荧光碳点的制备及其在I-检测中的应用

2021-11-10庞纪平江英霞颜范勇施锦辉

天津工业大学学报 2021年5期

庞纪平，江英霞，颜范勇，施锦辉

（1.天津中新药业集团股份有限公司中新制药厂，天津 300450；2.天津工业大学分离膜与膜过程国家重点实验室/国家分离膜国际联合研究中心，天津 300387；3.南通海关综合技术中心，江苏南通 226004）

碘是人体必需的微量元素之一，可参与甲状腺激素的合成，调控人体的生长发育[1-3]。长期缺碘可引起甲状腺功能低下，而长期碘过量则容易引起碘中毒，表现为消化道刺激症状等[4-5]。因此，准确测定生物、环境样品及食品蔬菜中的碘含量对人体健康状况分析、食物营养评价和环境评估有重要意义。目前，I-的检测方法主要有离子色谱法、分光光度法、电化学法、中子活化法和色谱光谱法等[6-9]。这些方法具有灵敏度高和选择性好的优点，但成本高，操作复杂。与之相比，荧光分析法不仅选择性好，而且操作简便、成本低廉，可以高灵敏快速检测I-[10-13]。

CDs与传统的石墨烯量子点相比，其光学性质对pH值、光照、温度和离子强度等具有更好的稳定性，在应用时受到的限制条件较少。CDs还具有良好的水溶性、低毒性和良好的生物相容性等优点，被广泛应用于传感、生物成像和光学器件等多个领域[14-16]。CDs一般可用于检测金属离子以及其他无机离子，例如Fe3+、Hg2+、Al3+、F-、NO2-和OCl-[17-20]，但对I-检测的研究仍然十分有限。因此，采用一步法合成用于检测I-的荧光CDs至关重要。

本文以无水柠檬酸为碳源，乙二胺为氮源，通过一步水热法合成了氮掺杂的CDs，通过TEM、UV-vis、FTIR和荧光光谱对CDs的结构和光学特性进行表征；并在此基础上，开发了一种基于CDs的快速、灵敏检测实际水样中I-的方法。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

试剂：无水柠檬酸（≥99.5%）、N-2-羟乙基哌嗪-N′-2-乙磺酸（HEPES），上海阿拉丁试剂有限公司产品；乙二胺，天津大茂化学试剂厂产品；NaH2PO4、Na2HPO4、Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO3、Na2S，均为天津市风船化学试剂科技有限公司产品；NaNO2、NaNO3、NaAc、NaF，天津市北方天医化学试剂厂产品；KBr、NaCl、KI，天津市福晨化学试剂厂产品；CaCl2、MgCl2、AlCl3，天津市化学试剂三厂产品。以上试剂均为AR级。

仪器：ALC-210.4型分析天平，上海奥豪斯仪器有限公司产品；DZG-401型电热真空干燥箱，天津天宇实验仪器有限公司产品；RE-52A型旋转蒸发仪，上海雅荣生化设备仪器有限公司产品；KH-250型超声清洗器，昆山禾创超声仪器有限公司产品；TENSOR37型傅里叶变换红外光谱仪、F380型荧光分光光谱仪，天津港东科技发展股份有限公司产品；ZF-1型紫外-可见分光光度计，北京北分瑞利分析仪器有限责任公司产品；JEOL-2010F型透射电子显微镜，日本电子株式会社产品；T500型分析天平，天津市天马仪器厂产品。

1.2 CDs的合成及纯化

采用简单的一步水热法制备CDs。准确量取0.156 0 mL乙二胺和1.345 0 g无水柠檬酸于50 mL烧杯中，加入30 mL去离子水超声使其溶解，将溶液倒入50 mL水热反应釜中于190℃加热5 h。反应完成后待其自然冷却至室温得到深棕色的溶液。通过离心除掉溶液中的不溶性颗粒，转速为4 000 r/min，离心时长为15 min。将离心后的上清液进行进一步的透析纯化（MW=3.5 ku），透析时间为24 h，此操作目的是除去体系中未反应的前体化合物。之后再用旋转蒸发仪对透析后的产物进行旋转蒸发，真空旋干，得到纯化的CDs产物。

1.3 标准溶液的配置

（1）精密称量CDs 0.01 g，用水做溶剂使其充分溶解，溶解之后将其稀释定容到50 mL并进行适当摇晃，配制成质量浓度为0.2 mg/mL的标准母液。放置于冰箱保存备用。

（2）准确称取适量的NaH2PO4、Na2HPO4、Na2S2O3、Na2SO4、Na2S、NaHSO3、NaNO2、NaNO3、NaAc、NaF、KBr、NaCl、KI、MgCl2、AlCl3、CaCl2等配制成浓度为2.0 mmol/L的标准溶液。配制完成之后将其做好标记，保存于冰箱备用。

（3）准确称量119.15 g HEPES溶解在400 mL蒸馏水中，加0.5~1 mol/L的NaOH水溶液调节至pH值为7.4，然后用蒸馏水定容至500 mL，于冰箱保存备用。

1.4 CDs的选择性和I-的测定

（1）CDs的荧光选择性：首先取200μL CDs母液于10 mL容量瓶中，然后加入浓度为2 mmol/L的待测离子100μL，放置15 min后在350 nm的激发波长下进行荧光扫描，激发和发射狭缝均设置为2.5 nm。

（2）I-的测定：取100μL CDs溶液加入到10 mL容量瓶中，再向其中加入不同浓度的I-溶液，用10 mmol/L的HEPES缓冲液（pH值为7.4）定容。将混合液充分摇匀后于室温下静置10 min，之后在激发波长为350 nm下记录CDs荧光强度的变化。在此过程中，激发和发射狭缝均设置为2.5 nm。

（3）干扰性评估：分别取100μLCDs溶液和200μL阴离子的标准溶液加入到10 mL容量瓶中，再用配制的HEPES缓冲液定容。将混合液充分摇匀后于室温下静置10 min，之后在激发和发射狭缝为2.5 nm、激发波长为350 nm的条件下记录CDs荧光强度的变化。

1.5 量子产率的计算

CDs的量子产率（φ）是使用硫酸奎宁为标准物质（φf=54%）来计算的[21-22]。首先，将CDs溶解在水中，将硫酸奎宁溶解在0.1 mol/L H2SO4中形成0.1μg/mol溶液。然后配置5个不同梯度的CDs和硫酸奎宁溶液。为了最大程度地减少重吸收效果，硫酸奎宁在10 mm荧光比色皿中的吸光度保持在0.05以下，而CDs的吸光度保持在0.1以下。荧光积分强度是最佳激发波长下荧光光谱的积分面积。然后使用荧光积分强度对吸光度作图，截距为零。量子产率计算公式为：

式中：φ为量子产率；Grad为荧光积分强度与吸光度之间关系的梯度；η为溶液折射率；x代表未知样品；st为标准品；对于水溶液来说，ηx/ηst=1。

1.6 I-的加标实验

为了评估CDs在实际应用中的可行性，研究了CDs在实际水样中对I-的加标回收实验。以天津工业大学的自来水为例。在进行I-加标实验前，该水样先通过0.35μm的滤膜过滤其中可能存在的不溶性杂质。之后，用该水样配制5、10、15和20μmol/L的KI溶液，在室温下孵育15 min后，在350 nm的激发波长下对每个样品测量3次，记录在450 nm处的荧光强度，与对应I-浓度的标准荧光强度作比较，计算回收率：

2 结果与讨论

2.1 碳点的表征与光学性质

本文利用TEM、FTIR、XRD、UV-vis和荧光光谱对所制备的CDs进行表征，结果如图1—图2所示。

图1 CDs的TEM图、粒径分布直方图、FT-IR谱图和XRD衍射图Fig.1 TEM image，particle size distribution diagram，FT-IR spectra and XRD diffraction pattern of CDs

图2 CDs的荧光光谱和紫外可见吸收光谱Fig.2 Fluorescence spectra and UV-vis absorption spectra of CDs

CDs的形态和粒径通过TEM图像表征。由图1（a）和图1（b）可知，由柠檬酸和乙二胺通过一步水热法制备的CDs呈类球形结构并且具有良好的分散性；本文制备的CDs具有较窄的粒径分布，主要分布在1.1~2.7 nm的范围内，平均粒径为2.25 nm。

CDs表面官能团的类型通过FT-IR图谱测定。由图1（c）可知，N—H或O—H的伸缩振动峰位于3 400 cm-1左右；C=O的伸缩振动峰位于1 700 cm-1左右；1 250 cm-1左右的峰为C—N的伸缩振动峰；1 175 cm-1左右的峰为C—C的伸缩振动峰。由此可知，本文合成的CDs表面同时具有—NH2与—COOH等官能团。

图1（d）为CDs的XRD图谱，其在2θ=21.5°处具有一个明显且较宽的衍射特征峰，这归因于（002）晶格面的衍射。稍微大于石墨晶格间距（0.34 nm），是由于在CDs中引入了含N和含O基团。

CDs的荧光光谱如图2（a）所示，由于表面的不均一性，随着激发波长的增加，CDs的发射峰逐渐红移，表明CDs具有激发决定发射的性质[23-24]。并且CDs的荧光强度随着激发波长的增加先增加后降低，在激发波长为350 nm时荧光强度在450 nm处具有最佳的发射峰。因此，350 nm为该CDs的最佳激发波长，之后的测量均使用该激发波长。

图2（b）为CDs的UV-vis光谱，由图2（b）可知，该CDs在203、252和345 nm处具有3个吸收峰。在203和252 nm处的吸收峰主要由C=C键上π-π*的电子跃迁造成，而在345 nm处的吸收峰主要由C=O上n-π*的电子跃迁造成[25-26]。

通过对CDs在不同pH溶液和不同浓度NaCl溶液中的荧光强度来研究CDs的光稳定性，结果如图3和图4所示。

图3 不同pH条件下CDs的荧光稳定性Fig.3 Fluorescence stability of CDs at different pH conditions

图4 盐浓度对CDs荧光强度的影响Fig.4 Effect of salt concentration on luorescence intensity of CDs

由图3可知，在pH值从4变化到10的过程中，CDs的归一化荧光强度仅有微弱的变化，并且在pH值为8时达到最高值。因此，在之后的检测中HEPES缓冲液的pH值在7~8之间对荧光检测最为有利。由图4可知，明显地，即使NaCl的浓度达到4.0 mol/L时，CDs的荧光强度也没有明显下降的趋势。以上结果表明，本文所合成的CDs具有优异的荧光稳定性。

2.2 CDs的选择性与滴定实验

CDs对常见离子的选择性识别结果如图5所示。

由图5可知，在阳离子对CDs的滴定过程中（图5（a）），Cr6+由于在470 nm处本来就有一定的吸收，所以Cr6+在阳离子检测中表现出来的特殊吸收现象并不能说明本文合成的CDs对其有特殊的选择性。而如图5（b）所示，在对阴离子检测的过程中，CDs的荧光被I-淬灭，这说明本文合成的CDs对I-具有特异性识别能力。

图5 CDs对常见阳离子和阴离子的选择性Fig.5 Selectivity of CDs for common cations and anions

在350 nm的激发波长下评估不同浓度的I-对CDs在450 nm处的荧光强度的影响，结果如图6和图7所示。由图6可知，随着I-浓度的增加，CDs的荧光强度逐渐降低。图7为CDs荧光强度与I-浓度的线性关系图。由图7可见，当I-浓度范围为20~90μmol/L时CDs的荧光响应（F0-F）与I-浓度有较好的线性关系，并且由此得到的检测限为1.743μmol/L。

图6 I-对CDs的荧光滴定光谱Fig.6 Fluorescence titration spectra of I-on CDs

图7 F0-F与I-浓度的线性关系Fig.7 Linear relationship between F0-F and I-

2.3 干扰性评估和机理研究

CDs对I-灵敏性的抗干扰性评估结果8所示。由图8可知，当其他干扰性离子存在时，加入I-后CDs的荧光淬灭程度与没有存在干扰性离子几乎一样，说明其他阴离子的存在对CDs检测I-具有可忽略的影响，说明该CDs具有良好的抗干扰能力。

图8 干扰离子对CDs荧光强度的影响Fig.8 Effect of interfering ions on fluorescence intensity of CDs

通常CDs的淬灭机理主要包括静态淬灭、动态淬灭、内滤效应（IFE）和福斯特共振能量转移（FRET）[22-25]。通过测定加入I-前后CDs的荧光衰退曲线和紫外吸收光谱分析CDs对I-的检测机理，如图9所示。

图9 CDs对I-的检测机理分析Fig.9 Detection mechanism analysis of I-by CDs

由图9（a）可知，CDs的荧光寿命为9.644 ns，加入I-之后CDs的荧光寿命为9.313 ns，荧光寿命几乎没有改变，因此，可排除动态淬灭和FRET。由图9（b）可知，加入I-后，CDs在345 nm处的吸收峰降低而240 nm处的吸收峰增加，240 nm处不发光基态复合物的形成导致CDs的紫外吸收谱图改变，由此排除IFE。因此，CDs与I-相互作用的机理为静态淬灭。由图9（c）可知，当加入相同浓度I-后仅升高反应温度时CDs的荧光淬灭程度下降，进一步验证了淬灭机理为静态淬灭[27]。