g-C3N4量子点的制备及对铜离子和肝素钠检测的研究

王润霞, 王秀芳, 孙益民

(1.安徽师范大学 化学与材料科学学院，安徽 芜湖 241000；2.安徽医学高等专科学校 药学系，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大学 先进建材重点实验室，安徽 合肥 230601)

引 言

近年来，科学工作者们开始研究碳基量子点的各种性质及在各个领域的应用。表面带有多种官能团的碳基量子点可以高灵敏地检测不同的阴、阳离子，如Cu2+、Cr3+、Fe3+、C1-等[1-4]，它是目前研究的热点。

石墨相氮化碳量子点(g-C3N4量子点)是一种碳基量子点。1996年Teter[5]等运用共轭梯度法计算出C3N4可能具有α相(α-C3N4)、β相(β-C3N4)、立方相(c-C3N4)、准立方相(P-C3N4)和石墨相(g-C3N4)5种结构，其中g-C3N4在室温下最稳定。石墨相氮化碳是一种新型的具有可见光响应的不含金属的光催化剂，其2.7eV的禁带宽度决定了g-C3N4材料可以吸收太阳光中小于460nm的光。g-C3N4的分子结构中，C、N原子之间形成强的共价键，这决定了g-C3N4在光照下也能表现出稳定的化学性质[6]。然而，块体的g-C3N4由于层数相对较多，因此光照下光生电荷从体相迁移至表面比较困难，使得光生电荷的复合率增大，造成其光催化效率下降。与块体g-C3N4相比，g-C3N4量子点具有以下独特的优点[7]：一是量子点粒径小，一般介于1～10 nm之间，具有小尺寸效应；二是具有量子限域效应，即量子点的光吸收谱随着量子点尺寸的逐渐变小出现蓝移现象，并且蓝移现象也随着量子点尺寸变小越发显著；三是量子点吸收一个光子能产生多个光生电子，使得光电转换效率可进一步被提高；四是量子点光稳定性良好。g-C3N4量子点还具有良好的荧光特性和水溶性，生物相容性好，且环境友好、无毒性[8]。此外，由于组成g-C3N4的C、N元素来源广泛，所以g-C3N4还具有廉价易得的优点，因此常被用作荧光化学传感器广泛应用于高效、灵敏地离子检测[9-10]、生物成像[11]、以及光电催化[12]等领域。

目前，g-C3N4量子点常用的制备方法主要有低温固相合成法[13](即将柠檬酸钠与尿素按1∶6的质量比混合研磨，置于反应釜内反应制备而得)、逐步剥离法[11](即以三聚氰胺为原料制备得到的g-C3N4经过逐步剥离、水热反应和超声振荡得到g-C3N4量子点)、微波辅助加热的蒸发冷凝法[9]、水热法[12]、急速冷冻干燥法[14]等。

肝素钠是主要是由艾杜糖醛酸、葡萄糖醛酸和葡萄糖胺组成的强负电荷的线性硫酸化糖胺聚糖，属粘多糖硫酸酯类抗凝血药，可以从牛或猪的肠粘膜中提取而得[15]。近年来的研究证明肝素钠具有降血脂的作用，临床上还用作抗血栓和抗肿瘤药物。在心血管外科术后治疗或者长期治疗中所用肝素钠的剂量要求有不同限度[16]，因此有效灵敏的测量肝素钠的含量具有实际意义。

人体中含有包括铁、锌和铜等在内的多种微量元素，它们在维持人体健康中发挥重要的作用。微量元素摄入过量、不足、不平衡都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病，如人体摄入过量的铜，就会引起阿尔茨海默氏病(老年痴呆症)等神经性疾病[17-18]。由于在工业制造业中铜的应用比较广泛，会对环境造成一定程度的污染，世界卫生组织和一些国家都对饮用水中Cu2+的含量规定了上限[19-20]。所以，检测环境和生物体中Cu2+的含量就非常有必要。

本文以g-C3N4量子点为研究对象，采用用三聚氰胺热聚合法，经过逐步剥离、水热反应和超声振荡，制备得到g-C3N4量子点。利用g-C3N4量子点的荧光性质实现在pH7.4(正常人血液pH范围内)条件下分别对Cu2+和肝素钠进行检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

三聚氰胺(天津市津北精细化工有限公司)，H2O2(江苏强盛功能化学股份有限公司)、HCl(上海化学试剂有限公司)，NaOH(上海化学试剂有限公司)，CuSO4·5H2O(天津市津北精细化工有限公司)，肝素钠(天津市津北精细化工有限公司)。溶液以去离子水配制。

KQ-250DB型数控超声波清洗器(武汉敬信科技有限公司)、马弗炉(武汉江宇电炉制造有限公司)、BS224S电子天平(深圳市朗普电子科技有限公司)、DHG-9123A干燥箱(上海昕仪仪器仪表有限公司)、TGL16M离心机(长沙湘仪离心机仪器有限公司)、F-4600荧光分光光度计(上海渡扬精密仪器有限公司)、100mL高温加热反应釜(无锡市锡山雪浪化工设备有限公司)。

1.2 g-C3N4量子点溶液制备

取三聚氰胺于坩埚中，加盖置于马弗炉中进行煅烧(500℃煅烧4h，以20℃的升温速率升至550℃，保温2h)，煅烧结束后冷却到室温，取出块状g-C3N4，研磨成粉末。取0.2g制备的g-C3N4粉末于烧杯中，加入40mL去离子水和40mL双氧水，超声分散5min，倒入反应釜中，200℃恒温加热12h，加热结束后，冷却到室温，透析，离心得g-C3N4量子点溶液。

1.3 肝素钠的检测

用10mM的Tris-HCl缓冲液调节g-C3N4量子点溶液pH值为7.4，记录1mL g-C3N4量子点溶液的荧光光谱，然后分别将1mL g-C3N4量子点溶液和一系列相同体积不同浓度(0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM)的肝素钠溶液混合于11个2.0mL比色皿中，在室温下反应5分钟。在310nm激发波长下，记录荧光光谱。

1.4 Cu2+的检测

图1 g-C3N4量子点的透射电镜图(a)和高分辨透射电镜图(b)Fig.1 TEM(a)and HRTEM(b)of g-C3N4quantum dots

分别取1mL用10mM的Tris-HCl缓冲液调节pH值为7.4的g-C3N4量子点溶液，然后与不同浓度(0,25,50,75,100,125,150,175,200nM)的Cu2+(溶液平缓摇动下混合于9个2.0mL比色皿中，在室温下反应5分钟。在310nm激发波长下，记录荧光光谱。

1.5 表征

用TU-1800PC分光光度计测定了室温下样品的紫外-可见吸收光谱。荧光光谱是样品在室温下放在日立石英试池(1mm)用F-7000荧光分光光度计上记录所得。利用Nexus-870分光光度计和KBr压片获得了傅里叶变换红外光谱。透射电子显微镜图(TEM)是利用JEM-2100F仪器在200kV下发射枪进行操作获得。照片是用佳能350D数码相机拍摄得到。

2 结果与讨论

2.1 g-C3N4量子点的透射电镜图

图1a是g-C3N4量子点的透射电镜图，从图中可以看出g-C3N4量子点样品颗粒呈球状，具有很好的分散性，颗粒大小均匀。通过对200个纳米颗粒测量，得到量子点的平均粒径约为5nm。从图1b中可以看出绝大多数的石墨相氮化碳点颗粒观察不到明显的晶面，这说明得到的石墨相氮化碳点具有无定型的结构。

2.2 样品g-C3N4量子点的的红外光谱图

图2为g-C3N4量子点的红外光谱图，在3430cm-1的吸收峰是O-H的伸缩振动，在1630cm-1的峰值是由于N-H弯曲振动(伯胺)，在1400和755cm-1的峰值是碳氢键弯曲振动。在1270cm-1的峰值是量子点表面酚羟基的伸缩振动。这一结果表明，合成的g-C3N4量子点表面含有胺基和羟基。

图2 g-C3N4量子点的红外光谱图Fig.2 Infrared spectrum of g-C3N4 quantum dots

2.3 g-C3N4量子点的紫外光谱图

为进一步阐明g-C3N4量子点的表面特征，进行了紫外可见光谱分析。用水稀释的g-C3N4量子点的紫外可见吸收光谱图(图3)显示，量子点在紫外区有较强的吸收，紫外吸收特征峰集中在270nm，然后逐渐下降到可见区，但无特征吸收峰，这一性能与间带半导体纳米材料相一致，一定程度上表明g-C3N4量子点是半导体材料，图中270nm处的吸收峰是g-C3N4量子点的特征峰。

2.4 g-C3N4量子点的荧光光学照片

图4为g-C3N4量子点溶液在365nm紫外光照射下的光学照片，从图中可以看出，样品溶液在紫外光照射下发出明亮的蓝光。这是由于g-C3N4量子点吸收紫外光后电子受到激发跃迁到激发态，返回基态过程中一部分能量以光能形式的表现。

2.5 g-C3N4量子点的荧光光谱

图5所示的是不同激发波长下(250～370nm)g-C3N4量子点的荧光光谱图。从图中可以看出：g-C3N4量子点的荧光强度在激发波长250～310nm范围内随着激发波长的增加而升高；在激发波长310～370nm范围内随着激发波长的增加而降低，在激发波长为310nm时出现最大值。

图3 g-C3N4量子点的紫外光谱图Fig.3 UV spectrum of g-C3N4 quantum dots

图4 g-C3N4量子点的荧光光学照片(365nm紫外光)Fig.4 Fluorescence optical photos of g-C3N4 quantum dots(365nm UV)

图5 不同激发波长下g-C3N4量子点的荧光光谱图Fig.5 Fluorescence spectra of g-C3N4 quantum dots at different excitation wavelengths

2.6 肝素钠的检测分析

图6 (a)不同浓度肝素钠条件下g-C3N4量子点荧光光谱图(λex=310nm)(肝素钠浓度从上到下：0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM(pH=7.4)；(b)荧光强度与对应肝素钠浓度的关系曲线(I和I0分别是有、无肝素钠存在时g-C3N4量子点的荧光强度)Fig.6 Fluorescence spectra (λex=310nm)of g-C3N4 quantum dots in acidic condition with different concentration of heparin sodium concentrations:0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM(pH=7.4),and(b)plots of the fluorescence intensity against the concentration of heparin sodium(I and I0 are the fluorescence intensity of g-C3N4 quantum dots in the presence and absence of heparin sodium,respectively).

如图6a所示，在没有肝素钠的情况下，水溶液中的g-C3N4量子点的荧光强度相当强烈。随着肝素纳浓度的增加，荧光强度在420nm处逐渐减小。图6b所示的图是荧光下降百分比对应肝素钠的浓度。它们之间有良好的线性关系(I和I0分别是在有、无肝素钠时g-C3N4量子点的荧光强度)，最佳线性响应的肝素钠浓度范围是从20nM到200nM(R2=0.9981)。基于反应的标准偏差(σ)和校准曲线的斜率(S)计算LOD，根据公式：LOD=3.0(σ/S)，肝素钠的最低检测限(LOD)约为20nM。随着肝素钠浓度的增加，g-C3N4量子点在420nm处的荧光强度逐渐降低，利用这点可以用于检测肝素钠(见图6b)。由此可见，g-C3N4量子点在水溶液中可以灵敏地检测肝素钠。在没有肝素钠的情况下，在水溶液中的g-C3N4量子点的荧光强度相当强。添加肝素钠后，g-C3N4量子点表面的胺基与羟基会与肝素钠中的硫酸和羧酸根阴离子通过静电和氢键相互作用，使得g-C3N4量子点发生聚合，导致其荧光淬灭。利用肝素钠使g-C3N4量子点荧光淬灭可以应用于检测肝素钠。

2.7 Cu2+的检测分析

图7 (a)不同浓度Cu2+条件下(0,25,50,75,100,125,150,175,200nM,pH=7.4)g-C3N4量子点的荧光光谱图(λex=310nm)，(b)荧光强度与对应Cu2+浓度的关系曲线(I和I0分别是有、无Cu2+存在的g-C3N4量子点的荧光强度)

Fig.7 (a)Fluorescence spectra(λex=310nm)of g-C3N4quantum dots at different concentrations of Cu2+:0,25,50,75,100,125,150,175,200nM(pH=7.4)，(b)plots of the fluorescence intensity against the concentration of Cu2+,I and I0are the fluorescence intensity of g-C3N4quantum dots in the presence and absence of Cu2+.

如图7a所示，在没有Cu2+的情况下，在水溶液中的g-C3N4量子点的荧光强度相当强烈。随着Cu2+浓度的增加，荧光强度逐渐减小。图7b所示的图是荧光下降百分比对应Cu2+的浓度。I和I0之间有良好的线性关系(I和I0分别是在有、无Cu2+时g-C3N4量子点的荧光强度)，最佳线性响应的Cu2+的浓度范围是从25nM到200nM(R2=0.9981)。基于反应的标准偏差(σ)和校准曲线的斜率(S)计算LOD，根据公式：LOD=3.0(σ/S)，Cu2+的最低检测限(LOD)约为25nM。随着Cu2+浓度增加，g-C3N4量子点在420nm处的荧光强度逐渐降低，利用这点可以用于检测Cu2+(见图7b)。由此可见，g-C3N4量子点在水溶液中可以灵敏地检测Cu2+。这是由于在弱碱性条件下，g-C3N4量子点带负电，表面的羧基与带正电的Cu2+存在静电作用，从而使g-C3N4量子点聚集，量子点的荧光强度降低。因此，利用Cu2+使g-C3N4量子点荧光淬灭可以应用于灵敏地检测Cu2+。

3 结论

本文用三聚氰胺为原料通过热聚合法制备出g-C3N4，以双氧水辅助，经过逐步剥离、水热反应和超声振荡，最终得到荧光g-C3N4量子点，该量子点表面带有氨基和羟基。本研究合成量子点的工艺简单易行，且合成的量子点具有较高的荧光效率。用g-C3N4量子点溶液对肝素钠溶液进行荧光检测，从荧光光谱图中可以发现，随着肝素钠浓度的增高，复合物的荧光强度逐渐降低，由此可得，样品可以检测肝素钠。用g-C3N4量子点溶液对Cu2+溶液进行荧光检测，从荧光光谱图中可以发现，随着Cu2+浓度的增高，复合物的荧光强度逐渐降低，由此，样品可以检测Cu2+。实验结果表明，本工作利用荧光g-C3N4量子点在pH7.4下带不同的电荷，为高灵敏地检测肝素钠和Cu2+提供了一条低成本的新途径。