荧光碳点的快速合成及在Hg2+检测中的应用

陈 宽，于淑娟，覃金凤，黄雪梅，韦 愉

（广西师范学院化学与材料科学学院，广西 南宁 530001）

自2004 年Xu[1]首次发现荧光碳点以来，碳点便引起了广泛关注。碳点的出现，使原本非发光的碳材料表现出优异的发光特性，与半导体量子点相比，碳点具有良好的生物相容性、低细胞毒性及稳定的光致发光性质[2-3]，广泛应用于传感器、生物成像、光电器件、光催化、离子检测等领域[4-6]。碳点的合成方法也随着研究的发展不断增多，主要有弧光放电法、激光消蚀法[7-9]、电化学合成法[10-11]、燃烧/热回流法[12-13]、场辅助法等。但这些方法往往用时较长，并且要对碳点进行钝化处理。

近年来，快速增长的城市化和工业化造成的环境污染以及重金属造成的污染越发严重，其中二价汞离子(Hg2+)具有较高的毒性，会引起严重的疾病，对生态环境和人类健康构成严重威胁[14-15]。水生态系统中的重金属离子的检测已成为环境领域的一个重要问题。荧光的检测方法显示出灵敏度高、操作简单和响应时间短等独特优势[16]，已应用于离子检测中。半导体量子点[17]基于荧光的方法已经被报道用于Hg2+的检测，但半导体量子点水溶性差也限制了其在水环境中的实际应用。碳点经表面修饰富含羧基、羟基、氨基等亲水基团，具有较好的水溶性，可应用于水中离子的检测。

本研究以葡萄糖为碳源，双氧水为氧化剂，快速合成了一种荧光碳点。本研究优势在于碳点的制备简单快速，不需要钝化处理，所制备的碳点具有良好的水溶性，在水中重金属离子检测以及生物标记等领域具有潜在的应用价值。

1 实验部分

1.1 原料及试剂

葡萄糖、硝酸铈、硝酸钙、双氧水、乙醇、氢氧化钠、盐酸、硫酸铝、硝酸钾、硫酸锌、硝酸汞（均为分析纯）。硫酸奎宁（生物试剂级）。

1.2 碳点的合成

碳点的合成通过热解法。将1.0g 葡萄糖与0.5g NaOH 混合于50mL 小烧杯中，取2mL 30%的过氧化氢逐滴滴加到混合物上，瞬间放出大量的热，剧烈反应，可观察到白色固体变为棕褐色碳点。待反应恢复室温后，采用8000r·min-1的离心取上层液体在搅拌下缓慢加入到50mL 乙醇溶液中，并搅拌30min 后离心，所得沉淀用20mL 乙醇溶液洗涤3 次后，经3000r·min-1离心除去上清液，所得沉淀溶于少量去离子水，用盐酸调节pH 为中性后，用去离子水定容至10mL 得强荧光碳点溶液，放于密封容器中置于低温、避光、干燥的环境下保存备用。

1.3 碳点应用于离子检测

分别用移液枪移取等量碳点水溶液于若干个10mL 比色管中，并加入若干摩尔浓度的重金属盐溶液，并保证用去离子水稀释至10mL 刻度线时，所得不同种重金属盐[Ce(NO3)2、Al2(SO4)3、KNO3、Ca(NO3)2、ZnSO4、Hg(NO3)2]溶液中，金属离子浓度分别为25.00μM 和50.00μM，并配制一瓶相同浓度碳点溶液作为空白参比溶液。测试荧光强度前应经过震荡并静置12h，使溶液中的碳点与金属离子充分作用之后，用波长为310nm 的光激发测量荧光发射强度。

1.4 碳点量子效率的测定

以硫酸奎宁为基准物，通过公式（1）计算产率。

其中Φu为待测物荧光量子产率；Φs为参比物荧光量子产率；Iu为待测物积分荧光强度；Is为参比物积分荧光强度；Au为待测物吸光度；As为参比物吸光度。测得所合成的荧光碳点量子效率为6.92%。

1.5 碳点的表征

荧光性能测定采用荧光磷光发光分光光度计；红外测定采用傅立叶变换红外（FTIR），溴化钾压片法。

2 结果与讨论

2.1 碳点的光学性能

碳点的发光特性主要表现在光致发光和电化学发光，其中荧光性能是碳点最突出的性能[18]。碳点的荧光激发光谱与发射光谱如图1 所示，其荧光激发波长为310nm，当用310nm 的光激发碳点水溶液时，其荧光发射峰在360nm。插图分别为碳点水溶液在日光下和紫外灯照射下的数码照片，从图1 中可以看到碳点水溶液在日光下呈浅黄色透明状态（a），而在365nm 紫外灯照射下发出明亮的蓝色荧光（b）。当用不同波长的紫外光激发碳点溶液时，发现碳点的荧光发射峰表现出一定的激发波长依赖行为。如图2 所示，当激发波长从280nm 增加到400nm 时，其对应的荧光发射峰也从418nm 红移到475nm，随着激发波长的增大，碳点的发射光谱逐渐红移，这可能是由于碳点粒子间的不同表面状态和不同粒径大小差异所造成的[19]。其最佳荧光激发波长是 310nm, 当激发波长为 310nm 时，得到碳点的最大荧光发射强度。图3 为碳点的上转换荧光图谱，用低能量长波激发出相对高能量的短波荧光，与文献报道相符[20]。

图1 碳点的荧光激发与发射图谱以及碳点溶液在365nm 下的数码照片

图2 不同激发波长下碳点水溶液的荧光谱图

图3 碳点的上转换荧光谱图

2.2 不同pH 值对碳点荧光性能的影响

探索不同pH 值对碳点荧光性质的影响，对于碳点在检测癌细胞方面的应用有一定的指导意义。正常体细胞为中性，生物体内癌细胞微环境为酸性，因此利用碳点荧光强度的变化可以检测癌细胞的位置以及存活状态。测试了碳点在不同pH 值下的荧光强度，结果如图4 所示。从图4 中可以看出，碳点在酸性与碱性条件下的荧光强度均有增强，碱性的增强效果比酸性要明显，但碳点的荧光强度对溶液的pH 值没有明显的依赖性，当pH 值为8 时，碳点的荧光强度最强。这可能是由于碳点表面含有的羧基、羟基在中性条件下易发生氢键缔合作用，碳点聚集使部分荧光淬灭，导致荧光强度不高。在酸性与碱性条件下，碳点发生了去质子化使羟基或羧基带上负电荷，碳点因静电荷相斥而更加分散，导致荧光强度增强。

采用不同碳源与不同方法合成的碳点，可能因碳点表面所含官能团以及官能团的个数不同，对酸碱的反应有所差异，导致碳点受pH 的影响也不同。

图4 碳点在不同pH 值下的荧光强度

2.3 碳点的红外表征

碳点的红外谱图如图5 所示，碳点在3440cm-1有较宽强峰，是典型的聚集态的-OH 伸缩振动吸收峰。2360cm-1处有明显的吸收峰，表明碳点中含不饱和碳键；在1590cm-1处宽峰表明碳点中含有羰基C=O 基团，1120cm-1为C-O 吸收峰，因此，分析该碳点中含有-COOH 和-OH，与其他课题组所报道的碳点具有相似的结构。

图5 碳点的红外谱图

2.4 碳点在离子检测中的应用

基于荧光淬灭机理，我们将碳点用于离子检测，选取了Ce3+、Al3+、K+、Ca2+、Zn2+、Hg2+几种离子，使碳点与离子相互作用，测试其荧光强度，结果如图6 所示。可以看出，荧光碳点的荧光强度随着加入离子浓度的增加均有降低，即金属离子的加入都导致碳点荧光淬灭，但汞离子与碳点作用使碳点荧光猝灭更为明显，其作用机理可能是：碳点表面富含-OH、-COOH、环氧基、C=O 等基团，其均可通过孤对电子与金属离子配位，而Hg2+相对其他金属离子而言有较大的原子半径，更容易与碳点表面的极性基团的O 原子配位结合，而且配位时更容易发生极化和变形，从而导致O-Hg 等键的共价键成分增大，键也更稳定，使Hg2+与碳点作用而发生明显的荧光猝灭现象。由此分析该荧光碳点可应用于水中Hg2+的检测。

图6 25μmol·L-1 和50μmol·L-1 不同种离子与碳点作用后的荧光强度柱形图

3 结论

以葡萄糖为碳源，以一种快速制备碳点的方法合成了一种表面含有羧基、羟基等基团的荧光碳点，该方法简单而且不需对碳点进行钝化即显示较强的荧光性能。碳点有良好的水溶性，量子产率为6.92%，碳点溶液在酸性碱性条件下均有较强的荧光强度，将碳点应用到重金属离子检测中发现Hg2+汞离子对碳点荧光有较明显的淬灭现象，该碳点有望应用到河水中重金属Hg2+的检测，另外在生物标记中也有潜在的应用价值。

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