微波綠色合成N,S共摻雜碳點及其在Fe3+檢測和溫度傳感方面的應用

陳文靜,伍賢學,吳云英,李亮星,肖 群，雷 旭,羅 義,鄢林瓊,謝建新

(玉溪師范學院化學生物與環境學院，云南 玉溪 653100)

0 引 言

碳點（carbon dots,CDs），是一種新興的碳納米發光材料，其粒徑一般小于10 nm[1]。相比傳統的熒光半導體量子點，碳點具有低毒、生物相容性高、抗光漂白、穩定性好、水溶性好、環保等特點，廣泛應用于生物成像[1]、光催化[2]、光電器件[3]和傳感[4]等方面。目前碳點的合成方法主要分為兩類：自上而下法，以體積較大的碳材料為碳源，剝落為碳點，如激光消融法[5]，電化學合成法[6]，化學氧化法[7]等；自下而上法，以體積較小的碳材料為碳源進行表面修飾，如水熱法[8]，微波法[9-10]，溶劑熱法[11]等。由于微波電磁輻射加熱均勻，反應時間短，操作簡單，微波法已成為最常用的一種碳點合成方法。摻雜雜原子可以改變碳點的電子密度和電子遷移速率，產生更多的活性位點，提高了熒光量子產率和檢測靈敏度[12]。天然產物含有豐富N、S等雜原子，可以不用額外添加含N、S的化合物，一步合成N,S摻雜的碳點[13-14]，發展以天然產物為碳源合成含雜原子的碳點有重要的探索意義。Fe3+是人體必需的微量元素，缺乏會導致貧血等疾病，過量又會損傷腎臟和肝臟[15]。同時溫度影響細胞內大多數的生化反應中酶的催化活性及動力學進程[16]，因此制備低毒、生物兼容性高、Fe3+的高靈敏檢測和溫度傳感的熒光探針有著重要的意義。

本文以韭菜為碳源，采用微波法一步綠色合成了N,S共摻雜的熒光碳點，采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、紫外-可見光吸收光譜(UV-Vis)對制備的碳點進行了表征，發現所得到的碳點粒徑均勻，水溶性好，性質穩定?；谥苽涞奶键c對Fe3+和溫度的高靈敏度響應，可用于制備Fe3+檢測的熒光探針和納米溫度計。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

韭菜購自當地的菜市場，鐵的標準溶液購自壇墨質檢-標準物質中心。HNO3、Na2HPO4、NaH2PO4、Cr(NO3)3、CdSO4、NaCl等無機金屬鹽均購自西隴化工股份有限公司，所有試劑均為分析純，實驗用水為超純水。

UV-2550紫外可見分光光度計（日本島津）；F-7000日立熒光光譜儀（日本日立）；IR960傅立葉變換紅外光譜儀（日本島津）；JEOLJEM-2010高倍透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）；250XiX射線光電子能譜（賽默飛）。

1.2 N,S共摻雜碳點的制備

取50 g韭菜，洗凈，剪碎，加入20 mL超純水后榨汁。過濾，將濾液放置于500 mL燒杯中，于微波爐中用高火微波25 min后，溶液變為深棕色固體，則反應完全。然后加入20 mL超純水溶解，離心除去未反應的物質，用0.22 μm微孔的濾膜過濾，再用透析袋（MW1000D）透析48 h，真空干燥得棕黃色粉末。

1.3 Fe3+的檢測

移取100 μL制備的碳點水溶液于比色皿中，依次向其中加入一定體積一定濃度的Fe3+溶液，用PBS緩沖溶液(10 mmol/L，pH=5)定容至2 mL，搖勻后測其熒光光譜，激發波長為333 nm。

1.4 N,S共摻雜碳點溫敏性測定

為了探究所制備的N,S共摻雜碳點的溫敏性，在20～55 ℃的范圍內，測定所制備的碳點在不同的溫度下的熒光光譜。

2 結果與討論

2.1 碳點的表征

由CDs的透射電鏡圖如圖1（a）和粒徑分布圖如圖1（b）可知，制備的碳點呈球狀，在水溶液中分散性好，粒徑大小均勻，粒徑分布范圍為2.0～5.0 nm，平均粒徑為3.0 nm。

圖1 CDs的形貌表征

采用X射線光電子能譜（XPS）表征了制備的碳點的原子含量及官能團。如圖2所示，所合成的CDs主要由C、O、N這3種元素組成，其含量分別為：69.02%，26.61%，4.09%，除此之外還含有少量的S元素（0.27%）。在CDs的C1s圖上有4個峰值，結合能分別為284.6 eV，286.1 eV，287.6 eV，288.6 eV。表明以韭菜為碳源所合成的CDs表面存在C=C、CC、C-H，C-OH、C-O-C，C=O，O-C=O等基團。在CDs的O1s圖上有2個峰值，結合能分別為531 eV和532.4 eV，表明所合成的CDs表面存在C=O，CO-C、C-OH等基團。在CDs的N1s圖上有2個峰值，結合能分別為399.6 eV，400.2 eV，表明在CDs表面含有 C-N-C，N-(C)3等基團[17]。

圖2 CDs的X射線光電子能譜

CDs和韭菜的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR）如圖3所示。由圖可知，以韭菜為碳源微波法合成的CDs的紅外光譜圖與韭菜的紅外光譜圖有明顯的差異。 CDs的FT-IR圖上3 414 cm-1、2 937 cm-1、1 609 cm-1、1 385 cm-1、1 073 cm-1，分別對應為-OH或-COOH、C-H、C=O、C-N、C-O或 C-O-C的特征吸收峰，由FT-IR數據和XPS表征可知，合成的碳點表面富含親水基團，因此制備的碳點具有良好的水溶性和分散性。

圖3 CDs和韭菜的傅里葉變換紅外光譜圖

2.2 CDs的熒光性能

CDs的紫外可見吸收光譜如圖4(a)所示，在250～300 nm范圍內具有明顯的紫外吸收，這是由CDs中的 C=C的 π-π*躍遷導致的，所制備的 CDs在365 nm紫外燈照射下發明亮的藍色熒光。如圖4（b）所示，當激發波長由325 nm遞增到445 nm時，CDs的熒光強度先增大后減小，并發生紅移。當激發波長為333 nm時，CDs發射峰在415 nm處熒光強度最強。這與所報道的大多數碳點類似，以韭菜為碳源制備的CDs表現出了激發波長依賴性的特征，這可能是因為所制備的CDs的粒徑范圍比較寬引起的。

圖4 CDs的熒光性能

2.3 CDs對Fe3+的特異性檢測

在CDs的水溶液中加入1 mmol/L的常見金屬離 子 如 Fe3+,Mg2+,Mn2+,Pb2+，Ca2+,Cd2+,Ag+，Cr3+，Co2+，Al3+，Zn2+，在激發波長 λex為 333 nm 時，比較發射波長λem為415 nm時CDs的熒光強度的變化。由圖5（a）可知，加入Fe3+后CDs熒光猝滅明顯，其他金屬離子對CDs的熒光強度影響不明顯，這說明制備的CDs對Fe3+有較高的選擇性，可作為檢測水溶液中Fe3+的熒光探針。由圖5(a)可知，在其他金屬離子共存時，Fe3+對CDs熒光猝滅效果幾乎不受影響，說明制備的熒光探針抗干擾能力較強。對CDs檢測Fe3+的實驗條件進行了優化，在不同pH值下 (3～12)，測定了添加和不添加 50 μmol/L Fe3+時CDs的熒光強度。由圖5（b）可知，在pH為5時，ΔF最大（ΔF=F0-F,F0為未添加Fe3+CDs的熒光強度，F為添加Fe3+后CDs的熒光強度），說明pH為5時，猝滅效果最好，后續實驗選擇在10 mmol/L的磷酸緩沖溶液(pH=5)中進行。

圖5 CDs對Fe3+的選擇性及檢測條件優化

如圖6（a）所示，隨著 Fe3+濃度的升高，CDs熒光強度逐漸降低，可能是碳點表面的官能團（-OH,-COOH,-NH2等）和Fe3+之間發生了絡合反應。當Fe3+濃度在5～300 μmol/L的范圍內，熒光強度的比值F/F0(F為加不同濃度Fe3+后碳點的熒光強度，F0為空白值)與鐵離子的濃度CFe3+呈現良好的線性關系，如圖6（b）所示，線性方程為F/F0=0.959 57-0.001 91CFe3+，相關系數R=0.993 0，根據 3δ/S(δ為11次空白樣的標準偏差，S為線性方程的斜率)計算該法檢測限可達4.0 μmol/L。結果表明所制備的碳點用于Fe3+的檢測有較高的靈敏度和抗干擾能力，與之前的報道相比較[15]，該方法的檢測范圍較寬，制備方法簡單，材料易得，可用于檢測血清或環境水樣中Fe3+含量。

圖6 CDs對Fe3+的特異性檢測

2.4 N,S共摻雜碳點作為“turn-off”納米溫度計

考察了不同溫度下(20～55 ℃)的CDs的熒光發射光譜，如圖7（a）所示，碳點在低溫下發光強度較強，隨著溫度的升高，熒光強度逐漸降低，但峰位置和峰形沒有改變，這可能是因為隨著溫度的升高，粒子振動增加，CDs發生了聚集導致了熒光的猝滅。由圖7(b)可知，在20～55 ℃范圍內，熒光強度與溫度呈現較好的線性關系，線性方程為F=7 628.89-39.02T，相關系數為R=0.995 7。由于生理溫度范圍包含在這個范圍內，因此CDs具有制備“turn-off”納米溫度計用于生物體內溫度傳感的潛在應用價值。

圖7 CDs作為“turn-off”納米溫度計

3 結束語

以韭菜為前驅體，采用微波法一步綠色合成了粒徑均勻、分散性好的水溶性N,S共摻雜碳點。所合成的碳點表面富含-C=O,-C-N,-C-OH等官能團，Fe3+對其有明顯的熒光猝滅現象。基于此可用于Fe3+的檢測，該方法對Fe3+具有特異選擇性且靈敏度高，抗干擾能力強，檢測范圍寬（5～300 μmol/L）等優點?；跓晒鈴姸染哂袦囟纫蕾囆?，且生理溫度范圍包含在此響應溫度范圍內（20～55 ℃），可制備細胞納米溫度計用于溫度傳感。