甘薯荧光碳点的合成及其对Fe3+的灵敏检测

孙颖, 金东日

( 延边大学 理学院, 吉林 延吉 133002 )

0 引言

铁作为人体中必不可少的微量元素，当其含量异常时可导致机体障碍.例如缺乏Fe3+会导致贫血，影响机体生长，严重者会导致阿尔兹海默症；过量摄入Fe3+则会损伤肝脏和肾脏[1].目前，检测Fe3+的常用方法有原子吸收法[2]、电感耦合等离子体光谱法[3]、EDTA滴定法[4]等，但这些方法耗时长、操作复杂，而且所需设备较为昂贵，所以需要建立一种快速、简单且低成本的检测方法.

近年来，荧光碳点(CDs)因具有良好的荧光特性以及毒性低和生物相容性好等优点受到学者们的广泛关注[5].目前，CDs的合成方法有电化学法[6]、化学氧化法[7]、激光烧蚀法[8]、水热法[9]、热解法[10]等，其中水热法因具有绿色环保、易于大批量合成的优点而被广泛使用.合成CDs的材料主要分为天然材料(如生物质等)和有机分子(如柠檬酸等)两类，其中生物质由于资源丰富且易于碳化而被广泛用作合成CDs的碳源.研究表明，基于CDs建立的荧光(FL)检测方法具有响应快、操作简单等优点.本文以甘薯为原料，采用一种简单、环境友好的方法合成得到CDs，并利用红外光谱、荧光光谱、紫外吸收光谱对CDs的性质进行表征，而且考察CDs在实际水样中检测Fe3+的能力.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

电子分析天平(先行者CP114)，奥豪斯仪器(上海)有限公司；高压反应釜(聚四氟乙烯内衬)，西安常仪仪器设备有限公司；电热鼓风干燥箱(DHG -型)，绍兴市苏珀仪器有限公司；高速离心机(TGL -15B)，上海安亭科学仪器厂；紫外可见分光光度计(V-630)，日本分光株式会社；手提紫外灯(WFH -204B)，上海驰唐电子有限公司；荧光分光光度计(FP -8200)，日本分光株式会社；塑料荧光比色皿(10 mm)，宜兴市谱析光学元件有限公司；石英紫外比色皿(10 mm)，SHIMADZU；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR -650)，天津港东科技发展股份有限公司；微孔滤膜过滤器(0.22 μm)，天津市腾达过滤器件厂；超低温冰箱(TF-86-158-LA)，上海拓纷机械设备有限公司；真空冷冻干燥机(FD -1D -50)，上海比朗仪器制造有限公司；实验室pH计(ST3100)，奥豪斯仪器(常州)有限公司.

HCl(分析纯)，北京北化精细化学品有限责任公司生产；AgNO3(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司生产；MnSO4(分析纯)，沈阳化学试剂厂生产；CuSO4、MgSO4、KCl、ZnSO4，天津市科密欧化学试剂有限公司生产；FeCl3(纯度为99%)，上海艾览化工科技有限公司生产；NiCl2为实验室自制，纯度>99%； CaCl2(分析纯)，上海阿拉丁试剂有限公司生产；实验用水为超纯水.

1.2 制备步骤

称取10 g洗净切碎的甘薯放入100 mL高压反应釜中，加入30 mL超纯水，在200 ℃下反应12 h.反应液自然冷却至室温后，将其液移入50 mL离心管，用超纯水将反应釜内壁洗涤3次.将洗涤液并入离心管，用高速离心机(9 000 r/min)离心30 min反应液，清液用0.22 μm滤膜过滤，过滤液即为CDs溶液.将CDs溶液移入反应烧瓶中，并置于-76 ℃超低温冷冻箱中冷冻，然后利用冷冻干燥机冻干45 h后放入4 ℃冰箱内保存备用.

1.3 CDs表征

取CDs溶液并稀释到一定浓度后测定其紫外光谱.扫描波长设置为200～700 nm，狭缝设置为1.5 nm，采样间距设置为1 nm.使用激发波长为365 nm的手提紫外灯在黑暗环境下照射CDs溶液，并观察荧光颜色.

取CDs溶液，测试其荧光激发和发射光谱.狭缝宽度设置为5 nm，仪器响应时间设置为20 ms，采样间距设置为0.5 nm.

将KBr晶体和冻干的CDs均匀混合，用玛瑙研钵将其研磨成粉末后放入100 ℃鼓风干燥箱中干燥1 h,然后使用傅里叶变换红外光谱分析仪表征CDs的表面官能团.

1.4 考察酸度对CDs荧光强度的影响

配制pH分别为1、2、3、4、5、6的HCl溶液，然后在比色管中加入2 mL不同浓度的HCl溶液.将溶液和2 mL CDs溶液在室温下混合均匀后反应5 min.反应结束后利用荧光分光光度计测试荧光光谱，仪器参数为：激发波长为390 nm，激发和发射的狭缝宽度为5 nm.

1.5 选择性实验

配制Fe3+、Cu2+、Ag+、Ni2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、K+、Zn2+的盐溶液，浓度均为0.01 mol/L.在比色管中加入2 mL不同的金属离子盐溶液和2 mL的CDs溶液，在室温下混合均匀后反应5 min.反应结束后利用荧光分光光度计测试荧光光谱，仪器参数设置同上.

1.6 Fe3+检测

在比色管中加入2 mL不同浓度的Fe3+溶液(Fe3+溶液的浓度范围为0～1 000 μmol/L)，再加入2 mL CDs溶液，在室温下充分混合后反应5 min.反应结束后利用荧光分光光度计测试荧光光谱，仪器参数设置同上.

1.7 实际样品检测

实际水样取自延边大学理工实训教学楼内的自来水.水样先用0.22 μm滤膜过滤(除去杂质)，然后利用荧光分光光度计测试荧光光谱(仪器参数设置同上)，最后利用上述1.6中的方法绘制标准曲线并计算水样中的Fe3+浓度.

2 结果与分析

2.1 CDs的紫外可见光谱和荧光光谱

2.2 CDs的红外光谱

图1 CDs溶液的紫外可见光谱

图2 CDs溶液在不同激发波长下所激发的荧光光谱

图3 CDs的傅里叶变换红外光谱

2.3 CDs的荧光稳定性

在4 ℃下储存CDs溶液30 d后，CDs溶液仍澄清透明，且荧光强度变化很小.图4是溶液pH对CDs溶液荧光强度的影响.由图4可以看出，当pH在2.0～6.8范围内时，CDs溶液的荧光强度变化不大；当pH=1时，CDs溶液荧光强度明显降低.其原因是在强酸条件下(pH=1)CDs会大量聚集进而使荧光猝灭[13].

图4 pH对CDs荧光强度的影响

2.4 CDs的金属离子选择性

图5为不同金属离子对CDs荧光强度的影响.由图5可以看出，Fe3+可显著降低CDs溶液的荧光强度(荧光猝灭效应达到73.82%)；Cu2+、Ni2+、Ag+、Mn2+也均可不同程度地降低CDs溶液的荧光强度，但均低于Fe3+；Ca2+、K+、Mg2+、Zn2+对CDs溶液的荧光强度影响较小.这表明，CDs对Fe3+检测具有良好的选择性.这是由于CDs表面的亲水性官能团(如OH、COOH等)与Fe3+发生了较强的络合等作用，进而引起了荧光猝灭[14-15].

图5 不同金属离子对CDs荧光强度的影响

图6为加入不同浓度Fe3+时CDs溶液的荧光光谱.由图6可以看出，初始时随着Fe3+浓度的增加，CDs荧光强度逐渐减弱；当Fe3+浓度达到10 mmol/L时，CDs荧光几乎完全猝灭.CDs荧光几乎完全猝灭的原因可能是，Fe3+与CDs表面的COOH基之间的相互作用使得CDs间彼此更为接近，进而通过电子转移大幅降低了CDs荧光强度[15].

因CDs荧光猝灭程度随Fe3+浓度的增加而增大，因此此过程符合Stern -Volmer动力学方程.CDs荧光猝灭的动力学方程为F0/F=1+KsvC， 其中F0为没有加入Fe3+的CDs溶液的荧光强度，F为加入等体积不同浓度Fe3+的CDs溶液的荧光强度，C为Fe3+的浓度，Ksv为Stern-Volmer猝灭常数.图7为检测Fe3+的线性关系曲线.由图7可以看出，在10～1 670 μmol/L线性范围内，(F0/F-1)与Fe3+浓度显示出良好的线性关系，线性方程为F0/F-1=0.000 781C-0.007 1(R2=0.994 4)，检出限为5.64 μmol/L.表1为不同碳源检测Fe3+的结果.由表1可以看出，本文碳源的线性范围较宽，检出限较低.

图6 加入不同浓度Fe3+时CDs溶液的荧光光谱

图7 Fe3+的线性关系曲线

表1 不同碳源的Fe3+检测结果 μmol/L

2.5 实际样品中Fe3+的检测

利用上述2.4中的检测方法检测自来水样中的Fe3+，结果未检出Fe3+离子.为了进一步评估本文方法的准确性，对实际水样进行Fe3+加标实验(加标浓度分别为50、500、1 500 μmol/L)，实验结果见表2.由表2可见，加标实验的回收率为94%～104%，RSD<2.4%.

表2 加标实验结果(n=3)

3 结论

本文以甘薯为碳源，利用环保、简便的一步水热法制备了一种水溶性好、稳定性强、抗酸能力优良的荧光CDs.并根据Fe3+的猝灭效应，建立了一种基于CDs的简单、快速检测Fe3+的方法.该方法的Fe3+检出限为5.64 μmol/L，回收率为94%～104%，RSD<2.4%.该方法在检测实际水样中的Fe3+具有较好的应用前景.