陳文靜,伍賢學(xué),吳云英,李亮星,肖 群，雷 旭,羅 義,鄢林瓊,謝建新

(玉溪師范學(xué)院化學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，云南 玉溪 653100)

0 引 言

碳點(diǎn)（carbon dots,CDs），是一種新興的碳納米發(fā)光材料，其粒徑一般小于10 nm[1]。相比傳統(tǒng)的熒光半導(dǎo)體量子點(diǎn)，碳點(diǎn)具有低毒、生物相容性高、抗光漂白、穩(wěn)定性好、水溶性好、環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物成像[1]、光催化[2]、光電器件[3]和傳感[4]等方面。目前碳點(diǎn)的合成方法主要分為兩類：自上而下法，以體積較大的碳材料為碳源，剝落為碳點(diǎn)，如激光消融法[5]，電化學(xué)合成法[6]，化學(xué)氧化法[7]等；自下而上法，以體積較小的碳材料為碳源進(jìn)行表面修飾，如水熱法[8]，微波法[9-10]，溶劑熱法[11]等。由于微波電磁輻射加熱均勻，反應(yīng)時(shí)間短，操作簡單，微波法已成為最常用的一種碳點(diǎn)合成方法。摻雜雜原子可以改變碳點(diǎn)的電子密度和電子遷移速率，產(chǎn)生更多的活性位點(diǎn)，提高了熒光量子產(chǎn)率和檢測靈敏度[12]。天然產(chǎn)物含有豐富N、S等雜原子，可以不用額外添加含N、S的化合物，一步合成N,S摻雜的碳點(diǎn)[13-14]，發(fā)展以天然產(chǎn)物為碳源合成含雜原子的碳點(diǎn)有重要的探索意義。Fe3+是人體必需的微量元素，缺乏會(huì)導(dǎo)致貧血等疾病，過量又會(huì)損傷腎臟和肝臟[15]。同時(shí)溫度影響細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)的生化反應(yīng)中酶的催化活性及動(dòng)力學(xué)進(jìn)程[16]，因此制備低毒、生物兼容性高、Fe3+的高靈敏檢測和溫度傳感的熒光探針有著重要的意義。

本文以韭菜為碳源，采用微波法一步綠色合成了N,S共摻雜的熒光碳點(diǎn)，采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、紫外-可見光吸收光譜(UV-Vis)對制備的碳點(diǎn)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)所得到的碳點(diǎn)粒徑均勻，水溶性好，性質(zhì)穩(wěn)定。基于制備的碳點(diǎn)對Fe3+和溫度的高靈敏度響應(yīng)，可用于制備Fe3+檢測的熒光探針和納米溫度計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

韭菜購自當(dāng)?shù)氐牟耸袌?，鐵的標(biāo)準(zhǔn)溶液購自壇墨質(zhì)檢-標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。HNO3、Na2HPO4、NaH2PO4、Cr(NO3)3、CdSO4、NaCl等無機(jī)金屬鹽均購自西隴化工股份有限公司，所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

UV-2550紫外可見分光光度計(jì)（日本島津）；F-7000日立熒光光譜儀（日本日立）；IR960傅立葉變換紅外光譜儀（日本島津）；JEOLJEM-2010高倍透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）；250XiX射線光電子能譜（賽默飛）。

1.2 N,S共摻雜碳點(diǎn)的制備

取50 g韭菜，洗凈，剪碎，加入20 mL超純水后榨汁。過濾，將濾液放置于500 mL燒杯中，于微波爐中用高火微波25 min后，溶液變?yōu)樯钭厣腆w，則反應(yīng)完全。然后加入20 mL超純水溶解，離心除去未反應(yīng)的物質(zhì)，用0.22 μm微孔的濾膜過濾，再用透析袋（MW1000D）透析48 h，真空干燥得棕黃色粉末。

1.3 Fe3+的檢測

移取100 μL制備的碳點(diǎn)水溶液于比色皿中，依次向其中加入一定體積一定濃度的Fe3+溶液，用PBS緩沖溶液(10 mmol/L，pH=5)定容至2 mL，搖勻后測其熒光光譜，激發(fā)波長為333 nm。

1.4 N,S共摻雜碳點(diǎn)溫敏性測定

為了探究所制備的N,S共摻雜碳點(diǎn)的溫敏性，在20～55 ℃的范圍內(nèi)，測定所制備的碳點(diǎn)在不同的溫度下的熒光光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點(diǎn)的表征

由CDs的透射電鏡圖如圖1（a）和粒徑分布圖如圖1（b）可知，制備的碳點(diǎn)呈球狀，在水溶液中分散性好，粒徑大小均勻，粒徑分布范圍為2.0～5.0 nm，平均粒徑為3.0 nm。

圖1 CDs的形貌表征

采用X射線光電子能譜（XPS）表征了制備的碳點(diǎn)的原子含量及官能團(tuán)。如圖2所示，所合成的CDs主要由C、O、N這3種元素組成，其含量分別為：69.02%，26.61%，4.09%，除此之外還含有少量的S元素（0.27%）。在CDs的C1s圖上有4個(gè)峰值，結(jié)合能分別為284.6 eV，286.1 eV，287.6 eV，288.6 eV。表明以韭菜為碳源所合成的CDs表面存在C=C、CC、C-H，C-OH、C-O-C，C=O，O-C=O等基團(tuán)。在CDs的O1s圖上有2個(gè)峰值，結(jié)合能分別為531 eV和532.4 eV，表明所合成的CDs表面存在C=O，CO-C、C-OH等基團(tuán)。在CDs的N1s圖上有2個(gè)峰值，結(jié)合能分別為399.6 eV，400.2 eV，表明在CDs表面含有 C-N-C，N-(C)3等基團(tuán)[17]。

圖2 CDs的X射線光電子能譜

CDs和韭菜的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR）如圖3所示。由圖可知，以韭菜為碳源微波法合成的CDs的紅外光譜圖與韭菜的紅外光譜圖有明顯的差異。 CDs的FT-IR圖上3 414 cm-1、2 937 cm-1、1 609 cm-1、1 385 cm-1、1 073 cm-1，分別對應(yīng)為-OH或-COOH、C-H、C=O、C-N、C-O或 C-O-C的特征吸收峰，由FT-IR數(shù)據(jù)和XPS表征可知，合成的碳點(diǎn)表面富含親水基團(tuán)，因此制備的碳點(diǎn)具有良好的水溶性和分散性。

圖3 CDs和韭菜的傅里葉變換紅外光譜圖

2.2 CDs的熒光性能

CDs的紫外可見吸收光譜如圖4(a)所示，在250～300 nm范圍內(nèi)具有明顯的紫外吸收，這是由CDs中的 C=C的 π-π*躍遷導(dǎo)致的，所制備的 CDs在365 nm紫外燈照射下發(fā)明亮的藍(lán)色熒光。如圖4（b）所示，當(dāng)激發(fā)波長由325 nm遞增到445 nm時(shí)，CDs的熒光強(qiáng)度先增大后減小，并發(fā)生紅移。當(dāng)激發(fā)波長為333 nm時(shí)，CDs發(fā)射峰在415 nm處熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。這與所報(bào)道的大多數(shù)碳點(diǎn)類似，以韭菜為碳源制備的CDs表現(xiàn)出了激發(fā)波長依賴性的特征，這可能是因?yàn)樗苽涞腃Ds的粒徑范圍比較寬引起的。

圖4 CDs的熒光性能

2.3 CDs對Fe3+的特異性檢測

在CDs的水溶液中加入1 mmol/L的常見金屬離 子 如 Fe3+,Mg2+,Mn2+,Pb2+，Ca2+,Cd2+,Ag+，Cr3+，Co2+，Al3+，Zn2+，在激發(fā)波長 λex為 333 nm 時(shí)，比較發(fā)射波長λem為415 nm時(shí)CDs的熒光強(qiáng)度的變化。由圖5（a）可知，加入Fe3+后CDs熒光猝滅明顯，其他金屬離子對CDs的熒光強(qiáng)度影響不明顯，這說明制備的CDs對Fe3+有較高的選擇性，可作為檢測水溶液中Fe3+的熒光探針。由圖5(a)可知，在其他金屬離子共存時(shí)，F(xiàn)e3+對CDs熒光猝滅效果幾乎不受影響，說明制備的熒光探針抗干擾能力較強(qiáng)。對CDs檢測Fe3+的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，在不同pH值下 (3～12)，測定了添加和不添加 50 μmol/L Fe3+時(shí)CDs的熒光強(qiáng)度。由圖5（b）可知，在pH為5時(shí)，ΔF最大（ΔF=F0-F,F0為未添加Fe3+CDs的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為添加Fe3+后CDs的熒光強(qiáng)度），說明pH為5時(shí)，猝滅效果最好，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇在10 mmol/L的磷酸緩沖溶液(pH=5)中進(jìn)行。

圖5 CDs對Fe3+的選擇性及檢測條件優(yōu)化

如圖6（a）所示，隨著 Fe3+濃度的升高，CDs熒光強(qiáng)度逐漸降低，可能是碳點(diǎn)表面的官能團(tuán)（-OH,-COOH,-NH2等）和Fe3+之間發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng)。當(dāng)Fe3+濃度在5～300 μmol/L的范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度的比值F/F0(F為加不同濃度Fe3+后碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)0為空白值)與鐵離子的濃度CFe3+呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖6（b）所示，線性方程為F/F0=0.959 57-0.001 91CFe3+，相關(guān)系數(shù)R=0.993 0，根據(jù) 3δ/S(δ為11次空白樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差，S為線性方程的斜率)計(jì)算該法檢測限可達(dá)4.0 μmol/L。結(jié)果表明所制備的碳點(diǎn)用于Fe3+的檢測有較高的靈敏度和抗干擾能力，與之前的報(bào)道相比較[15]，該方法的檢測范圍較寬，制備方法簡單，材料易得，可用于檢測血清或環(huán)境水樣中Fe3+含量。

圖6 CDs對Fe3+的特異性檢測

2.4 N,S共摻雜碳點(diǎn)作為“turn-off”納米溫度計(jì)

考察了不同溫度下(20～55 ℃)的CDs的熒光發(fā)射光譜，如圖7（a）所示，碳點(diǎn)在低溫下發(fā)光強(qiáng)度較強(qiáng)，隨著溫度的升高，熒光強(qiáng)度逐漸降低，但峰位置和峰形沒有改變，這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，粒子振動(dòng)增加，CDs發(fā)生了聚集導(dǎo)致了熒光的猝滅。由圖7(b)可知，在20～55 ℃范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度與溫度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，線性方程為F=7 628.89-39.02T，相關(guān)系數(shù)為R=0.995 7。由于生理溫度范圍包含在這個(gè)范圍內(nèi)，因此CDs具有制備“turn-off”納米溫度計(jì)用于生物體內(nèi)溫度傳感的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖7 CDs作為“turn-off”納米溫度計(jì)

3 結(jié)束語

以韭菜為前驅(qū)體，采用微波法一步綠色合成了粒徑均勻、分散性好的水溶性N,S共摻雜碳點(diǎn)。所合成的碳點(diǎn)表面富含-C=O,-C-N,-C-OH等官能團(tuán)，F(xiàn)e3+對其有明顯的熒光猝滅現(xiàn)象?；诖丝捎糜贔e3+的檢測，該方法對Fe3+具有特異選擇性且靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，檢測范圍寬（5～300 μmol/L）等優(yōu)點(diǎn)?；跓晒鈴?qiáng)度具有溫度依賴性，且生理溫度范圍包含在此響應(yīng)溫度范圍內(nèi)（20～55 ℃），可制備細(xì)胞納米溫度計(jì)用于溫度傳感。