碳量子點(diǎn)的合成及其在SDBS檢測中的應(yīng)用*

孫 娜，黃毅峰，張永鴻，徐京娜，潘 登，楊金花，李 萍

(寧德師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，福建 寧德 352100)

傳統(tǒng)的熒光分析法具有操作簡便，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于較易受到背景光、光學(xué)路徑和散射等儀器條件和外部環(huán)境的影響，需要借助輔助實(shí)驗(yàn)或校正等方法來確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。利用兩個發(fā)光物質(zhì)在不同波長處的熒光強(qiáng)度的比值作為檢測信號，可以很好的解決單熒光物質(zhì)檢測信號所帶來的問題[1-3]。常見的熒光比率傳感法有參比法、能量共振轉(zhuǎn)移等其它方法[4-8]。

本研究嘗試以三羥甲基氨基甲烷(Tris)和L-蘇氨酸為原料合成碳量子點(diǎn)(Carbon Quantum Dots，CQDs)，將合成的CQDs作為能量的供體，傳統(tǒng)的熒光染料吖啶橙(AO)作為能量的受體，構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系。通過調(diào)節(jié)CQDs與AO之間的比率，發(fā)現(xiàn)在一定濃度范圍內(nèi)，兩者能夠發(fā)生FRET。基于此構(gòu)建熒光比率探針檢測十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，實(shí)現(xiàn)了SDBS的快速、簡單及靈敏性檢測。相比于其它檢測方法，本研究構(gòu)建的FRET體系計(jì)算猝滅率檢測SDBS操作快速、簡單，低碳環(huán)保，降低了檢測的成本。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

Cary Eclipse型熒光分光光度計(jì)，美國VARIAN公司；UV-2100型紫外-可見分光光度計(jì)，北京瑞利分析儀器公司；Tecnai F20型高分辨率電子顯微鏡，美國FEI公司；L-蘇氨酸，Tris，AO，SDBS和羅丹明B(Rhodamine B，RhB)以上試劑均為分析純，購于天津市豐越化學(xué)品有限公司。實(shí)驗(yàn)所用的水為去離子水。

1.2 CQDs的制備

將4 mmol的Tris和8 mmol的L-蘇氨酸溶解在10 mL的去離子水中，攪拌使其均勻分散，并轉(zhuǎn)入50 mL的反應(yīng)釜中，在200 ℃的溫度條件下反應(yīng)6 h。將離心好的溶液放入10000 rad/min的離心機(jī)中離心25 min，為進(jìn)一步純化，取離心后的上清液進(jìn)行透析(透析袋的截留分子量為500 Da)處理24 h。透析后的CQDs溶液置于冰箱儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 CQDs熒光量子產(chǎn)率的測定

CQDs熒光量子產(chǎn)率(Quantum Yield，QY)的計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]方法進(jìn)行。RhB的水溶液作為標(biāo)準(zhǔn)熒光物質(zhì)，其中CQDs和RhB的紫外吸光度均控制在低于0.1。QY的計(jì)算公式見下式：

式中：QYCQDs，QYRhB分別為CQDs，RhB的QY，其中I、A和n分別為熒光強(qiáng)度、吸光度和折射率，其中羅丹明B在波長514 nm下的量子產(chǎn)率QYRhB為0.31。

1.4 CQDs-AO的FRET體系檢測SDBS

在10 mL的比色管中分別加入CQDs和AO的混合液，再加入不同濃度的SDBS，用去離子水定容至5 mL，使SDBS的濃度分別為0、1、2、4、6、8和10 μmol/L，以上各溶液搖勻后，室溫條件下靜置20 min，測得AO的熒光強(qiáng)度為FAO，并計(jì)算其熒光猝滅率ΔF/F0(ΔF=(F0-F)，其中F0，F(xiàn)分別為空白對照組，及加入SDBS時AO的熒光強(qiáng)度)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CQDs的形貌分析

圖1為CQDs的透射電子顯微鏡(TEM)的表征圖，從圖1可以觀察出CQDs呈分散狀，外形為類球形。從CQDs的尺寸分布圖(內(nèi)插圖)可知，CQDs的平均粒徑為(2.71±0.03)nm。

圖1 CQDs的TEM及尺寸分布圖

2.2 CQDs的光學(xué)特性

合成的CQDs分別在紫外光、可見光照射下發(fā)藍(lán)色熒光、不發(fā)光。由圖2可知，在272 nm處CQDs有明顯的紫外吸收峰，在300～350 nm存在肩峰。CQDs的最大激發(fā)、發(fā)射峰分別為338 nm，416 nm。

圖2 CQDs的光譜圖

從圖3可知，在0～2 mol/L的NaCl溶液中CQDs的熒光強(qiáng)度波動幅度較小，由此可知CQDs抗鹽的性能較好。用ZF-1型三用紫外分析儀365 nm紫外燈管下進(jìn)行照射，CQDs表現(xiàn)出良好的光學(xué)穩(wěn)定性(圖4)。此外，在pH 2～8的BR緩沖液中，CQDs的熒光強(qiáng)度變化不大(圖5)。以RhB為參照物，計(jì)算得到CQDs的QYCQDs為24.6%。

圖3 CQDs的熒光強(qiáng)度隨NaCl濃度的變化曲線

圖4 不同紫外光照時間對CQDs熒光強(qiáng)度的影響

圖5 CQDs熒光強(qiáng)度隨pH值的變化曲線

2.3 CQDs-AO的FRET體系

如圖6所示，作為供體的CQDs的最強(qiáng)發(fā)射峰與作為受體的AO的最佳吸收峰相差約80 nm，能明顯的分開，并且它們的光譜有一部分發(fā)生了重疊，這為CQDs與AO發(fā)生FRET提供了可能。為獲得較好的FRET效果，以330 nm光激發(fā)CQDs-AO的FRET體系。如圖7所示，由于能量的轉(zhuǎn)移，當(dāng)CQDs的濃度為1 mmol/L固定不變時，改變能量受體AO溶液的濃度(10～50 μmol/L)，AO的熒光強(qiáng)度隨之增高，而CQDs的熒光強(qiáng)度則隨著AO濃度的增加而減弱。當(dāng)固定能量受體AO的濃度(10 μmol/L)，改變能量供體CQDs的濃度(1.7～6.8 mmol/L)，AO和CQDs的熒光都隨著CQDs濃度的增大而增大(圖8)，由此可知，CQDs和AO發(fā)生了FRET。

圖6 CQDs和AO的熒光光譜及AO的紫外吸收光譜

圖7 CQDs在不同濃度AO溶液中的熒光光譜

圖8 AO在不同濃度的CQDs溶液中的熒光光譜

2.4 CQDs-AO的FRET體系檢測SDBS

在CQDs-AO的FRET體系中，在激發(fā)波長為330 nm時，逐漸增加SDBS的濃度，CQDs的熒光基本不變，而AO的熒光強(qiáng)度則隨之相應(yīng)變小(圖9)。由內(nèi)插圖可知，SDBS的濃度為1～10 μmol/L時，AO的熒光猝滅率ΔF/F0與SDBS的濃度呈好的線性關(guān)系，線性回歸方程計(jì)算可得：(F0-F)/F0=0.1679C+0.08263，相關(guān)系數(shù)R2為0.98185，最低檢測限計(jì)算為25 nmol/L。

圖9 CQDs-AO的FRET體系檢測SDBS

2.5 檢測SDBS的干擾實(shí)驗(yàn)

對CQDs-AO的FRET檢測SDBS的干擾性進(jìn)行了考察。選擇了實(shí)際樣品中可能存在的干擾物質(zhì)對CQDs-AO的FRET體系檢測SDBS的熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明100倍的十二烷基硫酸鈉(SBS)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)和十六烷基三甲基氯化銨(CTMAC)等不影響SDBS的檢測，說明該方法有較好的選擇性，能夠用于SDBS含量的檢測。

3 結(jié) 論

本研究合成了發(fā)光性能優(yōu)良的CQDs，將其與AO構(gòu)建了CQDs-AO的FRET體系，并應(yīng)用于SDBS的檢測。該傳感體系對SDBS在1～10 μmol/L濃度范圍內(nèi)的檢測線性好，其相關(guān)系數(shù)R2為0.98185，最低檢測限可達(dá)25 nmol/L，實(shí)現(xiàn)了SDBS的快速、簡單及靈敏性檢測，使檢驗(yàn)的成本大大降低。