于淑娟，袁廣志，汪 豐，魯詩(shī)言，李媛媛

(南寧師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院，廣西天然高分子化學(xué)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001)

1 引 言

鈀金屬因具有耐高溫、耐腐蝕以及較強(qiáng)的伸展性，在催化劑、牙科、醫(yī)療器械、珠寶、燃料電池、汽車(chē)催化轉(zhuǎn)換器以及制藥工業(yè)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。然而，含有Pd2+的工業(yè)廢物易污染生物和土壤水樣，導(dǎo)致潛在的毒性，對(duì)人類健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅[5]。例如，Pd2+會(huì)引起一系列細(xì)胞毒性效應(yīng)，能與蛋白質(zhì)、DNA、RNA等生物大分子形成復(fù)合物而引起嚴(yán)重的原發(fā)性皮膚和眼睛刺激等癥狀[6-7]。在制藥工業(yè)中，鈀的臨界水平被限制在(5～10)×10-6范圍[8]。為了避免Pd2+造成的危害，開(kāi)發(fā)一類能準(zhǔn)確和痕量測(cè)定Pd2+的傳感器對(duì)人類健康非常重要。

各種先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)材料在檢測(cè)有害環(huán)境物質(zhì)方面受到了極大的關(guān)注[9-10]。特別是熒光納米材料，例如量子點(diǎn)[11-12]、半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)[13]、有機(jī)熒光染料[14]和納米團(tuán)簇[15]等是具有強(qiáng)大傳感能力以及獨(dú)特光學(xué)和熒光特性的有吸引力的材料。然而，這些熒光材料存在水溶性和穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，此外，這些納米材料潛在的毒性可能引起二次環(huán)境污染。碳點(diǎn)(CDs)因毒性低、易于分子修飾、水溶性好、良好的光致發(fā)光性等優(yōu)異性能，使其成為傳統(tǒng)熒光納米材料的理想替代品[16-17]。

殼聚糖是一類天然高分子氨基多糖，具有無(wú)毒、親水性好、良好的生物相容性以及易于分子修飾等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳感器、生物醫(yī)用材料等方面。以殼聚糖為原料合成碳點(diǎn)的研究已有報(bào)道。Yang等[18]以殼聚糖作為碳源，通過(guò)水熱法合成了表面帶有氨基的碳點(diǎn)，熒光量子產(chǎn)率為7.8%，并成功應(yīng)用于人體肺腺癌細(xì)胞的生物成像。Xiao等[19]利用殼聚糖為原料，采用微波法合成了量子產(chǎn)率為6.4%的殼聚糖基碳點(diǎn)。王霞等[20]以殼聚糖為原料合成了殼聚糖復(fù)合物碳點(diǎn)材料，并對(duì)其在熒光涂層及細(xì)胞成像等方面進(jìn)行了應(yīng)用性研究。汪雪琴等[21]合成了殼聚糖碳點(diǎn)，并成功應(yīng)用到Fe3+離子檢測(cè)中，表現(xiàn)出良好的傳感性能。本實(shí)驗(yàn)組通過(guò)接枝與摻雜檸檬酸的方式合成了高量子產(chǎn)率殼聚糖衍生物基聚合物碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用到紙張的抗紫外光老化方面，表現(xiàn)出較好的抗紫外光老化性能[22]。鑒于先前合成的殼聚糖接枝檸檬酸衍生物聚合物碳點(diǎn)具有優(yōu)異的熒光性能以及高量子產(chǎn)率等特點(diǎn)，本文將其應(yīng)用到金屬離子檢測(cè)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)Pd2+有良好的選擇性，可以用于Pd2+的痕量檢測(cè)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及主要儀器

殼聚糖(CS)，脫乙酰度97%，粘度50～200，浙江奧興生物科技有限公司；無(wú)水檸檬酸、硫酸奎寧(98%)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽(EDC)、N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)、硝酸銀、硝酸銅、鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液、氯化鎂、氯化鉀、氯化鈣、硝酸鎳、氯化鋅、鈀離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，三氯化鐵·六水合物、硝酸錳、硝酸汞、硝酸鎘、硝酸鋁、氯化亞鐵均購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，不同濃度的Pd2+通過(guò)稀釋標(biāo)準(zhǔn)溶液獲得。

采用美國(guó)IS10型傅里葉紅外光譜儀，以溴化鉀壓片法測(cè)定P(CS-g-CA)Ds在500～4 000 cm-1范圍內(nèi)的紅外光譜(FT-IR)；采用日本島津RF-5301PC 型熒光光譜儀測(cè)試P(CS-g-CA)Ds的熒光性能，激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm，激發(fā)與發(fā)射狹縫為5 nm，掃描速度為240 nm/min；采用美國(guó)Tecnai G2 F20 S-TWIN 型透射電子顯微鏡觀察P(CS-g-CA)Ds的形貌。

2.2 殼聚糖接枝檸檬酸(CS-g-CA)的合成

采用實(shí)驗(yàn)室先前合成方法[22]，在三口瓶中加入質(zhì)量比為1∶1的CS與CA、60 mL去離子水，常溫下攪拌2 h，然后加入0.02 mol EDC和0.04 mol NHS避光反應(yīng)48 h，結(jié)束后透析(8 000～14 000 u) 48 h，冷凍干燥得到產(chǎn)物。

2.3 殼聚糖衍生物基聚合物碳點(diǎn)(P(CS-g-CA)Ds)的制備

將上述產(chǎn)物CS-g-CA(0.5 g)、N-(2-羥乙基)乙二胺(0.5 mL)、20 mL去離子水加入到四氟乙烯水熱反應(yīng)釜中，于180 ℃反應(yīng)3 h。結(jié)束后，產(chǎn)物用去離子水透析(1 000 u)24 h，得到P(CS-g-CA)Ds，合成路線如圖1所示。

2.4 離子選擇性及對(duì)Pd2+離子檢出限的測(cè)定

取2 mL 100 μmol/L各種金屬離子溶液和300 μL的(CS-g-CA)Ds(1 μg/mL)碳點(diǎn)溶液混合，搖勻靜止15 min，記錄365 nm激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光強(qiáng)度，考察不同金屬離子對(duì)P(CS-g-CA)Ds的熒光猝滅情況。

將300 μL 的P(CS-g-CA)Ds(10 μg/mL)加入到2 mL不同濃度(0～150 μmol/L，每10 μmol/L梯度遞增)的Pd2+中，搖勻靜置15 min后，測(cè)試其混合液的熒光光譜，通過(guò)線性擬合計(jì)算對(duì)Pd2+離子的檢出限，其中激發(fā)與發(fā)射狹縫均設(shè)置為5 nm，激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm。

圖1 P(CS-g-CA)Ds的合成路線

2.5 不同溫度下熒光猝滅常數(shù)及熒光壽命的測(cè)定

將300 μL P(CS-g-CA)Ds(10 μg/mL)與2 mL不同濃度(0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 μmol/L)的Pd2+溶液混合，搖勻靜置15 min后，在298,304,310 K溫度下，測(cè)試混合液的熒光發(fā)射光譜，激發(fā)和發(fā)射狹縫均為2.5 nm，激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm。

以Fluorolog-3 system型時(shí)間分辨熒光衰減儀測(cè)試5 mg/mL P(CS-g-CA)Ds及與50 μmol/L Pd2+反應(yīng)15 min后的熒光壽命。

3 結(jié)果與討論

采用TEM研究了P(CS-g-CA)Ds的形貌和尺寸，如圖3所示。從圖3中可以看出P(CS-g-CA)Ds呈現(xiàn)球形，具有良好的分散性。高斯分布曲線擬合結(jié)果顯示P(CS-g-CA)Ds的粒徑分布較窄，尺寸范圍在2～5 nm之間，平均直徑約為3.2 nm。

圖2 P(CS-g-CA)Ds的FT-IR譜圖

圖3 P(CS-g-CA)Ds的透射電鏡圖(a)及其粒徑分布圖(b)

Fig.3 TEM image(a) of P(CS-g-CA)CDs and their size distribution(b)

圖4 P(CS-g-CA)Ds的紫外吸收光譜、熒光激發(fā)與熒光發(fā)射光譜(a)以及它們?cè)谌展?c)和紫外光(d)下的數(shù)碼照片;(b)P(CS-g-CA)Ds的熒光壽命曲線。

Fig.4 Fluorescence excitation and fluorescence emission spectra of P(CS-g-CA)Ds(a), and their digital photographs under daylight(c) and UV light(d). (b) Fluorescence lifetime curve of P(CS-g-CA)Ds.

溶液的酸堿度是傳感系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵因素，在之前的研究中[22]，我們考察了pH值對(duì)P(CS-g-CA)Ds熒光穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明該聚合物碳點(diǎn)在pH=4～10范圍內(nèi)有良好的穩(wěn)定性，所以離子檢測(cè)均是在pH=7中性條件下進(jìn)行的。此外，我們將P(CS-g-CA)Ds的弱酸水溶液于自然光下放置60 d，研究了其貯存穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出熒光強(qiáng)度在前5 d內(nèi)衰減了約7%左右，分析可能是因?yàn)榫酆衔锾键c(diǎn)表面含有的殼聚糖分子長(zhǎng)鏈在弱酸水溶液中發(fā)生了降解，從而使P(CS-g-CA)Ds表面分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度減弱。而5 d后P(CS-g-CA)Ds的表面分子結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，所以在5～60 d之間熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。此外，我們還觀察到P(CS-g-CA)Ds溶液在儲(chǔ)存過(guò)程未見(jiàn)沉淀生成及色澤變化，說(shuō)明該聚合物碳點(diǎn)有相對(duì)良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

將P(CS-g-CA)Ds應(yīng)用到離子檢測(cè)中，即將P(CS-g-CA)Ds(10 μg/mL)與100 μmol/L金屬離子(Ag+、Cu2+、Cr2+、Mg2+、K+、Ca2+、Ni2+、Zn2+、Pd2+、Fe3+、Mn2+、Hg2+、Cd2+、Al3+和Fe2+)反應(yīng)15 min，然后測(cè)試其熒光發(fā)射光譜(激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm)。其熒光強(qiáng)度變化如圖6所示，從圖中可以看出，Cu2+、Mg2+、K+、Ca2+4種離子對(duì)P(CS-g-CA)Ds的熒光有增強(qiáng)作用，分析可能是這幾種金屬離子與P(CS-g-CA)Ds之間發(fā)生了利于其熒光增強(qiáng)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程[32]。其他離子對(duì)P(CS-g-CA)Ds的熒光均產(chǎn)生了不同程度的猝滅效應(yīng)，其中Pd2+離子對(duì)其猝滅程度最大，這也可能是由于Pd2+與P(CS-g-CA)Ds之間形成了不能發(fā)光的配合物使其熒光猝滅[33-34]，但與文獻(xiàn)[21]報(bào)道的殼聚糖基碳點(diǎn)對(duì)離子選擇性有所不同，這可能與碳點(diǎn)的內(nèi)濾效應(yīng)有關(guān)[35]。

圖5 儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)P(CS-g-CA)Ds熒光強(qiáng)度的影響

Fig.5 Effects of different storage time on the fluorescence intensity of P(CS-g-CA)Ds

圖6 添加不同金屬離子的P(CS-g-CA)Ds溶液的熒光強(qiáng)度變化柱狀圖

Fig.6 Fluorescence intensity change bar graphs of P(CS-g-CA)Ds added with different metal ions

研究了P(CS-g-CA)Ds對(duì)Pd2+離子檢測(cè)的靈敏性，在P(CS-g-CA)Ds溶液中加入不同濃度的Pd2+溶液，測(cè)試混合液在365 nm激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光發(fā)射光譜，結(jié)果如圖7(a)所示。從圖中可以看出，隨著Pd2+濃度的增加，熒光強(qiáng)度線性降低。 Pd2+濃度在0～100 μmol/L范圍內(nèi)與P(CS-g-CA)Ds的熒光強(qiáng)度值((F0-F)/F0)呈良好的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)r=0.998)，如圖7(b)所示，符合Stern-Volmer 方程。通過(guò)線性擬合獲得回歸方程為y=0.0030+0.0151x，根據(jù)D=3σ/k(σ是空白的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k是線性范圍內(nèi)的校準(zhǔn)曲線的斜率)[36]計(jì)算P(CS-g-CA)Ds對(duì)Pd2+離子的檢測(cè)限為63.3 nmol/L，由此說(shuō)明P(CS-g-CA)Ds可以對(duì)Pd2+離子進(jìn)行靈敏檢測(cè)。

圖7 Pd2+濃度對(duì)P(CS-g-CA)Ds熒光光譜的影響(a)及 (F0-F)/F與 Pd2+濃度在0～100 μmol/L范圍內(nèi)的關(guān)系(b)

Fig.7 Influence of different Pd2+concentration on the fluorescence spectra of P(CS-g-CA)Ds (a) and relationship between (F0-F)/Fand Pd2+concentration in the range of 0-100 μmol/L (b)

熒光的猝滅過(guò)程通常分為兩種方式，一種是當(dāng)熒光分子與猝滅劑分子的激發(fā)態(tài)碰撞后，通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移或能量轉(zhuǎn)移的方式，熒光分子從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)引起其熒光信號(hào)消失的動(dòng)態(tài)猝滅；另一種是熒光分子與猝滅劑分子由于某種作用結(jié)合而形成了不能發(fā)光的配合物的靜態(tài)猝滅。為了進(jìn)一步深入了解Pd2+對(duì)P(CS-g-CA)Ds的熒光猝滅機(jī)制，在298，304，310 K 3種溫度下，測(cè)試了Pd2+(0～100 μmol/L) 與P(CS-g-CA)Ds作用前后的熒光強(qiáng)度的變化，根據(jù)Stern-Volmer方程F0/F-1=Ksv[Q][37]計(jì)算了熒光猝滅常數(shù)Ksv(F0和F分別為加入Pd2+前后P(CS-g-CA)Ds的熒光強(qiáng)度，Ksv是猝滅常數(shù)，[Q]是Pd2+濃度)，結(jié)果如圖8所示，數(shù)據(jù)列于表1中。從圖8和表1中可以明顯看出，猝滅常數(shù)Ksv隨著溫度升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可能是由于溫度越高導(dǎo)致Pd2+與P(CS-g-CA)Ds的結(jié)合能力越弱，說(shuō)明熒光猝滅是由Pd2+和P(CS-g-CA)Ds形成了配合體導(dǎo)致的靜態(tài)猝滅。此外，我們又通過(guò)紫外差譜與熒光壽命測(cè)試進(jìn)一步研究了熒光猝滅機(jī)制，如圖9(a)、(b)所示。一般靜態(tài)猝滅會(huì)影響熒光物質(zhì)的紫外吸收光譜，而動(dòng)態(tài)猝滅幾乎對(duì)熒光物質(zhì)的紫外吸收光譜沒(méi)有影響[38]，根據(jù)這一理論說(shuō)明Pd2+對(duì)P(CS-g-CA)Ds熒光猝滅機(jī)制屬于靜態(tài)猝滅，因?yàn)榧尤隤d2+前后的紫外吸收光譜并不重合。從熒光壽命曲線可以看出P(CS-g-CA)Ds與Pd2+復(fù)合后的熒光壽命分別為13.12 ns和12.97 ns，說(shuō)明該聚合物碳點(diǎn)與Pd2+作用后平均熒光壽命變化甚小，可以忽略，由此也可以證明熒光猝滅機(jī)理為靜態(tài)猝滅。

圖8 不同溫度下，(F0-F)/F對(duì)Pd2+離子濃度(0～100 μmol/L范圍) 的線性關(guān)系。

Fig.8 Linear relationship of (F0-F)/Fversusthe concentration of Pd2+ions over the range 0-100 μmol/L at different temperatures

表1 不同溫度下Pd2+與 P(CS-g-CA)Ds相互作用后的Ksv值

Tab.1Ksvvalues for the interaction of Pd2+with P(CS-g-CA)Ds at a variety of temperatures

pHT/KKsv/(103L·mol-1)R27.02981.070.99127.03040.990.99237.03100.970.9946

圖9 P(CS-g-CA)Ds與Pd2+離子作用前后的紫外吸收光譜(a)和熒光壽命曲線(b)

Fig.9 UV absorption spectra(a) and fluorescence lifetime curves(b) of P(CS-g-CA)Ds before and after interaction with Pd2+

4 結(jié) 論

本文合成了一種殼聚糖衍生物聚合物碳點(diǎn)(P(CS-g-CA)Ds)熒光材料，采用紅外光譜、紫外吸收光譜以及透射電鏡對(duì)P(CS-g-CA)Ds進(jìn)行了表征。該聚合物碳點(diǎn)具有較高的量子產(chǎn)率(54.7%)和較長(zhǎng)的熒光壽命(13.12 ns)以及良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。將P(CS-g-CA)Ds應(yīng)用在離子檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)其對(duì)Pd2+有良好的傳感性能，其線性范圍為0～100 μmol/L，檢測(cè)極限為63.3 nmol/L。通過(guò)測(cè)試不同溫度下Pd2+與P(CS-g-CA)Ds作用前后的紫外光譜、熒光壽命變化以及熒光猝滅常數(shù)Kvs，對(duì)其猝滅機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果均證明熒光猝滅機(jī)制為靜態(tài)猝滅。