劉爐英，范遠(yuǎn)東，王 靜，王靜珊，謝浩源，謝麗君*

1.廣東第二師范學(xué)院化學(xué)系，廣東 廣州 510303；2.中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院，廣東 廣州 510120

碳量子點(carbon dots,CDs)是由碳材料衍生而來的一類高級納米材料，2004年被發(fā)現(xiàn)，逐漸引起研究者們的極大興趣[1]，與傳統(tǒng)的有機(jī)染料和半導(dǎo)體量子點相比，CDs在化學(xué)惰性、可調(diào)節(jié)的光致發(fā)光特性、出色的生物相容性及低毒性方面均表現(xiàn)出色，因而在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、食品安全等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，并表現(xiàn)出檢測的高靈敏度[2，3]。

陰離子檢測一直是研究的熱點，因為陰離子在生物、化學(xué)、環(huán)境等各領(lǐng)域扮演著重要角色。碘離子作為生物學(xué)上重要的陰離子之一，是調(diào)節(jié)人體生長和甲狀腺功能必需的微量元素。人體內(nèi)碘含量偏離正常值會導(dǎo)致代謝異常，容易出現(xiàn)各種疾病，如甲狀腺功能減退、甲狀腺功能亢進(jìn)、智力低下，以及發(fā)生自身免疫性疾病甚至癌變等。最近幾十年，多種檢測碘離子的方法被提出，如離子色譜法[4]、電化學(xué)檢測法[5]、比色法[6]、光譜檢測[7，8]等，其中，光譜檢測法的特點是檢測速度快、靈敏度高，已有多個文獻(xiàn)運用量子點[9-11]對碘離子進(jìn)行檢測研究。但是，目前運用量子點對碘離子檢測的方法存在合成方法復(fù)雜繁瑣、量子點含重金屬或有毒等缺點，運用簡單環(huán)保的方式合成低毒甚至無毒的碳量子點，用此碳量子實現(xiàn)碘離子檢測還沒有報道。因此，研發(fā)一種對碘離子檢測快、靈敏度高、環(huán)境友好的檢測方法十分必要。本文利用硅烷化試劑的光學(xué)特性和固有穩(wěn)定性，得到光學(xué)穩(wěn)定、熒光強(qiáng)度高、低毒環(huán)境友好的量子點，選用無水檸檬酸和N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷，利用水熱法合成碳量子點，采用碳量子點熒光被碘離子猝滅這一特性，建立了一種能檢測水溶液中碘離子的熒光探針。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

檸檬酸和N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷(AEAPMS)，購于阿拉丁試劑公司；碘化鉀(AR)購于廣州化學(xué)試劑廠，其它試劑均為分析純試劑；實驗用水均來自超純水機(jī)純化的超純水(18.2 MΩ cm)，上海樂楓生物科技有限公司；LS-45熒光光譜儀，美國珀金埃爾默公司；JEM-2100F投射電鏡，日本電子株式會社；穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀FLS1000，美國愛丁堡。

1.2 碳量子點的合成

將0.5 g無水檸檬酸分散在10 mL N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷中，倒入50 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，并用氮氣脫氣20 min后密封。將高壓釜保持在240 ℃下2 h，反應(yīng)結(jié)束后，高壓釜冷卻至室溫。用針頭過濾器(0.22 μm)過濾溶液得到產(chǎn)物，產(chǎn)物用石油醚洗滌3次。最后，獲得的CDs分散在1 L超純水中，保存于4℃ 冰箱中[12]。

1.3 碘離子的測定

取上述1 mL的CDs加入1 mL超純水(pH=7.0)中進(jìn)行稀釋,再加入2 mL不同濃度的碘化鉀溶液，黑暗中反應(yīng)5 min后檢測熒光，以466 nm處的熒光變化值(F0-F)作為定量分析，其中，F(xiàn)0為無碘離子存在下的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為碘離子存在下的熒光強(qiáng)度。本方法的原理圖如圖1所示。

圖1 CDS檢測碘離子的原理圖

2 結(jié)果與討論

2.1 碳量子點的熒光光譜及穩(wěn)定性

圖2(a)為通過透射電鏡拍攝得到碳量子點的圖，圖中可見，量子點呈現(xiàn)球形，粒徑在40 nm左右，尺寸較均一。制備得到的碳量子點發(fā)藍(lán)光，熒光強(qiáng)度高。圖2(b)是在激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10 nm,光電倍增管電壓為650 V時的熒光光譜圖，從圖中可以看出，CDs的最佳激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為370 nm、466 nm。隨著激發(fā)波長的改變，CDs的最佳發(fā)射波長位置幾乎不變，制得的碳量子點發(fā)射波長不隨激發(fā)波長的變化而變化，光波不可調(diào)。紫外光連續(xù)照射12 h熒光強(qiáng)度幾乎不變，如圖2(c)所示，且長期保存不會出現(xiàn)沉淀，說明合成的CDs有很好的熒光穩(wěn)定性，通過測試得到CDs的絕對量子產(chǎn)率為68%。

圖2 (a) CDs的透射電鏡圖；(b) 不同激發(fā)波長的發(fā)射光譜；(c) CDs熒光穩(wěn)定性

2.2 條件優(yōu)化

圖3 CDs分散在不同溶劑中的熒光強(qiáng)度 圖4 加入碘離子,CDs的熒光猝滅效率隨著反應(yīng)時間(a)、超純水pH值(b)的變化

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

基于碘離子對CDs的熒光猝滅作用，構(gòu)建了一種熒光探針檢測碘離子的方法。由圖5(a)可知，隨著加入碘離子的濃度增加，CDs熒光值減弱。碘離子濃度范圍為5×10-7～5×10-4mol/L范圍內(nèi)，I-濃度的對數(shù)與熒光強(qiáng)度的變化值(F0-F)具有良好的線性關(guān)系，見圖5(b)，線性方程為Y=427.60X+646.88，相關(guān)系數(shù)為R2=0.9945，以3倍的信噪比算出最低檢出限為3.2×10-8mol/L。與某些熒光探針的相關(guān)研究比較,本研究方法能提供更低的檢出限和更寬的線性范圍，見表1。

表1 比較不同熒光探針檢測碘離子

圖5 (a) 加入不同的濃度的碘離子CDs的熒光光譜變化；(b) CDs的熒光強(qiáng)度變化值與Log[I-]的關(guān)系

2.4 選擇性

圖6 不同離子對CDs的熒光猝滅效果比較圖7 CDs的熒光壽命圖

2.5 檢測機(jī)理的探討

為了了解CDs和I-之間的熒光猝滅機(jī)理，利用時間相關(guān)單光子計數(shù)(TCSPC)法研究了存在和缺乏I-時CDs的熒光壽命，如圖7和表2所示，熒光衰減曲線利用雙指數(shù)方程按照公式(1)進(jìn)行擬合。

R(t)=B1e-t/τ1+B2e-t/τ2+B3e-t/τ3

(1)

其中，τ1和τ2為兩條放射衰減曲線的時間常數(shù)，B1和B2是對應(yīng)的振幅。根據(jù)最佳擬合數(shù)據(jù)(表2)可知，缺乏和存在I-時，CDs和CDs/I-的平均壽命值分別為15.52 ns和5.93 ns，說明I-的存在使CDs的熒光壽命縮短，得到t/t0=0.38不等于1,非靜態(tài)猝滅。因此，I-對CDs的猝滅存在動態(tài)猝滅效應(yīng)。

表2 CDs和CDs/I-壽命衰減曲線的雙指數(shù)擬合

2.6 回收率

取自來水樣,分別加入濃度1×10-6、1×10-5、1×10-4mol/L的碘離子，平行做3次，用熒光探針檢測，檢測到的濃度分別為1.01×10-6、1.05×10-5、1.001×10-4mol/L，加標(biāo)回收率分別為101%、105%、101%。

3 結(jié)論

本研究制備了一種檢測水液中碘離子含量的碳量子點熒光探針，其熒光強(qiáng)度高且穩(wěn)定，對環(huán)境友好，合成方法簡單經(jīng)濟(jì)，與已報道檢測碘離子的熒光探針比較，具有線性范圍寬、檢出限低、靈敏度高等優(yōu)點。不僅拓展了碳量子點的應(yīng)用，也豐富了對樣品中碘離子含量的檢測方法，此外，該探針有望發(fā)展為簡易便攜式檢測產(chǎn)品，在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到應(yīng)用。