王 曄

(洛陽師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 ，河南 洛陽 471022)

作為生物系統(tǒng)中最重要的微量元素之一，F(xiàn)e3+在生命系統(tǒng)的生長(zhǎng)和發(fā)育以及細(xì)胞水平的許多生化過程中起著重要作用[1-2]。許多酶將Fe3+用作氧代謝、檢測(cè)性轉(zhuǎn)移以及DNA和RNA合成的催化劑[3-4]。體內(nèi)高水平的Fe3+與某些癌癥的發(fā)生率增加以及某些器官(例如心臟，胰腺和肝臟)的功能障礙有關(guān)[5-6]。近年來的一些研究結(jié)果表明，F(xiàn)e3+也可能參與了許多神經(jīng)退行性疾病的潛在機(jī)制，例如帕金森氏病和阿爾茨海默氏病[7-8]。在20世紀(jì)中，鐵在人體和動(dòng)物健康中的重要作用變得顯而易見，因?yàn)槿藗円呀?jīng)認(rèn)識(shí)到Fe3+是人體的一種成分，并且意識(shí)到了攝取足夠的Fe3+與預(yù)防某些疾病之間的關(guān)系[9-10]。因此，快速選擇、高靈敏度地檢測(cè)Fe3+對(duì)維護(hù)環(huán)境和人類健康具有重要意義。最近檢測(cè)鐵離子的方法包括電感耦合等離子體質(zhì)譜法、原子吸收光譜法和溶出伏安法等，但涉及耗時(shí)的樣品預(yù)處理步驟限制了它們的應(yīng)用[11-14]。熒光傳感器因其操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、靈敏度高、響應(yīng)直觀、快速等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。到目前為止，各種熒光探針已經(jīng)得到了積極的發(fā)展，包括有機(jī)染料分子、金屬納米粒子和半導(dǎo)體量子點(diǎn)。另一方面，它還存在毒性大、靈敏度低、選擇性低、疏水性差等缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步研究。

近年來，碳點(diǎn)在化學(xué)和生物傳感、光催化、生物成像、發(fā)光二極管和太陽能電池中受到廣泛的關(guān)注，與有機(jī)熒光團(tuán)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳點(diǎn)具有良好的穩(wěn)定性、低的細(xì)胞毒性和高的生物相容性[15-17]。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果所知，基于熒光探針的碳點(diǎn)用于檢測(cè)Fe3+離子仍然很少見。因此，開發(fā)綠色、低成本、高靈敏度的碳點(diǎn)銀離子檢測(cè)探針比較迫切。此外，CDs具有優(yōu)良的量子產(chǎn)率，不需要進(jìn)一步的化學(xué)修飾和表面功能化，就可以用于重金屬離子的熒光檢測(cè)[18-21]。觀察到新制備的CDs中熒光發(fā)射的有效增強(qiáng)，即在較低濃度下加入Fe3+可以明顯地增強(qiáng)CDs的。因此，可以建立一個(gè)選擇性、靈敏的熒光平臺(tái)，用于水介質(zhì)中Fe3+的檢測(cè)。反應(yīng)示意如下：

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：熒光分光光度計(jì)(Hitachi U-3900)，紫外可見分光光度計(jì)(Hitachi F-7000)，透射電子顯微鏡，激光粒度儀。

試劑：L-苯丙氨酸、乙二胺、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、CoCl2·6H2O、NiCl2·6H2O、CrCl3、NaCl、CuCl2·2H2O、KCl、MgCl2·6H2O、ZnCl2、AlCl3·6H2O、Cd(NO3)2、FeCl3·6H2O，且所有金屬離子均配置為10-3mol/L的母液。實(shí)驗(yàn)用水均為二次去離子水，所用試劑均為分析純。

1.2 碳量子點(diǎn)的制備

采用簡(jiǎn)單的溶劑熱法，在一鍋中合成了氮摻雜的碳量子點(diǎn)。即稱取L-苯丙氨酸(0.165 g，1 mmol)及乙二胺(0.2 mL，3 mmol)將其轉(zhuǎn)移至有聚四氟乙烯內(nèi)襯(10 mL)的水熱罐中，加入5 mLDMF，攪拌均勻后將水熱罐放入烘箱中，加熱至180 ℃，并在此溫度下保持7 h。冷卻至環(huán)境溫度后，向固體產(chǎn)品中添加30 mL去離子水，然后劇烈攪拌60 min。過濾混合物，然后通過0.22 μm濾膜去除大顆粒。最后用1 000 da的透析袋在去離子水中純化得到淡黃色溶液，凍干后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 重金屬離子的熒光檢測(cè)

通過用去離子水稀釋制備的CD，形成1 g/L的溶液來制備熒光檢測(cè)探針。 測(cè)量在259 nm激發(fā)的空白樣品的熒光發(fā)射強(qiáng)度。 為確定Fe3+的檢測(cè)范圍，將30 μL濃度范圍為0.000 5～0.5 mol/L的Fe3+加入到3 mL上述制備的CDs溶液中。反應(yīng)1 min后，測(cè)量每個(gè)樣品的熒光強(qiáng)度(F)。通過添加其他干擾離子(包括Na+、K+、Al3+、Zn2+、Ni2+、Mg2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr3+和空白對(duì)照)確定對(duì)Fe3+的選擇性。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳量子點(diǎn)的合成與表征

如前所述，前體L-苯丙氨酸及乙二胺180 ℃加熱7 h被碳化，然后進(jìn)一步純化至獲得CD的水溶液。CD的形態(tài)和結(jié)構(gòu)通過TEM分析。所有樣品均通過滴鑄稀釋的水溶性水溶液制備。CD涂在碳涂層銅網(wǎng)上，圖1a顯示了透射電鏡下CD的圖像，尺寸分布在3～5 nm，平均值如粒徑分布直方圖如圖1b所示，整體呈現(xiàn)出規(guī)則的球形。

圖1 CDs的TEM及DLS圖像

2.2 熒光和紫外可見光分析

使用紫外可見吸收光譜研究了CD的光學(xué)特性。如圖2所示，所得的CDs在259 nm處顯示出典型的UV-vis吸收峰。以259 nm為中心的吸收峰表明存在羰基或共軛羰基，而這來自于原料L-苯丙氨酸，其歸屬于芳香環(huán)碳中心SP2軌道的π-π*躍遷。

圖2 CDs的紫外可見吸收光譜

為了探索CDs的熒光傳感特性，研究了不同金屬離子如Na+、K+、Al3+、Zn2+、Ni2+、Mg2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr3+等金屬離子在濃度為10 μmol/L時(shí)對(duì)CDs的熒光響應(yīng)。如圖3所示。在Fe3+離子存在下，CDs的弱熒光可以被有效地增強(qiáng)，而在其它離子存在下，其PL增強(qiáng)效率較低。在Fe3+存在下，CDs的熒光強(qiáng)度在1 min內(nèi)顯著增強(qiáng)，表明CDs可以有效地監(jiān)測(cè)水溶液中的Fe3+離子。

圖3 加入金屬離子后CDs的熒光發(fā)射光譜

2.3 CD對(duì)Fe3+識(shí)別機(jī)理推測(cè)

CD對(duì)鐵離子的熒光猝滅與鐵離子和CD之間新的絡(luò)合物的形成以及快速的電子轉(zhuǎn)移有關(guān)。推測(cè)由于鐵可能會(huì)結(jié)合到含氧基團(tuán)上的事實(shí)，例如碳點(diǎn)表面上存在的羧基或酚基，同時(shí)，吸附在CD表面的鉻離子可以與CD邊緣的羥基配位。同時(shí)，鐵離子可能填補(bǔ)了CDs的表面缺陷，減小了電子非輻射躍遷，從而導(dǎo)致了熒光增強(qiáng)。

2.4 敏感性實(shí)驗(yàn)

此外，考察了CDs對(duì)Fe3+離子的敏感性。通過監(jiān)測(cè)不同F(xiàn)e3+離子濃度下CDs的熒光強(qiáng)度，驗(yàn)證了Fe3+離子檢測(cè)的可行性。如圖4所示，當(dāng)Fe3+離子的濃度從10 μmol/L增加到210 μmol/L時(shí)CD的發(fā)光強(qiáng)度有明顯的線性上升，這意味著CD對(duì)Fe3+離子的敏感性很高。

圖4 鐵離子濃度增加后，CDs的熒光強(qiáng)度

3 結(jié)論

以L-苯丙氨酸及乙二胺為前驅(qū)體，采用一步法合成高熒光性氮摻雜碳點(diǎn)(CDs)。該方法為高光致發(fā)光碳點(diǎn)的制備提供了一種環(huán)經(jīng)濟(jì)方便的方法。此外，制備的CDs可作為敏感探針，對(duì)Fe3+離子進(jìn)行無標(biāo)記、高靈敏度、高選擇性的檢測(cè)。這一策略為開發(fā)廉價(jià)、靈敏的生物和環(huán)境傳感器提供了新的途徑。同時(shí)有望為工業(yè)廢水中鐵離子的大規(guī)?？焖贆z測(cè)提供新思路。