黃永俊， 黃加玲， 曹功勛， 劉鳳嬌， 滿 珊，駱嘉燚， 黃昭景， 李順興*,2

(1.閩南師范大學化學化工與環(huán)境學院，福建漳州 363000；2.現(xiàn)代分離分析科學與技術(shù)福建省重點實驗室，福建漳州 363000)

碳量子點(CQDs)擁有成本低廉、環(huán)境友好、抗光漂白、易于合成、生物相容性優(yōu)異[1]，以及可通過修飾CQDs表面以提高缺陷的穩(wěn)定性，提升熒光量子產(chǎn)率和發(fā)光性能[2]等優(yōu)勢，在熒光傳感[3]、生物成像等方面有廣泛的應用。由于其對生物體無毒無害，是一種理想的熒光成像材料[4]。

鐵是生物體必需的微量元素，其攝取不足或過量均危及生物體健康[5 - 8]。生物體主要通過水圈，特別是地表水體，攝取鐵及其它金屬，并通過水圈實現(xiàn)鐵的生物可利用[9,10]、生物累積和生物地球化學循環(huán)[11]，而富含金屬的酸性廢水是水體鐵污染重要來源，因此酸性環(huán)境水體中Fe(Ⅲ)的檢測是生物圈安全評價的必然要求。雖有在極端pH、離子強度和光輻照下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性的CQDs[12]，但許多Fe(Ⅲ) 選擇性熒光傳感器應用受制于與水環(huán)境不兼容，或只能在中性溶液中保持良好熒光性能，無法適用于低pH環(huán)境中[13]。以多巴胺合成的CQDs在pH=7.0時，對Fe(Ⅲ)的檢測有良好的性能，但隨pH值由7.0降至4.0時熒光出現(xiàn)減弱的情況；以海藻酸和乙二胺為原料合成的氮摻雜碳量子點(N-CQDs)[14]，雖可在pH=4.0條件下檢測Fe(Ⅲ)，然而在水體中分散性較差，對Fe(Ⅲ)檢測線性范圍較窄；用綠藻Dunaliellasalina為前驅(qū)體合成的氮、硫共摻雜碳量子點(N,S-CQDs)[15]，由于水體中存在易干擾的離子Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)等，需添加EDTA掩蔽才能實現(xiàn)準確識別和檢測Fe(Ⅲ)。

本文通過簡易的水熱法，以含羧基的檸檬酸為碳源，含苯環(huán)、羧基、偶氮、胺基的甲基紅為氮源，合成酸堿性表面基團共存、選擇性高、Fe(Ⅲ)選擇性強的Fe -N-CQDs，制備耐酸性和高選擇性Fe(Ⅲ)熒光探針。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

pHS-3E型pH計(上海雷磁儀器有限公司)；JEM-2100場發(fā)射透射電子顯微鏡(日本，JEOL公司)；Thermo Scientific Escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀(美國，Thermo Fisher Scientific公司)；Nicolet iS5傅立葉變換紅外光譜儀(美國，Thermo Fisher Scientific公司)；WFH-203C四用紫外分析儀(上海馳唐實業(yè)有限公司)；UV-5800PC型紫外-可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)；Cary Eclipse熒光分光光度計(美國，Agilent公司)。

檸檬酸購買于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸奎寧(98%)購自生工生物工程(上海)股份有限公司；甲基紅購自美國Sigma-Aldrich；Na2HPO4、NaH2PO4、NaOH、HCl、Zn(NO3)2、CrCl3、CaCl2、HgCl2、NiCl2、NaCl、MgCl2、AlCl3、CdCl2、CoCl2、Fe(NO3)3、FeCl2、Pb(NO3)2、Mg(SO4)2、MnCl2均購買于西隴化工股份有限公司；透析袋購于美國聯(lián)合碳化Viskase公司。實驗用水由Millipore -Q超純水機(美國Millipore公司)制備(18.2 MΩ·cm)。

1.2 實驗方法

1.2.1 Fe -N-CQDs制備以水熱法一鍋一步制備Fe -N-CQDs。將檸檬酸(3 g)和甲基紅(0.25 g)于超純水(30 mL)中攪拌均勻，密封于內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼高壓釜中，于干燥箱中200 ℃水熱處理8 h，自然冷卻至室溫，10 000 r/min離心10 min，取上清液，用0.22 μm濾膜除去大顆粒，得透明淺黃色溶液，放入透析袋(截留分子量2 000 Da)用超純水透析24 h后，冷凍干燥，于4 ℃冰箱中保存，備用。

1.2.2 熒光量子產(chǎn)率計算鑒于Fe(Ⅲ)敏感熒光激發(fā)波長為雙激發(fā)，其中波長334 nm與硫酸奎寧的350 nm激發(fā)相近，硫酸奎寧在350 nm熒光激發(fā)下量子產(chǎn)率為0.58，以硫酸奎寧為熒光量子產(chǎn)率標準參照物：Yu=Ys(FuAs/AuFs)。式中Yu，Ys分別表示Fe -N-CQDs和硫酸奎寧熒光量子產(chǎn)率；Fu，F(xiàn)s分別表示Fe -N-CQDs和硫酸奎寧峰面積；As，Au分別表示硫酸喹啉和Fe -N-CQDs的吸光度值。

1.2.3 Fe(Ⅲ)的檢測分別配制Fe(Ⅲ)標準儲備溶液，6 μg/mL Fe -N-CQDs儲備溶液。取Fe -N-CQDs儲備溶液100 μL，分別加入不同量Fe(Ⅲ)標準儲備液，并以pH=1.5的HNO3定容到10 mL容量瓶中，獲得濃度為0、25、50、75、100、125、150、200 μmol/L的Fe(Ⅲ)標準系列溶液，在激發(fā)波長267 nm下分別測定并記錄發(fā)射波長449 nm處的熒光強度，得到一系列F0-F值，計算得標準曲線方程式、相關(guān)系數(shù)R2。據(jù)3σ/S(σ代表空白樣品測量21次的標準偏差，S代表方法靈敏度即標準曲線斜率)求得檢出限。

所有檢測均在室溫下相同條件中進行。為了評估基于Fe -N-CQDs的傳感器對天然水體中Fe(Ⅲ)精準識別及檢測能力、對酸度和鹽度變化的適應性，以酸化水樣驗證方法性能。江水取自九龍江，池塘水取自閩南師范大學，以0.22 μm濾膜過濾，以10 000 r/min離心10 min，去除不溶性物，測定Fe(Ⅲ)的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe -N-CQDs表征及性質(zhì)研究

Fe -N-CQDs的高分辨透射電鏡(HRTEM)見圖1a。所制備Fe -N-CQDs尺寸均勻，分散良好；粒徑分布在2～6 nm之間，據(jù)粒徑分布圖可推算其平均粒徑為3.99 nm(圖 1b)，尺寸分布大致符合正態(tài)分布。圖1a顯示了分辨率良好的晶格條紋，平均間距為0.32 nm，與石墨(002)衍射面相近，這可能與甲基紅的苯環(huán)結(jié)構(gòu)對石墨碳點的形成相關(guān)。

圖1 Fe -N-CQDs高分辨透射電鏡HRTEM圖(a)和粒度分布圖(b)Fig.1 HRTEM diagram(a) and particle size distribution diagram(b) of Fe -N-CQDs

Fe -N-CQDs的傅里葉變換紅外光譜見圖2。分別在3 407、3 070、1 516和2 931 cm-1附近出現(xiàn)吸收帶，分別對應于O-H，N-H，C=C和C-H的伸縮振動。1 710 cm-1對應C=O伸縮振動峰，和C-O在1 000～1 400 cm-1處的伸縮振動歸結(jié)于羧酸和其他含氧官能團的存在。此外，還觀察到1 609、1 452 cm-1處另外兩個峰，為雜環(huán)中C=N 和C-N的典型伸縮模式，表明氮原子不僅以酰胺形式存在于顆粒表面，且以吡啶多芳香族結(jié)構(gòu)存在于CQDs。

圖2 Fe -N-CQDs的傅里葉變換紅外光譜Fig.2 Fourier transform infrared(FTIR) spectra of Fe -N-CQDs

用X射線光電子能譜(XPS)測定Fe -N-CQDs表面組成和原子含量。XPS全譜(圖3a)在285.17、400.17和532.59 eV處的3個吸收峰，分別歸屬于C 1s、N 1s和O 1s，含量對應為52.81%、1.08%、46.11%。C 1s的高分辨率XPS(圖3b)證實C-C(sp3，284.89 eV)，C-N(sp3，285.45 eV)，C-O(sp2，286.77 eV)和C=O(sp2，289.11 eV)鍵的存在,表明Fe -N-CQDs表面含有豐富的親水基團，這與紅外光譜一致。圖3c所示的399.5 eV和400.6 eV處N 1s峰表明，氮主要以N-(C)3和N-H存在，這意味著N已經(jīng)部分摻雜到CQDs中。O 1s譜(圖3d)中532.18 eV和533.33 eV處兩個擬合峰，分別歸屬于C=O和C-OH/C-O-C基團。XPS與FTIR同時證明所合成CQDs屬N摻雜。

圖3 Fe -N-CQDs的X射線光電子能譜(全譜(a)、C 1s譜(b)、N 1s譜(C)、O 1s譜(d))Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy (a),C 1s spectra(b),N 1s spectra(c) and O 1s spectra(d)) of Fe -N-CQDs

2.2 Fe -N-CQDs的光學性質(zhì)

從熒光激發(fā)及發(fā)射光譜(圖4a)可知，該Fe -N-CQDs有兩個激發(fā)峰，分別位于267和334 nm處，在兩種激發(fā)光激發(fā)下發(fā)射波長分別為449 nm和424 nm。參考熒光發(fā)射光譜(圖4b)可得Fe -N-CQDs懸浮液在日光和365 nm紫外光照射下分別呈無色偏淡黃色和藍色熒光；熒光峰位置及強度隨著激發(fā)波長從237 nm增加到287 nm發(fā)生變化，當激發(fā)波長為267 nm時發(fā)射光譜強度最大，相關(guān)熒光行為反映了Fe -N-CQDs不同粒徑和不同表面態(tài)分布的影響，與大多數(shù)碳點和石墨烯量子點情況相同，由于其尺寸分布較窄，F(xiàn)e -N-CQDs熒光光譜輪廓較窄且對稱，熒光量子產(chǎn)率約為10.1%。由紫外-可見光譜(圖4c)在219 nm Fe -N-CQDs有最大吸收峰。

圖4 (a)Fe -N-CQDs的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜;(b)不同激發(fā)波長下Fe -N-CQDs的熒光光譜;(c)UV/Vis峰處激發(fā)的熒光發(fā)射光譜Fig.4 (a) Fluorescence excition and emission spectra of Fe -N-CQDs;(b) Fluorescence spectra of Fe -N-CQDs exited at different wavelength;(c) UV/Vis and PL spectra excited at 219 nm of Fe -N-CQDs

Fe -N-CQDs表面含有富氧官能團，因此水溶性好，在水環(huán)境中穩(wěn)定性強。為測試Fe -N-CQDs對水體中pH值和鹽度變化的耐受性，測量了Fe -N-CQDs在不同pH值溶液中的熒光強度，如圖5所示。對于Fe(Ⅲ)的檢測為防止水解往往需要在酸性的條件下測定，本文所合成的Fe -N-CQDs在pH=1～7范圍內(nèi)熒光強度受pH值影響不大，但于pH=1.5處熒光強度最強，因此在酸性環(huán)境仍然適用，這歸因于Fe -N-CQDs酸堿性表面基團(酚羥基、羧基、氨基)共存，既具備酸堿緩沖性能，解決耐酸性問題，可很好的應用于Fe(Ⅲ)的檢測。此外在光照1 h后，F(xiàn)e -N-CQDs熒光強度沒有明顯降低，表明Fe -N-CQDs具有良好的光穩(wěn)定性。

2.3 Fe -N-CQDs對Fe(Ⅲ)選擇性熒光檢測

將水體中常見金屬陽離子(0.5 mmol/L，Mn2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr3+、Ca2+、Hg2+、Ni2+、Na+、Mg2+、Al3+、Cd2+、Co2+、Fe2+、Fe3+)作為測試對象，考察他們與Fe -N-CQDs共存時的熒光強度變化，如圖6所示。在濃度相同的情況下，F(xiàn)e(Ⅲ)對Fe -N-CQDs溶液熒光猝滅效果明顯，其它常見金屬離子均未觀察到明顯變化，即可實現(xiàn)精準識別Fe(Ⅲ)。Fe -N-CQDs對Fe(Ⅲ)具有高選擇，這可能歸因于N摻雜對CQDs的化學和電學特性的誘導效應，特別是表面酚羥基、氨基和羧基等與Fe(Ⅲ)配位，形成配合物，以選擇性鍵合解決共存金屬陽離子干擾，輻射躍遷被破壞，導致熒光猝滅。

圖5 pH值對Fe -N-CQDs熒光強度的影響Fig.5 Effect of pH value on fluorescence intensity of Fe -N-CQDs

圖6 金屬離子(0.5 mmol/L)對Fe -N-CQDs熒光強度的影響Fig.6 Effect of metal ions(0.5 mmol/L) on fluorescence intensity of Fe -N-CQDs

2.4 Fe -N-CQDs檢測Fe(Ⅲ)的工作曲線及檢出限

配制濃度為0～200 μmol/L的Fe(Ⅲ)系列標準溶液，在pH=1.5，激發(fā)波長為334 nm下，測試Fe -N-CQDs 對Fe(Ⅲ)的熒光猝滅情況。如圖7a所示，熒光強度在Fe(Ⅲ)濃度為0～200 μmol/L范圍無顯著的減弱，熒光情況與Fe(Ⅲ)濃度的關(guān)系如圖7b所示。

圖7 334 nm波長激發(fā)下Fe(Ⅲ)的熒光發(fā)射光譜Fig.7 Fluorescence emission of Fe(Ⅲ) excited at 334 nm

改變激發(fā)波長為267 nm，在相同條件下，測試Fe -N-CQDs對Fe(Ⅲ)檢測的靈敏度及線性范圍。將不同濃度Fe(Ⅲ)加入到Fe -N-CQDs溶液中，測量其熒光強度。如圖8(a)所示，隨Fe(Ⅲ)濃度增加，熒光強度逐漸減弱，相對熒光強度(F0-F)與Fe(Ⅲ)濃度的關(guān)系如圖8(b)所示。Fe(Ⅲ)在2.3～200 μmol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系(R2=0.9917)，可實現(xiàn)對Fe(Ⅲ)的定量檢測，檢出限為2.3 μmol/L。

圖8 (a)Fe -N-CQDs對不同濃度Fe(Ⅲ)的熒光強度，F(xiàn)e(Ⅲ)濃度-熒光猝滅相關(guān)曲線Fig.8 (a) Fluorescence intensity of Fe -N-CQDS to different Fe(Ⅲ) concentrations;(b)Correlation curve of Fe(Ⅲ) concentration and fluorescence quenching

與不同碳源所制備的CQDs對Fe(Ⅲ)的檢測性能相比較如表1。

表1 不同碳源制備的CQDs對Fe(Ⅲ)檢測性能比較

2.5 水樣中Fe(Ⅲ)的檢測

將采集的九龍江水樣和學校池塘水水樣經(jīng)酸化預處理為pH值1.5后，應用所建立的熒光方法檢測，同時采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法檢測水樣中Fe(Ⅲ)濃度。結(jié)果如表2所示，基于Fe -N-CQDs熒光檢測技術(shù)與ICP-MS法結(jié)果相近。

表2 水樣中Fe(Ⅲ)的測定(n=3)

3 結(jié)論

以檸檬酸和甲基紅作為前驅(qū)體，通過一鍋一步水熱法制備尺寸均一、水中分散性良好、雙波長激發(fā)、抗金屬陽離子干擾、耐酸性、對Fe(Ⅲ)選擇性和靈敏度高的Fe -N-CQDs。該方法適用于酸性環(huán)境中的Fe(Ⅲ) 檢測，具有成本低、靈敏度高、線性范圍寬等特點。