綠色熒光碳點的合成及其在鐵離子檢測中的應用

申暢,馬玉林,陳朝霞,張玉紅

(有機化工新材料省部共建協同創新中心,功能材料綠色制備與應用教育部重點實驗室,湖北大學化學化工學院,湖北 武漢 430062)

0 引言

Fe元素是大部分動植物維持生命活動的必要元素之一,也是人體必須的微量元素之一,常常以Fe3+的形式參與到各項生命活動中[1]。為了確保生物體對Fe3+的攝入維持在健康范圍內,Fe3+濃度已經成為監測土壤、水體和食物的重要指標,根據我國《飲用水水質標準》( GB 5749—2006),飲用水中鐵的濃度應小于0.3 mg/L。目前,Fe3+檢測方法主要包括傳統量子點法[2]、電化學分析法[3]、原子吸收光譜法[4]、質譜法[5]、液相色譜法[6]、分光光度法[7]和電感耦合等離子體質譜法[8]等,然而昂貴的設備以及較為復雜的樣品制備流程在很大程度上限制了其使用范圍。因此,亟需開發更為準確、便捷的方法用于Fe3+的檢測。

碳點(CDs,Carbon Dots)是一種新興的納米碳材料,因其優異的發光性能、綠色的制備方法、低廉的成本和出色的生物相容性等特點,被廣泛應用于各個領域,尤其是熒光探針領域[9]。與傳統的半導體量子點、有機熒光染料和熒光納米簇類似[10],碳點也被大量投入到以Fe3+為代表的金屬離子的檢測中。Gong等[11]報道了以殼聚糖、乙酸和1,2-乙二胺為碳源、縮合劑和氮摻雜劑,采用快速簡便微波輔助熱解法合成高氮摻雜碳點(N-CDs)。用于生物系統中的Fe3+,所制備的N-CDs具有高靈敏度和選擇性,檢測限低至10 μg/L,線性范圍為0.010～1.8 mg/L。Chen等[12]以谷氨酸和乙二胺為反應物,采用微波輔助法制備了Fe3+敏感碳點。在8～80 μmol/L范圍內,(F0-F)/F0與Fe3+濃度呈良好的線性關系;合成的碳點可作為Fe3+在水溶液中的熒光化學傳感器以及真菌生物成像的熒光劑。Shangguan等[13]報道了一種基于超亮N/P共摻雜碳點的選擇性熒光納米探針,用于檢測生物樣品中的Fe3+。以5’-三磷酸腺苷為碳、氮、磷源,通過簡單的水熱處理制備了N/P共摻雜碳點。所得碳點的量子產率高達43.2%,具有良好的光穩定性、低毒性和水溶性。在EDTA存在下,該納米探針對Fe3+具有很高的選擇性。隨著Fe3+濃度的增加,制備碳點的熒光猝滅現象明顯,在1～150 μmol/L范圍內呈寬線性區域,檢出限為0.33 μmol/L。該碳點可應用于人血清、活細胞等生物樣品中Fe3+的直接檢測。Cui等[14]以丙烯酸和蛋氨酸為原料,通過一鍋水熱法合成了一種新型氮硫共摻雜雙功能碳點,用作熒光溫度傳感器和痕量Fe3+離子探針。碳點平均直徑為2.3 nm,熒光壽命為7.92 ns,其熒光被Fe3+離子快速選擇性地猝滅,檢測限低至1.72 nmol/L。此外,該碳點有望用于具有顯著可逆性、靈敏度和線性的溫度傳感器。

基于以上研究背景,本研究以還原型谷胱甘肽為前驅體,丙烯酸異辛酯為溶劑,采用溶劑熱法制備了一種硫氮共摻雜的新型綠色熒光碳點(G-CDs)。通過對其結構與性能進行表征,探索其發光行為的規律,特別是特定金屬離子猝滅熒光的發光規律。實驗證明,Fe3+與G-CDs之間存在特異性的內濾效應和電子轉移,可有效致使G-CDs熒光猝滅,并用于經吸附處理后的含Fe3+殘液中Fe3+的檢測。因此,合成的新型綠色熒光G-CDs有望用作土壤、水體和食物中的Fe3+指示劑,在離子檢測熒光探針領域具有較好的應用潛力。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑主要試劑:還原型谷胱甘肽、氯化鉀、氯化鈉、氯化鋅、氯化鎂、氯化鐵、硝酸銅、氯化鋁、氯化鋇等均購于Aladdin(上海)試劑優先公司,無水乙醇、丙烯酸異辛酯購于上海國藥化學集團,以上試劑純度均為分析純。實驗用水均為實驗室自制超純水(≥18.25 MΩ·cm)。

主要儀器:G②20S-TWIN型高分辨透射電子顯微鏡(美國,FEI)、ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜(美國,Thermo SCIENTIFIC )、Nicolet Is10型紅外光譜儀(美國,Thermo)、LS-55型熒光光譜儀(美國,Perkin Elmer)、Lambda 35型紫外-可見分光光譜儀(美國,Perkin Elmer)。

1.2 熒光碳點(G-CDs)的合成首先,稱取0.6 g還原型谷胱甘肽,溶解于19.4 g丙烯酸異丁酯中,使用超聲儀震蕩30 min輔助溶解分散。隨后將混合物轉移至50 mL的聚四氟乙烯反應釜中,180 ℃反應10 h。冷卻至室溫后,得到淺黃色懸濁液,離心,取上清液用0.22 μm微孔膜過濾。將過濾后的溶液轉移至截止分子量為3 500的透析袋中,透析24 h后真空干燥,得到純化后的粉末狀碳點(G-CDs)。

1.3 G-CDs對于Fe3+的熒光檢測配置梯度濃度的G-CDs溶液(1 ～ 10 mg/mL),使用熒光光譜儀進行發射強度測試,確認在測試條件下2 mg/mL為最恰當的濃度。在此基礎上將不同種類的離子溶液與不同濃度的Fe3+溶液與G-CDs溶液混合(使其最終濃度符合要求),并用398 nm波長的光源進行激發,獲取熒光發射光譜及517 nm處的熒光強度。

2 結果與討論

2.1 G-CDs合成條件的優化通過溶劑熱法合成了G-CDs,探究了反應溫度和時間等條件對其熒光性能和光穩定性的影響(圖1)。實驗結果表明,合成G-CDs的最佳條件為反應溫度為180 ℃,反應時間為8 h。我們認為這是因為G-CDs的發光能力主要來源于碳點合成過程前期形成的小分子熒光團[15],隨著溫度的升高和時間的延長,包括熒光分子在內的初期產物碳化加劇,分子熒光團所提供的發光能力降低,碳點的發光性能也隨之發生變化。因為大部分熒光小分子不具有對紫外光的穩定性,我們將不同條件下制得的碳點置于紫外燈下輻照6 h,根據其照射前后熒光強度的比值F0/F來判定其光穩定性,F0/F越高則光穩定性越差。結果表明,當反應溫度較低或反應時間較短時,所得碳點的光穩定性較差,說明小分子熒光團使碳點獲得高強度熒光的同時降低了其光穩定性。

圖1 G-CDs合成條件的優化及光穩定性測試(a)熒光強度、光穩定性與反應溫度的關系;(b)熒光強度、光穩定性與反應時間的關系

圖4 G-CDs的光學性能表征(a)G-CDs的激發、發射、紫外-可見吸收光譜;(b)G-CDs在不同波長激發光下的熒光光譜

2.3 G-CDs作為熒光探針檢測Fe3+

2.3.1 G-CDs檢測Fe3+的標準曲線與檢出限 將G-CDs與不同濃度的Fe3+混合均勻,隨后在398 nm的激發光下測定混合溶液熒光發射峰的強度。如圖5(a)所示,隨著Fe3+濃度的增加G-CDs的熒光強度逐漸減弱。進一步地,更直觀地使用(F0-F)/F0代表G-CDs熒光強度的變化量(圖5(b))。從(F0-F)/F0與Fe3+濃度的線性擬合圖中可以看出,在20 ～ 80 μmol/L范圍內存在良好的線性關系,線性回歸方程為(F0-F)/F0= 0.009 15c[Fe3+]-0.198 09,線性相關系數R2= 0.991 98,根據3σ/k原則計算出檢測限(LOD)為8.16 μmol/L。

圖5 G-CDs檢測Fe3+的熒光圖及對應的線性關系(a)G-CDs檢測Fe3+;(b)熒光強度變化程度(F0-F)/F0與Fe3+濃度的關系;(c)(F0-F)/F0與Fe3+的線性關系圖

2.3.2 G-CDs檢測Fe3+的選擇性與抗干擾性 為了探討G-CDs在Fe3+檢測中的選擇性與對環境中其他離子干擾的抗性,以80 μmol/L的Fe3+溶液為標準,分別配置了80 μmol/L的常見金屬離子溶液(K+、Na+、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Al3+、Ba2+)和400 μmol/L的對應金屬離子溶液。結果如圖6所示,在相同濃度下,Fe3+對G-CDs熒光的影響最為顯著,其他金屬離子對熒光強度的影響則相對較小(圖6(a))。此外,將5倍Fe3+濃度的其他金屬離子溶液和標準濃度的Fe3+溶液分別加入到制備的G-CDs溶液中,測試G-CDs在強干擾環境下對Fe3+的選擇性。實驗結果表明,即使在5倍Fe3+濃度的情況下,其他金屬離子對G-CDs熒光強度影響依舊不明顯(圖6(b)),說明G-CDs對Fe3+具有優異的選擇性。

圖6 G-CDs對Fe3+的選擇性(a)80 μM Fe3+和其他常見金屬離子對G-CDs熒光強度的影響;(b)5倍標準濃度(400 μmol·L-1)其他金屬離子對G-CDs熒光強度的影響

2.4 G-CDs檢測Fe3+的機理研究為了探究Fe3+淬滅G-CDs熒光的機理,測試了Fe3+濃度不同的環境中G-CDs的紫外可見吸收光譜(圖7)。從圖中可以看出,隨著加入Fe3+的濃度增加,210～260 nm和400 nm左右的吸收峰明顯變強,且圖譜中沒有新的吸收峰/帶出現,說明Fe3+的加入增強了G-CDs的吸收而并未產生新的化合物。通常Fe3+在500 ～ 600 nm范圍內存在較強的吸收帶[16],與G-CDs的最佳發射波長(517 nm)有一定重合,這意味著Fe3+能夠吸收被激發出的G-CDs熒光,導致碳點的發射強度降低,具有典型的內濾效應[18]。其次,Fe3+存在復數條空軌道與半充滿軌道,從XPS的分析得知G-CDs表面存在豐富的氨基(圖3)。這意味著碳點表面氨基的孤對電子可能在G-CDs與Fe3+間以d→d躍遷的形式發生電子轉移[19-20],消耗了熒光中心激發和發射的光子,從而抑制了G-CDs的熒光發射,降低了熒光強度。因此,Fe3+的濃度升高到一定程度時,G-CDs的熒光發生明顯淬滅。

圖7 加入不同濃度Fe3+后G-CDs溶液的紫外吸收光譜

2.5 實際樣品中的Fe3+濃度檢測利用經吸附處理后的Fe3+殘液測試G-CDs檢測Fe3+的能力。如表1所示,在廢液樣品中Fe3+的加標回收率為96.9%～102.8%,標準偏差RSD≤ 5.5%。證明G-CDs具有在實際樣品中檢測Fe3+濃度的能力。

表1 實際水樣中Fe3+的檢測(n=3)

3 結論

以還原性谷胱甘肽和丙烯酸異辛酯為原料,通過溶劑熱法成功制備了一種對Fe3+有特異性性響應的綠色熒光碳點(G-CDs)。該碳點的尺寸為(5.17±0.23)nm,最佳激發和發射波長分別為398 nm和517 nm,通過內濾效應和電子轉移對Fe3+有著良好的選擇性熒光?；诖?設計了一種利用G-CDs進行免標記Fe3+濃度測定的熒光分析方法,其線性范圍為20 ～ 80 μmol/L,檢測限為8.16 μmol/L。該方法在實際樣品中能夠正常使用,有望廣泛用于離子檢測、熒光探針等領域。