一步合成氮掺杂的碳量子点并用于对Fe3+的检测

蒋云霞，李 艳，刘柏松，徐百灵

（吉林化工学院化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022）

碳量子点一般是指纳米颗粒尺寸在10 nm 以下、形状接近于球型、颗粒单分散的一种荧光碳纳米材料[1-2]。相比传统的半导体量子点和有机染料，碳量子点作为一种新型的荧光探针，具备宽而连续的激发光谱、窄而对称的发射光谱、良好的生物相容性和低毒性，在生物医学、标记、重金属检测等领域有良好的应用前景[3-9]。其中，对金属离子进行检测是碳量子点研究的重要方向之一。

作为生物系统中最丰富的微量元素之一，Fe3+在人体中起着至关重要的作用[10]。然而，异常水平的Fe3+离子会破坏机体的正常运转，可能会导致某些疾病的发生，如贫血、血色素沉着症、肝炎、关节炎、糖尿病、心力衰竭和癌症[11-12]等。因此，Fe3+的测定对于早期识别和预防这些疾病很重要。目前，已有几种检测Fe3+离子的方法被开发出来，包括原子吸收光谱法、分光光度法、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电化学方法[13-16]。但是，这些检测方法需要复杂的仪器和繁琐的样品制备程序，极大限制了它们在测定Fe3+离子中的实际应用。最近，量子点（QDs）荧光探针由于其高灵敏度和选择性、低成本和易于操作的独特优势，为测定Fe3+离子提供了更好的选择[17]。

碳量子点经过氮掺杂或表面钝化后，其荧光量子产量可以得到明显的提升[18]。本文以柠檬酸和异烟肼为原料，采用水热法一步合成了氮掺杂的碳量子点（N-CQD），以此建立了一种新型荧光探针，并探究了其用于Fe3+检测的可能性。研究发现，N-CQDs 对Fe3+具有良好的选择性猝灭现象，探究了Fe3+浓度与N-CQDs 荧光强度间的关系，发现二者具有良好的线性关联，表明该量子点可用于实际样品中Fe3+的检测，从而建立了一种简单、快速且对Fe3+具有良好选择性的检测方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：柠檬酸、异烟肼、氯化钴、硝酸铅、氯化镍、硫酸镁、氯化钡、硫酸铝、氯化铜、氯化锶、醋酸锌、硝酸铬、氯化钙、硝酸银、醋酸锰、硫酸亚铁、三氯化铁（均为分析纯）。

仪器：ZF-1 型三用紫外分析仪，Cary Eclipse 型荧光分光光度计，VECTOR-22 型傅立叶红外光谱仪，DHG-9140A 型鼓风烘箱，KQ5200 型超声波清洗仪，KH-50mL 型聚四氟乙烯反应釜。

1.2 氮掺杂的碳量子点的合成

称取柠檬酸0.5 g，异烟肼1 g，分别用15 mL 去离子水溶解，混合均匀，放入聚四氟乙烯反应釜中，放入鼓风烘箱中210℃下加热6h。加热结束后，反应釜自然冷却至室温，打开反应釜，将液体移入透析袋中透析，24h 后即得到透明澄清的碳量子点，放入冰箱上层保存。图1 为本实验所制的碳量子点的合成示意图。

图1 氮掺杂碳量子点的合成示意图Fig.1 Schematic illustration of preparation process for N-CQDs

1.3 金属离子的检测

取2.5mL 的N-CQDs 溶液于离心管中，再往离心管中分别加入相同浓度（0.19 mmol·L-1）的不同金属阳离子（Co2+、Pb2+、Ni2+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Cu2+、Sr2+、Zn2+、Cr3+、Ca2+、Ag+、Mn2+、Fe2+、Fe3+）。混 合2min 后，测量各个离心管中N-CQDs 溶液的荧光发射光谱，并与未加金属离子的空白N-CQDs 溶液比较荧光强度的变化。

1.4 氮掺杂的碳量子点检测Fe3+

取2.5 mL 的N-CQDs 溶液于离心管中，将配置好的不同体积的铁离子溶液（0.02 mol·L-1）加入到N-CQDs 溶液中，混合均匀2 min 后，测其荧光发射光谱。

2 结果与讨论

2.1 氮掺杂碳量子点的傅立叶红外光谱图

图2 为N-CQDs 的傅立叶红外光谱图。3000 cm-1～3438cm-1为O-H 和N-H 的伸缩振动峰，1711cm-1、1666cm-1、1577cm-1为 对 应 的 芳 香 族 化合物中C=C 的伸缩振动峰和C=O 的伸缩振动峰，1411cm-1、1335cm-1、1271cm-1对应C-N 的伸缩振动峰。以上结果表明，N-CQDs 表面含有大量的羟基、羧基和氨基等基团，从而保证了碳量子点良好的水溶性。

图2 氮掺杂碳量子点的傅立叶红外光谱图Fig.2 Fourier infrared spectrum of N-CQDs

2.2 氮掺杂碳量子点的荧光性能

图3 为N-CQDs 在不同激发波长下的荧光光谱图。从图中可以看出，当波长从345 nm 增加到365 nm 时，碳量子点的荧光强度不断增强，当激发波长从365 nm 继续增大到385 nm 时，荧光强度反而下降，由此可以得出碳量子点的最佳激发波长为365 nm。从图中可以看出，当波长从345 nm 增加到385 nm 时，N-CQDs 的荧光强度不断增强，并伴随着红移，这可能是N-CQDs 的尺寸效应造成的。量子点的尺寸越小，其有效能级的禁带宽度越大，激发所需的能量就越大，因此发射出的光的波长越短，反之则发射光波长越长[18]。从图中可以看出，激发波长为365～385 nm 时，发射波长的红移范围不大，此结果可以从侧面验证所制备的碳量子点的尺寸分布较为均一。N-CQDs 在紫外灯照射下发出强烈的蓝光(图3 插图)。N-CQDs 具有很强的光稳定性，我们将制得的N-CQDs 溶液放入冰箱上层保存后，再进行荧光强度的测试，结果表明，在冰箱上层放了14d 之后，N-CQDs 的荧光强度未发生明显改变，稳定性较好（图4）。

图3 氮掺杂碳量子点在不同激发波长下的荧光发射光谱(插图：紫外灯照射下的碳量子点溶液)Fig.3 Fluorescence emission spectra of N-CQDs under different excitation wavelengths(inset: N-CQDs solution under ultraviolet light)

图4 氮掺杂碳量子点的稳定性Fig.4 The stability of N-CQDs

2.3 溶液pH 对氮掺杂碳量子点荧光强度的影响

图5 为N-CQDs 在不同pH 条件下的荧光发射光谱。碳量子点原溶液的pH 为4，当其pH 为6 时，可以看到荧光略有下降，当pH 为8 时，荧光强度下降幅度增大，当pH 为10 和12 时，荧光强度继续降低，由此可知，酸性溶液对N-CQDs 荧光强度的影响较小，而碱性溶液对N-CQDs 荧光强度的影响略大。本次实验选择pH 值为4 进行金属离子的测试。

图5 氮掺杂碳量子点在不同pH 条件下的荧光发射光谱Fig.5 Fluorescence emission spectra of N-CQDs under different pH

2.4 氮掺杂碳量子点对Fe3+的选择性

对多种常见的金属离子（Co2+、Pb2+、Ni2+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Cu2+、Sr2+、Zn2+、Cr3+、Ca2+、Ag+、Mn2+、Fe2+、Fe3+）进行检测，以建立N-CQDs 荧光体系对Fe3+的选择性。如图6(a)所示，向N-CQDs 中加入相同浓度（0.19mmol·L-1）的不同金属离子时，只有Fe3+能够在很大程度上淬灭碳量子点的荧光，其中Co2+、Pb2+、Ni2+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Cu2+、Sr2+对荧光的淬灭程度较小，Zn2+、Cr3+、Ca2+、Ag+、Mn2+、Fe2+对荧光强度均有不同程度的淬灭，但远不及Fe3+，说明该N-CQDs 对Fe3+具有良好的选择性，由此可以建立基于N-CQDs荧光猝灭检测Fe3+的方法。同时探究了该N-CQDs的抗干扰性，结果如图6(b)所示。在其他金属离子存在的情况下，向N-CQDs 溶液中加入0.19mmol·L-1的Fe3+，可以看出荧光发生了猝灭现象，说明该N-CQDs 作为Fe3+探针具有可靠的抗干扰能力。

图6 荧光相对强度(a) Fluorescence intensity rations (F/F0) of N-CQDs in the presence of different metal ions (0.19 mmol/L) (b) Corresponding fluorescence intensities of N-CQDs before (black) and after (red) the treatment with Fe3+Fig.6 Fluorescence intensity rations

2.5 氮掺杂的碳量子点对Fe3+的检测

在最优化的分析条件下，基于Fe3+对N-CQDs荧光强度的猝灭，建立了测定Fe3+的荧光方法。图7(a)为Fe3+检测的荧光滴定结果，可以看出，随着Fe3+浓度不断增大，荧光猝灭效果越来越明显。由图7(b)可知，在0～400μmol·L-1范围内，N-CQDs 的荧光淬灭程度与Fe3+浓度存在良好的线性关系，所得的标准曲线方程为：F0/F=0.01099C(Fe3+)+0.92898，线性相关系数R2为0.99119，检出限为9.25×10-6mol·L-1。

图7 荧光光谱和线性关系曲线(a)Fluorescence spectra of different iron ion concentrations; (b)The relationship between the degree of fluorescence quenching of carbon quantum dots and the concentration of iron ionsFig.7 Fluorescence spectra and Linear relation curve

3 结论

本文以柠檬酸和异烟肼为原料，采用水热法一步合成了N-CQDs，产物在紫外灯的照射下能够发出强烈的蓝光，最佳激发波长为365nm。N-CQDs的荧光发射强度与pH 值密切相关，最佳pH 值为4。N-CQDs 用来检测常见的多种金属离子，发现氮掺杂的碳量子点对Fe3+具有选择性荧光猝灭现象，且猝灭程度明显，在0～400 μmol·L-1范围内，荧光猝灭程度与Fe3+浓度存在良好的线性关系，R2=0.99119，检出限为9.25×10-6mol·L-1，表明该量子点可用于实际样品中Fe3+的检测。