碳量子點(diǎn)制備及熒光猝滅在Fe3＋檢測(cè)中的應(yīng)用

谷苗苗，李 姣，周愛(ài)東

（1.南京大學(xué)金陵學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，南京 210089；2.南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210023）

0 引言

鐵在地殼中分布較廣，是人體維持正常生活必需的微量元素之一，在機(jī)體的代謝中扮演著重要的角色［1］，除參與血紅蛋白、肌紅蛋白、細(xì)胞色素及某些酶的合成外，還與多種酶的活力有關(guān)［2］。一般地，健康成年人每天需要補(bǔ)充鐵15 mg，缺鐵不僅會(huì)引起貧血，還會(huì)使機(jī)體代謝功能紊亂［3］。據(jù)報(bào)道，鐵攝入量的增加也會(huì)通過(guò)催化機(jī)制惡化生物系統(tǒng)，導(dǎo)致高活性氧的產(chǎn)生，從而引發(fā)許多疾病，包括帕金森綜合癥、阿爾茨海默病和癌癥。美國(guó)環(huán)保局規(guī)定飲用水中鐵濃度的允許限值為0.3 mg／L。因此，準(zhǔn)確測(cè)定水體中鐵的濃度水平是十分必要的。用于重金屬離子檢測(cè)的方法有電化學(xué)檢測(cè)［4］、熒光光譜法［5］、分光光度法［6-7］等。盡管這些方法在實(shí)驗(yàn)室得到了廣泛的應(yīng)用，但技術(shù)或經(jīng)濟(jì)因素有時(shí)限制了它們的可行性。因此，需要進(jìn)一步研究更好的檢測(cè)方法。

碳量子點(diǎn)（CQDs）是一種具有熒光特性的新型納米碳材料，與傳統(tǒng)的量子點(diǎn)相比高度穩(wěn)定［8］，易溶于水［9］，生物相容性好［10-11］，熒光強(qiáng)度高，制作成本和分離成本更為低廉，細(xì)胞毒性小，原料來(lái)源廣等優(yōu)勢(shì)，因此自發(fā)現(xiàn)就受到人們廣泛關(guān)注。迄今為止，有大量文獻(xiàn)報(bào)道碳量子點(diǎn)的制備方法。其中，Jia 等［12］在低溫下加熱維生素C 和Cu（CH3COO）2來(lái)合成碳量子點(diǎn)，但這種方法并不環(huán)保；Liu等［13］將乙二醇作為碳源，在140 ℃下持續(xù)回流加熱6 h 制備碳量子點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)步驟較繁瑣；Wang 等［14］對(duì)甘油等原料進(jìn)行微波，制備CQDs，雖然制備迅速，但需要無(wú)機(jī)離子為輔助試劑。

本文以梧桐樹(shù)葉為碳源，通過(guò)燃燒法制備了穩(wěn)定性高、水溶性好的碳量子點(diǎn)，利用Fe3+對(duì)碳量子點(diǎn)有熒光猝滅的特性，建立檢測(cè)Fe3+的方法，并成功用于自來(lái)水中Fe3+的含量測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：RF-5301pc 熒光光度分光計(jì)（日本島津公司），ZF7三用紫外分析儀（上?？婆d儀器有限公司）。

試劑：配制0.01 mol／L 的Fe3+、K+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Ba2+、Zn2+、Cr3+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Pb2+、Ag+標(biāo)準(zhǔn)溶液。本實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為AR，實(shí)驗(yàn)用水則為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）分子熒光儀器條件選擇。本實(shí)驗(yàn)選擇的λem＝425 nm，λex＝310 nm，狹縫寬度均為3 nm。

（2）碳量子點(diǎn)的制備。選用校園梧桐落葉作為碳源，將樹(shù)葉洗凈、烘干、剪碎，然后準(zhǔn)確稱取5 g，在坩堝中完全燃燒，加入少量超純水，攪拌使其盡量溶解，離心過(guò)濾，得到淡黃色的碳量子點(diǎn)（CQDs）溶液，最后將其定容至250 mL。

（3）金屬離子對(duì)CDs 熒光猝滅。在比色皿中，先加入2 mL CDs溶液作為空白組，測(cè)定其熒光強(qiáng)度F0；然后再向其中加入0.2 μL Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液作為實(shí)驗(yàn)組，測(cè)定體系熒光強(qiáng)度為F。對(duì)其他金屬離子重復(fù)上述步驟。

（4）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在選定波長(zhǎng)處分別測(cè)定濃度為0、2.5、5、10、25、50、75、100、150、200、250、300 μmol／L Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液在CQDs溶液中的熒光強(qiáng)度。

（5）水樣測(cè)定。實(shí)際水樣以12 000 r／min，高速離心20 min，取上層清液并用超微濾膜進(jìn)行過(guò)濾。移取3 mL碳量子點(diǎn)溶液，加入處理好的水樣10 μL，測(cè)量其熒光強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)

通過(guò)燃燒法合成的CQDs在日光下呈現(xiàn)黃色透明溶液，在波長(zhǎng)365 nm紫外燈照射下則發(fā)射藍(lán)色熒光，如圖1 所示。

圖1 CQDs合成及其在紫外燈照射下的顏色

圖2 為CQDs 的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，此方法合成的CQDs在λex＝310 nm下λem＝425 nm熒光。

圖2 CQDs的熒光發(fā)射光譜（λem）與激發(fā)光譜（λex）

圖3 為碳量子點(diǎn)在不同激發(fā)波長(zhǎng)（280～360 nm）下的熒光發(fā)射光譜。由圖3 可知，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的逐漸增大，發(fā)射峰產(chǎn)生紅移并伴隨熒光強(qiáng)度逐漸減弱。造成這種現(xiàn)象的原因可能是碳量子點(diǎn)表面的發(fā)射位點(diǎn)差異所致，利用此特性可以有效控制熒光發(fā)射的波長(zhǎng)［1］。

圖3 不同激發(fā)波長(zhǎng)下CQDs的熒光發(fā)射譜圖

2.2 量子產(chǎn)率的測(cè)定

根據(jù)量子化學(xué)方法按既定程序測(cè)定了CQDs 的量子產(chǎn)率。既定程序?yàn)樵谙嗤ぐl(fā)條件下，分別測(cè)定待測(cè)熒光試樣和已知量子產(chǎn)率的參比熒光標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的積分熒光面積，以及對(duì)相同激發(fā)波長(zhǎng)的入射光的吸光度，通過(guò)特定公式進(jìn)行計(jì)算。本文選擇0.1 mol／L 硫酸中的硫酸奎寧（360 nm處的量子產(chǎn)率為0.54［15］）作為標(biāo)準(zhǔn)品。量子產(chǎn)率計(jì)算公式如下：

式中：ψ為量子產(chǎn)率；η 為折射率；I為積分發(fā)射強(qiáng)度；下標(biāo)“R”表示標(biāo)準(zhǔn)硫酸奎寧相關(guān)的物理量。由此公式計(jì)算得制備的CQDs量子產(chǎn)率為0.22（見(jiàn)表1）。

表1 硫酸奎寧和碳量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率

2.3 反應(yīng)機(jī)理

CQDs檢測(cè)Fe（III）離子主要是由于Fe（III）通過(guò)聚集誘導(dǎo)CQDs的熒光猝滅。由于金屬氫氧化物的低溶解度積常數(shù)（Ksp），CQDs 表面的羥基很容易與Fe（III）離子結(jié)合。結(jié)果，CQDs在Fe（III）離子存在下經(jīng)歷聚集，導(dǎo)致熒光猝滅。另一種可能的猝滅機(jī)制是基于激發(fā)電荷載流子從CQD 表面轉(zhuǎn)移到缺電子Fe（III）離子，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低，以此來(lái)檢測(cè)鐵離子。

2.4 碳量子點(diǎn)對(duì)金屬離子的選擇性

實(shí)驗(yàn)中選擇了16 種常見(jiàn)金屬離子進(jìn)行干擾研究，考察各金屬離子與CQDs的相互作用。通過(guò)計(jì)算各金屬離子對(duì)應(yīng)的F／F0值檢測(cè)CQDs 對(duì)Fe3+的選擇性。由圖4 可知，此方法制備的CQDs對(duì)Fe3+有明顯的熒光猝滅作用；其他金屬離子對(duì)CQDs 的熒光猝滅作用不明顯，可以忽略。

圖4 CQDs與各金屬離子的相互作用

2.5 pH值對(duì)碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)中分別用NaOH（0.1 mol／L）和HCl（0.1 mol／L）調(diào)節(jié)CQDs 溶液的pH 值。在不同pH 值下CQDs的熒光強(qiáng)度變化規(guī)律如圖5 所示，當(dāng)體系的pH值在4.0～7.0 范圍內(nèi)，CQDs的熒光強(qiáng)度變化不明顯，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)定中無(wú)須對(duì)溶液pH值進(jìn)行嚴(yán)格控制。

圖5 pH與CQDs熒光強(qiáng)度的關(guān)系

2.6 Fe3＋濃度對(duì)CQDs熒光強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)探索不同濃度的Fe3+對(duì)CQDs 的猝滅程度。由圖6 可知，在一定的濃度范圍內(nèi)，CQDs 體系的熒光強(qiáng)度隨Fe3+濃度逐漸增加而減弱，F(xiàn)e3+在2.5～100 μmol／L濃度范圍內(nèi)與CQDs 的熒光猝滅呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為y＝-0.005 2x+0.968 3，R2＝0.992 6，檢出限為1.2 μmol／ L。

圖6 Fe3+濃度與CQDs 的熒光譜及線性關(guān)系圖

2.7 自來(lái)水樣中Fe3＋測(cè)定

為研究本文方法對(duì)實(shí)際樣品分析中的應(yīng)用，按上述實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了自來(lái)水中Fe3+濃度。移取3 mL 碳量子點(diǎn)溶液，加入處理好的水樣10 μL，測(cè)其熒光強(qiáng)度，向其中加入標(biāo)準(zhǔn)試樣10 μL 6 mmol／L Fe3+溶液，所得加標(biāo)濃度為20 μmol／L。樣品平行測(cè)定3 次。由表可見(jiàn)該分析方法可靠性高，可用于實(shí)際樣品的檢測(cè)。

表2 回收試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本研究選用了簡(jiǎn)單易得的碳源——梧桐落葉，以燃燒法制備了穩(wěn)定性良好的碳量子點(diǎn)，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)便、快速、環(huán)保。實(shí)驗(yàn)制備的碳量子點(diǎn)溶液量子產(chǎn)率為0.22，最佳激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為310 和425 nm。基于熒光內(nèi)濾作用，檢測(cè)Fe3+線性范圍在2.5～100 μmol／L，相關(guān)系數(shù)0.992 6，檢出限1.2 μmol／L。自來(lái)水中加標(biāo)回收率的測(cè)定平均值為98.4%，可用于自來(lái)水中Fe3+的檢測(cè)。