基于氮摻雜碳量子點熒光猝滅效應檢測Fe3+

鄧祥意+馮雅麗+李浩然+杜竹瑋+滕青+康金星+王洪君

摘 要 碳量子點光致發光性質取決于尺寸大小和表面官能團的性質。本研究以還原冶煉過程產生的生物質焦油為前驅體，采用小分子乙二胺進行氮摻雜，通過一步水熱法合成熒光產率高、分散性能好的氮摻雜碳量子點，基于Fe3+對氮摻雜碳量子點選擇性熒光猝滅效應，實現了對Fe3+快速準確檢測。 合成的氮摻雜碳量子點為規則的球形，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）晶格結構，其熒光量子產率為26.1%； Fe3+與NCQDs表面官能團配位絡合致使NCQDs熒光猝滅，Fe3+濃度在0.23～600 μmol/L范圍內，與氮摻雜碳量子點熒光猝滅程度呈良好的線性關系，Fe3+的檢出限為230 nmol/L。

1 引 言

鐵是環境中存在的最為普遍的金屬元素之一，也是人體內必需微量元素之一，在生理過程如細胞代謝、酶催化、電子轉移、氧化反應、DNA和RNA的合成過程中扮演十分重要的角色[1～3]。人體內鐵含量過多或者過少都會引發各種疾病，如貧血癥、帕金森綜合征、關節炎、心力衰竭、癌癥等[4～6]。因此，鐵含量的檢測具有重要意義。目前，檢測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譜（ICPMS）[9]等大多操作繁瑣、耗時且測試費用高。熒光分光光度法由于具有操作簡單、選擇性高、靈敏度高及成本低等優點，廣泛用于物質的分析檢測[10]。

碳量子點作為一種新型熒光碳納米材料（尺寸<10 nm）受到越來越多的關注，與傳統有機熒光染料分子、熒光蛋白和半導體量子點相比，具有熒光強度高、光穩定性好、較低的生物毒性和良好的生物相容性等優點[11]，在醫藥、生物、分析化學等領域具有廣闊的應用前景[12]。傅鵬等[13]對碳量子點制備及應用做了評述。目前，制備碳量子點的方法主要有兩種：一種是自下而上（Bottomup），通過熱解或者碳化前驅體直接制備碳量子點，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”碳的前驅體，再通過聚合物表面鈍化的方法制備熒光碳量子點，如電弧放電法[18]、激光消融法[19]和電化學氧化法[20]等。一步水熱法是一種簡單、廉價、低毒制備碳量子點的方法， Sahu等[21]以橘子汁為原料，通過一步水熱法制得光穩定性好、毒性低的熒光碳量子點，并應用于生物成像。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。

碳量子點前驅體一般采用葡萄糖、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率，通過透析提純碳量子點，耗時長且成本高[23]。生物質焦油是生物質還原冶煉過程中所產生的不可避免的有機污染物，主要成分包括羧酸類，醛類及芳香族類等物質，豐富的不飽和鍵更有利于碳量子點石墨碳晶格的形成。本研究以生物質焦油作為前驅體，以含氮小分子乙二胺（有利于后續碳量子點凈化提純）摻雜修飾，一步水熱法合成氮摻雜碳量子點（NCQDs），反應條件溫和、方法簡便，合成時間短、成本低； 同時實現了對有機污染物的充分利用。基于NCQDs與Fe3+之間的熒光猝滅效應，NCQDs猝滅程度與Fe3+濃度存在一定線性關系，建立了簡單快速檢測Fe3+的熒光分光光度法。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

JEM2100F透射電子顯微鏡（日本電子株式會社）； 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（日本Shimadzu公司）； F2700熒光分光光度計（日本日立公司）； 傅立葉紅外光譜儀（德國Bruker公司）。

實驗所用生物質焦油是由木屑在氮氣氣氛中焙燒裂解時產生的揮發分經冷凝收集、旋轉蒸餾制備而得。實驗中所用試劑乙二胺、NaCl、MgCl2、KCl、CaCl2、MnCl2、Fe（NO3）3、FeSO4、等均為分析純試劑，購于國藥集團化學試劑公司。

2.2 NCQDs的合成

以生物質焦油為碳源， 用水熱法一步合成氮摻雜熒光碳量子點。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聚四氟乙烯反應釜中，置于馬弗爐中，在180℃下反應2 h后取出，冷卻至室溫。得到的棕褐色液體經0.22 μm濾膜過濾以除去反應過程中碳化形成的固體顆粒，80℃烘干（同時除去碳量子點溶液中利余乙二胺），所得碳量子點用蒸餾水定容至100 mL，待用。

2.3 熒光量子產率計算

以硫酸奎寧為標準物（硫酸濃度為0.05 mol/L，360 nm激發波長下熒光產率ψR=0.54）測定待測碳量子點熒光量子產率[24]：

ψ=ψR×I/AIR/AR×ηηR2（1）

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

2.4 Fe3+ 的檢測

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稀溶液調節至pH 1.5。用去離子水（pH=1.5）將NCQDs+Fe3+體系定容至100 mL，在340 nm激發波長處檢測溶液的熒光發射光譜，基于熒光猝滅效應，在一定Fe3+濃度范圍內，Fe3+濃度和熒光猝滅強度（F0/F）呈線性關系，繪制標準曲線。對其它金屬離子的熒光猝滅效應的考察方法與Fe3+一致。

3 結果與討論

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，呈球形結構，由高分辨TEM圖可知，NCQDs晶面間距為0.25 nm，對應于石墨碳的（100）晶格，說明NCQDs具備石墨結構特征。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，形狀為規則的球形結構，在溶液中高度分散。

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

為多環芳香烴C=C伸縮振動峰，說明生物質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[25]一致，豐富的不飽和鍵更有利于碳量子點石墨碳晶格的形成。由圖2B可知，合成的NCQDs在1400～1600 cm

處出現了CO伸縮振動峰，說明NCQDs形成了石墨碳晶格，N原子成功摻雜在碳量子點之中。圖2B為NCQDs的XPS能譜圖，284.28， 398.75和530.39 eV處分別對應C1s，N1s和O1s峰位，進一步證明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，

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

由圖3B可知，NCQDs溶液在360 nm激發下，熒光積分峰面積與吸光度之間呈良好的線性關系，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熒光量子產率分別為26.1%和11.3%，經N摻雜修飾后，碳量子點熒光量子產率明顯增強。

3.2 pH值及氙燈照射時間對NCQDs穩定性能的影響

NCQDs在pH=1.0～8.0溶液中的歸一化熒光強度如圖4A所示，pH值在1.0～5.0時，熒光強度保持穩定，當pH>5.0時，熒光強度隨pH值的增加而減弱。N原子摻入碳量子點之后，隨著pH值的降低，含N官能團（CN和CN）會與H+結合，H原子的引入會增強NCQDs的熒光發射強度，當pH<5.0時，含N官能團與H+結合達到飽和狀態，繼續減小pH值，熒光強度基本保持不變。隨氙燈照射的增加，NCQDs的熒光強度保持高度穩定。由于Fe3+在pH>3.0時完全水解[28]，Fe（OH）X膠體的生成會干擾熒光強度的測定，檢測Fe3+時溶液應保持在pH<1.5。

3.4 NCQDs與Fe3+猝滅機理

Fe3+猝滅NCQDs的熒光機理如圖6A所示。當Fe3+加入到NCQDs溶液中后，NCQDs發生熒光猝滅效應，熒光強度隨加入Fe3+濃度的增加而逐漸減弱。NCQDs表面官能團（NH2，OH，COOH）和Fe3+之間發生絡合反應[30，31]，作為電子供體，N原子具有較好的負電性，容易失去最外層電子，促進Fe3+與NCQDs表面官能團的絡合反應。NCQDs表面官能團電子轉移過程如圖6B所示，未加入Fe3+時，NCQDs吸收激發光能量發生躍遷，基態電子躍遷至高能量電子軌道，當激發電子回到基態時，形成電子/空穴輻射復合，產生熒光。加入Fe3+后，Fe3+與NCQDs絡合，Fe3+外層軌道為3s23p63d5，3d軌道均為半充滿狀態，當NCQDs電子受激發后，激發態電子將轉移至Fe3+的3d軌道，形成非輻射電子/空穴復合，導致熒光猝滅。

3.5 實際樣品分析

將實驗酸性浸礦廢水稀釋10倍，取1.00 mL稀釋樣，加入不同含量Fe3+標準樣和NCQDs溶液，調節至pH 1.5，定容至100 mL，測定熒光強度，計算Fe3+濃度。原子吸收法按同樣方法測定作為對照。 結果見表1。

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

4 結 論

本研究以生物質焦油為前驅體，通過一步水熱法合成了熒光產率高、分散性好的水溶性NCQDs。合成的NCQDs為規則的球形，尺寸均一，平均粒徑為2.64 nm，晶面間距為0.25 nm，具備石墨碳晶格結構（100）晶格，其熒光產率為26.1%。NCQDs表面官能團（COOH、OH，、NH2）選擇性和Fe3+發生絡合，導致熒光猝滅，由BenesiHildebrand方程計算得到NCQDs與Fe3+之間的絡合常數Ka=623.3。 Fe3+濃度在0.23～600.00 μmol/L濃度范圍內與熒光猝滅程度呈線性關系，基于此建立了簡單、快速檢測Fe3+的熒光分光光度法，檢出限為230 nmol/L。endprint