一種新型具有氧化性的碳點合成與結構表征

黃 娟，陳瑩瑩，王 可，張 坤，聶琪峰，盧東明，趙上昊，劉友勛

（新鄉醫學院 生命科學技術學院，河南 新鄉 453003）

碳點（Carbon dots CDs），又稱碳量子點或碳納米點，是一類新型的具有顯著熒光的碳納米材料，由離散的準球型碳納米粒子組成，其超細尺寸一般小于10 nm[1-2]。近年來，碳量子點作為一種熒光材料，由于具有安全、無毒性及良好的生物相容性，已經引起了廣大科學工作者們極大興趣。碳點由于其出色的光穩定性、良好的生物相容性、低毒性、對目標分析物的高靈敏度和出色的選擇性、可調節的熒光發射和激發、高量子產率和大的斯托克斯位移，而被廣泛應用于光電子學、過渡金屬離子檢測、熒光油墨、光催化、傳感器和細胞成像等領域[3]。與傳統的具有毒性的量子點相比，碳點具有良好的水溶性，綠色環保和制備簡便性等優點成為有效的傳統量子點的替代物。近年來，出現了大量針對目標檢測物使碳量子點熒光淬滅現象的研究，其中包含了不同的淬滅機理，如光誘導電子轉移，共振能量轉移和內濾效應等，利用這些機理可實現熒光碳點對苦味酸、硫胺素、葉酸受體、谷胱甘肽和癌胚抗原等的選擇性檢測[4]。例如，有科學研究者合成了氮摻雜的碳點，在有氧條件下，利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖生成過氧化氫，其與亞鐵離子反應產生羥基自由基，從而使N-CDs 的熒光發生猝滅，以此實現對葡萄糖的檢測[5]。CDs 的合成方法有很多種，如化學氧化、水熱碳化、電化學氧化、燃燒/熱微波加熱和輔助合成、激光燒蝕和熱解[6]。

為了擴大CDs 在更多領域的應用，有必要使其功能多樣化。有文獻報道表明，通過CDs 的表面修飾或摻雜其他原子是使CDs 功能化的2 種常用策略。文獻表明，二價的銅離子有一定的氧化性能[6]。為了提高CDs 的氧化性能，本文通過一步水熱法在反應液中加入銅離子，使合成的CDs 通過表面基團與銅離子結合，獲得銅離子摻雜的CDs，分析其結構特征，驗證合成的CDs 對鄰苯二胺有良好氧化性能，為擴大CDs 的應用領域提供實驗基礎。

1 實驗

1.1 實驗藥品

所有試劑均為分析級，未經進一步純化即按采購使用，二水氯化銅，乙二胺四乙酸二鈉，鄰苯二胺。

1.2 主要儀器

高壓釜，烘箱，純水儀，微孔濾膜，磁力攪拌器，低溫高速離心機，透射電子顯微鏡，傅里葉紅外光譜儀，熒光分光光度計，紫外-可見分光光度計。

1.3 碳點的制備和純化

本實驗采用一步水熱法合成含銅的碳點（Cu，NCDs）和作為對照的不含銅碳點（N-CDs）。首先，將乙二胺四乙酸二鈉溶液（0.1 M）和二水氯化銅溶液（0.1 M）混合，混合液體積為15 ml。然后，將其加入到容量為25ml 的聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓釜中。將以上混合物放在烘箱里，在180 ℃下加熱6 h，待高壓釜冷卻至常溫后取出產液。用0.22 μm 微孔濾膜過濾上層綠色產液，除去沉淀，所得濾液用透析袋（500~1 000 Da）透析24 h，目的是除去濾液中未反應的原料和其他副產物。最后，將透析后的濾液進行冷凍干燥，得到含銅的碳點Cu，N-CDs。在制備對照組的不含銅碳點時，除開在反應混合液中不加二水氯化銅外，其他步驟和上述一致，最后得到不含銅的對照組碳點N-CDs。

1.4 Cu，N-CDs 對鄰苯二胺的氧化和檢測

建立熒光比率法檢測鄰苯二胺標準曲線的具體操作是，先配置終濃度在0~1 mg/L 之間的鄰苯二胺溶液。在1.5 ml 的EP 管中，加入800 μl 的Tris-HCl 緩沖液（pH=7.0），100 μl 的Cu，N-CDs 溶液和100 μl 不同濃度鄰苯二胺溶液。將EP 管置于金屬浴中，50 ℃下反應20 min，在360 nm 激發波長下，用熒光分光光度計進行測定，分別記錄430 nm、560 nm 處的熒光強度值，并計算熒光比值F430/F560。以鄰苯二胺濃度為橫坐標，F430/F560 的比值為縱坐標建立熒光比率法檢測標準曲線，用于鄰苯二胺含量的測定。

2 結果與討論

2.1 樣品表征

用水熱法合成碳點是一種常用方法，通過這個方法制備出對照組碳點N-CDs 的溶液呈現出淺灰色，而制備出含銅的碳點Cu，N-CDs 呈現出淺綠色，如圖1（a）和（b），這種綠色是由于碳點中含有銅離子引起的。而當用紫外光照射Cu，N-CDs 溶液時，從圖1（c）可以看到有藍色的熒光發出，表明成功的制備出帶有熒光的碳點。

圖1 合成碳點的顏色和透射電鏡圖

通過電鏡照對Cu，N-CDs 形態進行了觀察，分別對不同放大倍數的碳點形態進行拍照觀察。如圖1（d）、（e）和（f），從200 nm 標尺的電鏡照片可以看到，有一些碳點形成了聚集塊，可能是部分碳點在高溫中過度焦化聚集而成，而從20 nm 標尺的電鏡照片可以看到很多分散的碳點，進一步從5 nm 標尺的電鏡照片觀察到球形的碳點且具有晶格形態，估計大小在1~10 nm 之間。用激光粒度分析儀進一步分析Cu，N-CDs 的粒徑，圖2 顯示了大部分碳點的粒徑在1~10 nm 之間，少部分碳點的粒徑在100 nm~5 μm 之間，結果和電鏡觀察的結果基本吻合。

圖2 Cu，N-CDs 粒徑大小統計

用紅外光譜表征了Cu，N-CDs 與N-CDs 之間的化學鍵。從紅外光譜圖3（a）看，Cu，N-CDs 與N-CDs 特征吸收峰有一定的差異。Cu，N-CDs 在伸縮振動500-2 000 cm-1范圍內產生很多吸收峰，尤其在860 cm-1處有一個新的特征峰，這是由于Cu，N-CDs 的N-Cu-N 化學鍵的拉伸振動產生的，表明在碳點合成中Cu2+已經整合到了碳點中。從圖3（b）中可以看出Cu，N-CDs 在紫外光260 nm處有一個明顯的吸收峰，而對照的碳點N-CDs 溶液沒有吸收峰，表明2 種碳點在結構上有一定的差異。

圖3 合成碳點的紅外光譜和紫外光譜

由圖4 可知，當用320~420 nm 之間不同波長激發光照射Cu，N-CDs 溶液時，可以看到Cu，N-CDs 的熒光發射波長隨著激發波長的變化而變化，而且強度先增強后減弱，表明Cu，N-CDs 的熒光波長對激發波長有一定的依賴性。同時還可以觀察到當激發波長為360 nm 時，Cu，N-CDs 在430 nm 處有最大發射波長，所以后續的熒光實驗中選用360 nm 作為最佳激發波長。

圖4 不同激發波長光照射Cu,N-CDs 的熒光光譜變化

2.2 鄰苯二胺的氧化和檢測

如圖5（a）所示，在pH7.0 的緩沖液中，Cu，N-CDs能將無色的鄰苯二胺轉化成黃色的產物，該產物在360 nm 波長的紫外光激發下能在560 nm 處產生黃色熒光，結果表明Cu，N-CDs 具有氧化活性。在該反應體系中，隨著鄰苯二胺濃度增加，其氧化產物量的也會增加，如圖5（b）所示，使得熒光F560 值增強。另一方面，氧化產物對Cu，N-CDs 在430 nm 的藍色熒光有內濾作用導致其F430 減弱，最終顯示為F560/F430 的熒光強度比值逐漸增大。以鄰苯二胺濃度為橫坐標，F430/F560 的比值為縱坐標建立熒光比率法檢測標準曲線，可用于鄰苯二胺含量的測定，構建成一套熒光檢測體系。如圖6 所示，當鄰苯二胺濃度在0~1 mg/L 范圍時，經過線性擬合后，發現鄰苯二胺濃度和F430/F560 比值存在良好的線性關系，其線性方程為y=0.827 6x+0.181 5，R2=0.996 3，檢測限約為0.12 mg/L。

圖5 Cu，N-CDs 氧化的鄰苯二胺

圖6 鄰苯二胺被Cu，N-CDs 氧化后的F560/ F430 熒光比值和濃度間的線性擬合

3 結論

總之，本文通過簡單的一步水熱法成功地合成了含有銅離子的碳點（Cu，N-CDs）。在pH7.0 的緩沖液中，Cu，N-CDs 能將無色的鄰苯二胺氧化成黃色的產物，證實了其具有氧化性，并且發現鄰苯二胺濃度和F430/F560 熒光比值存在良好的線性關系，可用于鄰苯二胺含量的測定，本實驗結果為進一步擴大碳點的應用領域提供了實踐基礎。