天麻碳量子点的制备及其在铜(II)检测中的应用

郭 颖，黎莹莹，张 伟，姚佳梦，尚永辉

（咸阳师范学院 化学与化工学院，陕西 咸阳 712000）

Cu2+是人体内必需的微量元素之一，对人体的正常代谢、发育等有着非常重要的影响，但摄入过量的Cu2+会对人以及水生产物产生巨大的毒害作用[1-2]。因此，开发一种简单、快速、选择性好的方法来测定饮用水和环境水样中的痕量铜离子具有重要意义。目前铜离子的检测方法主要有原子吸收光谱法[3]、分光光度法[4]、电感耦合等离子体原子发射光谱法[5]、电化学法[6]及荧光光谱法[7]等。在这些方法中，荧光分析法因操作简便、灵敏度高以及仪器设备简单等优点而更受研究者的关注。

CQDs是一种新型的荧光碳纳米材料，与其他传统的半导体量子点和荧光染料相比，CQDs由于具有发光稳定、生物相容性好、毒性低等优点而受到研究者的广泛关注[8-10]。经过十几年的发展，CQDs 已在生物成像[11]、环境监测[12]、荧光传感[13]及光催化[14]等领域展现出广阔的应用前景。目前研究者已开发了多种方法来合成CQDs，其中，以天然物质为碳源合成CQDs 成为研究的新目标。这类CQDs 合成方法的优势在于原料廉价、绿色环保。而且由于大部分天然物质含有丰富的糖类、蛋白质等成分，因此在合成CQDs 过程中可自我掺杂形成异元素掺杂的CQDs，使其具有更优异的光学性能。

本文首次采用天麻这种新颖的生物质为碳源，无需钝化修饰，在较低的温度下通过简单的水热法一步制备了CQDs，并将其作为荧光探针用于环境水样中Cu2+的检测。

1 实验设备与方法

1.1 实验试剂及仪器

（1）实验试剂。天麻取自汉中市周边农场；溴化钾购自天津市天力化学有限公司；磷酸二氢钠、磷酸氢二钠均购于天津市红岩化学试剂公司；五水硫酸铜、氯化钠购于国药集团试剂有限公司；浓硫酸、硫酸奎宁购于上海阿拉丁试剂有限公司。硫酸奎宁为生物试剂级，99.0%，其余试剂均为分析纯，实验用水为超纯水（Millipore 18.2 MΩ·cm）。

（2）实验仪器。荧光光谱仪（F-7000，日本日立公司）；pH计（pB-10型，北京赛多利斯仪器系统有限公司）；分析天平（金诺天平仪器有限公司）；紫外可见分光光度计（UV-1800，岛津仪器有限公司）；傅里叶红外光谱仪（NICOLET iS10）；电热恒温鼓风干燥箱（FCD-3000，上海琅玕实验设备有限公司）；粉末压片机（FW-4A，天津市拓普仪器有限公司）。

1.2 实验方法

（1）碳点的制备。将天麻用超纯水清洗、烘干、粉碎。称取0.2 g天麻粉末超声分散于26 mL超纯水中，将分散液转移至50 mL 聚四氟乙烯内衬的高压釜内，160 ℃条件下反应6 h 后自然冷却到室温，用0.22 μm 滤膜抽滤上清液得到CQDs，4 ℃条件下保存备用。

（2）荧光量子产率测定。CQDs的荧光量子产率以溶于0.1 mol/L H2SO4的硫酸奎宁（荧光量子产率54%）作为参比物质，室温下测定。通过分别测量CQDs 分散液和硫酸奎宁溶液在最佳激发波长条件下的积分荧光强度和该激发波长下的吸光度值，确保该吸光度值小于0.05，按照以下的公式计算出CQDs的荧光量子产率。

其中Φ和ΦR分别为CQDs 和硫酸奎宁的荧光量子产率，I和IR分别为CQDs 与硫酸奎宁的积分荧光强度，A和AR分别为CQDs 和硫酸奎宁在待测物质最佳激发波长下的吸光度值，η和ηR分别为120、200 ℃下水热反应时溶剂的折射率。

（3）碳量子点应用于Cu2+检测。在1.5 mL 离心管中依次加入150 μL CQDs、200 μL 的PBS 缓冲溶液（pH 7.0）以及一定浓度的Cu2+标准液液，用水稀释至500 μL，在涡旋混合器上混匀静置10 min 后，以374 nm 为激发波长，在F-7000型荧光分光光度计上测定该体系在441 nm 附近荧光强度F；按照同样方法测定相同浓度的CQDs 的PBS 缓冲溶液荧光强度为F0，计算荧光强度的变化量ΔF（ΔF=F0-F）。

2 结果与讨论

2.1 碳量子点的制备条件分析

2.1.1 水热反应温度的影响

实验采用单因素变量法研究了水热反应温度对CQDs 荧光性质的影响。图1 为0.2 g 天麻加入26 mL 超纯水中，在120～200 ℃条件下水热反应6 h 制备所得的CQDs 分散液的荧光光谱图。从图可以看出反应温度对CQDs 最大发射峰的位置影响较小。但随着水热反应温度的增加，CQDs荧光强度逐渐增加，在160 °C 时达到最大值，继续增加水热反应温度，CQDs的荧光强度反而降低。这可能是由于温度升高形成了大尺寸的CQDs，从而导致其荧光强度下降。实验选择水热反应温度为160 ℃。

图1 水热反应温度对GQDs荧光性质的影响

2.1.2 水热反应时间的影响

将0.2 g 天麻加入26 mL 超纯水中，在160 ℃条件下，分别水热反应4、6、8、11、15 h。图2 为不同水热反应时间对CQDs 荧光强度的影响，可以看出水热反应时间过长或过短均不利于CQDs 的荧光。在6 h 之前，荧光强度随水热时间的延长而增加，但进一步增加水热反应时间，CQDs 的荧光强度反而降低。这可能是由于水热时间过长，造成CQDs 表面破坏严重，从而导致其荧光强度降低。实验选择水热反应时间为6 h。

图2 水热反应时间对GQDs荧光性质的影响

2.2 碳量子点的光谱表征

2.2.1 碳量子点的紫外-可见光谱和荧光光谱

从CQDs的紫外-可见吸收光谱图（图3（a））可以看出，CQDs在303 nm有一明显吸收峰，该峰对应于CQDs表面官能团的n-π*跃迁[10]。CQDs的荧光发射光谱如图3（b）所示，CQDs 在激发波长314～394 nm范围内，具有激发波长依赖性荧光，即CQDs 的发射波长随激发波长的红移而红移，并伴随着荧光强度先增加后下降的趋势。CQDs这种多元激发、多元发射的光谱特性与文献报道[15]相一致，并且在碳基荧光纳米材料中广泛存在，一般认为这种独特的光学现象主要归因于不同尺寸CQDs 的缺陷态不均的量子尺寸效应造成的[16]。从图3（c）可以看出，CQDs的最大激发和最大发射波长分别位于374 nm、441 nm处。以硫酸奎宁作为标准，控制其吸光度在0.05 以下时测得CQDs的荧光量子产率为17%。

图3 碳量子点的紫外-可见光谱和荧光光谱图

2.2.2 碳量子点的红外光谱

CQDs的红外光谱如图4所示。CQDs的-OH的伸缩振动峰位于3 285 cm-1处，C-H 伸缩振动峰位于2 856 cm-1，C=C 伸缩振动峰位于1 593 cm-1，C-H 面内弯曲振动峰位于1 363 cm-1，醚键-P=O（OH）2基团中P=O 的伸缩振动峰位于1 220cm-1，红外光谱表明CQDs表面带有大量的亲水基团，所以CQDs具有良好的水溶性，能够作为探针对样品实现检测。

图4 CQDs的红外光谱图

2.3 碳量子点的稳定性研究

实验分别以盐离子浓度、紫外灯照射时间、溶液pH 以及储存时间为影响因素，研究了所合成的CQDs 的稳定性。图5（a）为CQDs 在不同浓度NaCl溶液中的荧光强度。如图所示，CQDs表现出良好的抗盐能力，其荧光强度并没有随着NaCl浓度的升高而发生显著变化。当NaCl 浓度在0～0.7 mol·L-1范围内，CQDs 的荧光强度基本处于稳定状态，说明所制备的CQDs 在高离子强度溶液中具有好的稳定性。图5（b）为CQDs在不同时间紫外灯照射下的荧光强度。如图所示，随着光照时间的增加，CQDs 荧光基本保持稳定，说明所合成的CQDs 具有良好的光稳定性。此外，CQDs 分散液在室温下长期放置（大于30 天）没有发现悬浮物的生成，而且CQDs 的荧光强度也未见显著变化，这进一步说明，所合成的CQDs具有良好的稳定性。

图5 NaCl浓度和光照时间对CQDs荧光性质的影响

2.4 碳量子点荧光探针应用于Cu2+检测

2.4.1 校准曲线与检出限

按照实验方法向CQDs 中依次加入PBS 缓冲溶液和不同浓度的Cu2+标准溶液，混合均匀后测定其荧光，考察不同Cu2+浓度对CQDs 荧光的猝灭效应。结果表明，Cu2+标对CQDs 荧光有显著的猝灭作用，随着Cu2+浓度的增加，体系的荧光强度逐渐降低，Cu2+浓度在5.0×l0-7～2.0×l0-5mol·L-1范围内与CQDs的荧光猝灭程度呈良好的线性关系（图6），其线性方程为ΔF=17.96c+19.67，c单位为μmol·L-1，相关系数r=0.998 8。通过进行11 次空白实验，按3σ/k（σ为11 次空白溶液的标准偏差，k为线性方程的斜率）计算检出限为2.1×10-7mol·L-1。

图6 CQDs与Cu2+浓度的标准曲线

2.4.2 共存离子的影响

考察了常见离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Pb2+、Co2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+、Fe2+、Cr3+、Cl-、NO3-（浓度均为5.0×10-6mol·L-1）对CQDs-Cu2+体系荧光强度的影响。结果发现，当溶液中Cu2+的浓度为5.0×10-6mol·L-1时，CQDs荧光明显猝灭，而以上其他金属离子几乎都不会使CQDs 荧光发生明显的猝灭。因此，该实验所合成的CQDs 可作为荧光探针选择性的应用于Cu2+的检测。

2.4.3 实际样品分析

采集咸阳师范学院秦池水样，经0.22 μm微孔滤膜过滤、10 倍浓缩处理后，按照实验方法对水样中Cu2+含量进行测定，结果如表1 所示。从表1 可以看出，加标回收率在90%～105%之间，这表明实验所合成的CQDs可用于实际样品中Cu2+的检测。

表1 CQDs测定秦池水样中Cu2+的含量

3 结论

本研究以天麻为前体，采用简单的水热法制备了具有良好荧光性质的CQDs。研究了水热反应温度、时间等条件对CQDs 荧光性质的影响。此外，基于Cu2+对CQDs 荧光的猝灭作用构建了一种检测Cu2+的方法。该方法简单快速，且检测成本低，在环境分析方面有一定的应用前景。