周小麗，徐敬堯

（1.廣西城市水環(huán)境重點實驗室，百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000；2.百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

碳點（Carbon Dots，CDs）是形狀類似球形的碳納米顆粒材料，直徑在10nm以下。2004年，Xu等人[1]在制備碳納米管的電泳分餾過程中，無意中發(fā)現(xiàn)了碳點。碳點具有易于制備和表面改性、光穩(wěn)定性和水分散性良好、熒光特性可調(diào)、生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點，在熒光傳感、成像、光療、光電器件和光催化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[2-4]。

Fe3+是人體必需的微量元素之一，人體內(nèi)的Fe3+過量或不足，均會引起很多疾病，比如缺鐵性貧血、肝腎損害、心臟病等[5]。此外，評價水質(zhì)的一個重要指標(biāo)，就是水中Fe3+的含量。目前，用于檢測金屬離子的方法主要有吸收光譜法[6]、電感耦合法[7]和電化學(xué)法[8]等，這些方法具有靈敏度高的優(yōu)點，但也存在操作復(fù)雜、耗時、樣品準(zhǔn)備繁瑣[9]等缺點。

由于具有選擇性好、易于操作、測定迅速等優(yōu)點，熒光分析法受到了越來越多的關(guān)注。近年來，已有碳點熒光探針用于檢測Fe3+的文獻(xiàn)報道[10-11]，但存在碳點的量子產(chǎn)率不高、水溶性和穩(wěn)定性差等問題，影響了應(yīng)用效果。相關(guān)的研究結(jié)果表明，摻雜富電子雜原子如氮原子等，可在一定程度上改善碳點的熒光性能和水溶性[12]。

三羥甲基氨基甲烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)中富含羥基和氨基，可在碳點的制備過程中作為碳源，實現(xiàn)氮原子摻雜，從而提高其水溶性和熒光性能。本文將含氮的三羥甲基氨基甲烷作為碳源，采用水熱法制備了具有良好水溶性的氮摻雜碳點（N-CDs），并構(gòu)建了用于檢測Fe3+的高靈敏度熒光探針，以期為新型碳點未來的工業(yè)應(yīng)用提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

三羥甲基氨基甲烷（Tris）、氯化鐵、硫酸銅、硝酸鉛、氯化鈷、硫酸鎂、氯化鈉、硫酸鋅、硫酸錳、氯化鈣、氫氧化鈉（均為分析純）。

1.2 表征

采用場發(fā)射透射電鏡測試樣品的形貌和尺寸；采用傅里葉變換紅外吸收光譜儀和X射線光電子能譜儀表征樣品的結(jié)構(gòu)特征；采用F-7000熒光分光光度計和UV-2700紫外分光光度計表征樣品的光學(xué)性質(zhì)。

1.3 實驗方法

1.3.1 氮摻雜碳點的制備

稱取2g的Tris溶解于10mL超純水中。Tris完全溶解后，將溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，再將反應(yīng)釜置于干燥箱中，200℃下保溫反應(yīng)6h。反應(yīng)完成后，待反應(yīng)產(chǎn)物自然冷卻到室溫，用飽和的NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)產(chǎn)物的溶液pH=7.0，將反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移到離心管中，轉(zhuǎn)速10000r·min-1下離心20min，以除去小顆粒沉淀。將離心后的溶液轉(zhuǎn)移到透析膜（1000MWCO），在超純水中透析30h。將透析液旋蒸以除去溶劑，加入600μL超純水溶解，置于冰箱中4℃下避光保存。

1.3.2 Fe3+的檢測

依次將80μL的Tris-HCl緩沖溶液（10mmol·L-1，pH=7.0）、10μL的N-CDs（42.7mg·mL-1）、10μL不同濃度的Fe3+溶液加入1mL離心管中，空白液加入10μL的超純水，使溶液的最終體積為100μL。使用旋渦混合儀將溶液混合均勻后，避光反應(yīng)10～45min，用F-7000熒光分光光度計檢測樣品的熒光光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮摻雜碳點的表征

采用場發(fā)射透射電鏡（TEM）分析所制備的N-CDs 溶液的微觀形貌和粒徑尺寸，結(jié)果見圖1、圖2。從N-CDs溶液的TEM圖（圖1）可知，制備的N-CDs溶液的微觀形貌呈近似球形，粒徑均一，具有很好的分散性。從粒徑分布圖（圖2）可以看出，制備的N-CDs溶液的粒徑在3～9nm之間，平均粒徑約為6.1nm。

圖1 N-CDs溶液的 TEM 照片F(xiàn)ig. 1 TEM image of N-CDs solution

圖2 粒徑分布圖Fig.2 size distribution of N-CDs solution

為了確定N-CDs溶液表面的基團(tuán)，對其進(jìn)行了紅外光譜測試，結(jié)果見圖3。由圖3可知，合成的N-CDs溶液在3448cm-1、1634cm-1、1073cm-1處有明顯的紅外吸收峰。3448 cm-1處的吸收峰為O-H的伸縮振動峰，1634 cm-1處的吸收峰為C=O的伸縮振動峰，1073 cm-1處的吸收峰為C-N的振動峰，說明氮元素已摻雜到制備的N-CDs溶液中。

圖3 N-CDs溶液的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectrum of N-CDs solution

為了進(jìn)一步研究N-CDs溶液的表面構(gòu)成，對N-CDs溶液進(jìn)行了XPS表征，結(jié)果見圖4～圖7。由圖4可知，制備的N-CDs溶液在286.6eV、399.6eV和530.4eV處的峰，分別與O1s、N1s、C1s的特征峰對應(yīng)，說明制備的N-CDs溶液由O、N和C組成。元素分析結(jié)果表明，C、N和O的原子比為56.0%、4.8%和39.2%，N1s 峰的存在表明N 元素已成功摻雜到了制備的N-CDs溶液中。由圖5可知，N-CDs溶液的C1s在284.47eV、285.85eV和286.65eV處有明顯的吸收峰，分別對應(yīng)C=C/C-C、C-C/C-N、C-O[13-14]。由圖6可知，N-CDs溶液的N1s在399.5eV和401.5eV處有明顯的吸收峰，分別對應(yīng)N-H 和 C-N基團(tuán)，進(jìn)一步證實了N-CDs溶液中N原子的存在。由圖7可知，N-CDs溶液的O1s在531.7eV和532.4 eV處有明顯的吸收峰，分別對應(yīng)C=O、C-O基團(tuán)。XPS 測試結(jié)果與 FT-IR的測試結(jié)果一致，說明制備的N-CDs溶液表面含有氮和氧的基團(tuán)。

圖4 N-CDs的XPS總光譜圖Fig.4 XPS survey spectrum of N-CDs

圖5 N-CDs的C1s光譜圖Fig.5 C1s spectrum of N-CDs

為了考察N-CDs溶液的光學(xué)性質(zhì)，采用熒光光譜和紫外吸收光譜對制備的N-CDs溶液進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖8。圖8中的3條曲線，分別為所制備的N-CDs溶液的紫外吸收光譜（Abs）、熒光激發(fā)光譜（EX）和發(fā)射光譜（EM）。N-CDs溶液的紫外吸收光譜在225～275nm間有明顯的吸收峰，是N-CDs溶液中C=O、C=N的π→π*躍遷所致。由圖8可知，N-CDs溶液的最佳激發(fā)波長為350nm，熒光發(fā)射峰位置在448nm。

圖8 N-CDs溶液的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜及紫外可見吸收光譜Fig. 8 Fluorescence excitation, excitation spectra and UV-Vis absorption spectra, of N-CDs solution

2.2 N-CDs的穩(wěn)定性

為了研究所制備的N-CDs溶液的穩(wěn)定性，分別考察了pH和鹽離子強度對N-CDs溶液的熒光強度的影響，結(jié)果見圖9。由圖9可知，pH在6.0～9.0之間時，N-CDs溶液的熒光強度變化不大。圖10是在ris-HCl緩沖溶液（10mmo1·L-1，pH=7.0）中，N-CDs溶液的熒光強度隨NaCl溶液濃度變化的情況。結(jié)果顯示，在不同濃度的NaCl條件下，N-CDs溶液的相對熒光強度的波動范圍不大，表明N-CDs溶液具有良好的pH穩(wěn)定性和抗鹽性。

圖9 不同pH對N-CDs溶液熒光強度的影響Fig. 9 Effect of pH on fluorescence intensity of N-CDs solution

圖10 NaCl溶液濃度對N-CDs溶液熒光強度的影響Fig. 10 Effect of concentration of NaCl on fluorescence intensity of N-CDs solution

2.3 不同金屬離子對N-CDs的熒光猝滅效果

為了考察不同的金屬離子對N-CDs的熒光效應(yīng)，將制備的N-CDs用于檢測常見的9種不同的金屬離子，各金屬離子的濃度均為1×10-4mol·L-1，結(jié)果見圖11。由圖11可知，當(dāng)Pb2+、Co2+、Mn2+、Na+、Mg2+、Zn2+、Ca2+、Cu2+、Fe3+存在時，F(xiàn)e3+對N-CDs的猝滅效果最顯著，因此可用于Fe3+的檢測。

圖11 不同金屬離子對 N-CQDs溶液熒光強度的影響Fig. 11 Influence of different metal ions on fluorescence intensity of N-CQDs solution

2.4 Fe3+對N-CDs的熒光響應(yīng)

由于Fe3+易和氨基以共價鍵結(jié)合，因此對N-CDs溶液作為熒光傳感探針，用于檢測Fe3+的可行性進(jìn)行了探討。當(dāng)Fe3+存在時，隨Fe3+的濃度增大，N-CDs在發(fā)射波長443nm處的熒光強度有明顯減弱（圖12），說明Fe3+對N-CDs有熒光猝滅效應(yīng)。

圖12 Fe3+對N-CDs溶液的熒光響應(yīng)Fig. 12 Fluorescence response of Fe3+ to N-CDs solution

為了進(jìn)一步探究Fe3+對N-CDs的熒光猝滅作用，測定了不同濃度的Fe3+（0、1、80μmol·L-1）存在下，N-CDs的紫外-可見光譜。當(dāng)N-CDs溶液中有Fe3+存在時，N-CDs溶液的紫外吸收峰會向短波長移動，即發(fā)生了紅移（圖13），原因主要是N-CDs表面的基團(tuán)與Fe3+通過配合作用生成了復(fù)合物，從而導(dǎo)致了N-CDs熒光猝滅。

2.5 優(yōu)化Fe3+的檢測條件

為了提高所制備的N-CDs溶液對微量Fe3+的檢測靈敏度，優(yōu)化了pH值和避光反應(yīng)時間對Fe3+檢測的影響，結(jié)果見圖14。當(dāng)pH=6.0～8.5時，隨著pH增加，N-CDs溶液的熒光強度先增大后減小，pH=7.0時最大，因此7.0是最佳的pH值。如圖15所示，避光反應(yīng)時間在10～45 min之間時，隨著避光反應(yīng)時間增加，N-CDs溶液的熒光強度先增大，大于20min后，N-CDs溶液的熒光強度趨于穩(wěn)定，由此確定避光反應(yīng)時間為20min。

圖14 pH的優(yōu)化Fig.14 Optimization of pH

圖15 避光反應(yīng)時間的優(yōu)化Fig.15 Optimization of photophobic reaction time

2.6 Fe3+的檢測

在上述優(yōu)化實驗條件下，考察了不同濃度的Fe3+（0～80μmol·L-1）對制備的N-CDs溶液的熒光強度的影響，結(jié)果見圖16。結(jié)果表明，隨著Fe3+的濃度增加，N-CDs溶液的熒光強度逐漸減小，表明Fe3+對N-CDs溶液具有熒光猝滅效應(yīng)。如圖17所示，F(xiàn)e3+濃度為0.1～80 μmol·L-1時，N-CDs溶液的熒光強度與Fe3+濃度呈良好的線性關(guān)系[15-17]，線性方程為：ΔF =1.0001C+18.9646。其中，ΔF=F0-F；C是Fe3+的濃度，μmol·L-1；F0是無Fe3+存在時N-CDs的熒光強度；F是Fe3+濃度為[C]時的熒光強度。相關(guān)系數(shù)R2=0.9932，檢測限為0.61μmol·L-1(DL=3σ/k)，表明N-CDs可用于Fe3+的高靈敏檢測。

圖16 不同濃度Fe3+存在時N-CDs的熒光光譜圖Fig. 16 Fluorescence spectra of N-CDs in the presence of different concentrations of Fe3+

圖17 Fe3+濃度與N-CDs熒光強度變化值之間的線性關(guān)系Fig. 17 Linear relationship between Fe3+ concentration and ΔF of N-CDs

3 結(jié)論

本文以含氮的三羥甲基氨基甲烷為碳源，采用水熱法制備了分散性和水溶性好、尺寸均一、熒光性好的N-CDs溶液。制備的N-CDs溶液具有較好的pH穩(wěn)定性和耐鹽性。基于N-CDs溶液對Fe3+的熒光猝滅效應(yīng)，建立了N-CDs溶液作為熒光探針檢測水中Fe3+的方法。Fe3+濃度為0.1～80μmol·L-1時，N-CDs溶液的熒光強度與Fe3+濃度呈良好的線性關(guān)系，線性方程為ΔF=1.0001C+18.9646，相關(guān)系數(shù)R2為0.9932。制備的N-CDs溶液可用于檢測水中微量Fe3+。該方法的制備過程簡單，成本低，靈敏度高，N-CDs可作為熒光探針，用于Fe3+的檢測。