一步水热法合成的石墨烯量子点及其在锰离子探测中的应用

吴春霞，宋泽琳

(1.江苏大学江苏省重点实验室光子制造科学与技术中心，江苏镇江 212013;2.东南大学生物电子学国家重点实验室，江苏南京 210096)

1 引 言

石墨烯是一种sp2轨道杂化的单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状的碳质新材料［1-2］，厚度只有0.335 nm，相当于一根头发直径的20万分之一，是构建其他维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元［3］。石墨烯是零能隙的半导体，由于缺少带隙而没有荧光的缺点限制了它在光电方面的应用。将二维的石墨烯转变成尺寸小于10 nm的石墨烯量子点(Graphene quantum dots，GQDs)［4］，或将石墨烯功能化都能有效地调整石墨烯的带隙。制备GQDs的方法主要分为自上而下和自下而上两大类。自上而下的方法［5-8］就是用物理和化学的方法将大块石墨烯材料切割成小尺寸的GQDs，包括水热法、电化学氧化法、强酸氧化剥离纤维法、微波超声分解法和等离子处理法等。这类方法步骤相对简单、产率较高，是目前应用最多的一类方法［9］，但是不能达到对形貌和尺寸的控制。自下而上的方法［10-11］则是将有机小分子聚合成稍大尺寸的GQDs。这种方法可以实现对GQDs形貌和尺寸的精确控制，但步骤繁琐而且操作过程复杂。GQDs拥有石墨烯和量子点双重的优异性能，不含重金属元素，具有低毒性和良好的生物相容性。GQDs中的π-π共轭网络和丰富的表面含氧官能团使其具有很好的表面连接性能和很大的比表面积。上述优点使GQDs可以作为荧光探针应用于生物成像和离子探测等方面，目前已经有文献报道用 GQDs 探 测 铜 离 子［12］、铁 离 子［4］、汞 离子［13］、镍离子［14］和铅离子［15］等。

锰是人体必需的微量元素之一，是构成正常骨骼的必要物质，也是一些抗氧化酶(如过氧化氢酶和超氧化物歧化酶)的重要组成成分［16］。然而，摄取过量的锰元素对人体是有害的，会引起锰中毒，重度锰中毒可使人出现暴躁、幻觉等症状，引起帕金森氏综合症等神经系统疾病［17］。由于GQDs具有优异的荧光性能、生物相容性和低毒性，因此可以作为Mn2+检测的理想探针。与原有的电子光谱法、化学改性剂电热原子吸收光谱法等检测方法相比，以GQDs为探针的检测方法在操作上更为简单，灵敏度也更高。

目前比较常用的GQDs合成方法是Pan等［18-19］使用的以二次氧化的石墨烯为前驱体的水热法。本文对该方法进行了改进，采用一步水热法，直接以还原氧化石墨烯为原料制备出了GQDs。这种方法不需要经过二次氧化，简化了步骤，具有工艺简单、绿色环保的优点。所制备的GQDs粒径大小均一，分散性良好，表现出激发波长不依赖的荧光性能。在此基础上研究了Mn2+对GQDs荧光的猝灭效应，并以此构建荧光探针来检测Mn2+，拓展了GQDs在传感探测方面的应用。

2 实 验

2.1 石墨烯量子点的制备

以鳞片石墨为原料，采用改性Hummer法［20］制备氧化石墨。将氧化石墨置于N2气氛的中温管式炉中500℃下加热还原2 h(加热速率为10℃/min)，然后利用得到的还原氧化石墨进行GQDs的制备。首先，称取50 mg的还原氧化石墨烯放置在烧杯中，加入40 mL的超纯水，超声5 h(40 kHz，600 W)。然后，用NaOH溶液调节所得溶液的pH值至12，转移到50 mL的反应釜中，在200℃下加热反应12 h。最后，将得到的棕色悬浮液用微孔滤膜过滤后用8000Da的透析袋透析48 h，即得到粒径均匀的GQDs溶液。

2.2 性能测试

利用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)对样品的形貌进行表征。采用傅立叶变换红外光谱仪(美国热电尼高力公司NEXUS)测量红外光谱。使用UV-2550紫外分光光度计和F-4600荧光光谱仪研究样品的荧光特性。

2.3 Mn2+的探测

将MnSO4固体溶解配成1mol/L的Mn2+标准溶液。取3 mL的GQDs溶液，依次加入20μL的Mn2+，室温下反应10 min，测其在300 nm光激发下的荧光光谱。

3 结果与讨论

图1(a)为 GQDs的 TEM图像，可以看出GQDs近似球形，尺寸均一，分散性良好。图1(b)是GQDs的粒径分布图，可以看出大多数GQDs的尺寸为1.6 nm，而通过Nanomeasure软件计算得出的石墨烯量子点的平均尺寸为1.8 nm。

为了进一步确认 GQDs的形貌，我们利用AFM获得了的GQDs的形貌和高度分布图，如图2所示。从图2(a)中可以看到，GQDs尺寸均一，均匀分散排布，这与TEM图的结果一致。图2(b)是图2(a)中从a点到b点所经过的GQDs的高度分布曲线，大部分的GQDs高度为1.8 nm，说明所合成的GQDs大致有3层石墨烯的厚度，这与TEM的结果有很好的一致性。综合对TEM和AFM的分析可以确定，所制备的GQDs尺寸约为1.8 nm，分散均匀，近乎球状。

图1 石墨烯量子点的TEM图像(a)和粒径分布图(b)Fig.1 TEM image(a)and lateral size distribution(b)of GQDs

图2 石墨烯量子点的AFM图像(a)和高度分布图(b)Fig.2 AFM image(a)and height distribution(b)of GQDs

图3 (a)为GQDs的FTIR光谱。从图中可以看出GQDs表面含有丰富的含氧官能团，1 624 cm－1处为— ==C O/—COOH的伸缩振动峰，3 488 cm－1处为—OH 的伸缩振动峰，1 380 cm－1处为C—H键的振动峰，1 105 cm－1处为C—O的伸缩振动峰。与石墨烯的 FTIR谱相比，位于1 052 cm－1的C—O—C处伸缩振动峰消失，这验证了水热法的反应机理——拉开拉链机制［19］。氧化石墨中的含氧官能团如环氧基团(C—O—C)、羧基、羟基等，在热还原过程中不能完全去除。在水热处理过程中，残留的环氧键成线形排列，这样容易断裂，断开后会氧化成更加稳定的 ==C O/COOH基团。通过这样的方式，大块的石墨烯就被切割成尺寸较小的量子点。图3(b)是GQDs的紫外-可见吸收光谱，可看到GQDs在紫外区有很强的吸收，而且在300 nm处有一个明显的吸收峰，这和GQDs中含有的芳香烃结构引起的π-π*跃迁有关。这种多环芳香烃结构表明GQDs保留了石墨烯的结构，从侧面也验证了拉开拉链机制。

图3 石墨烯量子点的红外光谱(a)和紫外-可见吸收光谱(b)Fig.3 FTIR(a)and UV-Vis absorption(b)of GQDs

图4 (a)为GQDs在不同激发波长下的荧光光谱。由图可知，当激发波长从290 nm变到320 nm时，最强发射峰位基本不变，表现出激发波长不依赖的荧光特性，这和所制备的GQDs尺寸均一［21］、其所含的sp2团簇表面状态一样有关。荧光发射峰强而窄，证明GQDs具有优异的荧光性能。最佳激发波长为300 nm，在该激发波长下，GQDs的荧光最强，因此，我们选择在300 nm激发光下研究Mn2+对GQDs荧光的猝灭效应。图4(b)是不同pH值下的GQDs的荧光光谱，可以看出GQDs的荧光在中性条件下最强，在强酸和强碱环境中都会减弱，并且在碱性环境中强于酸性环境。这是因为在酸性环境中，官能团间的氢键作用会引起GQDs团聚，导致荧光强度降低;在碱性环境中，羟基和羧基去质子化而带负电荷，GQDs在负电荷之间的排斥作用下恢复单分散，从而使荧光恢复。由于所制备的GQDs溶液呈中性，而在中性环境中GQDs荧光最强。因此在检测Mn2+时无需再调节GQDs溶液的酸碱度。

图4 (a)石墨烯量子点的荧光光谱;(b)pH值对石墨烯量子点荧光强度的影响。Fig.4 (a)PL spectra of GQDs.(b)Effects of pH on fluorescence intensity of GQDs.

为了研究Mn2+对GQDs荧光的影响，我们向GQDs溶液中逐次加入20μL的 Mn2+溶液，反应10 min后测其荧光强度。如图5(a)所示，随着Mn2+浓度的增加，GQDs的荧光强度逐渐下降。当Mn2+浓度达到400μmol/L时，GQDs的荧光基本猝灭。当Mn2+浓度范围为0～400μmol/L时，体系的相对荧光强度比(F/F0)与Mn2+浓度呈良好的线性关系，线性回归方程为F/F0=0.8263－0.0015c，相关系数 R=0.994。因此，根据 Mn2+对GQDs荧光强度的影响可以测定溶液中Mn2+的浓度。虽然有一些文献报道了金属离子猝灭GQDs荧光的机理，但是现在仍未明确。我们推测:由于GQDs表面含有丰富的含氧官能团，因而带有负电性，可以充当电子供体;当加入带正电的Mn2+后，Mn2+会充当电子受体，通过电荷转移作用改变了GQDs的电子态，从而引起荧光猝灭。并且GQDs表面的—OH与Mn2+之间有很强的结合力，会形成GQDs-Mn复合物，引起GQDs聚集长大，也会导致GQDs的荧光猝灭。

图5 加入不同浓度Mn2+后的石墨烯量子点的荧光光谱(a)和线性回归曲线(b)Fig.5 Fluorescence intensity response of GQDs to the concentration Mn2+(a)and linear regression curve of PL intensity vs.Mn2+(b)

4 结 论

采用一步水热法成功制备出了近似球形、分散性良好、平均尺寸为1.8 nm的 GQDs。GQDs的表面含有丰富的含氧官能团，在紫外区有很强的吸收，紫外发射峰强而窄，并且表现出激发波长不依赖的荧光性能。所使用的一步水热法大大缩短了制备时间，不需要使用浓硫酸和浓硝酸等强氧化试剂，具有绿色环保的优点。Mn2+可以有效猝灭GQDs的荧光，当Mn2+浓度范围为0～400 μmol/L时，GQDs的相对荧光强度与Mn2+浓度呈良好的线性关系。以GQDs为荧光探针的Mn2+检测方法具有方法简便、灵敏度高的优点，本文的工作进一步拓宽了 GQDs在传感探测方面的应用。

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