaF、KBr、NaCl、KI、MgCl2、AlCl3、CaCl2等配制成濃度為2.0 mmol/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。配制完成之后將其做好標(biāo)記，保存于冰箱備用。

（3）準(zhǔn)確稱量119.15 g HEPES溶解在400 mL蒸餾水中，加0.5~1 mol/L的NaOH水溶液調(diào)節(jié)至pH值為7.4，然后用蒸餾水定容至500 mL，于冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 CDs的選擇性和I-的測(cè)定

（1）CDs的熒光選擇性：首先取200μL CDs母液于10 mL容量瓶中，然后加入濃度為2 mmol/L的待測(cè)離子100μL，放置15 min后在350 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下進(jìn)行熒光掃描，激發(fā)和發(fā)射狹縫均設(shè)置為2.5 nm。

（2）I-的測(cè)定：取100μL CDs溶液加入到10 mL容量瓶中，再向其中加入不同濃度的I-溶液，用10 mmol/L的HEPES緩沖液（pH值為7.4）定容。將混合液充分搖勻后于室溫下靜置10 min，之后在激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm下記錄CDs熒光強(qiáng)度的變化。在此過(guò)程中，激發(fā)和發(fā)射狹縫均設(shè)置為2.5 nm。

（3）干擾性評(píng)估：分別取100μLCDs溶液和200μL陰離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到10 mL容量瓶中，再用配制的HEPES緩沖液定容。將混合液充分搖勻后于室溫下靜置10 min，之后在激發(fā)和發(fā)射狹縫為2.5 nm、激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm的條件下記錄CDs熒光強(qiáng)度的變化。

1.5 量子產(chǎn)率的計(jì)算

CDs的量子產(chǎn)率（φ）是使用硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（φf(shuō)=54%）來(lái)計(jì)算的[21-22]。首先，將CDs溶解在水中，將硫酸奎寧溶解在0.1 mol/L H2SO4中形成0.1μg/mol溶液。然后配置5個(gè)不同梯度的CDs和硫酸奎寧溶液。為了最大程度地減少重吸收效果，硫酸奎寧在10 mm熒光比色皿中的吸光度保持在0.05以下，而CDs的吸光度保持在0.1以下。熒光積分強(qiáng)度是最佳激發(fā)波長(zhǎng)下熒光光譜的積分面積。然后使用熒光積分強(qiáng)度對(duì)吸光度作圖，截距為零。量子產(chǎn)率計(jì)算公式為：

式中：φ為量子產(chǎn)率；Grad為熒光積分強(qiáng)度與吸光度之間關(guān)系的梯度；η為溶液折射率；x代表未知樣品；st為標(biāo)準(zhǔn)品；對(duì)于水溶液來(lái)說(shuō)，ηx/ηst=1。

1.6 I-的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)估CDs在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，研究了CDs在實(shí)際水樣中對(duì)I-的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。以天津工業(yè)大學(xué)的自來(lái)水為例。在進(jìn)行I-加標(biāo)實(shí)驗(yàn)前，該水樣先通過(guò)0.35μm的濾膜過(guò)濾其中可能存在的不溶性雜質(zhì)。之后，用該水樣配制5、10、15和20μmol/L的KI溶液，在室溫下孵育15 min后，在350 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下對(duì)每個(gè)樣品測(cè)量3次，記錄在450 nm處的熒光強(qiáng)度，與對(duì)應(yīng)I-濃度的標(biāo)準(zhǔn)熒光強(qiáng)度作比較，計(jì)算回收率：

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點(diǎn)的表征與光學(xué)性質(zhì)

本文利用TEM、FTIR、XRD、UV-vis和熒光光譜對(duì)所制備的CDs進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1—圖2所示。

圖1 CDs的TEM圖、粒徑分布直方圖、FT-IR譜圖和XRD衍射圖Fig.1 TEM image，particle size distribution diagram，F(xiàn)T-IR spectra and XRD diffraction pattern of CDs

圖2 CDs的熒光光譜和紫外可見吸收光譜Fig.2 Fluorescence spectra and UV-vis absorption spectra of CDs

CDs的形態(tài)和粒徑通過(guò)TEM圖像表征。由圖1（a）和圖1（b）可知，由檸檬酸和乙二胺通過(guò)一步水熱法制備的CDs呈類球形結(jié)構(gòu)并且具有良好的分散性；本文制備的CDs具有較窄的粒徑分布，主要分布在1.1~2.7 nm的范圍內(nèi)，平均粒徑為2.25 nm。

CDs表面官能團(tuán)的類型通過(guò)FT-IR圖譜測(cè)定。由圖1（c）可知，N—H或O—H的伸縮振動(dòng)峰位于3 400 cm-1左右；C=O的伸縮振動(dòng)峰位于1 700 cm-1左右；1 250 cm-1左右的峰為C—N的伸縮振動(dòng)峰；1 175 cm-1左右的峰為C—C的伸縮振動(dòng)峰。由此可知，本文合成的CDs表面同時(shí)具有—NH2與—COOH等官能團(tuán)。

圖1（d）為CDs的XRD圖譜，其在2θ=21.5°處具有一個(gè)明顯且較寬的衍射特征峰，這歸因于（002）晶格面的衍射。稍微大于石墨晶格間距（0.34 nm），是由于在CDs中引入了含N和含O基團(tuán)。

CDs的熒光光譜如圖2（a）所示，由于表面的不均一性，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加，CDs的發(fā)射峰逐漸紅移，表明CDs具有激發(fā)決定發(fā)射的性質(zhì)[23-24]。并且CDs的熒光強(qiáng)度隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加先增加后降低，在激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm時(shí)熒光強(qiáng)度在450 nm處具有最佳的發(fā)射峰。因此，350 nm為該CDs的最佳激發(fā)波長(zhǎng)，之后的測(cè)量均使用該激發(fā)波長(zhǎng)。

圖2（b）為CDs的UV-vis光譜，由圖2（b）可知，該CDs在203、252和345 nm處具有3個(gè)吸收峰。在203和252 nm處的吸收峰主要由C=C鍵上π-π*的電子躍遷造成，而在345 nm處的吸收峰主要由C=O上n-π*的電子躍遷造成[25-26]。

通過(guò)對(duì)CDs在不同pH溶液和不同濃度NaCl溶液中的熒光強(qiáng)度來(lái)研究CDs的光穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同pH條件下CDs的熒光穩(wěn)定性Fig.3 Fluorescence stability of CDs at different pH conditions

圖4 鹽濃度對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of salt concentration on luorescence intensity of CDs

由圖3可知，在pH值從4變化到10的過(guò)程中，CDs的歸一化熒光強(qiáng)度僅有微弱的變化，并且在pH值為8時(shí)達(dá)到最高值。因此，在之后的檢測(cè)中HEPES緩沖液的pH值在7~8之間對(duì)熒光檢測(cè)最為有利。由圖4可知，明顯地，即使NaCl的濃度達(dá)到4.0 mol/L時(shí)，CDs的熒光強(qiáng)度也沒(méi)有明顯下降的趨勢(shì)。以上結(jié)果表明，本文所合成的CDs具有優(yōu)異的熒光穩(wěn)定性。

2.2 CDs的選擇性與滴定實(shí)驗(yàn)

CDs對(duì)常見離子的選擇性識(shí)別結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在陽(yáng)離子對(duì)CDs的滴定過(guò)程中（圖5（a）），Cr6+由于在470 nm處本來(lái)就有一定的吸收，所以Cr6+在陽(yáng)離子檢測(cè)中表現(xiàn)出來(lái)的特殊吸收現(xiàn)象并不能說(shuō)明本文合成的CDs對(duì)其有特殊的選擇性。而如圖5（b）所示，在對(duì)陰離子檢測(cè)的過(guò)程中，CDs的熒光被I-淬滅，這說(shuō)明本文合成的CDs對(duì)I-具有特異性識(shí)別能力。

圖5 CDs對(duì)常見陽(yáng)離子和陰離子的選擇性Fig.5 Selectivity of CDs for common cations and anions

在350 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下評(píng)估不同濃度的I-對(duì)CDs在450 nm處的熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可知，隨著I-濃度的增加，CDs的熒光強(qiáng)度逐漸降低。圖7為CDs熒光強(qiáng)度與I-濃度的線性關(guān)系圖。由圖7可見，當(dāng)I-濃度范圍為20~90μmol/L時(shí)CDs的熒光響應(yīng)（F0-F）與I-濃度有較好的線性關(guān)系，并且由此得到的檢測(cè)限為1.743μmol/L。

圖6 I-對(duì)CDs的熒光滴定光譜Fig.6 Fluorescence titration spectra of I-on CDs

圖7 F0-F與I-濃度的線性關(guān)系Fig.7 Linear relationship between F0-F and I-

2.3 干擾性評(píng)估和機(jī)理研究

CDs對(duì)I-靈敏性的抗干擾性評(píng)估結(jié)果8所示。由圖8可知，當(dāng)其他干擾性離子存在時(shí)，加入I-后CDs的熒光淬滅程度與沒(méi)有存在干擾性離子幾乎一樣，說(shuō)明其他陰離子的存在對(duì)CDs檢測(cè)I-具有可忽略的影響，說(shuō)明該CDs具有良好的抗干擾能力。

圖8 干擾離子對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of interfering ions on fluorescence intensity of CDs

通常CDs的淬滅機(jī)理主要包括靜態(tài)淬滅、動(dòng)態(tài)淬滅、內(nèi)濾效應(yīng)（IFE）和福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）[22-25]。通過(guò)測(cè)定加入I-前后CDs的熒光衰退曲線和紫外吸收光譜分析CDs對(duì)I-的檢測(cè)機(jī)理，如圖9所示。

圖9 CDs對(duì)I-的檢測(cè)機(jī)理分析Fig.9 Detection mechanism analysis of I-by CDs

由圖9（a）可知，CDs的熒光壽命為9.644 ns，加入I-之后CDs的熒光壽命為9.313 ns，熒光壽命幾乎沒(méi)有改變，因此，可排除動(dòng)態(tài)淬滅和FRET。由圖9（b）可知，加入I-后，CDs在345 nm處的吸收峰降低而240 nm處的吸收峰增加，240 nm處不發(fā)光基態(tài)復(fù)合物的形成導(dǎo)致CDs的紫外吸收譜圖改變，由此排除IFE。因此，CDs與I-相互作用的機(jī)理為靜態(tài)淬滅。由圖9（c）可知，當(dāng)加入相同濃度I-后僅升高反應(yīng)溫度時(shí)CDs的熒光淬滅程度下降，進(jìn)一步驗(yàn)證了淬滅機(jī)理為靜態(tài)淬滅[27]。

2.4 I-在實(shí)際樣品中的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文合成的CDs可以選擇性識(shí)別I-，通過(guò)在自來(lái)水樣品中分別加入不同濃度的I-進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，得到I-的回收率在98.7%~101%之間。以上結(jié)果表明回收率較高，能夠定量回收I-。由此說(shuō)明，本文合成的CDs可用于有效、靈敏地檢測(cè)自來(lái)水中的I-含量。

表1 水樣中I-的分析結(jié)果Tab.1 Analytical results of I-in water samples

3 結(jié)論

采用無(wú)水檸檬酸和乙二胺通過(guò)一步水熱法合成了水溶性的藍(lán)色發(fā)射熒光CDs，利用TEM、FTIR、UVvis和熒光光譜對(duì)CDs的結(jié)構(gòu)、元素組成和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征，并采用CDs檢測(cè)水樣中的I-，考察其檢測(cè)效果和淬滅機(jī)理，結(jié)果表明：

（1）CDs的熒光強(qiáng)度與I-濃度在20~90μmol/L的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為1.743μmol/L。

（2）該CDs對(duì)I-具有良好的特異性識(shí)別能力和靈敏度，淬滅機(jī)理為靜態(tài)淬滅。通過(guò)真實(shí)水樣中的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，該方法具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。