張 超，袁 濤，覃姣蘭，王玉椒，李秀林，林莉瞻

（廣西高校桂西區(qū)域生態(tài)環(huán)境分析和污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西芒果生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

碳量子點(diǎn)（CQDs）是一種粒子尺寸在10nm以下、單分散、近乎類橢球型的一種碳納米材料，在金屬離子識(shí)別與檢測(cè)、pH值檢測(cè)、生物成像、光致發(fā)光、光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，具有較好的應(yīng)用前景。制備碳量子點(diǎn)的原料來(lái)源廣泛，成本低，碳水化合物、蠟燭灰、炭黑、生物基質(zhì)等均能被用作碳源。以草莓為碳源，在180℃下反應(yīng)12h制備的尺寸為5.2 nm左右的藍(lán)色熒光碳量子點(diǎn)（CQDs），量子產(chǎn)率為6.3%。該碳量子點(diǎn)對(duì)Hg2＋響應(yīng)敏感，可以檢測(cè)痕量Hg2＋，檢測(cè)限為 3nmol?L-1[1]。劉文[2]采用水熱反應(yīng)法，用心里美蘿卜合成了一種藍(lán)色熒光碳量子點(diǎn)，直徑為1.2~6 nm，量子產(chǎn)率為13.6%，對(duì) Fe3＋的檢測(cè)限是 0.13μmol?L-1。穆海峰課題組[3]以紫甘藍(lán)素為合成原料，硼氫化鈉溶液為氧化還原劑，采用水熱合成法合成了碳量子點(diǎn)ZGLCQDs。該碳量子點(diǎn)在水溶液中對(duì)Cu2＋的測(cè)定濃度范圍約為 0.6×10-6~2.60×10-6mol?L-1，檢出限為3.16×10-7mol?L-1。此外，菠菜[4]、香菇[5]、廢茶葉[6]、木質(zhì)素[7]、楓葉[8]、煙灰[9]等也可作為碳源，合成的碳量子點(diǎn)在金屬離子檢測(cè)及成像方面具有突出的應(yīng)用。

百色是芒果之鄉(xiāng)，為此，我們以芒果葉為原料，采用水熱法合成了芒果葉熒光碳量子點(diǎn)，研究其熒光性能，并研究其對(duì)各種金屬離子的響應(yīng)程度，以尋找一種可用于檢測(cè)金屬離子的高效、靈敏且環(huán)保的熒光探針。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑與設(shè)備

芒果葉洗凈、烘干至恒重，粉碎，過(guò)篩，得到芒果樹(shù)葉粉末，備用。實(shí)驗(yàn)中的無(wú)機(jī)鹽及有機(jī)試劑均為分析純。

YB-600A型高速粉碎機(jī)，F(xiàn)-7000型熒光分光光度計(jì)，TDZ5-WS型離心機(jī)，JA5003B型電子分析天平。

1.2 碳量子點(diǎn)的制備

1.2.1 芒果葉碳量子點(diǎn)（MG/CQDs）的制備

稱量0.1 g芒果葉粉末裝入聚四氯乙烯內(nèi)膽中，加10mL超純水，放入反應(yīng)釜不銹鋼套，置于200℃烘箱中反應(yīng)5h，取出冷卻至室溫后，過(guò)0.22μm濾膜，得到棕色上清液。將上清液通過(guò)透析袋（分子截留量為1000Da），透析2~3d，獲得MG/CQDs水溶液，4℃下避光保存，備用。

1.2.2 氮摻雜芒果葉碳量子點(diǎn)（MG/N-CQDs）的制備

稱量芒果葉/尿素含量分別為0.1g/0.1g、0.1/0.2g、0.2g/0.1g的3份樣品，加入10mL超純水，按照MG/CQDs的制備方法，制備相應(yīng)的碳量子點(diǎn)。用熒光分光光度計(jì)對(duì)3個(gè)不同原料的碳量子點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)按1∶2比例制備的碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最高，后續(xù)實(shí)驗(yàn)按此比例進(jìn)行。該量子點(diǎn)命名為MG/N-CQDs。

1.3 MG-CQDs/MG/N-CQDs的熒光性能實(shí)驗(yàn)

1.3.1 激發(fā)波長(zhǎng)的選擇

取MG-CQDs原溶液稀釋103倍，分別以290、295、300、305、310nm 為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)定其發(fā)射光譜。取相同體積的MG/N-CQDs原溶液稀釋104倍，分別以 300、305、310、320nm 為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)定其發(fā)射光譜。根據(jù)發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的強(qiáng)度及對(duì)稱性，確定碳量子點(diǎn)的最佳激發(fā)波長(zhǎng)。MG-CQD水溶液的最佳激發(fā)波長(zhǎng)為300 nm，MG/N-CQDs水溶液的最佳激發(fā)波長(zhǎng)為305 nm。后續(xù)MG-CQD和MG/N-CQDs的熒光性能實(shí)驗(yàn)，均在該激發(fā)波長(zhǎng)下進(jìn)行。

1.3.2 pH值的影響

分別取5mL稀釋后的MG-CQDs溶液至12只10mL的比色管中，參考文獻(xiàn)[10]，用0.1mol?L-1鹽酸溶液、0.01mol?L-1PBS緩沖溶液、0.01mol?L-1Tris-HCI緩沖溶液和0.1mol?L-1NaOH溶液，在1.0~12.0范圍內(nèi)調(diào)節(jié)pH，定容，用熒光分光光度計(jì)測(cè)定不同的pH對(duì)MG-CQDs/MG/N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響。

1.3.3 抗鹽性實(shí)驗(yàn)

在7只10 mL的比色管中，分別取5 mL稀釋104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs溶液，再加NaCl溶液定容至10 mL，使得最終NaCl濃度分別為0、0.25、0.50、0.75、1.25、2.00、2.50mol?L-1，測(cè)定各樣品的熒光強(qiáng)度。

1.3.4 抗光漂白性實(shí)驗(yàn)

將稀釋104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs原溶液，置于365nm的紫外光下分別照射0、10、20、30、40、50、60、70 min 后，測(cè)定其熒光強(qiáng)度。稀釋 104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs原溶液放置0d、7d、14d、25d、32d 后，測(cè)定其熒光強(qiáng)度。

1.4 不同金屬離子對(duì)碳量子點(diǎn)熒光的影響

取5mL稀釋104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs原溶液至9支10mL的比色管中，分別加5 mL 濃度為 2.5μM 的 Cr2＋、Cd2＋、Cu2＋、Ni2＋、Co2＋、Ba2＋、Mn2＋、Fe2＋、Pb2＋的水溶液，混合均勻后，測(cè)定其熒光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 MG-CQDs/MG/N-CQDs的光學(xué)特性

圖1為稀釋103倍后的MG-CQDs和稀釋104倍后的MG/N-CQDs溶液，在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光發(fā)射光譜。激發(fā)波長(zhǎng)為290~310nm時(shí)，MGCQDs溶液的熒光強(qiáng)度逐漸降低；激發(fā)波長(zhǎng)為300nm時(shí)，在410nm處有最大熒光發(fā)射（I=9466)，因此選擇300nm為MG-CQDs的激發(fā)波長(zhǎng)。激發(fā)波長(zhǎng)在300~320nm變化時(shí)，MG/N-CQDs的熒光發(fā)射光譜向右移動(dòng)，且熒光強(qiáng)度下降；激發(fā)波長(zhǎng)為305nm時(shí)，在400nm處的熒光強(qiáng)度最大（I=5328），且用發(fā)射波長(zhǎng)400nm反掃激發(fā)波長(zhǎng)，在305nm處有一強(qiáng)激發(fā)峰，因此選擇305nm為MG/N-CQDs的激發(fā)波長(zhǎng)。

圖1 不同激發(fā)波長(zhǎng)下MG-CQDs和MG/N-CQDs的熒光發(fā)射光譜圖

2.2 溶液pH對(duì)碳量子點(diǎn)熒光的影響

圖2是在pH為1~12的溶液中，MG-CQDs和MG/N-CQDs分別在波長(zhǎng)300nm和波長(zhǎng)305nm下激發(fā)時(shí)，在410nm和400nm處的熒光強(qiáng)度。由圖可知，MG-CQDs的熒光強(qiáng)度在pH=1~10區(qū)間基本不變，在pH=10~12區(qū)間，熒光強(qiáng)度稍有增加，但不明顯。MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度在一定程度上受到酸堿度的影響。pH＜3時(shí)，MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度的下降較為明顯，從4000a.u下降到3250a.u；pH=6~8時(shí)，MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度的變化幅度較小；pH=9~12時(shí)，MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度的增幅較大，從3650 a.u升高到4248 a.u。

圖2 MG-CQDs和MG/N-CQDs在不同pH值下的熒光強(qiáng)度

可見(jiàn)，在極強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性條件下，MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度不穩(wěn)定，其變化原理可能與MG/N-CQDs表面的基團(tuán)有關(guān)。摻氮量子點(diǎn)表面往往存在大量的羧基和氨基基團(tuán)，在強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿條件下，CQDs表面可能發(fā)生質(zhì)子化和去質(zhì)子化作用，從而引起該分子中的表面電荷含量發(fā)生變化[11]。

2.3 MG-CQDs和MG/N-CQDs的抗鹽性

研究表明，離子強(qiáng)度對(duì)納米材料具有較大影響。圖3是不同的NaCl濃度對(duì)MG-CQDs和MG/N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響。隨著NaCl的濃度增加，MG-CQDs的熒光強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明離子強(qiáng)度對(duì)MG-CQDs的影響較??；而MG-CQDs的熒光強(qiáng)度隨著NaCl的濃度增加發(fā)生了小幅度的波動(dòng)，但總體變化不大，說(shuō)明MG-CQDs和MG/N-CQDs具有良好的抗鹽能力，有利于其在生化分析領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是合成的綠色熒光CQDs可作為熒光探針，應(yīng)用于痕量分析。

圖3 不同濃度的NaCl對(duì)MG-CQDs和MG/N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響

2.4 MG-CQDs和MG/N-CQDs的抗光漂白性

為了考察MG-CQDs和MG/N-CQDs的光學(xué)穩(wěn)定性，將其水溶液置于365nm紫外燈下照射70min，結(jié)果見(jiàn)圖4。MG-CQDs的熒光強(qiáng)度不受紫外光的影響，說(shuō)明MG-CQDs具有良好的抗光漂白性。而MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度隨著紫外光照射時(shí)間的增加，出現(xiàn)了較明顯的下降，光照70min后，熒光強(qiáng)度從3865a.u降到2768a.u，可見(jiàn)光照對(duì)MG/N-CQDs的熒光具有猝滅作用。

圖4 紫外燈照射對(duì)MG-CQDs和MG/N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響

同時(shí)將2份量子點(diǎn)溶液放在5℃的冰箱保存1個(gè)月，每隔一段時(shí)間測(cè)1次熒光強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖5。與紫外燈照射的結(jié)果一樣，MG-CQDs的熒光強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，而MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移而逐漸下降，從3890a.u降到2669a.u。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明MG-CQDs具有抗光性，而MG/N-CQDs對(duì)光不穩(wěn)定。

圖5 放置時(shí)間對(duì)MG-CQDs和MG/N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響

2.3 MG-CQDs和MG/N-CQDs對(duì)不同離子的選擇性

碳量子點(diǎn)探針對(duì)金屬離子具有較好的靈敏性和選擇性，近年來(lái)關(guān)于生物基碳量子點(diǎn)用于檢測(cè)金屬離子的報(bào)道層出不窮。圖6是濃度為2.5μM的金屬離子對(duì)MG-CQDs和MG/N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響，圖中的F0為未加入金屬離子時(shí)碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為加入金屬離子后碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度。由圖6可見(jiàn)，金屬離子對(duì)MG/N-CQDs的熒光猝滅比 MG-CQDs強(qiáng)，其中 Cu2＋對(duì) MG/N-CQDs的猝滅作用最大，加入2.5μM的Cu2＋后，MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度從F0= 3760下降到F= 774.7，可見(jiàn)MG/N-CQDs對(duì)Cu2＋具有較敏感的選擇性。

圖6 MG-CQDs和MG/N-CQDs對(duì)不同金屬離子的熒光響應(yīng)

考察了不同濃度的Cu2＋對(duì)MG/N-CQDs溶液的熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。加入2μL、2.5μM的Cu2＋后，MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度顯著下降，從3076a.u降到936.9a.u，熒光猝滅達(dá)69.5%，之后隨著Cu2＋的濃度增加，熒光強(qiáng)度緩慢下降，但總體上不呈線性關(guān)系?？梢?jiàn)MG/N-CQDs對(duì)Cu2＋具有較好的選擇性，但不具備線性關(guān)系，只能進(jìn)行定性分析。

圖7 不同濃度的Cu2+對(duì)MG/N-CQDs熒光的響應(yīng)圖譜

3 結(jié)論

本文以芒果葉為碳源，尿素為氮源，采用一步水熱法制備了具有熒光性能的芒果葉碳量子點(diǎn)（MG/CQDs）和摻氮芒果葉碳量子點(diǎn)（MG/N-CQDs）。相同濃度下，MG/N-CQDs的熒光強(qiáng)度比MG/CQDs高；MG-CQDs和MG/N-CQDs都具有良好的抗鹽能力；MG-CQDs的pH耐受性和抗光漂白性強(qiáng)于MG/N-CQDs。在對(duì)金屬離子的識(shí)別分析中，MG/N-CQDs對(duì)Cu2＋表現(xiàn)出特異選擇性，具有開(kāi)發(fā)成檢測(cè)Cu2＋的熒光探針的潛力。