青柿子粗提物简易制备荧光碳点及对Fe3+的检测

韩 雍，汪 慧，宋 曦，雒雪丽

(1.陇东学院 农林科技学院，甘肃 庆阳 745000；2.西北农林科技大学 食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100)

碳点(Carbon dots，CDs)是具有三维尺寸的粒径为10nm左右的类球形碳纳米材料，于2004年由Xu等[1]在剥离碳纳米管时发现，2006年由孙亚平教授以CDs命名[2]。CDs作为一种以碳元素为主体的新型荧光纳米材料，具有良好的水溶性，与传统的半导体量子点和荧光染料相比，具有毒性小、生物相容性好、化学惰性好、光稳定性优异，以及具备荧光可调性，易于实现表面功能化，抗光漂白能力较强，原材料来源丰富且价格低等优势[3]。其应用领域非常广泛，包括细胞成像[4]、生物标记[5]、分析监测[6]、药物传递[7]、光电转换[8]以及催化[9]等领域。CDs的制备方法分为自上而下(Top-down)法(如激光剥蚀法)以及自下而上(Bottom-up)法(如水热法[10])。水热法简单可靠，便于操作，成为主流的CDs制备方法。CDs应用的关键在于其对目标结合物的高度特异性，因此对CDs表面官能团的设计引起研究者的关注。理论上，CDs制备只要有碳元素存在即可，因此很多含碳元素的自然物被用于制备CDs[11-13]。由于植物提取物中含有各种生物活性物质，如酸性成分(鞣质、多酚类、类黄酮、柠檬酸、酒石酸和抗坏血酸)、碱性成分(生物碱)和中性成分(碳水化合物)，因此其在纳米颗粒合成中很有吸引力。当植物提取物用于CDs的合成时，合成动力学有时取决于特定萃取物中存在的植物成分。提取的植物成分不仅决定了碳点的表面官能团，还直接影响材料的反应特性。柿子是北方常见水果，由于未成熟柿子中含有大量单宁，而单宁对铁离子具有一定的识别能力[14]，可利用青柿子作为碳源进行CDs制备，并用于铁离子检测。本实验以青柿子粗提物为碳源，通过水热法制备碳点并对其进行表征分析，依据所制备碳点的表面官能团特性评价了其对Fe3+的检测性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

青柿子(Persimmon)采于西北农林科技大学校园内柿树，选择半熟状态的青柿子作为试验材料。氨水溶液(25%)、乙腈、乙醇、二甲亚砜(DMSO)、硝酸铝、硝酸钙、硝酸银、氯化钠、硝酸镁、硫酸锰、硫酸锌、硫酸钴、氯化铁、氢氧化钠、硫酸(98%)、盐酸等均为市售分析纯，购于国药集团化学试剂公司。利用氨水溶液调节柿子提取物的pH值。实验用水为去离子水(DW)。

1.2 实验方法

1.2.1碳点制备称取50 g青柿子，切碎研细，放入烧杯中，添加100 mL水，30 ℃超声处理20 min后，利用纱布过滤去除未研细的青柿子，滤液再经滤纸过滤即得青柿子提取液。将青柿子提取液加入100 mL聚四氟乙烯内衬水热合成釜中，置于高温烘箱以180 ℃水热反应2 h获得褐色溶液，产物经10 000 r/min离心后，取上清液过0.22 μm滤膜，即得淡褐色青柿子碳点(Persimmon-CDs，PM-CDs)溶液。该溶液在365 nm紫外灯下显示蓝色荧光，以此为储备液于低温保存。

1.2.2碳点表征利用场发射透射电子显微镜(JEOL-S4800，FESEM,日本JEOL)获得碳点的透射电子显微镜(TEM)形貌图。利用X射线衍射仪(D8 ADVANCE，德国Bruker Corp)获得X射线衍射(XRD)图。使用配有Al-KαX-ray射线源(1 486.6 eV)的X-ray 光电子能谱仪(Axis Ultra DLD，英国Kratos)进行X-ray光电子能谱(XPS)数据收集。利用分光光度计(UV-Vis 2500，日本Shimadzu)对紫外吸收光谱进行表征。利用傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪(Vetex 70，德国Bruker Corp)确定CDs的主要活性基团。通过荧光光谱仪(LS-55，美国Perkine-Elmer)获得荧光光谱(FL)，其激发和发射缝隙宽度设为5 nm。在365 nm激发波长下，记录300～600 nm范围内的发射光谱。所有荧光测量均重复3次。IBM Origin 9.0软件用于数据处理和作图。

1.2.3Fe3+检测以PM-CDs的荧光表征结果为依据，确定最佳Fe3+猝灭荧光体系，配制浓度梯度为0～50 μmol/L的Fe3+溶液，对其进行荧光猝灭检测，以荧光猝灭量为检测指标，通过Stern-Volmer猝灭方程进行数据拟合，建立Fe3+浓度与荧光强度的标准方程:F0/F=1+Ksv[Q]。式中:F0和F分别为碳点在加入目标分析物前后的荧光强度；Ksv为荧光猝灭结合常数；[Q]为目标分析物的浓度。

为评价PM-CDs的选择性，取1 mL 0.01 mol/L的不同金属离子分别加至2 mL PM-CDs中，在优化检测条件下，观察不同金属离子的荧光猝灭效果，评价不同离子对该碳点检测Fe3+的干扰情况。

2 结果与讨论

2.1 PM-CDs的表征

因青柿子碳源成分复杂，激发光对PM-CDs的荧光发射强度可能存在较大影响，如图1G所示，在波长285～500 nm范围内，随着激发波长的增大，PM-CDs的荧光发射峰发生明显红移，而荧光强度呈先升高后降低的趋势，当激发波长为365 nm时，荧光强度最大，发射波长为445 nm。试验表明PM-CDs发射光具有明显的依赖激发波长的荧光特性，主要原因可能是碳点粒径不均匀，粒径分布范围宽，对激发能量的吸收和释放途径存在差异，导致荧光发射波长发生明显改变；另一方面可能是该碳点的碳源纯化不彻底，碳点的官能团成分相对复杂，导致碳点荧光发射中心受其他化学基团的影响严重。该碳点在不同pH值条件下的荧光发射峰位置保持一定，但荧光强度随pH值变化发生相应改变(图1H)。在pH 3.0～5.0范围内荧光强度迅速增大，在pH 5.0～11.0范围内荧光强度变化不明显，具有相对稳定的荧光发射强度，且荧光强度较高，但pH值大于11.0后，荧光强度明显降低(图1H插图)。在pH 5.0～11.0 范围的高荧光强度和稳定性说明该碳点具有比较优异的环境适应能力，这可能是由于柿子中的活性基团较多，尤其—COOH和—NH2的含量较多，在溶液体系中的缓冲能力较强所致。

2.2 Fe3+检测

根据荧光猝灭原理，在预试验基础上，利用制备的PM-CDs对Fe3+进行检测，将不同浓度的Fe3+添加到经预试验优化稀释的PM-CDs溶液中，以荧光猝灭强度为指标，建立Fe3+的荧光检测标准曲线。结果表明，在一定浓度范围内，随着Fe3+浓度的升高，PM-CDs的荧光强度逐渐降低。在0.45～50 μmol/L范围内，Fe3+浓度(x，μmol/L)与PM-CDs的荧光猝灭强度(y，y=F0/F-1)呈较好线性关系，线性方程为y=0.166 2x-0.734 9，r2=0.923 4。

Fe3+能够与碳点上的活性基团进行配位螯合，改变碳点表面官能团的电子传递特性，并通过电子转移方式实现荧光猝灭。另外，对Fe3+溶液的紫外光谱进行分析，发现Fe3+溶液的吸收峰在370 nm附近(图2A)，与实验制备的PM-CDs的吸收峰大部分重合，因此Fe3+对PM-CDs的荧光猝灭并非单纯的电子转移，而是存在内滤效应[17]，两者共同导致对碳点荧光的猝灭。

2.3 干扰试验

碳点的表面状态不同，尤其是表面活性基团不同，将导致对金属离子的选择性有很大差异。在相同实验条件下，考察了不同金属离子(Fe3+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、K+、Al3+、Co2+、Mn2+和Ag+)对碳点荧光强度变化(F0-F)的影响(图2B)，结果发现Fe3+对碳点荧光强度的影响最显著，Na+和Ag+对碳点荧光强度有一定的影响，而其他离子对碳点荧光强度的影响较小,表明所制备的碳点对Fe3+具有更好的选择性，可用于Fe3+的检测。虽然该碳点具有丰富的表面官能团，拥有优异的电子供给和接受能力，但在与金属离子螯合的过程中，由于Fe3+的电子供给能力较强，PM-CDs表现出明显的电子接受能力，故对Fe3+具有明显的选择性。此外由于Fe3+溶液对荧光的内滤作用，也影响Fe3+对该碳点的荧光猝灭效果，使PM-CDs荧光对Fe3+具有相对高的选择性。

金属离子对荧光猝灭作用主要表现为供电子-受电子能力的强弱，以及碳点表面官能团对金属离子的协同配合作用，Fe3+与PM-CDs表现为强供电子体和受电子体，而PM-CDs本身碳源的多官能团作用，促进Fe3+与PM-CDs良好的识别能力，而Fe2+的供电子能力远弱于Fe3+，所以Fe2+水溶液在355 nm激发波条件下不具备对PM-CDs荧光内滤效应。此外，在普通环境下的水溶液中，铁离子主要以三价存在，因此，干扰试验中未考虑Fe2+对检测的影响。

3 结 论

本实验表明，青柿子经简单浸提后的混合物可用于碳点制备，制备方法简易、环保、高效。所制备的碳点在形貌、表面官能团和光学特征等方面有明显特点，并与常规化学试剂制备的碳点具有相似结构与光学特性，但其复杂的碳源成分导致官能团存在不确定性，对于碳点检测应用的选择性和灵敏度提出了挑战。依赖于电子转移和内滤效应，该碳点可用于水溶液中Fe3+的检测，在0.45～50 μmol/L浓度范围内，该碳点的荧光猝灭强度与Fe3+浓度具有较好的线性关系，同时对Fe3+具有明显的选择性和抗干扰能力。由此可见，通过简单的粗提，生物质材料可用于碳点制备，依靠特有官能团成分可用于目标分析物检测，为生物质碳点制备及其在检测领域的应用提供了理论依据和技术参考。