吲哚-6-羧酸修飾熒光碳點的制備及金屬離子檢測

云 卉 ,李可可 ,白靖 ,代曉敏

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 西安 710054)

重金屬離子污染對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成了嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的金屬離子檢測手段如原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、光電子能譜法和伏安法等不僅成本高、同時還涉及復(fù)雜的樣品制備和儀器檢測過程[1-2]。因此,開發(fā)經(jīng)濟、靈敏、選擇性高且操作簡單的新型金屬離子檢測技術(shù)成為科研工作者的研究重點。

碳點(Carbon Dots,簡寫為CDs)是一種尺寸小于10 nm 的新型零維碳納米材料[3-5],具有良好的水溶性和穩(wěn)定性、優(yōu)異的生物相容性、獨特的熒光性能以及可調(diào)的物理化學(xué)性質(zhì)等諸多優(yōu)點,近年來在重金屬離子檢測領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注[6-12]。目前,不同碳源被用于熒光碳點的合成,包括碳材料(如石墨、碳管、碳纖維、煤炭等)、天然生物質(zhì)(如水果、蔬菜、茶葉、面粉、植物葉等)、小分子(如葡萄糖、L-色氨酸、EDTA、檸檬酸等)、聚合物(如聚噻吩苯丙酸、聚乙二醇)等。根據(jù)碳源的不同,CDs 合成方法則主要分為“自上而下”和“自下而上”兩個途徑,具體包括激光輻照、化學(xué)氧化、水熱、超聲波、熱解、微波合成等方法[13-16]。從分子層面來講,CDs由sp2雜化共軛碳核心以及—COOH、—NH2、—OH等表面有機官能團構(gòu)成,其表面的功能基團能夠與金屬離子相互作用,從而提高其對金屬離子的檢測活性[17-19]。此外,研究表明,當(dāng)采用氮、硫、硼等雜原子摻雜CDs,雜原子的加入,不僅可以提供更多的與金屬離子相互作用的位點,改善CDs 的鍵合性能,而且可以改變CDs 表面化學(xué)性質(zhì)和電子性質(zhì),有效地提高CDs 的光致發(fā)光性能。此外,雜原子摻雜還可以引起紫外/可見光譜的紅移,增強CDs 的化學(xué)傳感能力,從而進(jìn)一步增強其金屬離子檢測的選擇性和靈敏度[20]。

本文以乙二胺(EDA)為碳源,吲哚-6-羧酸(6-Cy)為修飾劑,通過一步水熱法成功制備了熒光碳點。所制備的EDA-6-Cy CDs 尺寸均一、具有良好的水溶性,對于金屬鋁離子有良好的的選擇性和靈敏度。

1 實驗

1.1 化學(xué)藥品和試劑

乙二胺(EDA,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%,分析純,天津達(dá)茂化學(xué)試劑廠),吲哚-6-羧酸(分析純,上海生物科技有限公司),氫氧化鈉(NaOH,分析純,杭州恒鑫達(dá)化工有限公司),透析袋(分子量1000,美國聯(lián)合碳化),去離子水(自制)。所需的金屬離子溶液通過對應(yīng)的鹽用去離子水稀釋制得。

1.2 碳點的制備

將0.20 g 6-Cy 和0.05 g NaOH 溶于70 mL 去離子水中,滴加82 μL EDA(6-Cy 與EDA 摩爾比為1 ∶1),室溫下磁力攪拌10 min,得到均一透明溶液。隨后將溶液轉(zhuǎn)移至100 mL 反應(yīng)釜中,在180 ℃水熱反應(yīng)8 h。冷卻至室溫,得到的液體經(jīng)22 μm濾膜過濾,除去懸浮物。濾液在去離子水中透析48 h,然后冷凍干燥,獲得EDA-6-Cy CDs 粉末。

1.3 碳點的表征

樣品的形貌和結(jié)構(gòu)采用高倍透射電子顯微鏡(HRTEM,H-7650,Japan)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR,Spectrum GX,U.S.A)進(jìn)行表征。樣品的紫外-可見吸收光譜采用美國Thermo-Fisher 紫外-可見分光光度計(UV-Vis,Evolution 220 型)進(jìn)行測試,掃描范圍為200～800 nm。樣品的熒光光譜(PL)采用美國 Perkin Elmer 公司的LS 55 型熒光分光光度計進(jìn)行分析。

1.4 金屬離子的熒光檢測

為了評價所制備的CDs 對金屬離子的選擇性,分別制備了15 種金屬離子(Al3+、Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Hg2+、K+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+、Fe3+、Na+),濃度為0.005 mol/L,各取30 μL 金屬離子溶液分別與3 mL 的EDA-6-Cy CDs 探針溶液混合,用紫外-可見分光光度計和熒光分光光度計記錄加入金屬離子前后的探針溶液的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜。

1.5 碳點熒光與pH 值的關(guān)系

為了研究所制備的碳點與pH 值的關(guān)系,配制了以下溶液。

(1)磷酸鹽緩沖溶液(PB)的配制:取19 mL 0.2 mol L-1NaH2PO4和81 mL 0.2 mol L-1的Na2HPO4·12H2O 混合均勻,即為0.2 mol L-1pH為7.5 的PB。隨后通過調(diào)節(jié)加入的鹽酸或氫氧化鈉的量配制了pH 值分別為2.10、2.97、3.95、5.95、7.00、7.95、8.96、10.04、11.15 的緩沖溶液。

(2)碳點溶液的配制:取0.001 g 制備好的EDA-6-Cy CDs 于溶于10 mL 去離子水中,充分?jǐn)嚢韬筠D(zhuǎn)移至100 mL 容量瓶中,定容至100 mL(碳點溶液的濃度為0.01 mg/mL),貼好標(biāo)簽備用。

(3)不同pH 值碳點溶液的配制:取pH 為2.10、2.97、3.95、5.95、7.00、7.95、8.96、10.04、11.15 的緩沖溶液PB 各1.5 mL,分別與1.5 mL EDA-6-Cy CDs 溶液混合,搖勻備用。

用熒光分光光度計記錄EDA-6-Cy CDs 在不同pH 值下的熒光光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌與結(jié)構(gòu)

圖1 為EDA-6-Cy CDs 的透射電鏡照片。從圖中可以看出,所制備的EDA-6-Cy CDs 近似圓球形,分散性良好,粒徑大小約為5 nm。

圖1 EDA-6-Cy CDs 的透射電鏡圖

圖2 為6-Cy 和EDA-6-Cy CDs 的紅外光譜圖。與6-Cy 分子的紅外光譜相比,EDA-6-Cy CDs在1 600 cm-1和1 380 cm-1附近的吸收峰更加明顯,這分別對應(yīng)與C=O 和C=C 鍵的特征吸收振動峰,而在3 350 cm-1～3 500 cm-1范圍內(nèi)尖銳的吸收峰則歸屬于O—H 伸縮振動峰,這表明6-Cy 修飾的EDA-6-Cy CDs 表面存在羰基和羧基基團。此外,在2 968 cm-1和2 836 cm-1處的吸收峰歸屬于C—H 伸縮振動峰,1 000 cm-1以下的吸收峰則可能由其他烷基鍵伸縮振動引起的。

圖2 6-Cy 和EDA-6-Cy CDs 的紅外光譜圖

2.2 光學(xué)性能

圖3(a)為EDA-6-Cy CDs 探針的紫外-可見吸收光譜。從圖中可以看出,位于285 nm 左右的吸收峰對應(yīng)于吲哚環(huán)的特征吸收峰,312 nm處的肩峰則歸屬于碳點的特征吸收峰。圖3(b)是在激發(fā)波長為285 nm 時測得的熒光光譜圖,可以看出EDA-6-Cy CDs 探針的最大熒光發(fā)射峰位于376 nm 處。

圖3 EDA-6-Cy CDs 的(a)紫外-可見吸收光譜和(b)熒光光譜

2.3 碳點的pH 穩(wěn)定性

為了探究EDA-6-Cy CDs 在不同pH 值下熒光強度的變化,測試了的pH 分別為2.10、2.97、3.95、5.95、7.00、7.95、8.96、10.04、11.15 碳點溶液的熒光光譜圖。如圖4a 所示,在強酸條件下(pH 值為2.10 和2.97),EDA-6-Cy CDs 的熒光強度明顯高于其他pH 值時的熒光強度,且熒光發(fā)射峰發(fā)生明顯紅移。從圖4b 中可以看出,pH 值為2.10 和2.97 時相對熒光強度明顯變大,pH 在4～11 范圍內(nèi)時EDA-6-Cy CDs 的熒光強度比較穩(wěn)定,這表明EDA-6-Cy CDs 在強酸條件下的穩(wěn)定性較差,而在中性或堿性條件下EDA-6-Cy CDs 較為穩(wěn)定。

圖4 不同pH 條件下EDA-6-Cy CDs 的(a)熒光光譜圖和(b)相對熒光強度曲線圖

2.4 碳點對金屬離子的選擇性和靈敏度分析

基于EDA-6-Cy CDs 優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì),測試了其對15 種不同金屬離子的熒光響應(yīng)性能(如圖5 所示)。從圖5a 和5b 可知,Cu2+、Fe3+、Hg+三種金屬離子對EDA-6-Cy CDs 的熒光猝滅較為明顯。在加入Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、K+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+、Na+后,EDA-6-Cy CDs 的熒光強度則沒有明顯變化。然而,僅僅在加入Al3+之后,EDA-6-Cy CDs 溶液的熒光強度明顯增強,這表明EDA-6-Cy CDs 對Al3+具有較高的選擇性,其可以作為熒光探針用于Al3+的定性檢測。

圖5 EDA-6-Cy CDs 加入不同金屬離子后的(a)熒光光譜和(b)離子選擇性柱狀圖

為了探究EDA-6-Cy CDs 對Al3+的檢測能力,進(jìn)一步測試了不同Al3+濃度下DA-6-Cy CDs 溶液的熒光光譜(如圖6 所示)。從圖6(a)中可以看出,隨著加入的Al3+濃度逐漸增大,EDA-6-Cy CDs 的相對熒光強度有所增大。當(dāng)Al3+濃度小于0.02 mmol/L 時,EDA-6-Cy CDs 的熒光強度沒有明顯變化,且熒光特征發(fā)射峰發(fā)生了藍(lán)移;而當(dāng)Al3+濃度大于0.02 時,EDA-6-Cy CDs 的熒光強度增強則較為明顯,這表明EDA-6-Cy CDs 對于較高濃度的Al3+具有良好的檢測效果。

圖6 EDA-6-Cy CDs 加入不同濃度Al3+后的(a)熒光光譜和(b)相對熒光強度曲線圖

3 結(jié)論

采用水熱法成功制備得到一種新型EDA-6-Cy CDs,其尺寸均一且具有良好的水溶性。將EDA-6-Cy CDs 作為熒光探針,其對Al3+具有高的選擇性。當(dāng)Al3+濃度大于0.02 mmol/L 時,EDA-6-Cy CDs對Al3+的靈敏度更高。所制備的EDA-6-Cy CDs 熒光探針在水環(huán)境監(jiān)測方面有良好的應(yīng)用潛力。