溫金熙，汪沁，齊嘉欣，周興平

（東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620）

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

因環(huán)境污染的加劇，人們對(duì)于水中重金屬離子的檢測(cè)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(duì)于ICP、化學(xué)滴定法等傳統(tǒng)的金屬離子檢測(cè)方法，利用碳點(diǎn)合成的熒光探針具有檢測(cè)快速、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。且相關(guān)研究表明，碳點(diǎn)作為金屬熒光探針對(duì)目標(biāo)離子的靈敏度和選擇性完全滿足實(shí)用要求。例如，Zhou等人[5]發(fā)現(xiàn)碳納米點(diǎn)作為一種新型熒光檢測(cè)平臺(tái)對(duì)Hg2+具有良好的淬滅效應(yīng)，并且碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度與溶液中Hg2+濃度呈線性關(guān)系。Xu等人[6]發(fā)現(xiàn)所合成的碳點(diǎn)對(duì)Cu2+具有淬滅效果，能檢測(cè)溶液中銅離子含量。

本文使用殼聚糖作為碳源合成碳點(diǎn)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能進(jìn)行表征；同時(shí)將所合成碳點(diǎn)作為熒光探針檢測(cè)溶液中Fe3+含量，并建立相應(yīng)檢測(cè)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(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水為實(shí)驗(yàn)室自備。

透析袋3500Da，美國(guó)viskase有限公司；Avatar380紅外光譜儀，美國(guó)熱電集團(tuán)；V-530紫外分光光度計(jì)，日本分光株式會(huì)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(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 碳點(diǎn)的制備

將1 g殼聚糖倒入聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜中，同時(shí)加入50 mL去離子水，攪拌使反應(yīng)物質(zhì)均勻分散。將反應(yīng)釜置于烘箱中在180 ℃條件下反應(yīng)5 h，反應(yīng)結(jié)束后取出反應(yīng)釜并冷卻至室溫。將反應(yīng)所得的深棕色溶液轉(zhuǎn)移至離心管中，后使用離心機(jī)并以12 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心 10 min，離心結(jié)束后取出離心管并分離上清液與雜質(zhì)，并使用0.22 μm微孔濾膜對(duì)上清液進(jìn)一步過(guò)濾以除去較大顆粒物質(zhì)，將過(guò)濾后的溶液進(jìn)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(cè)

用NaOH和HCl調(diào)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(diǎn)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(cè)試，設(shè)置激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm，分析CDs和FHGF在不同金屬溶液中的熒光數(shù)據(jù)，以此確定其唯有對(duì)Fe3+具有選擇性淬滅。

1.2.3 金屬離子敏感性測(cè)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F(xiàn)e3+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(cè)試每個(gè)樣品的熒光強(qiáng)度，設(shè)置激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm。并利用Stern-Volmer方程對(duì)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的熒光猝滅進(jìn)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(shí)的熒光強(qiáng)度，ksv是斯特恩-沃爾默猝滅系數(shù)，C是被分析物Fe3+的濃度。檢出限使用3σ/s進(jìn)行測(cè)試，其中σ代表10次空白測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，s代表校準(zhǔn)曲線的斜率。

2 結(jié)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(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)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(xiàn)明亮的藍(lán)光，這說(shuō)明其發(fā)射光范圍應(yīng)在400～480 nm。并且由穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)試可得其絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率為15.2%。

圖1 CDs的紫外光譜圖及紫外光照射實(shí)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(zhǎng)的增大，發(fā)射波長(zhǎng)出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象，這可能是由于CDs存在激發(fā)依賴效應(yīng)。并且從圖中可以看出碳納米點(diǎn)屬于下轉(zhuǎn)換發(fā)光（碳納米點(diǎn)的激發(fā)波長(zhǎng)小于發(fā)射波長(zhǎng)）。圖3為CDs的最佳激發(fā)-發(fā)射熒光譜圖。從圖中可知，碳點(diǎn)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(lán)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(gè)平滑的峰，在20°附近有一個(gè)清晰且尖銳的衍射峰，這表明殼聚糖存在分子內(nèi)氫鍵且具有一定晶型結(jié)構(gòu)。然而，CDs在23°附近有一個(gè)寬的衍射峰，這表明所產(chǎn)生的碳點(diǎn)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(duì)比，可發(fā)現(xiàn) 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(gè)基團(tuán)的伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的特征峰，說(shuō)明制備的CDs很可能存在酰胺基，并且作為主要發(fā)光基團(tuán)。同時(shí)對(duì)比殼聚糖的樣品，可以發(fā)現(xiàn)在3 177 cm-1附近出峰強(qiáng)度大大增加，且出峰位置出現(xiàn)紅移，這可能是由于在高溫作用下形成更多-OH與-NH基團(tuán)，并且其擺脫原來(lái)化合物結(jié)構(gòu)的束縛，從而使得出峰增強(qiáng)，而紅外光譜發(fā)生紅移的主要原因是分子內(nèi)氫鍵的形成使得化合物結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，降低了基團(tuán)振動(dòng)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(duì)應(yīng)的是-CH、C=O、-CH2-和-C-O-C-的特征吸收峰[9]。進(jìn)一步分析可知，以殼聚糖原料制備CDs后，殼聚糖大部分的結(jié)構(gòu)都被破壞并生成許多新的基團(tuán)，并且相對(duì)于殼聚糖無(wú)法溶于水溶液，因殼聚糖具有-OH和-NH等親水基團(tuán)，使得其成為水溶性碳點(diǎn)。

圖5 殼聚糖和CDs的FT-IR譜圖

2.4 CDs對(duì)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(xiàn)唯有加入Fe3+后的樣品出現(xiàn)熒光淬滅的現(xiàn)象，Cu2+能夠使得CDs溶液熒光強(qiáng)度降低45%左右，而加入其他金屬離子的CDs溶液熒光強(qiáng)度并未受到較大影響，這可能是由于CDs與價(jià)位較高的Fe3+容易結(jié)合生成穩(wěn)定的配合物，從而使得CDs發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象，這證明CDs對(duì)于Fe3+具有一定的選擇性。

圖6 不同金屬離子對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響，

2.5 CDs對(duì)金屬離子敏感性分析

圖7是CDs對(duì)Fe3+的敏感性測(cè)試，從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著Fe3+金屬離子的濃度增加，CDs溶液的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，此外利用Stern-Volmer方程對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以F0/F-1作為縱坐標(biāo)，F(xiàn)e3+濃度作為橫坐標(biāo)，發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度與Fe3+金屬離子濃度在一定范圍（0～1.0μmol/L）內(nèi)呈線性關(guān)系，其線性方程為 F0/F -1=0.02131C（R2=0.990 1），這表明此類技術(shù)能夠定量分析溶液中Fe3+金屬離子濃度。通過(guò)計(jì)算，F(xiàn)e3+的檢出限為 0.021 6 μmol/L，故 CDs對(duì) Fe3+的檢出限非常低，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖7 CDs的F0/F-1和Fe3+濃度間的關(guān)系

3 結(jié)論

以殼聚糖為碳源合成的CDs光學(xué)性能優(yōu)異，在紫外光下能產(chǎn)生明亮的藍(lán)光，其平均離子粒徑為8.3 nm。CDs與溶液中的Fe3+具有線性關(guān)系，其檢出限為0.021 6 μmol/L，比一般檢測(cè)方式的檢出限更低，說(shuō)明CDs具備作為新型Fe3+檢測(cè)平臺(tái)的可行性。