碳點熒光探針的表征及其對Fe（Ⅲ）檢測的應用

溫金熙，汪沁，齊嘉欣，周興平

（東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620）

自2004年Xu等人[1]在制備單壁碳納米管時發(fā)現碳點以來，科研人員對其進行了大量的研究。隨著研究的深入，發(fā)現碳納米點是直徑在10 nm以下的零維材料，擁有光致發(fā)光和下轉換發(fā)光等特性[2]。此外碳量子點具有低毒性、優(yōu)異的生物相容性、良好的光學性能和金屬離子特異性淬滅等諸多優(yōu)點，使得其在生物熒光成像，離子濃度檢測等領域具有廣泛的應用前景[3-4]。

因環(huán)境污染的加劇，人們對于水中重金屬離子的檢測更加重視，研制一種便捷、高效的金屬探針顯得尤為必要。而相對于ICP、化學滴定法等傳統(tǒng)的金屬離子檢測方法，利用碳點合成的熒光探針具有檢測快速、使用方便等諸多優(yōu)點。且相關研究表明，碳點作為金屬熒光探針對目標離子的靈敏度和選擇性完全滿足實用要求。例如，Zhou等人[5]發(fā)現碳納米點作為一種新型熒光檢測平臺對Hg2+具有良好的淬滅效應，并且碳點熒光強度與溶液中Hg2+濃度呈線性關系。Xu等人[6]發(fā)現所合成的碳點對Cu2+具有淬滅效果，能檢測溶液中銅離子含量。

本文使用殼聚糖作為碳源合成碳點，并對其結構和光學性能進行表征；同時將所合成碳點作為熒光探針檢測溶液中Fe3+含量，并建立相應檢測體系。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

殼聚糖、氯化鈣、硫酸銅、硝酸銀、氯化鉀、硫酸鎂、氯化鈉、氯化銨、硝酸銀、硫酸鉛和氯化鐵均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；去離子水為實驗室自備。

透析袋3500Da，美國viskase有限公司；Avatar380紅外光譜儀，美國熱電集團；V-530紫外分光光度計，日本分光株式會社；F-4500熒光儀，日立公司；D/max-2550PC X射線粉晶衍射光譜儀，日本Rigaku。

1.2 實驗方法

1.2.1 碳點的制備

將1 g殼聚糖倒入聚四氟乙烯高壓反應釜中，同時加入50 mL去離子水，攪拌使反應物質均勻分散。將反應釜置于烘箱中在180 ℃條件下反應5 h，反應結束后取出反應釜并冷卻至室溫。將反應所得的深棕色溶液轉移至離心管中，后使用離心機并以12 000 r/min 的轉速離心 10 min，離心結束后取出離心管并分離上清液與雜質，并使用0.22 μm微孔濾膜對上清液進一步過濾以除去較大顆粒物質，將過濾后的溶液進行冷凍干燥后得到棕黃色CDs粉末。

1.2.2 金屬離子選擇性檢測

用NaOH和HCl調節(jié)去離子水pH為3左右，隨后分別加入等量金屬離子Zn2+、Ca2+、Cu2+、Ag+、K+、Mg2+、Ni2+、Pb2+、NH4+和Fe3+，并使得金屬離子的濃度均為10-4mol/L，隨后加入碳點配置成CDs濃度為1 mg/mL的溶液，靜置5 min后取出并使用穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測試，設置激發(fā)波長為350 nm，分析CDs和FHGF在不同金屬溶液中的熒光數據，以此確定其唯有對Fe3+具有選擇性淬滅。

1.2.3 金屬離子敏感性測試

將CDs配置成濃度為1 mg/mL、pH為3的溶液待用，加入FeCl3配置成不同Fe3+濃度梯度（0 μmol/L、0.2 μmol/L、0.4 μmol/L、0.6 μmol/L、0.8 μmol/L和1.0 μmol/L），后使用穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測試每個樣品的熒光強度，設置激發(fā)波長為350 nm。并利用Stern-Volmer方程對上述兩個實驗的熒光猝滅進行定量分析，方程如（1）所示。

式中F0和F分別是CDs在不添加和添加Fe3+時的熒光強度，ksv是斯特恩-沃爾默猝滅系數，C是被分析物Fe3+的濃度。檢出限使用3σ/s進行測試，其中σ代表10次空白測量的標準偏差，s代表校準曲線的斜率。

2 結果與討論

2.1 CDs的紫外光譜分析

圖1為CDs的紫外光譜圖，從圖中可以看出CDs在345 nm處出現一個很強的吸收峰，這可能是由于C=O鍵的n-π*躍遷[7]。樣品在紫外光照射下，CDs溶液呈現明亮的藍光，這說明其發(fā)射光范圍應在400～480 nm。并且由穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測試可得其絕對熒光量子產率為15.2%。

圖1 CDs的紫外光譜圖及紫外光照射實物圖

2.2 CDs的熒光光譜分析

圖2為CDs在不同激發(fā)光下的發(fā)射譜圖。從圖中可以看出，隨著激發(fā)波長的增大，發(fā)射波長出現明顯的紅移現象，這可能是由于CDs存在激發(fā)依賴效應。并且從圖中可以看出碳納米點屬于下轉換發(fā)光（碳納米點的激發(fā)波長小于發(fā)射波長）。圖3為CDs的最佳激發(fā)-發(fā)射熒光譜圖。從圖中可知，碳點的最佳激發(fā)峰在345 nm附近，而最佳發(fā)射峰位置在445 nm附近，屬于藍光區(qū)域。并且從SEM圖中可知CDs的平均粒徑為8.3 nm。

2.3 CDs的XRD譜圖

圖4為殼聚糖和CDs的XRD譜圖。從圖中可以看出殼聚糖在10°左右有一個平滑的峰，在20°附近有一個清晰且尖銳的衍射峰，這表明殼聚糖存在分子內氫鍵且具有一定晶型結構。然而，CDs在23°附近有一個寬的衍射峰，這表明所產生的碳點主要是非晶碳的形式[8]。

圖2 CDs在不同激發(fā)光下的熒光發(fā)射譜圖

圖3 CDs的激發(fā)-發(fā)射譜圖及SEM圖

圖4 殼聚糖（A）和CDs（B）的XRD譜圖

2.4 CDs的紅外光譜分析

圖5為殼聚糖和CDs的FT-IR譜圖。與殼聚糖的紅外譜圖對比，可發(fā)現 CDs在 3 308 cm-1和 3 177 cm-1處有明顯的吸收峰，這分別是由-OH和-NH兩個基團的伸縮振動所產生的特征峰，說明制備的CDs很可能存在酰胺基，并且作為主要發(fā)光基團。同時對比殼聚糖的樣品，可以發(fā)現在3 177 cm-1附近出峰強度大大增加，且出峰位置出現紅移，這可能是由于在高溫作用下形成更多-OH與-NH基團，并且其擺脫原來化合物結構的束縛，從而使得出峰增強，而紅外光譜發(fā)生紅移的主要原因是分子內氫鍵的形成使得化合物結構趨于穩(wěn)定，降低了基團振動頻率。而2 951 cm-1、1 649cm-1、1 441cm-1和 1 112 cm-1處的吸收峰分別對應的是-CH、C=O、-CH2-和-C-O-C-的特征吸收峰[9]。進一步分析可知，以殼聚糖原料制備CDs后，殼聚糖大部分的結構都被破壞并生成許多新的基團，并且相對于殼聚糖無法溶于水溶液，因殼聚糖具有-OH和-NH等親水基團，使得其成為水溶性碳點。

圖5 殼聚糖和CDs的FT-IR譜圖

2.4 CDs對金屬離子選擇性分析

從圖6可以看出CDs與相同濃度（10-4mol/L）的不同金屬離子（將不同鹽溶于去離子水中所得金屬離子溶液）混合在一起后，發(fā)現唯有加入Fe3+后的樣品出現熒光淬滅的現象，Cu2+能夠使得CDs溶液熒光強度降低45%左右，而加入其他金屬離子的CDs溶液熒光強度并未受到較大影響，這可能是由于CDs與價位較高的Fe3+容易結合生成穩(wěn)定的配合物，從而使得CDs發(fā)生熒光淬滅現象，這證明CDs對于Fe3+具有一定的選擇性。

圖6 不同金屬離子對CDs熒光強度的影響，

2.5 CDs對金屬離子敏感性分析

圖7是CDs對Fe3+的敏感性測試，從圖中可以發(fā)現隨著Fe3+金屬離子的濃度增加，CDs溶液的熒光強度呈現遞減趨勢，此外利用Stern-Volmer方程對所得數據進行擬合，以F0/F-1作為縱坐標，Fe3+濃度作為橫坐標，發(fā)現熒光強度與Fe3+金屬離子濃度在一定范圍（0～1.0μmol/L）內呈線性關系，其線性方程為 F0/F -1=0.02131C（R2=0.990 1），這表明此類技術能夠定量分析溶液中Fe3+金屬離子濃度。通過計算，Fe3+的檢出限為 0.021 6 μmol/L，故 CDs對 Fe3+的檢出限非常低，具有一定的實用價值。

圖7 CDs的F0/F-1和Fe3+濃度間的關系

3 結論

以殼聚糖為碳源合成的CDs光學性能優(yōu)異，在紫外光下能產生明亮的藍光，其平均離子粒徑為8.3 nm。CDs與溶液中的Fe3+具有線性關系，其檢出限為0.021 6 μmol/L，比一般檢測方式的檢出限更低，說明CDs具備作為新型Fe3+檢測平臺的可行性。