微波法制备掺氮碳点及其用作探针检测铁离子

王诗琪，涂雨菲，刘之晓，左丹英，许 静，张宏伟

(武汉纺织大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430073)

1 引 言

碳点是指尺寸在10 nm以下的荧光碳纳米材料，于2004年在电泳法制备单壁碳纳米管的纯化过程中被首次发现［1］。它是一种继富勒烯、碳纳米管和石墨烯之后的新型碳纳米材料，主要包括石墨烯量子点、碳纳米点和聚合物点三类［2］。与传统的有机染料和无机半导体量子点相比，碳点具有水溶性好、生物毒性低、荧光强度高、光稳定性好、生物相容性好、制备方便、易于功能化和价格低廉等优点，可广泛用于医药、生物、能源、分析化学、光电转换、光电催化等领域［1-5］。因此，从碳点被发现开始就受到了研究人员的广泛关注。

在过去的十多年中，研究人员已经开发出许多种荧光碳点的制备方法。从原料体积变化的角度，这些方法可以分为两大类:一类是通过切割、破碎体积较大的碳的前驱体(如活性炭［6］、石油焦［7］、石墨［8］、碳纳米管［9］和蜡烛灰［10］)，从上到下的合成方法，包括化学氧化法、激光刻蚀法、电化学法和电弧放电法等;另一类是由有机小分子或聚合物分子(如抗坏血酸［11］、柠檬酸［12-13］、蔗糖［14］、葡 萄 糖［15-16］、苯 二 胺［17］、对 氨 基 苯 磺酸［18］、甘油［19］、淀粉［20］、白明胶［21］和壳聚糖［22］)作前驱体通过缩聚、热解或碳化，从下到上的合成方法，包括水热法、微波法和燃烧法等。这些方法大多合成步骤繁琐，耗时较长，因此开发快速宏量制备碳点的方法一直为研究人员所关注。

本文以2-氨基对苯二甲酸(ATA)为前驱体，ATA由苯环、羧基和氨基组成，有利于在碳点中形成石墨碳晶格结构。添加不同的修饰剂后，采用微波法合成掺氮碳点(N-CDs)。该方法原料易得，加热均匀、迅速，反应时间短，操作简便，成本低，适宜规模化生产。实验结果表明，N-CDs水溶性好，所发蓝色荧光的强度高且不依赖于激发波长，对Fe3+识别能力良好。铁是人体中血红蛋白和血红素的重要组成成分，过少会引起贫血等疾病，而过多则会引发铁中毒，因而铁含量的检测很有必要。利用Fe3+与NCDs之间的荧光猝灭效应，N-CDs可以用作水中Fe3+检测的荧光探针。

2 实 验

2．1 N-CDs的合成

将0．12 g ATA和等质量的修饰剂(二乙醇胺、三乙醇胺、二乙胺和乙二醇)加入15 mL pH=13的去离子水中，超声混合均匀，倒入四氟乙烯微波消解罐中，以1 kW的功率反应3 min，冷却至室温，加入20 mL去离子水稀释。将所得棕黄色溶液装入透析袋(MW 1 000 u)中透析48 h后，经真空冷冻干燥，得淡黄色粉末。4种样品按照修饰剂添加顺序依次记为 N-CD-1，N-CD-2，NCD-3，N-CD-4。

2．2 性能测试

使用UV2100紫外-可见分光光度计(中国北分瑞利)和WFY-28荧光分光光度计(天津拓普)、Tecnai G2 F30透射电子显微镜(美国FEI公司)、VERTEX70傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司)对制得的样品进行表征。

2．3 Fe3+的检测

取5 mL的N-CDs溶液(1．0 mg/mL)，分别加入不同浓度的Fe3+溶液，用稀盐酸溶液调节pH值到1．5，并用 pH=1．5的去离子水溶液将含Fe3+的N-CDs溶液定容至50 mL，静置20 min后用注射器抽取其中的3 mL注入四通比色皿中，在340 nm激发波长处检测溶液的荧光发射光谱，计算体系中N-CDs的荧光相对强度(F/F0)，F和F0分别为添加和不添加Fe3+的峰值(425 nm)荧光强度。

3 结果与讨论

3．1 N-CDs的表征

图1是N-CDs水溶液的紫外-可见光吸收光谱(UV-vis)。N-CDs的吸收峰与文献［23］中原料ATA的UV-vis图有明显的不同，4种N-CDs在220，256，327 nm附近都出现了3个吸收峰，分别归属于共轭双键C C的π→π*跃迁、C—N的跃迁和C O的跃迁［19，24-25］。这表明经微波处理后，ATA结构发生了改变，产生了碳骨架，形成的N-CDs存在共轭结构。

图1 N-CDs的紫外-可见光吸收光谱Fig．1 UV-vis absorption spectra of N-CDs

N-CDs和 ATA的红外光谱如图2所示。ATA 的红外光谱中 3 508，3 392，1 238 cm－1处的峰分别对应于NH2的非对称伸缩振动、NH2的对称伸缩振动和C—NH2的伸缩振动;1 690 cm－1处的峰为C O伸缩振动;1 554 cm－1和755 cm－1处的峰对应于苯环的C—C伸缩振动和环呼吸［23］。添加不同修饰剂的N-CDs红外光谱吸收峰的位置相似，其中3 429 cm－1处的宽峰为O—H和 N—H 伸缩振动［26］;1 646 和 1 418 cm－1处的峰分别为C N和C—N伸缩振动［24，27］;1 500～1 600 cm－1内的多个峰为苯环共轭双键C C伸缩振动;1 369 cm－1处的峰为 C—O—C伸缩振动［15］;1 100 cm－1处的峰为 C—O 伸缩振动［21］。这表明N-CDs表面不仅含有大量的含氧基团，还存在一定量的氨基。

图2 N-CDs和ATA的傅立叶变换红外光谱Fig．2 Fourier transform infrared(FT-IR)spectra of N-CDs and ATA

图3 (a)是N-CDs由340 nm的紫外光激发的荧光发射谱的比较，显然N-CD-4具有最高的荧光强度;图3(b)是N-CDs的收率及荧光量子产率(以硫酸浓度为0．1 mol/L的硫酸奎宁为参照)，N-CD-4仍有最高的收率和荧光量子产率。这一结果可能的原因是ATA结构中含有氨基，通过氨基与羧基间的反应，最终实现对碳骨架的氮掺杂，使得4种N-CDs碳骨架上的差异性较小。二乙醇胺、三乙醇胺和二乙胺这3种含氮的修饰剂中，由于三乙醇胺缺少氨基氢原子，与ATA上的基团间的反应效率不及二乙醇胺和二乙胺，导致NCD-2的荧光强度在三者之中最低。乙二醇虽然也不含氨基氢原子，但同等质量下却可提供比另外3种修饰剂更多的羟基参与反应，使N-CD-4表面产生了更多的含氧基团，因而N-CD-4具有最高的荧光强度和荧光量子产率，后文的分析将围绕N-CD-4进行。

图3 (a)N-CDs荧光发射谱中425 nm处荧光相对强度比较;(b)N-CDs的收率及荧光量子产率。Fig．3 (a)Comparison of photoluminescence emission intensities of N-CDs at425 nm．(b)Yields and fluorescence quantum yields of N-CDs．

N-CD-4的透射电镜(TEM)图像如图4所示。N-CD-4的颗粒为椭球形，尺寸为5～8 nm。在右上角的插图中清晰可见晶格条纹，晶面间距约为0．23 nm，与石墨的(100)晶面间距相近，表明N-CD-4具有类石墨碳的结构［16］。根据上述分析，N-CD-4可能的合成反应过程如图5所示。

图4 N-CD-4的TEM图(插图为高分辨TEM)Fig．4 Transmission electron microscope(TEM)image of NCD-4，inset is high-resolution TEM(HRTEM)image．

图5 N-CD-4的合成示意图Fig．5 Schematic illustration of the synthesis process for N-CD-4

3．2 N-CD-4的荧光性能

从N-CD-4的荧光发射谱和荧光激发谱(图6(a))可以看出，它的最佳激发波长和发射波长分别为345 nm和425 nm，两者之差(即Stokes位移)为80 nm，说明其可以发射强而稳定的荧光。在365 nm紫外光激发下，N-CD-4水溶液发出明亮的蓝色荧光(图6(a)插图)。图6(b)是N-CD-4在不同激发波长下的荧光发射光谱，可以看出荧光的发射峰不随激发波长的变化而改变，发射峰的波峰始终位于425 nm。这种不依赖于激发波长的发光行为表明N-CD-4的发光机理是基于表面缺陷而不是基于尺寸依赖的带隙跃迁［1，14］。此外，实验中还发现N-CD-1、N-CD-2和N-CD-3的荧光发射行为同样具有不依赖于激发波长特性，这表明4种N-CDs在碳骨架和表面基团种类上的相似性远大于差异性。这与上述分析的ATA形成氮掺杂的碳骨架、修饰剂赋予表面基团的结果一致。

图6 (a)N-CD-4的荧光发射谱和荧光激发谱(插图为N-CD-4在365 nm紫外光下的光学照片);(b)不同激发光下N-CD-4的荧光发射谱。Fig．6 (a)Photoluminescence(PL)excitation and emission spectra of N-CD-4(inset is the optical image of the N-CD-4 under UV light of 365 nm)．(b)PL emission spectra of the N-CD-4 excited by different wavelengths ranging from 300 to 400 nm in 10 increments．

3．3 Fe3+的检测

Fe3+的浓度与N-CD-4荧光相对强度之间的线性关系如图7(b)所示。Fe3+浓度在5～60 μmol/L范围内，荧光相对强度F/F0与Fe3+浓度的关系为:

根据3δ/K(δ为10次空白样标准偏差，K为线性方程斜率)计算出Fe3+检出限约为1．01μmol/L，该值与文献［19］中碳点对 Fe3+的检出限(2．0 μmol/L)相当，但高于文献［18］中硫、氮共掺杂碳点对Fe3+的检出限(0．1μmol/L)，后续的研究中也许可以通过硫原子共掺杂进一步提高灵敏度。

Fe3+对N-CD-4的猝灭机理如图8所示。未添加Fe3+时，N-CD-4受紫外光照射后，吸收激发波能量使基态电子跃迁至高能量电子轨道，当这些被激发的电子跃迁回基态时，形成电子/空穴辐射复合，产生荧光。当添加Fe3+后，Fe3+与N-CD-4表面的含氧基团发生络合配位作用，改变了N-CD-4表面的缺陷状态。Fe3+外层电子结构为4s23d5，5个d轨道都处于半满状态，再受到紫外光照射时，激发态电子会转移到Fe3+的3d轨道，促进非辐射的电子/空穴复合，导致荧光猝灭［18-19］。

图7 (a)不同金属离子存在情况下的N-CD-4荧光相对强度;(b)Fe3+浓度与N-CD-4荧光相对强度之间的线性关系。Fig．7 (a)Fluorescence intensity ratios(F/F0)of N-CD-4 in the presence of differentmetal ions．(b)Relationship between F/F0 and Fe3+concentration of N-CD-4．

图8 Fe3+对N-CD-4荧光可能的猝灭机理Fig．8 Possible quenchingmechanism of the fluorescence by Fe3+to N-CD-4

4 结 论

本文研究了新型含氮碳源和不同修饰剂通过微波法快速制备N-CDs。所合成的N-CDs具有良好的水溶性，在365 nm紫外光照射下，发出明亮的裸眼可见的蓝色荧光，且其荧光发射行为不依赖于激发波长。颗粒呈椭球形，直径5～8 nm，晶面间距约为0．23 nm，为类石墨碳结构。N-CDs表面的含氧基团可与Fe3+络合配位，导致荧光猝灭，因此可用这种N-CDs作为荧光探针，通过荧光分光光度法快速地检测Fe3+浓度，Fe3+检出限约为1．01 μmol/L。