綠色方法合成納米碳點(diǎn)及對(duì)Fe3+的特異性熒光檢測(cè)

張 藝，邢晶晶，孫思佳，吳 頔，曾樂勇

(河北大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002)

1 引 言

納米碳點(diǎn)是一種尺寸在10 nm以下的碳納米材料。作為一種新型的熒光碳納米材料，納米碳點(diǎn)具有熒光性質(zhì)易調(diào)控、光穩(wěn)定性好、毒性低、表面易修飾等優(yōu)點(diǎn)，在傳感檢測(cè)、成像診斷等領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景[1-5]。

常用的納米碳點(diǎn)合成方法包括微波法和水熱法[6-7]，其中水熱法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、產(chǎn)物石墨化程度高等優(yōu)點(diǎn)，受到研究人員的青睞。研究表明，納米碳點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)與碳前體有關(guān)，氮元素?fù)诫s或表面官能團(tuán)修飾能有效提高納米碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率[8-9]。一些含氮試劑，如尿素等可被用作氮源添加在反應(yīng)物中制備氮元素?fù)诫s的納米碳點(diǎn)。孫再成等以檸檬酸為碳源、尿素為氮源合成了氮元素?fù)诫s的藍(lán)/綠/紅三色發(fā)光納米碳點(diǎn)，組裝了白光LED器件[10]。林恒偉等以鄰/間/對(duì)苯二胺為反應(yīng)物合成了不同發(fā)光性質(zhì)的納米碳點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞的多色成像[11]。盡管這些納米碳點(diǎn)顯示出優(yōu)異的光致發(fā)光性質(zhì)，但制備過程都均以化學(xué)試劑為反應(yīng)物，成本高且會(huì)造成一定的毒性和污染。一些天然產(chǎn)物如水果、蔬菜中含有豐富的雜原子元素，是制備納米碳點(diǎn)的理想碳前體[12-16]。因此，以天然產(chǎn)物為原料，發(fā)展環(huán)境友好型的綠色合成方法對(duì)于降低納米碳點(diǎn)的制備成本、毒性以及拓寬其應(yīng)用具有重要的意義。

本文以黃瓜為原料，采用水熱法合成了納米碳點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe3+的特異性熒光檢測(cè)。采用透射電子顯微鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)和熒光分光光度計(jì)對(duì)納米碳點(diǎn)的形貌、結(jié)構(gòu)和熒光性質(zhì)進(jìn)行了表征，研究了反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)納米碳點(diǎn)發(fā)光性能的影響，利用納米碳點(diǎn)的熒光猝滅性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe3+的特異性檢測(cè)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑與儀器

原料與試劑：市售青皮黃瓜；不同金屬鹽，包括六水合氯化鐵(FeCl3·6H2O)、六水合氯化鈷(CoCl2·6H2O)、無水氯化鎘(CdCl2)、二水合氯化銅(CuCl2·2H2O)、無水氯化鎳(NiCl2)、硫酸汞(HgSO4)和無水氯化鉛(PbCl2)等購(gòu)自北京伊諾凱科技有限公司。

主要儀器：制備儀器：不銹鋼反應(yīng)釜(30 mL)、榨汁機(jī)、烘箱、磁力攪拌器和高速離心機(jī)。表征儀器：TEM(FEI，Tecnai F20)、XPS(Kratos，AXIS Ultra DLD)、三用紫外分析儀(上海金鵬，ZF-7)和熒光分光光度計(jì)(Hitachi，F(xiàn)-4600)。

2.2 納米碳點(diǎn)的制備

以黃瓜為原料，采用水熱法制備納米碳點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)取市售青皮黃瓜5根，去離子水洗凈，用榨汁機(jī)榨成汁。取黃瓜汁20 mL，倒入反應(yīng)釜，放置在烘箱中。保持反應(yīng)溫度為200 ℃，反應(yīng)時(shí)間為12 h。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，將產(chǎn)物離心，取上清液用0.22 μm濾膜過濾處理，得到的納米碳點(diǎn)(濾液)保存在4 ℃冰箱中待用。

(2)各取黃瓜汁20 mL(4份)，分別密封在反應(yīng)釜中。改變反應(yīng)時(shí)間分別為4，6，8，10 h制備納米碳點(diǎn)。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，將產(chǎn)物離心，取上清液用0.22 μm濾膜過濾處理，得到的納米碳點(diǎn)(濾液)保存在4 ℃冰箱中待用。

(3)在步驟(2)中，保持反應(yīng)時(shí)間為12 h，改變反應(yīng)溫度分別為120，140，160，180 ℃制備納米碳點(diǎn)。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，將產(chǎn)物離心，取上清液用0.22 μm濾膜過濾處理，得到的納米碳點(diǎn)(濾液)保存在4 ℃冰箱中待用。

2.3 熒光性能測(cè)試

將不同反應(yīng)條件制備的納米碳點(diǎn)配制成濃度相同的水溶液，各取2 mL加入比色皿中，利用三用紫外分析儀和熒光光譜儀觀察和測(cè)量其熒光性能。

(1)熒光觀察：將盛裝納米碳點(diǎn)溶液的比色皿放置在三用紫外分析儀(254 nm、365 nm和可見光)中，改變激發(fā)光波長(zhǎng)，觀察溶液的熒光強(qiáng)弱，確定其最佳激發(fā)波長(zhǎng)。

(2)熒光測(cè)量：將盛裝納米碳點(diǎn)溶液的比色皿放置在熒光光譜儀的樣品槽，設(shè)定激發(fā)光波長(zhǎng)為365 nm，測(cè)量不同納米碳點(diǎn)溶液的熒光發(fā)射光譜，確定制備納米碳點(diǎn)的最佳反應(yīng)條件。

2.4 Fe3+特異性熒光檢測(cè)

(1)Fe3+的熒光檢測(cè)：配制濃度為0，20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，240 μmol/L的Fe3+的水溶液，各取1 mL加入到 1 mL的納米碳點(diǎn)溶液中(Fe3+的最終濃度為0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，120 μmol/L)。設(shè)定激發(fā)光波長(zhǎng)為365 nm，分別測(cè)量加入不同濃度Fe3+的納米碳點(diǎn)溶液的熒光光譜，并繪制其熒光發(fā)射強(qiáng)度變化(ΔF/F0)與Fe3+濃度的關(guān)系曲線。

(2)不同金屬離子的熒光檢測(cè)：配制濃度為240 μmol/L的Fe3+、Co2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Hg2+和Pd2+的水溶液，各取1 mL加入到 1 mL的納米碳點(diǎn)溶液中(金屬離子的最終濃度為120 μmol/L)。設(shè)定激發(fā)光波長(zhǎng)為365 nm，分別測(cè)量加入不同金屬離子的納米碳點(diǎn)溶液的熒光光譜，并繪制其熒光發(fā)射強(qiáng)度變化(F/F0)的柱狀圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 納米碳點(diǎn)的熒光性能表征

以黃瓜為原料，采用綠色方法合成了納米碳點(diǎn)。首先，采用三用紫外分析儀，觀察到在365 nm波長(zhǎng)激發(fā)下，納米碳點(diǎn)的熒光最強(qiáng)。因此，設(shè)定激發(fā)光波長(zhǎng)為365 nm，采用熒光光譜儀研究了不同反應(yīng)條件對(duì)納米碳點(diǎn)發(fā)光性能的影響。當(dāng)反應(yīng)溫度為200 ℃時(shí)，改變反應(yīng)時(shí)間合成的納米碳點(diǎn)的發(fā)射光譜如圖1(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，納米碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為10 h和12 h時(shí)，合成的納米碳點(diǎn)的熒光性能最佳。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，改變反應(yīng)溫度合成的納米碳點(diǎn)的發(fā)射光譜如圖1(b)所示，可以看出隨著反應(yīng)溫度的升高，納米碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)反應(yīng)溫度為200 ℃時(shí)，合成的納米碳點(diǎn)的熒光性能最佳。因此，當(dāng)反應(yīng)溫度為200 ℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，采用綠色方法合成的納米碳點(diǎn)具有最佳的熒光發(fā)射性能，發(fā)射峰位于435 nm。

圖1 不同反應(yīng)條件下制備的納米碳點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜。(a)不同反應(yīng)時(shí)間；(b)不同反應(yīng)溫度。

3.2 納米碳點(diǎn)的形貌和結(jié)構(gòu)表征

采用TEM和高分辨TEM對(duì)納米碳點(diǎn)(反應(yīng)溫度為200 ℃和反應(yīng)時(shí)間為12 h條件下制備)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。圖2(a)為納米碳點(diǎn)的TEM圖，可以發(fā)現(xiàn)納米碳點(diǎn)具有良好的分散性，且尺寸分布均勻，單個(gè)納米碳點(diǎn)的尺寸約為3 nm。圖2(b)為納米碳點(diǎn)的高分辨TEM圖，可以看到明顯的晶格條紋，表明納米碳點(diǎn)具有良好的結(jié)晶性。

圖2 納米碳點(diǎn)的TEM和高分辨TEM圖。(a)TEM；(b)高分辨TEM。

圖3 納米碳點(diǎn)的XPS譜。(a)全譜；(b)C 1s譜；(c)N 1s譜；(d)O 1s譜。

3.3 納米碳點(diǎn)對(duì)Fe3+的特異性熒光檢測(cè)

向納米碳點(diǎn)(反應(yīng)溫度為200 ℃和反應(yīng)時(shí)間為12 h條件下制備)中加入不同濃度的Fe3+溶液，測(cè)量了其熒光強(qiáng)度的變化。圖4(a)是加入不同濃度Fe3+溶液的納米碳點(diǎn)的發(fā)射光譜，可以看出隨著Fe3+濃度的增加，納米碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸降低，但發(fā)射峰的位置不變，表明Fe3+能夠有效猝滅納米碳點(diǎn)的熒光。當(dāng)Fe3+的濃度低至10 μmol/L時(shí)，仍然可以觀察到納米碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化。此外，繪制了Fe3+濃度與熒光強(qiáng)度變化之間的關(guān)系曲線，并給出了線性擬合方程。如圖4(b)所示，當(dāng)Fe3+濃度處于0～120 μmol/L范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)e3+濃度與納米碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度衰減量呈線性關(guān)系。根據(jù)線性擬合方程，通過測(cè)量待測(cè)樣品的熒光光譜，可以方便計(jì)算出待測(cè)樣品中Fe3+的大致濃度。結(jié)果表明，F(xiàn)e3+對(duì)納米碳點(diǎn)具有熒光猝滅效應(yīng)，能夠用于Fe3+的半定量檢測(cè)。

圖4 加入不同濃度Fe3+的納米碳點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜和線性擬合曲線。(a)熒光發(fā)射光譜；(b)線性擬合曲線。

為了驗(yàn)證納米碳點(diǎn)對(duì)Fe3+檢測(cè)的特異性，向納米碳點(diǎn)(反應(yīng)溫度為200 ℃和反應(yīng)時(shí)間為12 h條件下制備)中加入同濃度、不同種類的金屬離子溶液，并測(cè)量了其熒光強(qiáng)度的變化。圖5(a)是加入不同種類金屬離子的納米碳點(diǎn)的發(fā)射光譜，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬離子的濃度均為120 μmol/L時(shí)，納米碳點(diǎn)的發(fā)射峰位置不變，只有加入Fe3+后納米碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度明顯降低，加入其他離子后納米碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度基本無變化(除了Cd2+的略微增強(qiáng)和Cu2+的略微減弱)。圖5(b)的柱狀圖再一次清晰地顯示了Fe3+對(duì)納米碳點(diǎn)的特異性熒光猝滅，這是由于Fe3+和納米碳點(diǎn)表面的羥基配位形成Fe(OH)3導(dǎo)致納米碳點(diǎn)發(fā)生聚集，碳點(diǎn)之間的距離縮短限制了其輻射躍遷的發(fā)生幾率，而其他金屬離子與羥基配位形成的氫氧化物的溶度積常數(shù)(Ksp)遠(yuǎn)高于Fe(OH)3[20-21]。以上結(jié)果表明，利用納米碳點(diǎn)的熒光性質(zhì)對(duì)Fe3+的檢測(cè)具有特異性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Fe3+的特異性熒光檢測(cè)。

圖5 加入不同金屬離子的納米碳點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜和熒光強(qiáng)度變化柱狀圖。(a)熒光發(fā)射光譜；(b)熒光強(qiáng)度變化柱狀圖。

4 結(jié) 論

本文以黃瓜為原料，采用水熱法實(shí)現(xiàn)了納米碳點(diǎn)的綠色合成，并利用納米碳點(diǎn)的熒光猝滅性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe3+的特異性熒光檢測(cè)。結(jié)果表明，納米碳點(diǎn)的尺寸約為3 nm，是氮元素?fù)诫s的納米碳點(diǎn)；當(dāng)反應(yīng)溫度為200 ℃、反應(yīng)時(shí)間12 h時(shí)，納米碳點(diǎn)的熒光性能最佳，激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為365 nm和435 nm。Fe3+的加入能夠有效猝滅納米碳點(diǎn)的熒光，其最低檢測(cè)限為10 μmol/L；其他離子的加入不會(huì)改變納米碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度和發(fā)射峰位置。上述結(jié)果表明，綠色方法合成的納米碳點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe3+的特異性熒光檢測(cè)，是一種潛在的金屬離子快速檢測(cè)試劑。