碳量子點熒光探針制備及對鉻(Ⅵ)的檢測應用

(嘉興學院生物與化學工程學院， 嘉興 314001)

土壤和水體中的重金屬污染已成為我國環境污染和治理的重點[1]。因此，如何實現實時有效地監視環境中的重金屬離子，研究開發準確、快速、簡便和經濟的分析材料以及方法顯得尤為迫切和至關重要。Cr(Ⅵ)有強毒性，可與人體的蛋白質及各種酶發生相互作用, 使它們失去活性, 對人體有致癌的危害。目前測定 Cr(Ⅵ)的方法有催化光度法、電感耦合等離子體質譜法( ICP-MS)、色譜法、原子吸收光譜法( AAS)、熒光光譜法、化學發光法等。而熒光檢測法因其設備簡單、直觀、選擇性好、實時原位、靈敏度高、檢測下限濃度較低，在環境監測中倍受青睞。傳統的量子點通常是由半導體材料尤其是鎘和硒制備的，為有機相或水相體系，存在毒性和高成本的問題[2]。CQDs是一類新型零維碳納米材料[3]，與傳統的半導體量子點相比，CQDs具有激發波長與發射波長可調諧、發射穩定、良好的耐光漂泊等優異的熒光性能，在水溶液中，CQDs的熒光可以有效地被電子受體或者電子給體所猝滅，CQDs的光引發電子轉移性質可被用于納米探針檢測金屬離子[4]。

本實驗以檸檬酸銨和甘露糖、乳糖、蔗糖等生物質基原料，運用“自下而上”的一步水熱法制備具有良好熒光穩定性和水溶性的藍色熒光CQDs[5-8]，表征其性能，將CQDs初步應用于鉻(Ⅵ)的檢測[9，10]，建立新型熒光檢測[11]方法。

1 主要試劑與儀器

檸檬酸銨、甘露糖、蔗糖、乳糖、醋酸、醋酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉、碳酸氫鈉、醋酸、醋酸鈉、三羥甲基氨基甲烷、1000μg·L-1鉻(Ⅵ)標準溶液、鹽酸，分析純；透析袋(截留分子量1000和3500Da)，以上化學試劑購自國藥集團化學試劑有限公司，未進一步純化；實驗所用水為MilliQ制得的超純水。

X-射線粉末衍射儀DX-2600(丹東浩元儀器公司)；S-4800掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；NEXUS470傅立葉變換紅外光譜儀(美國熱電尼高力儀器公司)；分子熒光分光光度計(美國瓦里安技術有限公司)；真空冷凍干燥器(北京四環科學儀器LGJ-10)等。

2 實驗方法

2.1 CQDs制備方法

稱取0.1802g甘露糖和6.0805g檸檬酸銨于100 mL燒杯中，加入30 mL去離子水攪拌充分溶解，轉移至反應釜中放入180℃的烘箱中恒溫反應4h得到產物；冷卻至室溫后超聲分散1h，高速離心 40 min，截留分子量為3500Da和1000Da的透析袋透析12h得到藍色澄清溶液即為CQDs，緩沖液稀釋配制18.72μg·mL-1的CQDs溶液。選擇碳源確定最佳碳源，以熒光發射強度為考察依據。

2.2 材料表征

X-射線衍射采用銅靶射線(λ=1.5418?)，CQDs溶液冷凍干燥滴鍍成膜，掃描速度為1.8°min-1，測試電壓為30kV，電流20mA，5～80°掃描。紅外表征掃描范圍400～4000 cm-1，分辨率4 cm-1。掃描電鏡觀察CQDs形貌使用硅晶片滴度微量液體樣品冷凍干燥選擇1.0kV電壓(不噴金處理)。CQDs稀釋不同倍數，用熒光分光光度計測得碳量子點的光致發光性能。

2.3 鉻(Ⅵ)的檢測應用

室溫28℃用pH分別為4.0、6.0和7.6的醋酸-醋酸鈉、磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉、Tris-HCl緩沖液溶解CQDs，在440nm發射光下測定CQDs的熒光強度，確定反應pH和熒光猝滅響應時間(t)。CQDs對鉻(Ⅵ)離子濃度檢測時，取最優條件制備的18.72μg·mL-1熒光CQDs溶液，取1 mL CQDs溶液與1 mL相應濃度的鉻(Ⅵ) 離子溶液(均用緩沖液配制)混合室溫反應，用熒光強度檢測建立鉻(Ⅵ) 濃度檢測方法。

3 結果與討論

3.1 CQDs的紫外可見和熒光光譜

CQDs溶液在332nm處有較強紫外特征吸收峰(圖1)，該峰是由C=C骨架組成的共軛雙鍵中的p-p*躍遷吸收所致，峰型較為光滑，且無雜峰[5,6]。用該波長激發CQDs可在440nm處有顯著熒光發射峰；440nm熒光發射對應的最大激發峰在330nm左右。確定332nm為激發波長，440nm為熒光發射波長。不同碳源制備的CQDs熒光性能有差異(圖2)，甘露糖做碳源與檸檬酸銨1∶25，180℃恒溫水熱反應4h，超聲1h，離心 40 min，透析袋中透析12h制得的藍色CQDs溶液熒光發射最強。確定該方法制備的CQDs為應用檢測的熒光探針。

圖1 CQDs的紫外吸收和熒光發射光譜圖

圖2 三種碳源制備的CQDs熒光性能比較

3.2 碳量子點的微觀形貌、結構、組成及物相

紅外圖譜顯示中1637 cm-1處的峰C=C伸縮振動，3450cm-1處的峰表示O-H 和N-H的伸縮振動峰，表明碳量子點表面存在氨基、羥基等基團[5,6,11]，有利于與金屬離子結合(圖3)。X-射線衍射圖反應碳材料的標志峰(圖4)。掃描電子顯微鏡觀察如圖5所示文中制備的CQDs是一種近似球狀的微小顆粒點，尺寸為3～5nm，分散性較好無團聚現象。

圖3 碳點CQDs紅外譜圖

圖4 CQDs 衍射圖

圖5 CQDs掃描電鏡微觀形貌圖

3.3 CQDs熒光探針測定Cr(Ⅵ)的初步優化

室溫下，3種pH體系中CQDs的熒光強度及對鉻的猝滅程度有差異。pH 7.6時，對應的熒光強度并沒有降低，未發生熒光猝滅；pH 6.0時，熒光強度明顯下降，鉻離子可對碳點熒光猝滅。pH 4.0時熒光強度有少量降低，酸性條件下，猝滅程度隨著pH增加，猝滅效果增強。猝滅反應時間30min后基本穩定，CQDs濃度1.8～18.72 μg·mL-1(以碳計) 熒光發射強度呈線性增加趨勢。故pH 6.0體系常溫反應30min，CQDs濃度18.72 μg·mL-1適合鉻(Ⅵ)檢測。

初步檢測應用(圖6)發現，1～10μg·L-1鉻(Ⅵ)離子溶液與等體積18.72 μg·mL-1CQDs混合，pH6.0常溫反應30min，反應穩定，鉻(Ⅵ)對CQDs有不同程度的猝滅效應，鉻(Ⅵ)離子濃度越高，猝滅程度越大。猝滅反應不受Cu2+和Pb2+離子的干擾，可用于探討建立鉻(Ⅵ)離子濃度的新型熒光檢測方法。

圖6 不同鉻(Ⅵ)濃度的CQDs溶液的熒光發射譜圖

4 結論與分析

采用“自下而上”一步水熱法合成的碳量子點具有優良的熒光特性，制備成本低、材料熒光性能穩定，可大規模生產，可作為熒光探針應用于痕量重金屬鉻(Ⅵ)的檢測。該材料在激發波長332 nm，發射波長440 nm 處的熒光發射強度與鉻(Ⅵ)可發生猝滅效應，以此可建立熒光探針快速檢測水中鉻(Ⅵ)離子的方法。