基于氮摻雜熒光碳量子點(diǎn)探針的制備及其應(yīng)用*

馮李樂(lè)，白春花，郭亞甜，趙 瑞，黃夢(mèng)雨，尹怡玲，胡婭琪,2，秦 蓓,2，張 博,2**

(1.西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西安醫(yī)學(xué)院 藥物研究所，陜西 西安 710021)

熒光碳量子點(diǎn)(carbon quantum dots，CQDs)是一種新型的準(zhǔn)球形碳納米材料[1-2]，水溶液中單分散性好、光學(xué)性能穩(wěn)定、表面具有豐富的官能團(tuán)、易于修飾并且無(wú)毒性，近幾年來(lái)受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注，并逐步在細(xì)胞成像、重金屬離子檢測(cè)、有機(jī)小分子分析、pH值監(jiān)測(cè)等方面得以應(yīng)用。然而熒光強(qiáng)度和選擇性還不足，不同學(xué)者開(kāi)展了N、S、P等元素的摻雜，旨在提高量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，并優(yōu)化其選擇性，已經(jīng)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[3-8]。汞離子(Hg2+)是當(dāng)今最重要的污染物之一，對(duì)環(huán)境水質(zhì)的污染危害人類(lèi)生命健康。汞離子通過(guò)生物鏈轉(zhuǎn)移很容易在植物體中富集，并通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移至人體內(nèi)循環(huán)。由于汞離子在生物體內(nèi)具有不可降解和毒性，即使低濃度的汞離子也會(huì)對(duì)人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等造成嚴(yán)重?fù)p害[9-10]，因此，開(kāi)發(fā)方便、快捷、低成本的Hg2+檢測(cè)方法評(píng)價(jià)水質(zhì)尤為重要。目前采用的電化學(xué)分析法、原子吸收分光光度法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等[11-15]方法，還存在重現(xiàn)性差、設(shè)備昂貴、需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)操作人員等缺陷，迫切需要開(kāi)發(fā)一種操作便捷、設(shè)備簡(jiǎn)單、靈敏度高的檢測(cè)新方法。

實(shí)驗(yàn)以檸檬酸為碳源、乙二胺為氮源，采用水熱法一步成功合成了氮摻雜熒光碳量子點(diǎn)(Nitrogen-doped fluorescent carbon quantum dots，N-CQDs)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該熒光碳量子點(diǎn)探針為準(zhǔn)球形納米材料，平均粒徑2.3 nm，表面具有羧基、氨基、羥基等多種官能團(tuán)，發(fā)光性能良好，熒光性質(zhì)穩(wěn)定，并且對(duì)Hg2+有明顯的選擇性猝滅作用，在0.1～30.0 μmol/L線性關(guān)系良好，檢出限為0.02 μmol/L，可為環(huán)境水樣中汞離子(Hg2+)的檢測(cè)分析提供良好的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

檸檬酸(Citric Acid，CA)、乙二胺(Ethylenediamine，EDA)：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、氯化鈉、氯化鉀：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；氯化汞：貴州省銅仁化工研究所；五水合硫酸銅：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硝酸鉻、氯化鋅、硝酸鉛、硝酸鎂、硝酸鎘、氯化鈣：天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；以上均為分析純；去離子水：實(shí)驗(yàn)室自制；透析袋：500 Da，西安優(yōu)博生物科技有限公司。

鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9245A，真空干燥箱：DZF-6050，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；熒光分光光度計(jì)：F-4600，日本株式會(huì)社日立高新技術(shù)科學(xué)那珂事業(yè)所；傅里葉變換紅外光譜儀：TENSOR27，德國(guó)布魯克公司；紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：Cary60，美國(guó)安捷倫科技有限公司；冷凍干燥機(jī)：LAB-1C-50，上海甄明科學(xué)儀器有限公司；電子天平：SQP，賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司。

1.2 N-CQDs的合成

稱(chēng)取4.0 g檸檬酸溶于40 mL去離子水中，隨后加入2.0 mL乙二胺，攪拌溶解，充分混勻后轉(zhuǎn)移至100 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜，擰緊密封，放入鼓風(fēng)干燥箱中200 ℃反應(yīng)3 h，反應(yīng)結(jié)束后，使反應(yīng)溶液自然冷卻至50 ℃以下再取出。用去離子水為外透析液，500 Da規(guī)格透析袋透析24 h，每隔1 h換一次去離子水，得到黃色透明澄清N-CQDs內(nèi)透析液。內(nèi)透析液置于培養(yǎng)皿中，厚度約5 mm，凍冰后再真空冷凍干燥，即得N-CQDs棕色粉末，于冰箱冷凍保存。

1.3 水樣的收集和處理

隨機(jī)取當(dāng)?shù)劐焙铀⒑妥詠?lái)水。將收集的3種水樣分別用0.22 μm水膜過(guò)濾，得到的濾液轉(zhuǎn)移至棕色樣品瓶中，4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 Hg2+的檢測(cè)

配制1.0 mg/mL的N-CQDs溶液備用。精密吸取量子點(diǎn)溶液30 μL，加入5 mL去離子水稀釋?zhuān)偌尤氩煌瑵舛鹊墓x子溶液，最后用去離子水定容至10 mL，搖勻，在室溫下反應(yīng)45 min，以342 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，442 nm為熒光波長(zhǎng)，激發(fā)和發(fā)射狹縫均設(shè)置為5 nm，記錄反應(yīng)體系的熒光強(qiáng)度，分別以F0/F為縱坐標(biāo)，Hg2+濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并分析結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 N-CQDs合成條件的優(yōu)化

2.1.1 檸檬酸與乙二胺摻雜比例的考察

摻雜的比例對(duì)量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度有很大影響，以檸檬酸為碳源，乙二胺為氮源，設(shè)定反應(yīng)溫度為200 ℃，反應(yīng)時(shí)間為8 h，固定檸檬酸用量為2.0 g，改變乙二胺用量來(lái)衡量摻雜的比例，見(jiàn)圖1。

乙二胺/mL

由圖1可知，隨著乙二胺比例的增加，N-CQDs的熒光強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，當(dāng)體積增加到1.0～2.5 mL時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大并且穩(wěn)定，表明這個(gè)摻雜范圍制備的材料光學(xué)性能較為穩(wěn)定。所以選擇m(檸檬酸)∶m(乙二胺)(簡(jiǎn)稱(chēng)料液比)=2∶1 g/mL為最佳反應(yīng)比例。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間的考察

固定料液比為2∶1，反應(yīng)溫度為200 ℃的條件下，探究不同合成時(shí)間1、2、3、4、8、12 h分別對(duì)材料光學(xué)性能的影響，見(jiàn)圖2。

t/h

由圖2可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度急劇增加，此時(shí)碳源和氮源初始濃度大，合成量子點(diǎn)迅速，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 h時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，熒光強(qiáng)度反而會(huì)逐漸減小，表明時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并不能提高合成材料的量，反而會(huì)增加碳化和團(tuán)聚，降低光學(xué)性能。因此選擇3 h為最佳反應(yīng)時(shí)間。

2.1.3 反應(yīng)溫度的考察

溫度直接決定了材料是否能夠合成，固定料液比為2∶1，反應(yīng)3 h條件下，考察不同反應(yīng)溫度下量子點(diǎn)合成的效果，見(jiàn)圖3。

t/℃

由圖3可知，在低于120 ℃材料熒光強(qiáng)度非常弱，說(shuō)明溫度低于120 ℃基本不合成量子點(diǎn)，隨著反應(yīng)溫度的進(jìn)一步升高，生成了大量N-CQDs并且熒光強(qiáng)度也在增加，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大，溫度繼續(xù)升高，熒光強(qiáng)度反而快速降低，說(shuō)明過(guò)高的實(shí)驗(yàn)溫度，并不理想，因?yàn)檫^(guò)高的實(shí)驗(yàn)溫度反而破壞材料的納米結(jié)構(gòu)，影響光學(xué)性能。因此確定200 ℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.2 N-CQDs表征

2.2.1 N-CQDs的形貌表征

制備所得碳量子點(diǎn)為棕色固體粉末，超聲分散于去離子水中，滴加到銅網(wǎng)上，干燥后在高分辨率透射電子顯微鏡(TEM)下觀察N-CQDs的形貌，結(jié)果顯示，合成的N-CQDs為準(zhǔn)球形，無(wú)團(tuán)聚且分散性良好，粒徑分布較為均勻，平均粒徑為2.3 nm，見(jiàn)圖4。

圖4 N-CQDs的TEM圖

2.2.2 N-CQDs的紫外光譜

λ/nm

2.2.3 N-CQDs的紅外光譜

N-CQDs的紅外吸收光譜見(jiàn)圖6。

σ/cm-1

2.3 N-CQDs的光學(xué)性質(zhì)

2.3.1 N-CQDs的熒光光譜

采用熒光分光光度法(MFS)對(duì)N-CQDs進(jìn)行光譜性能探究。從上述碳量子點(diǎn)的紫外吸收光譜中可以得出N-CQDs在339 nm處有一個(gè)明顯的吸收峰。該吸收峰是由于碳點(diǎn)表面活性狀態(tài)對(duì)激發(fā)態(tài)能量的捕獲吸收，使N-CQDs能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的熒。通過(guò)對(duì)光譜分析，N-CQDs的最大發(fā)射波長(zhǎng)在約442 nm，相對(duì)應(yīng)的激發(fā)波長(zhǎng)在約342 nm處，與其紫外吸收峰基本相符，見(jiàn)圖7。

λ/nm

2.3.2 N-CQDs的光譜依賴(lài)性

當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)由300 nm逐漸增加到390 nm時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出先升后降的現(xiàn)象，并在激發(fā)波長(zhǎng)340 nm時(shí)熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值。激發(fā)波長(zhǎng)逐漸增加的過(guò)程中，熒光光譜總體位置發(fā)生了約25 nm的紅移，說(shuō)明合成量子點(diǎn)探針的熒光光譜具有激發(fā)光依賴(lài)性，符合摻雜碳量子點(diǎn)的激發(fā)光依賴(lài)性特征，見(jiàn)圖8。

λ/nm

2.3.3 N-CQDs的穩(wěn)定性

取1.0 mg/mL的N-CQDs溶液300 μL，用去離子水定容至100 mL，在室溫放置1個(gè)月，每天測(cè)定熒光強(qiáng)度，并計(jì)算RSD為2.03%，顯示N-CQDs具有很好的熒光穩(wěn)定性。

2.3.4 N-CQDs的抗漂白性

取1.0 mg/mL的N-CQDs溶液30 μL，用去離子水定容至10 mL，倒入熒光比色皿中，將比色皿放置熒光分光光度計(jì)中8 h，每間隔1 h測(cè)定熒光強(qiáng)度并計(jì)算RSD為0.52%，結(jié)果表明N-CQDs具有很好的抗漂白性。

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.4.1 pH值的考察

由于不同pH值溶劑體系會(huì)影響N-CQDs的熒光強(qiáng)度，所以考察了磷酸鹽緩沖體系pH=2～12對(duì)N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖9。

pH

由圖9可知，pH=5～10，量子點(diǎn)探針的熒光強(qiáng)度基本不發(fā)生變化，表明pH=5～10的酸堿度，碳納米材料具有很好的熒光穩(wěn)定性，結(jié)合待測(cè)離子，綜合考慮，選擇去離子水作為反應(yīng)體系。

2.4.2 猝滅反應(yīng)時(shí)間動(dòng)力學(xué)

取10 mL潔凈容量瓶7個(gè)，編號(hào)0～7，分別加入30 μL的N-CQDs溶液(1.0 mg/mL)，先用5 mL去離子水稀釋?zhuān)傧?～7號(hào)容量瓶中加入終濃度為10 μmol/L的汞離子，在0～120 min不同時(shí)間間隔檢測(cè)N-CQDs反應(yīng)體系的熒光強(qiáng)度，見(jiàn)圖10。

由圖10可知，加入Hg2+后熒光強(qiáng)度會(huì)急劇猝滅，之后逐漸減小，在45 min前后熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，說(shuō)明N-CQDs～Hg2+體系猝滅反應(yīng)基本完成，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，所以后續(xù)研究均選定45 min為猝滅反應(yīng)時(shí)間。

淬滅反應(yīng)時(shí)間/min

2.4.3 汞離子對(duì)N-CQDs熒光光譜的影響

取10 mL潔凈容量瓶，向其中加入30 μL的N-CQDs溶液(1.0 mg/mL)，先用5 mL去離子水稀釋后再加入不同濃度的Hg2+溶液，最后用去離子水定容并反應(yīng)45 min。測(cè)量反應(yīng)體系的熒光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)Hg2+對(duì)N-CQDs有明顯的熒光猝滅，隨著Hg2+濃度不斷增加，N-CQDs的熒光強(qiáng)度不斷減小。根據(jù)Stern-Volmer方程繪制熒光猝滅曲線，可以看出Hg2+溶液濃度在0.1～30.0 μmol/L，熒光猝滅程度(F0/F)與不同濃度Hg2+之間具有良好的線性關(guān)系，線性方程為y=0.111 2x+ 0.996 1，相關(guān)系數(shù)r=0.998 4，見(jiàn)圖11～圖12。

λ/nm

c(Hg2+)/(μmol·L-1)

2.5 N-CQDs選擇性實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)其他金屬離子對(duì)該量子點(diǎn)探針的干擾，選擇了常見(jiàn)8種金屬離子來(lái)考察選擇性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下只有Hg2+可以發(fā)生有效地?zé)晒忖绗F(xiàn)象，而其他金屬離子基本沒(méi)有響應(yīng)，說(shuō)明制備的N-CQDs對(duì)Hg2+選擇性良好，見(jiàn)圖13。

圖13 不同金屬離子(10 μM)對(duì)N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響

2.6 反應(yīng)機(jī)理探究

熒光猝滅過(guò)程有2種方式，靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅。靜態(tài)猝滅是指猝滅劑與基態(tài)熒光物質(zhì)形成不發(fā)光配合物來(lái)降低熒光強(qiáng)度的過(guò)程，符合Lineweaver-Burk方程，熒光物質(zhì)的紫外吸收光譜發(fā)生了變化，隨著溫度的升高，配合物的穩(wěn)定性降低，猝滅常數(shù)降低。動(dòng)態(tài)猝滅是猝滅劑與熒光物質(zhì)激發(fā)態(tài)發(fā)生碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低的過(guò)程，符合Stern-Volmer方程，熒光物質(zhì)的紫外吸收光譜基本保持不變，動(dòng)態(tài)猝滅過(guò)程與擴(kuò)散有關(guān)，猝滅常數(shù)隨溫度升高而增大。

λ/nm

因此，采用紫外-可見(jiàn)分光光度法掃描反應(yīng)體系前后的紫外吸收光譜，結(jié)果顯示，加入Hg2+(10.0 μmol/L)前后，空白碳量子點(diǎn)探針溶液和反應(yīng)液的紫外吸收光譜形狀沒(méi)有變化，基本重合，可以判斷檢測(cè)Hg2+的熒光猝滅過(guò)程主要為動(dòng)態(tài)猝滅。

2.7 實(shí)際樣品的檢測(cè)

為驗(yàn)證該方法的實(shí)用性，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，將該分析方法用于當(dāng)?shù)劐焙铀⒑妥詠?lái)水中Hg2+的檢測(cè)。取3種預(yù)處理好的環(huán)境水樣，分別加入終濃度為5、20、40 μmol/L的Hg2+，按照1.4方法測(cè)定。測(cè)定結(jié)果顯示，灞河水、湖水和自來(lái)水并未檢出Hg2+，而三者加標(biāo)回收率為89.73%～98.80%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.15%～4.01%，說(shuō)明該方法可用于實(shí)際環(huán)境水樣中Hg2+的檢測(cè)分析，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)際環(huán)境水樣的加標(biāo)回收分析

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)以檸檬酸為碳源、乙二胺為氮源，采用水熱法一步成功合成氮摻雜熒光碳量子點(diǎn)探針(N-CQDs)，該碳納米材料為準(zhǔn)球形，平均粒徑2.3 nm，表面存在大量的羥基、氨基、羧基等親水性基團(tuán)。該材料具有激發(fā)光依賴(lài)性，在激發(fā)波長(zhǎng)342 nm，熒光波長(zhǎng)442 nm時(shí)具有良好的發(fā)光強(qiáng)度，而Hg2+對(duì)N-CQDs具有高選擇性猝滅，依此建立環(huán)境水樣中Hg2+檢測(cè)新方法。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，Hg2+在0.1～30.0 μmol/L內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，最低檢出限為0.02 μmol/L。該納米材料制備方便、熒光強(qiáng)度大、水溶性好，檢測(cè)方法快捷、成本低、靈敏度高，可作為一種環(huán)境水樣中Hg2+檢測(cè)的新方法。