基于氮摻雜碳量子點(diǎn)熒光猝滅效應(yīng)檢測(cè)Fe3+

鄧祥意+馮雅麗+李浩然+杜竹瑋+滕青+康金星+王洪君

摘 要 碳量子點(diǎn)光致發(fā)光性質(zhì)取決于尺寸大小和表面官能團(tuán)的性質(zhì)。本研究以還原冶煉過程產(chǎn)生的生物質(zhì)焦油為前驅(qū)體，采用小分子乙二胺進(jìn)行氮摻雜，通過一步水熱法合成熒光產(chǎn)率高、分散性能好的氮摻雜碳量子點(diǎn)，基于Fe3+對(duì)氮摻雜碳量子點(diǎn)選擇性熒光猝滅效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe3+快速準(zhǔn)確檢測(cè)。 合成的氮摻雜碳量子點(diǎn)為規(guī)則的球形，尺寸均一，平均粒徑為2.64 nm，晶面間距為0.25 nm，具備石墨碳晶格（100）晶格結(jié)構(gòu)，其熒光量子產(chǎn)率為26.1%； Fe3+與NCQDs表面官能團(tuán)配位絡(luò)合致使NCQDs熒光猝滅，F(xiàn)e3+濃度在0.23～600 μmol/L范圍內(nèi)，與氮摻雜碳量子點(diǎn)熒光猝滅程度呈良好的線性關(guān)系，F(xiàn)e3+的檢出限為230 nmol/L。

1 引 言

鐵是環(huán)境中存在的最為普遍的金屬元素之一，也是人體內(nèi)必需微量元素之一，在生理過程如細(xì)胞代謝、酶催化、電子轉(zhuǎn)移、氧化反應(yīng)、DNA和RNA的合成過程中扮演十分重要的角色[1～3]。人體內(nèi)鐵含量過多或者過少都會(huì)引發(fā)各種疾病，如貧血癥、帕金森綜合征、關(guān)節(jié)炎、心力衰竭、癌癥等[4～6]。因此，鐵含量的檢測(cè)具有重要意義。目前，檢測(cè)鐵的方法如紫外分光光度法[7]、原子吸收法[8]、電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICPMS）[9]等大多操作繁瑣、耗時(shí)且測(cè)試費(fèi)用高。熒光分光光度法由于具有操作簡(jiǎn)單、選擇性高、靈敏度高及成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于物質(zhì)的分析檢測(cè)[10]。

碳量子點(diǎn)作為一種新型熒光碳納米材料（尺寸<10 nm）受到越來越多的關(guān)注，與傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料分子、熒光蛋白和半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，具有熒光強(qiáng)度高、光穩(wěn)定性好、較低的生物毒性和良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)[11]，在醫(yī)藥、生物、分析化學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。傅鵬等[13]對(duì)碳量子點(diǎn)制備及應(yīng)用做了評(píng)述。目前，制備碳量子點(diǎn)的方法主要有兩種：一種是自下而上（Bottomup），通過熱解或者碳化前驅(qū)體直接制備碳量子點(diǎn)，如水熱法[14，15]、載體輔助制備法[16]、微波法[17]等； 一種是自上而下（Upbottom），通過“打碎”碳的前驅(qū)體，再通過聚合物表面鈍化的方法制備熒光碳量子點(diǎn)，如電弧放電法[18]、激光消融法[19]和電化學(xué)氧化法[20]等。一步水熱法是一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、低毒制備碳量子點(diǎn)的方法， Sahu等[21]以橘子汁為原料，通過一步水熱法制得光穩(wěn)定性好、毒性低的熒光碳量子點(diǎn)，并應(yīng)用于生物成像。Yang等[22]將殼聚糖溶液在180℃下加熱12 h，一步水熱法合成氨基修飾熒光碳量子點(diǎn)。

碳量子點(diǎn)前驅(qū)體一般采用葡萄糖、醋酸、檸檬酸、EDTA鈉鹽等，合成過程大多步驟繁瑣，需添加聚合物鈍化劑修飾以提高熒光產(chǎn)率，通過透析提純碳量子點(diǎn)，耗時(shí)長且成本高[23]。生物質(zhì)焦油是生物質(zhì)還原冶煉過程中所產(chǎn)生的不可避免的有機(jī)污染物，主要成分包括羧酸類，醛類及芳香族類等物質(zhì)，豐富的不飽和鍵更有利于碳量子點(diǎn)石墨碳晶格的形成。本研究以生物質(zhì)焦油作為前驅(qū)體，以含氮小分子乙二胺（有利于后續(xù)碳量子點(diǎn)凈化提純）摻雜修飾，一步水熱法合成氮摻雜碳量子點(diǎn)（NCQDs），反應(yīng)條件溫和、方法簡(jiǎn)便，合成時(shí)間短、成本低； 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)污染物的充分利用?；贜CQDs與Fe3+之間的熒光猝滅效應(yīng)，NCQDs猝滅程度與Fe3+濃度存在一定線性關(guān)系，建立了簡(jiǎn)單快速檢測(cè)Fe3+的熒光分光光度法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

JEM2100F透射電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）； ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜儀（美國Thermo公司）； UV1750 UVvis紫外可見光分光光度計(jì)（日本Shimadzu公司）； F2700熒光分光光度計(jì)（日本日立公司）； 傅立葉紅外光譜儀（德國Bruker公司）。

實(shí)驗(yàn)所用生物質(zhì)焦油是由木屑在氮?dú)鈿夥罩斜簾呀鈺r(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)分經(jīng)冷凝收集、旋轉(zhuǎn)蒸餾制備而得。實(shí)驗(yàn)中所用試劑乙二胺、NaCl、MgCl2、KCl、CaCl2、MnCl2、Fe（NO3）3、FeSO4、等均為分析純?cè)噭徲趪幖瘓F(tuán)化學(xué)試劑公司。

2.2 NCQDs的合成

以生物質(zhì)焦油為碳源， 用水熱法一步合成氮摻雜熒光碳量子點(diǎn)。取10 mL 10%（w/w）焦油水溶液和1 mL 0.1 g/mL 乙二胺溶液，加入到50 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，置于馬弗爐中，在180℃下反應(yīng)2 h后取出，冷卻至室溫。得到的棕褐色液體經(jīng)0.22 μm濾膜過濾以除去反應(yīng)過程中碳化形成的固體顆粒，80℃烘干（同時(shí)除去碳量子點(diǎn)溶液中利余乙二胺），所得碳量子點(diǎn)用蒸餾水定容至100 mL，待用。

2.3 熒光量子產(chǎn)率計(jì)算

以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn)物（硫酸濃度為0.05 mol/L，360 nm激發(fā)波長下熒光產(chǎn)率ψR(shí)=0.54）測(cè)定待測(cè)碳量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率[24]：

ψ=ψR(shí)×I/AIR/AR×ηηR2（1）

式中， ψR(shí)為硫酸奎寧熒光產(chǎn)率（ψR(shí)=0.54），I/A為不同濃度梯度硫酸奎寧在360 nm激發(fā)波長下的熒光積分峰面積與吸光度之間的比值， IR/AR為不同濃度梯度碳量子點(diǎn)在360 nm激發(fā)波長下的熒光積分峰面積與吸光度之間的比值， η和ηR分別為碳量子點(diǎn)和硫酸奎寧溶液的折射率。

2.4 Fe3+ 的檢測(cè)

取1.0 mL 1.0 mg/mL NCQDs溶液，分別加入不同濃度Fe3+溶液，用HCl和NaOH稀溶液調(diào)節(jié)至pH 1.5。用去離子水（pH=1.5）將NCQDs+Fe3+體系定容至100 mL，在340 nm激發(fā)波長處檢測(cè)溶液的熒光發(fā)射光譜，基于熒光猝滅效應(yīng)，在一定Fe3+濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)e3+濃度和熒光猝滅強(qiáng)度（F0/F）呈線性關(guān)系，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。對(duì)其它金屬離子的熒光猝滅效應(yīng)的考察方法與Fe3+一致。

3 結(jié)果與討論

3.1 NCQDs性能分析endprint

3.1.1 NCQDs的形貌 NCQDs的透射電鏡（TEM）圖如圖1A所示，NCQDs分散均勻，呈球形結(jié)構(gòu)，由高分辨TEM圖可知，NCQDs晶面間距為0.25 nm，對(duì)應(yīng)于石墨碳的（100）晶格，說明NCQDs具備石墨結(jié)構(gòu)特征。圖1B為NCQDs粒徑分布圖， NCQDs粒徑主要集中在2.50 nm處， 平均粒徑為2.64 nm。說明所制得NCQDs大小均一，形狀為規(guī)則的球形結(jié)構(gòu)，在溶液中高度分散。

3.1.2 NCQDs水溶性分析 生物質(zhì)焦油和NCQDs的紅外光譜如圖2所示。由圖2A可知，3421 c

為多環(huán)芳香烴C=C伸縮振動(dòng)峰，說明生物質(zhì)焦油可能含有一些羧酸類，醛類及芳香族類化合物，這與文獻(xiàn)[25]一致，豐富的不飽和鍵更有利于碳量子點(diǎn)石墨碳晶格的形成。由圖2B可知，合成的NCQDs在1400～1600 cm

處出現(xiàn)了CO伸縮振動(dòng)峰，說明NCQDs形成了石墨碳晶格，N原子成功摻雜在碳量子點(diǎn)之中。圖2B為NCQDs的XPS能譜圖，284.28， 398.75和530.39 eV處分別對(duì)應(yīng)C1s，N1s和O1s峰位，進(jìn)一步證明N元素成功摻雜，與紅外分析一致。NCQDs表面形成了COOH，NH2和COH等親水性官能團(tuán)，

3.1.3 NCQDs光致發(fā)光特性 NCQDs在300 nm～400 nm波長激發(fā)下的熒光發(fā)射光譜如圖3A所示，隨著激發(fā)波長由300 nm增加到340 nm，碳量子點(diǎn)最大熒光發(fā)射強(qiáng)度由1890增加到2616，繼續(xù)增加激發(fā)波長至400 nm，碳量子點(diǎn)最大熒光強(qiáng)度隨之降低至1057，最大激發(fā)波長為340 nm，這是由于碳量子點(diǎn)C=C不飽和鍵受激發(fā)后pπ*躍遷形成的[24，26]。 隨著激發(fā)波長的增加，最大發(fā)射強(qiáng)度下的波長由403 nm紅移至462 nm處， 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于不同尺寸的碳量子點(diǎn)對(duì)光的選擇性存在差異，或是由于碳量子點(diǎn)表面的發(fā)射空穴不同引起的[27]。

由圖3B可知，NCQDs溶液在360 nm激發(fā)下，熒光積分峰面積與吸光度之間呈良好的線性關(guān)系，硫酸奎寧和NCQDs溶液I/A值分別為95.0（×105）， 45.9（×105），19.9（×105），由式（1）可知，NCQDS和CQDs熒光量子產(chǎn)率分別為26.1%和11.3%，經(jīng)N摻雜修飾后，碳量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率明顯增強(qiáng)。

3.2 pH值及氙燈照射時(shí)間對(duì)NCQDs穩(wěn)定性能的影響

NCQDs在pH=1.0～8.0溶液中的歸一化熒光強(qiáng)度如圖4A所示，pH值在1.0～5.0時(shí)，熒光強(qiáng)度保持穩(wěn)定，當(dāng)pH>5.0時(shí)，熒光強(qiáng)度隨pH值的增加而減弱。N原子摻入碳量子點(diǎn)之后，隨著pH值的降低，含N官能團(tuán)（CN和CN）會(huì)與H+結(jié)合，H原子的引入會(huì)增強(qiáng)NCQDs的熒光發(fā)射強(qiáng)度，當(dāng)pH<5.0時(shí)，含N官能團(tuán)與H+結(jié)合達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)減小pH值，熒光強(qiáng)度基本保持不變。隨氙燈照射的增加，NCQDs的熒光強(qiáng)度保持高度穩(wěn)定。由于Fe3+在pH>3.0時(shí)完全水解[28]，F(xiàn)e（OH）X膠體的生成會(huì)干擾熒光強(qiáng)度的測(cè)定，檢測(cè)Fe3+時(shí)溶液應(yīng)保持在pH<1.5。

3.4 NCQDs與Fe3+猝滅機(jī)理

Fe3+猝滅NCQDs的熒光機(jī)理如圖6A所示。當(dāng)Fe3+加入到NCQDs溶液中后，NCQDs發(fā)生熒光猝滅效應(yīng)，熒光強(qiáng)度隨加入Fe3+濃度的增加而逐漸減弱。NCQDs表面官能團(tuán)（NH2，OH，COOH）和Fe3+之間發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)[30，31]，作為電子供體，N原子具有較好的負(fù)電性，容易失去最外層電子，促進(jìn)Fe3+與NCQDs表面官能團(tuán)的絡(luò)合反應(yīng)。NCQDs表面官能團(tuán)電子轉(zhuǎn)移過程如圖6B所示，未加入Fe3+時(shí)，NCQDs吸收激發(fā)光能量發(fā)生躍遷，基態(tài)電子躍遷至高能量電子軌道，當(dāng)激發(fā)電子回到基態(tài)時(shí)，形成電子/空穴輻射復(fù)合，產(chǎn)生熒光。加入Fe3+后，F(xiàn)e3+與NCQDs絡(luò)合，F(xiàn)e3+外層軌道為3s23p63d5，3d軌道均為半充滿狀態(tài)，當(dāng)NCQDs電子受激發(fā)后，激發(fā)態(tài)電子將轉(zhuǎn)移至Fe3+的3d軌道，形成非輻射電子/空穴復(fù)合，導(dǎo)致熒光猝滅。

3.5 實(shí)際樣品分析

將實(shí)驗(yàn)酸性浸礦廢水稀釋10倍，取1.00 mL稀釋樣，加入不同含量Fe3+標(biāo)準(zhǔn)樣和NCQDs溶液，調(diào)節(jié)至pH 1.5，定容至100 mL，測(cè)定熒光強(qiáng)度，計(jì)算Fe3+濃度。原子吸收法按同樣方法測(cè)定作為對(duì)照。 結(jié)果見表1。

本方法和原子吸收法測(cè)得酸性浸礦廢水中Fe3+濃度分別為64.9和63.4 mmol/L。本方法測(cè)定Fe3+的回收率在95.4%～103.1%之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.6%。原子吸收法測(cè)定Fe3+回收率在94.8%～102.9%之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.1%。上述結(jié)果表明，本方法具有較好的準(zhǔn)確性，可用于實(shí)際樣品中鐵含量的檢測(cè)。

4 結(jié) 論

本研究以生物質(zhì)焦油為前驅(qū)體，通過一步水熱法合成了熒光產(chǎn)率高、分散性好的水溶性NCQDs。合成的NCQDs為規(guī)則的球形，尺寸均一，平均粒徑為2.64 nm，晶面間距為0.25 nm，具備石墨碳晶格結(jié)構(gòu)（100）晶格，其熒光產(chǎn)率為26.1%。NCQDs表面官能團(tuán)（COOH、OH，、NH2）選擇性和Fe3+發(fā)生絡(luò)合，導(dǎo)致熒光猝滅，由BenesiHildebrand方程計(jì)算得到NCQDs與Fe3+之間的絡(luò)合常數(shù)Ka=623.3。 Fe3+濃度在0.23～600.00 μmol/L濃度范圍內(nèi)與熒光猝滅程度呈線性關(guān)系，基于此建立了簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)Fe3+的熒光分光光度法，檢出限為230 nmol/L。endprint