氮掺杂碳点的制备及其在Fe3+检测中的应用

周小丽，徐敬尧

（1.广西城市水环境重点实验室，百色学院化学与环境工程学院，广西 百色 533000；2.百色学院材料科学与工程学院，广西 百色 533000）

碳点（Carbon Dots，CDs）是形状类似球形的碳纳米颗粒材料，直径在10nm以下。2004年，Xu等人[1]在制备碳纳米管的电泳分馏过程中，无意中发现了碳点。碳点具有易于制备和表面改性、光稳定性和水分散性良好、荧光特性可调、生物相容性优良等优点，在荧光传感、成像、光疗、光电器件和光催化等领域有广泛的应用[2-4]。

Fe3+是人体必需的微量元素之一，人体内的Fe3+过量或不足，均会引起很多疾病，比如缺铁性贫血、肝肾损害、心脏病等[5]。此外，评价水质的一个重要指标，就是水中Fe3+的含量。目前，用于检测金属离子的方法主要有吸收光谱法[6]、电感耦合法[7]和电化学法[8]等，这些方法具有灵敏度高的优点，但也存在操作复杂、耗时、样品准备繁琐[9]等缺点。

由于具有选择性好、易于操作、测定迅速等优点，荧光分析法受到了越来越多的关注。近年来，已有碳点荧光探针用于检测Fe3+的文献报道[10-11]，但存在碳点的量子产率不高、水溶性和稳定性差等问题，影响了应用效果。相关的研究结果表明，掺杂富电子杂原子如氮原子等，可在一定程度上改善碳点的荧光性能和水溶性[12]。

三羟甲基氨基甲烷的化学结构中富含羟基和氨基，可在碳点的制备过程中作为碳源，实现氮原子掺杂，从而提高其水溶性和荧光性能。本文将含氮的三羟甲基氨基甲烷作为碳源，采用水热法制备了具有良好水溶性的氮掺杂碳点（N-CDs），并构建了用于检测Fe3+的高灵敏度荧光探针，以期为新型碳点未来的工业应用提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

三羟甲基氨基甲烷（Tris）、氯化铁、硫酸铜、硝酸铅、氯化钴、硫酸镁、氯化钠、硫酸锌、硫酸锰、氯化钙、氢氧化钠（均为分析纯）。

1.2 表征

采用场发射透射电镜测试样品的形貌和尺寸；采用傅里叶变换红外吸收光谱仪和X射线光电子能谱仪表征样品的结构特征；采用F-7000荧光分光光度计和UV-2700紫外分光光度计表征样品的光学性质。

1.3 实验方法

1.3.1 氮掺杂碳点的制备

称取2g的Tris溶解于10mL超纯水中。Tris完全溶解后，将溶液转移至反应釜的聚四氟乙烯内衬中，再将反应釜置于干燥箱中，200℃下保温反应6h。反应完成后，待反应产物自然冷却到室温，用饱和的NaOH溶液调节反应产物的溶液pH=7.0，将反应溶液转移到离心管中，转速10000r·min-1下离心20min，以除去小颗粒沉淀。将离心后的溶液转移到透析膜（1000MWCO），在超纯水中透析30h。将透析液旋蒸以除去溶剂，加入600μL超纯水溶解，置于冰箱中4℃下避光保存。

1.3.2 Fe3+的检测

依次将80μL的Tris-HCl缓冲溶液（10mmol·L-1，pH=7.0）、10μL的N-CDs（42.7mg·mL-1）、10μL不同浓度的Fe3+溶液加入1mL离心管中，空白液加入10μL的超纯水，使溶液的最终体积为100μL。使用旋涡混合仪将溶液混合均匀后，避光反应10～45min，用F-7000荧光分光光度计检测样品的荧光光谱。

2 结果与讨论

2.1 氮掺杂碳点的表征

采用场发射透射电镜（TEM）分析所制备的N-CDs 溶液的微观形貌和粒径尺寸，结果见图1、图2。从N-CDs溶液的TEM图（图1）可知，制备的N-CDs溶液的微观形貌呈近似球形，粒径均一，具有很好的分散性。从粒径分布图（图2）可以看出，制备的N-CDs溶液的粒径在3～9nm之间，平均粒径约为6.1nm。

图1 N-CDs溶液的 TEM 照片Fig. 1 TEM image of N-CDs solution

图2 粒径分布图Fig.2 size distribution of N-CDs solution

为了确定N-CDs溶液表面的基团，对其进行了红外光谱测试，结果见图3。由图3可知，合成的N-CDs溶液在3448cm-1、1634cm-1、1073cm-1处有明显的红外吸收峰。3448 cm-1处的吸收峰为O-H的伸缩振动峰，1634 cm-1处的吸收峰为C=O的伸缩振动峰，1073 cm-1处的吸收峰为C-N的振动峰，说明氮元素已掺杂到制备的N-CDs溶液中。

图3 N-CDs溶液的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR spectrum of N-CDs solution

为了进一步研究N-CDs溶液的表面构成，对N-CDs溶液进行了XPS表征，结果见图4～图7。由图4可知，制备的N-CDs溶液在286.6eV、399.6eV和530.4eV处的峰，分别与O1s、N1s、C1s的特征峰对应，说明制备的N-CDs溶液由O、N和C组成。元素分析结果表明，C、N和O的原子比为56.0%、4.8%和39.2%，N1s 峰的存在表明N 元素已成功掺杂到了制备的N-CDs溶液中。由图5可知，N-CDs溶液的C1s在284.47eV、285.85eV和286.65eV处有明显的吸收峰，分别对应C=C/C-C、C-C/C-N、C-O[13-14]。由图6可知，N-CDs溶液的N1s在399.5eV和401.5eV处有明显的吸收峰，分别对应N-H 和 C-N基团，进一步证实了N-CDs溶液中N原子的存在。由图7可知，N-CDs溶液的O1s在531.7eV和532.4 eV处有明显的吸收峰，分别对应C=O、C-O基团。XPS 测试结果与 FT-IR的测试结果一致，说明制备的N-CDs溶液表面含有氮和氧的基团。

图4 N-CDs的XPS总光谱图Fig.4 XPS survey spectrum of N-CDs

图5 N-CDs的C1s光谱图Fig.5 C1s spectrum of N-CDs

为了考察N-CDs溶液的光学性质，采用荧光光谱和紫外吸收光谱对制备的N-CDs溶液进行了表征，结果见图8。图8中的3条曲线，分别为所制备的N-CDs溶液的紫外吸收光谱（Abs）、荧光激发光谱（EX）和发射光谱（EM）。N-CDs溶液的紫外吸收光谱在225～275nm间有明显的吸收峰，是N-CDs溶液中C=O、C=N的π→π*跃迁所致。由图8可知，N-CDs溶液的最佳激发波长为350nm，荧光发射峰位置在448nm。

图8 N-CDs溶液的荧光激发光谱和发射光谱及紫外可见吸收光谱Fig. 8 Fluorescence excitation, excitation spectra and UV-Vis absorption spectra, of N-CDs solution

2.2 N-CDs的稳定性

为了研究所制备的N-CDs溶液的稳定性，分别考察了pH和盐离子强度对N-CDs溶液的荧光强度的影响，结果见图9。由图9可知，pH在6.0～9.0之间时，N-CDs溶液的荧光强度变化不大。图10是在ris-HCl缓冲溶液（10mmo1·L-1，pH=7.0）中，N-CDs溶液的荧光强度随NaCl溶液浓度变化的情况。结果显示，在不同浓度的NaCl条件下，N-CDs溶液的相对荧光强度的波动范围不大，表明N-CDs溶液具有良好的pH稳定性和抗盐性。

图9 不同pH对N-CDs溶液荧光强度的影响Fig. 9 Effect of pH on fluorescence intensity of N-CDs solution

图10 NaCl溶液浓度对N-CDs溶液荧光强度的影响Fig. 10 Effect of concentration of NaCl on fluorescence intensity of N-CDs solution

2.3 不同金属离子对N-CDs的荧光猝灭效果

为了考察不同的金属离子对N-CDs的荧光效应，将制备的N-CDs用于检测常见的9种不同的金属离子，各金属离子的浓度均为1×10-4mol·L-1，结果见图11。由图11可知，当Pb2+、Co2+、Mn2+、Na+、Mg2+、Zn2+、Ca2+、Cu2+、Fe3+存在时，Fe3+对N-CDs的猝灭效果最显著，因此可用于Fe3+的检测。

图11 不同金属离子对 N-CQDs溶液荧光强度的影响Fig. 11 Influence of different metal ions on fluorescence intensity of N-CQDs solution

2.4 Fe3+对N-CDs的荧光响应

由于Fe3+易和氨基以共价键结合，因此对N-CDs溶液作为荧光传感探针，用于检测Fe3+的可行性进行了探讨。当Fe3+存在时，随Fe3+的浓度增大，N-CDs在发射波长443nm处的荧光强度有明显减弱（图12），说明Fe3+对N-CDs有荧光猝灭效应。

图12 Fe3+对N-CDs溶液的荧光响应Fig. 12 Fluorescence response of Fe3+ to N-CDs solution

为了进一步探究Fe3+对N-CDs的荧光猝灭作用，测定了不同浓度的Fe3+（0、1、80μmol·L-1）存在下，N-CDs的紫外-可见光谱。当N-CDs溶液中有Fe3+存在时，N-CDs溶液的紫外吸收峰会向短波长移动，即发生了红移（图13），原因主要是N-CDs表面的基团与Fe3+通过配合作用生成了复合物，从而导致了N-CDs荧光猝灭。

2.5 优化Fe3+的检测条件

为了提高所制备的N-CDs溶液对微量Fe3+的检测灵敏度，优化了pH值和避光反应时间对Fe3+检测的影响，结果见图14。当pH=6.0～8.5时，随着pH增加，N-CDs溶液的荧光强度先增大后减小，pH=7.0时最大，因此7.0是最佳的pH值。如图15所示，避光反应时间在10～45 min之间时，随着避光反应时间增加，N-CDs溶液的荧光强度先增大，大于20min后，N-CDs溶液的荧光强度趋于稳定，由此确定避光反应时间为20min。

图14 pH的优化Fig.14 Optimization of pH

图15 避光反应时间的优化Fig.15 Optimization of photophobic reaction time

2.6 Fe3+的检测

在上述优化实验条件下，考察了不同浓度的Fe3+（0～80μmol·L-1）对制备的N-CDs溶液的荧光强度的影响，结果见图16。结果表明，随着Fe3+的浓度增加，N-CDs溶液的荧光强度逐渐减小，表明Fe3+对N-CDs溶液具有荧光猝灭效应。如图17所示，Fe3+浓度为0.1～80 μmol·L-1时，N-CDs溶液的荧光强度与Fe3+浓度呈良好的线性关系[15-17]，线性方程为：ΔF =1.0001C+18.9646。其中，ΔF=F0-F；C是Fe3+的浓度，μmol·L-1；F0是无Fe3+存在时N-CDs的荧光强度；F是Fe3+浓度为[C]时的荧光强度。相关系数R2=0.9932，检测限为0.61μmol·L-1(DL=3σ/k)，表明N-CDs可用于Fe3+的高灵敏检测。

图16 不同浓度Fe3+存在时N-CDs的荧光光谱图Fig. 16 Fluorescence spectra of N-CDs in the presence of different concentrations of Fe3+

图17 Fe3+浓度与N-CDs荧光强度变化值之间的线性关系Fig. 17 Linear relationship between Fe3+ concentration and ΔF of N-CDs

3 结论

本文以含氮的三羟甲基氨基甲烷为碳源，采用水热法制备了分散性和水溶性好、尺寸均一、荧光性好的N-CDs溶液。制备的N-CDs溶液具有较好的pH稳定性和耐盐性。基于N-CDs溶液对Fe3+的荧光猝灭效应，建立了N-CDs溶液作为荧光探针检测水中Fe3+的方法。Fe3+浓度为0.1～80μmol·L-1时，N-CDs溶液的荧光强度与Fe3+浓度呈良好的线性关系，线性方程为ΔF=1.0001C+18.9646，相关系数R2为0.9932。制备的N-CDs溶液可用于检测水中微量Fe3+。该方法的制备过程简单，成本低，灵敏度高，N-CDs可作为荧光探针，用于Fe3+的检测。