生物質(zhì)碳量子點(diǎn)的綠色制備及對(duì)Cu2+的檢測(cè)

劉玉瑩，汪溪遠(yuǎn)*，梅傲雪

1.新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830017 2.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830017

引 言

熒光碳量子點(diǎn)(CDs)因其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，在金屬離子傳感[1]、生物成像[2]、生物傳感[3]、光催化[4]和藥物傳遞[5]等領(lǐng)域得到了廣泛研究。合成CDs可采用“自上而下”的方法，如電化學(xué)氧化和激光燒灼[6]，以及“自下而上”的方法，如超聲[7]、微波[8]和熱解[9]。這些方法存在儀器復(fù)雜，程序繁瑣等缺點(diǎn)，限制了CDs大規(guī)模的合成[10]。與其他合成方法相比，水熱法在高溫高壓條件下一步合成CDs，不需后續(xù)的加工處理，具有操作簡(jiǎn)單，合成效果好的優(yōu)勢(shì)，一步實(shí)現(xiàn)了前驅(qū)體的碳化與功能化[11]。

近年來(lái)，一些利用生態(tài)友好、廉價(jià)可再生的生物質(zhì)材料為碳源合成CDs的方法引起了研究人員的廣泛關(guān)注[12]。Zhao等[13]以稻殼生物質(zhì)為前驅(qū)體，首先采用超聲法，加入適量H2SO4對(duì)樣品進(jìn)行5 h超聲處理，再加入適量HNO3，進(jìn)一步超聲10 h；隨后將過(guò)濾后的樣品重新分散至去離子水中，在200 ℃，10 h的水熱條件下得到QYs為9.2%的CDs。Xu等[14]以廚余垃圾葡萄皮為綠色前驅(qū)體，通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法(180 ℃，6 h)合成了QYs為3.1%的CDs。然而，目前以生物質(zhì)為前驅(qū)體合成CDs的制備方法存在合成步驟復(fù)雜或QYs較低的問(wèn)題，限制了生物質(zhì)碳量子點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用。因此，探究如何采用簡(jiǎn)便方法制備出光學(xué)穩(wěn)定性好，量子產(chǎn)率高的生物質(zhì)碳量子點(diǎn)很有必要。

銅對(duì)于植物和動(dòng)物而言是一種重要的微量元素。異常水平的Cu2+含量可導(dǎo)致生物體出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，影響水生動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育，危害人體健康[15]，因此Cu2+的選擇性檢測(cè)對(duì)環(huán)境和健康具有重要意義。傳統(tǒng)的熒光傳感材料如機(jī)染料、半導(dǎo)體量子點(diǎn)以及貴金屬納米團(tuán)簇等已被廣泛研究應(yīng)用Cu2+的微量檢測(cè)。但因其毒性大、成本高在環(huán)境中光學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。CDs是一種新型熒光碳納米材料，在金屬離子傳感機(jī)制中，CDs的熒光性能可能會(huì)受到一些金屬離子(如Cu2+，F(xiàn)e3+，Cr6+，Hg2+等)的影響，這種影響往往伴隨著熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)或衰弱，利用CDs這一特性，可達(dá)到快速檢測(cè)金屬離子的目的。

向日葵作為我國(guó)重要的農(nóng)作物之一，其秸稈是天然的纖維素材料，廉價(jià)易得，是一種理想的生物質(zhì)材料。本研究以廢棄的向日葵秸稈為前驅(qū)體，不需要添加昂貴的有機(jī)化學(xué)品或繁瑣的加工過(guò)程，使用馬弗爐在250 ℃，2 h的條件下高溫加熱秸稈粉末，使其充分碳化，并在此基礎(chǔ)上以180 ℃，6 h的水熱條件制備出QYs為8.42%的S-CDs(圖1)。通過(guò)高溫碳化結(jié)合水熱法有效地提高了生物質(zhì)碳量子點(diǎn)的QYs，并發(fā)現(xiàn)制備的S-CDs對(duì)Cu2+在0～10 μmol·L-1范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，通過(guò)開(kāi)展穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、選擇性實(shí)驗(yàn)以及干擾實(shí)驗(yàn)等，對(duì)基于S-CDs檢測(cè)Cu2+的熒光傳感系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，并將其應(yīng)用于湖水樣品中Cu2+的選擇性檢測(cè)。

圖1 向日葵秸稈水熱法制備熒光碳量子點(diǎn)的流程示意圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：向日葵秸稈(新疆阿勒泰地區(qū))100 ℃烘干并研磨，過(guò)100目篩，30%H2O2，CoCl2·6H2O，NaCl，CrO3，CuSO4·5H2O，HgCl2，F(xiàn)eCl2·4H2O，CrCl3·6H2O，F(xiàn)eCl3·6H2O，MnCl2，MgCl2，NiCl2·6H2O，Li2CO3，CdCl2，K2CO3，KH2PO4，Na2CO3，K2SO4，NaHCO3，Na2SO3(AR)。

實(shí)驗(yàn)儀器：F-4500型熒光分光光度計(jì)，電熱恒溫干燥箱202-007，UV-3600型紫外分光光度計(jì)，SX2-4-10 NP型馬弗爐，Vertex 70傅里葉紅外光譜儀(FTIR)，Thermo Escalab 250Xi X射線光電子能譜儀(XPS)，JEM-2100透射電子顯微鏡(TEM)。

1.2 生物質(zhì)碳量子點(diǎn)的制備

稱取適量向日葵秸稈樣本，在250 ℃馬弗爐中加熱2 h。取1.0 g加熱后的向日葵秸稈樣本，加入1 mL H2O2，30 mL去離子水溶解攪拌，密封在50 mL高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置加熱溫度為180 ℃，加熱時(shí)間為6 h，加熱結(jié)束后，冷卻至室溫。以10 000 r·min-1離心15 min，分離S-CDs溶液，然后用0.22 μm微孔膜過(guò)濾器過(guò)濾，得到的S-CDs溶液再轉(zhuǎn)移至1 000 KD透析袋中透析24 h，透析后的淡黃色S-CDs溶液在4 ℃下避光保存，用于檢測(cè)與表征。

1.3 熒光量子產(chǎn)率(QYs)的測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[16]參比法計(jì)算S-CDs的熒光產(chǎn)率。通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)將硫酸奎寧水溶液(0.1 mol·L-1H2SO4溶液中，360 nm激發(fā)下，Φs=0.54)的吸光度下調(diào)至0.05作為對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)溶液。同樣，將S-CDs的吸光度下調(diào)至0.05。并在S-CDs的最佳激發(fā)波長(zhǎng)下分別掃描硫酸奎寧標(biāo)準(zhǔn)參比物和S-CDs溶液的熒光光譜，通過(guò)熒光光度計(jì)軟件記錄綜合熒光強(qiáng)度(即熒光光譜的面積)。分別測(cè)試去離子水和0.1 mol·L-1H2SO4的折射率，通過(guò)式(1)計(jì)算S-CDs的熒光QYs

(1)

式(1)中:ΦST為參考物質(zhì)的熒光QYs,KX和KST分別為線性擬合線的斜率，ηX和ηST為折射率。

1.4 Cu2+的檢測(cè)

對(duì)Cu2+的檢測(cè)：向第1.2節(jié)中合成的S-CDs溶液加入計(jì)量的Cu2+標(biāo)準(zhǔn)液，使體系的Cu2+濃度分別為0，0.05，0.1，0.3，1，3，5，8，10，20，30，40和50 μmol·L-1，樣品體系為1.0 mL。為保證溶液混合均勻，在317 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，5 min后記錄熒光發(fā)射圖譜，在456 nm處測(cè)定熒光強(qiáng)度。為保證S-CDs對(duì)Cu2+檢測(cè)的真實(shí)性和可靠性，在每組實(shí)驗(yàn)濃度下測(cè)量9個(gè)重復(fù)樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 S-CDs的TEM圖像分析

通過(guò)透射電子顯微鏡對(duì)向日葵秸稈中提取的S-CDs進(jìn)行形貌的分析表征，確定了S-CDs的形貌。由圖2(a)所示，S-CDs呈準(zhǔn)球型，分散性較好，單個(gè)的S-CDs直徑在5 nm左右[圖2(b)]。通過(guò)FTIR光譜對(duì)合成的S-CDs的化學(xué)鍵進(jìn)行了表征，如圖3(a)所示。圖中3 450.22 cm-1處O—H/N—H的伸縮振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明其具有良好的水溶性[17]。1 639.73 cm-1處的特征吸收帶為芳香族CN雜環(huán)[14]。S-CDs的XPS分析圖譜如圖3(b)所示。圖3(b)中531.09，283.5，398.1和152.08 eV處出現(xiàn)的四個(gè)峰分別為O(1s)，C(1s)，N(1s)和S(2p)的峰，這表明所制備的S-CDs主要由C，O，N和S元素組成。

圖2 (a)S-CDs的TEM照片；(b)單個(gè)S-CDs的高分辨TEM照片

圖3 (a)S-CDs的紅外光譜圖；(b)S-CDs的XPS光譜

2.2 S-CDs的光譜特性

利用紫外-分光光度計(jì)和熒光分光光度計(jì)分別記錄了生物質(zhì)向日葵秸稈碳量子點(diǎn)(S-CDs)的紫外吸收和熒光光譜(圖4)。圖4(a)為水熱法合成S-CDs的紫外可見(jiàn)吸收光譜。制備的S-CDs具有良好的水溶性，在可見(jiàn)光下呈淡黃色，在紫外燈照射下呈藍(lán)色熒光。

圖4 (a)S-CDs的紫外吸收可見(jiàn)光譜；(b)S-CDs的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

圖5 S-CDs在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的發(fā)射光譜

2.3 S-CDs的穩(wěn)定性能

測(cè)定了S-CDs在不同pH緩沖紹液中的發(fā)光性能，如圖6(a)所示，pH值在2.0～8.0的范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，pH值在8.0～12.0間熒光強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明S-CDs的熒光強(qiáng)度對(duì)pH值的依賴性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與羥基修飾的CDs相似[18]。為進(jìn)一步證實(shí)S-CDs在高離子強(qiáng)度環(huán)境下的穩(wěn)定性，在1.0 mL體系中加入適量的S-CDs溶液，加入1 mmol·L-1NaCl溶液，在最佳激發(fā)波長(zhǎng)317 nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)456 nm的條件下掃描熒光光譜，圖6(b)為加入1 mmol·L-1NaCl前后S-CDs的熒光發(fā)射光譜圖。由圖6(b)可知，在1 mmol·L-1的NaCl溶液中，S-CDs的熒光強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明S-CDs的抗鹽能力較好。

圖6 (a)溶液pH的影響；(b)1 mmol·L-1 NaCl對(duì)S-CDs熒光強(qiáng)度影響

2.4 Cu2+的檢測(cè)

圖7 (a)含有不同濃度Cu2+的S-CDs在317 nm激發(fā)光下的光致發(fā)光光譜；(b)含不同濃度Cu2+的S-CDs溶液的F/F0隨Cu2+濃度的變化曲線

圖8 濃度為200 μmol·L-1的不同干擾離子對(duì) S-CDs熒光強(qiáng)度的影響

2.5 實(shí)際樣品中Cu2+的檢測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器在水體環(huán)境中檢測(cè)的適用性，取適量湖水(新疆阿勒泰，烏倫古湖)為實(shí)際樣品，在14 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速下離心10 min后，提取上清液，0.22 μm微孔膜過(guò)濾器過(guò)濾，采用ICP-MS檢測(cè)湖水中Cu2+濃度背景值為0.004 mg·L-1。處理后的水樣與不同濃度的Cu2+混合，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定水樣中Cu2+的含量(表1)，樣品的回收率在96.18%～109.22%之間。加標(biāo)回收率表明該實(shí)驗(yàn)方法的測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠，驗(yàn)證了S-CDs在實(shí)際水體中具有檢測(cè)Cu2+的潛力。

表1 水樣中Cu2+的測(cè)定結(jié)果

3 結(jié) 論

研發(fā)了一種利用水熱法將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為綠色生物質(zhì)碳量子點(diǎn)(S-CDs)的簡(jiǎn)便方法。向日葵秸稈中木質(zhì)素與纖維素的存在豐富了S-CDs表面的官能團(tuán)，從而增強(qiáng)了S-CDs的光致發(fā)光。制備的S-CDs水溶性好，表面有豐富的官能團(tuán)，有利于S-CDs與Cu2+鍵合，形成有效的熒光猝滅。S-CDs的熒光強(qiáng)度與Cu2+濃度在0～50 μmol·L-1的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，在0～10 μmol·L-1動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍內(nèi)，對(duì)Cu2+的檢出限低至167 nmol·L-1，可以檢測(cè)到實(shí)際水樣中的Cu2+，回收率較好。結(jié)果表明，向日葵秸稈作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物有潛力成為一種生態(tài)友好的前驅(qū)體材料，用于制備熒光碳量子點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)際環(huán)境中Cu2+的檢測(cè)。