基于D-果糖合成的碳量子点用于金属离子的检测

孙雪花 杨娇莉 柴红梅 高楼军

(延安大学化学与化工学院陕西省化学反应工程重点实验室陕西延安 716000)

荧光碳量子点(Carbon Quantum Dots,CQDs)是继量子点之后的又一种新型荧光纳米材料[1]。与半导体量子点相比，CQDs具有光学性质稳定和细胞毒性低等特性[2，3]，且具有尺寸效应、限域效应和表面效应[4，5]等独特的性质。这使得CQDs在化学、生物学、医学等领域具有广泛的应用前景[6]。目前，已有大量研究认为CQDs应用于细胞标记毒性低，对细胞损伤小[7，8]，且在食品添加剂[9]、药物[10，11]及环境金属离子[12，13]等的分析中也备受关注。CQDs的制备方法有电化学法、水热法和微波法等方法，其中微波法由于简便、快速等优点，被广泛的应用。

本实验以D-果糖为碳源，以L-赖氨酸为钝化剂，通过一步微波反应获得CQDs。CQDs由于尺寸较小，表面积大，其表面存在大量晶格缺陷，至使晶体表面非常不稳定，故易于发生晶体聚集甚至光化学降解。而在CQDs核外表面进行赖氨酸的修饰钝化，可以消除CQDs表面的悬空键，还可将受激发产生的电子-空穴限制在核内，减少了核表面缺陷，大大提高了CQDs的化学热稳定性[14]。本文深入探讨了不同因素对CQDs荧光强度的影响，以及CQDs在几种金属离子分析检测中的应用。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV-2550紫外分光光度计(日本，岛津公司)；F-4500荧光分光光度计(日本，日立公司)；JEM-2100透射电子显微镜(日本，电子公司)；IRPrestige-21红外光谱仪(日本，岛津公司)；XRD-7000 X-粉末衍射仪(日本，岛津公司)；LG10-2.4A离心机(北京京立)。

D-果糖、L-赖氨酸、NaAc、HAc；Zn2+(0.02 mol/L)、Co2+(0.02 mol/L)、Mg2+(0.02 mol/L)、Cu2+(0.02 mol/L)、Mn2+(0.02 mol/L)、Fe3+(0.02 mol/L)、Cd2+(0.02 mol/L)；试剂均为分析纯，实验用水为超纯水(18.25 MΩ·cm)。

1.2 CQDs的制备

称取0.5 g的D-果糖，0.8 g的L-赖氨酸，置于100 mL的烧杯中，加水到40 mL，搅拌30 min将其溶解，在功率为530 W的条件下微波4.0 min，得到CQDs溶液。在转速为10 000 r/min下离心4.0 min后，取上清液，再用微孔滤膜(孔径0.22 μm)过滤，然后在3 500 Da的透析袋中透析24 h后，旋转蒸发即可得到均匀的CQDs溶液。

以硫酸奎宁(0.050 mol/L稀H2SO4溶液中的量子产率为55%)为标准物质，计算样品的量子产率。在360 nm激发波长下，分别测定标准物质与待测CQDs的积分荧光强度和对该波长激发光的吸光度(吸光度相近且均不大于0.05)，根据文献方法[15]计算CQDs的量子产率为18.7%。

1.3 实验方法

取3.0 mL的 CQDs 溶液于10 mL比色管中，依次加入适量的不同金属离子标准溶液，pH=3.5的HAc-NaAc缓冲溶液2.0 mL，加水定容，混匀。室温下，反应10 min后，以对应空白为参比，在450 nm波长处测定荧光发射强度。

2 结果与讨论

2.1 CQDs的表征

图1为CQDs的透射电镜(TEM)图，是将稀释的CQDs溶液滴覆到无定形碳膜的铜网上，自然干燥后用电镜观察，该CQDs呈均匀球状，尺寸均一，分散性良好。图2为CQDs的X射线衍射(XRD)图，在2θ=20°左右有一个很宽的峰，这个峰是无定型碳的特征峰，由于CQDs溶液不纯而出现一些杂质尖峰。样品的红外(IR)光谱如图3所示，波数为3 450 cm-1处强吸收峰为-OH伸缩振动，2 923、2 846 cm-1处出现了-CH2的吸收峰，这是由于CQDs本身的碳骨架结构引起的；波数为1 633 cm-1出现的明显特征峰是C=O的伸缩振动，波数为1 260 cm-1属于C-O-C的不对称伸缩振动。说明CQDs含有羟基和羧基等含氧基团，这些基团说明CQDs有很好的水溶性。

图1 CQDs的透射电镜(TEM)图Fig.1 TEM image of CQDs

图2 CQDs的X射线衍射(XRD)图Fig.2 XRD pattern of CQDs

2.2 CQDs的光学性能

图4为CQDs的紫外-可见吸收光谱图，可以看出CQDs在250～400 nm之间有一个宽吸收带，可归属为CQDs的π-π*跃迁，说明果糖经微波辐射后结构发生了变化，形成了碳骨架，形成的CQDs存在共轭结构。并且在300 nm处有一个陡峭的吸收边，说明制备的CQDs粒径均匀。

图3 CQDs的傅里叶红外(FT-IR)红外光谱图Fig.3 FT-IR spectrum of CQDs

图4 CQDs的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱图Fig.4 UV-Vis absorption spectrum of CQDs

CQDs溶液在自然光下呈棕黄色，而在紫外灯(365 nm)下为蓝色。如图5(a)，其最大激发波长为360 nm，CQDs在450 nm处可发射强而稳定的荧光。如图5(b)所示，随着激发波长的增大，发射波长发生了不同程度的红移，对应的荧光强度先增大后减小，说明发射具有激发依赖性。目前，对于CQDs的发光机理还不清楚，一般认为其发光是来自于某种缺陷，即以存在于CQDs表面的缺陷作为激发能量阱，在一定波长光的激发下发光。水解D-果糖制备的荧光CQDs，其形成及表面钝化同时发生在微波碳化的过程中，CQDs表面具有丰富的官能团，如羧基和羟基，能够在CQDs表面作用形成不同的缺陷，从而使CQDs在不同的制备条件下表现出不同的光学性质。

图5 CQDs的荧光光谱Fig.5 Fluorescence spectra of CQDs

2.3 CQDs的稳定性

对CQDs溶液进行了稳定性考察，每隔5 d测一次荧光强度，发现在30 d后其荧光基本稳定。可见，由D-果糖为原料，L-赖氨酸为钝化剂制得的CQDs稳定性良好。酸度的变化会对荧光强度有轻微影响，在pH=3.0～11.0的范围内，随着pH的增加，荧光强度逐渐降低。推断是由于CQDs表面富含羟基、羧基等基团，当pH增加时CQDs表面的羧酸脱掉H+，表面带负电荷，从而影响了荧光性能，这一研究结果和Chang小组[16]的结果相似。但当加入金属离子后，在碱性条件下由于金属离子水解效应，能与CQDs作用的金属离子溶液浓度降低，荧光猝灭能力降低。而在酸性条件下金属离子可能会氧化CQDs表面的羟基为羧基，降低CQDs的荧光强度，也可能是带正电荷的金属离子有中心轨道，能接受CQDs表面孤对电子，从而形成无荧光的物质，致使猝灭强度较显著。因此，通过对介质的选择，后续实验中确定以pH=3.5的HAc-NaAc缓冲溶液作为介质。

2.4 CQDs在金属离子分析中的应用

多数金属离子都对CQDs荧光有不同程度的猝灭，其猝灭程度：Fe3+>Ag+>Cu2+。其中，Fe3+和Ag+荧光猝灭程度较大，Cu2+次之，可能是CQDs被氧化为荧光性低的物质或无荧光物质。Zn2+、Mg2+以及Cd2+对CQDs的荧光强度基本无影响。因此，在酸性条件下，应用CQDs作为测定金属离子Fe3+、Ag+和Cu2+的荧光探针，提高了这些金属离子的选择性响应，避免了金属离子水解的影响。随着Fe3+浓度的增加，CQDs的荧光强度猝灭线性增加，其荧光强度猝灭值(ΔF)与Fe3+浓度在0.2～70 μmol/L范围内成良好线性关系，线性回归方程为:ΔF=9.34c+1.0207(c:μmol/L)，相关系数为0.9986，检出限按3σ/k方法计算为0.02 μmol/L。Ag+与CQDs的荧光猝灭强度在0.04～10 μmol/L范围内成良好线性关系，线性回归方程为:ΔF=31.37c+2.6220(c:μmol/L)，相关系数为0.9962，检出限为0.024 μmol/L。CQDs的荧光猝灭强度与Cu2+浓度在5.0～80 μmol/L范围内成良好线性关系，线性回归方程为:ΔF=4.1986c+1.0379(c:μmol/L)，相关系数为0.9953，检出限为2.0 μmol/L。

3 结论

以D-果糖为原料，采用微波法制备的CQDs，原料简单易得，制备方法简便，快捷。所合成的荧光CQDs稳定性良好，且表面富有羟基、羧基等亲水基团，故具有强亲水性。在酸性条件下，可以作为金属离子Fe3+、Ag+和Cu2+很好的荧光探针。