绿色荧光碳点的合成及其在铁离子检测中的应用

申畅,马玉林,陈朝霞,张玉红

(有机化工新材料省部共建协同创新中心,功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,湖北 武汉 430062)

0 引言

Fe元素是大部分动植物维持生命活动的必要元素之一,也是人体必须的微量元素之一,常常以Fe3+的形式参与到各项生命活动中[1]。为了确保生物体对Fe3+的摄入维持在健康范围内,Fe3+浓度已经成为监测土壤、水体和食物的重要指标,根据我国《饮用水水质标准》( GB 5749—2006),饮用水中铁的浓度应小于0.3 mg/L。目前,Fe3+检测方法主要包括传统量子点法[2]、电化学分析法[3]、原子吸收光谱法[4]、质谱法[5]、液相色谱法[6]、分光光度法[7]和电感耦合等离子体质谱法[8]等,然而昂贵的设备以及较为复杂的样品制备流程在很大程度上限制了其使用范围。因此,亟需开发更为准确、便捷的方法用于Fe3+的检测。

碳点(CDs,Carbon Dots)是一种新兴的纳米碳材料,因其优异的发光性能、绿色的制备方法、低廉的成本和出色的生物相容性等特点,被广泛应用于各个领域,尤其是荧光探针领域[9]。与传统的半导体量子点、有机荧光染料和荧光纳米簇类似[10],碳点也被大量投入到以Fe3+为代表的金属离子的检测中。Gong等[11]报道了以壳聚糖、乙酸和1,2-乙二胺为碳源、缩合剂和氮掺杂剂,采用快速简便微波辅助热解法合成高氮掺杂碳点(N-CDs)。用于生物系统中的Fe3+,所制备的N-CDs具有高灵敏度和选择性,检测限低至10 μg/L,线性范围为0.010～1.8 mg/L。Chen等[12]以谷氨酸和乙二胺为反应物,采用微波辅助法制备了Fe3+敏感碳点。在8～80 μmol/L范围内,(F0-F)/F0与Fe3+浓度呈良好的线性关系;合成的碳点可作为Fe3+在水溶液中的荧光化学传感器以及真菌生物成像的荧光剂。Shangguan等[13]报道了一种基于超亮N/P共掺杂碳点的选择性荧光纳米探针,用于检测生物样品中的Fe3+。以5’-三磷酸腺苷为碳、氮、磷源,通过简单的水热处理制备了N/P共掺杂碳点。所得碳点的量子产率高达43.2%,具有良好的光稳定性、低毒性和水溶性。在EDTA存在下,该纳米探针对Fe3+具有很高的选择性。随着Fe3+浓度的增加,制备碳点的荧光猝灭现象明显,在1～150 μmol/L范围内呈宽线性区域,检出限为0.33 μmol/L。该碳点可应用于人血清、活细胞等生物样品中Fe3+的直接检测。Cui等[14]以丙烯酸和蛋氨酸为原料,通过一锅水热法合成了一种新型氮硫共掺杂双功能碳点,用作荧光温度传感器和痕量Fe3+离子探针。碳点平均直径为2.3 nm,荧光寿命为7.92 ns,其荧光被Fe3+离子快速选择性地猝灭,检测限低至1.72 nmol/L。此外,该碳点有望用于具有显著可逆性、灵敏度和线性的温度传感器。

基于以上研究背景,本研究以还原型谷胱甘肽为前驱体,丙烯酸异辛酯为溶剂,采用溶剂热法制备了一种硫氮共掺杂的新型绿色荧光碳点(G-CDs)。通过对其结构与性能进行表征,探索其发光行为的规律,特别是特定金属离子猝灭荧光的发光规律。实验证明,Fe3+与G-CDs之间存在特异性的内滤效应和电子转移,可有效致使G-CDs荧光猝灭,并用于经吸附处理后的含Fe3+残液中Fe3+的检测。因此,合成的新型绿色荧光G-CDs有望用作土壤、水体和食物中的Fe3+指示剂,在离子检测荧光探针领域具有较好的应用潜力。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂主要试剂:还原型谷胱甘肽、氯化钾、氯化钠、氯化锌、氯化镁、氯化铁、硝酸铜、氯化铝、氯化钡等均购于Aladdin(上海)试剂优先公司,无水乙醇、丙烯酸异辛酯购于上海国药化学集团,以上试剂纯度均为分析纯。实验用水均为实验室自制超纯水(≥18.25 MΩ·cm)。

主要仪器:G②20S-TWIN型高分辨透射电子显微镜(美国,FEI)、ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱(美国,Thermo SCIENTIFIC )、Nicolet Is10型红外光谱仪(美国,Thermo)、LS-55型荧光光谱仪(美国,Perkin Elmer)、Lambda 35型紫外-可见分光光谱仪(美国,Perkin Elmer)。

1.2 荧光碳点(G-CDs)的合成首先,称取0.6 g还原型谷胱甘肽,溶解于19.4 g丙烯酸异丁酯中,使用超声仪震荡30 min辅助溶解分散。随后将混合物转移至50 mL的聚四氟乙烯反应釜中,180 ℃反应10 h。冷却至室温后,得到浅黄色悬浊液,离心,取上清液用0.22 μm微孔膜过滤。将过滤后的溶液转移至截止分子量为3 500的透析袋中,透析24 h后真空干燥,得到纯化后的粉末状碳点(G-CDs)。

1.3 G-CDs对于Fe3+的荧光检测配置梯度浓度的G-CDs溶液(1 ～ 10 mg/mL),使用荧光光谱仪进行发射强度测试,确认在测试条件下2 mg/mL为最恰当的浓度。在此基础上将不同种类的离子溶液与不同浓度的Fe3+溶液与G-CDs溶液混合(使其最终浓度符合要求),并用398 nm波长的光源进行激发,获取荧光发射光谱及517 nm处的荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 G-CDs合成条件的优化通过溶剂热法合成了G-CDs,探究了反应温度和时间等条件对其荧光性能和光稳定性的影响(图1)。实验结果表明,合成G-CDs的最佳条件为反应温度为180 ℃,反应时间为8 h。我们认为这是因为G-CDs的发光能力主要来源于碳点合成过程前期形成的小分子荧光团[15],随着温度的升高和时间的延长,包括荧光分子在内的初期产物碳化加剧,分子荧光团所提供的发光能力降低,碳点的发光性能也随之发生变化。因为大部分荧光小分子不具有对紫外光的稳定性,我们将不同条件下制得的碳点置于紫外灯下辐照6 h,根据其照射前后荧光强度的比值F0/F来判定其光稳定性,F0/F越高则光稳定性越差。结果表明,当反应温度较低或反应时间较短时,所得碳点的光稳定性较差,说明小分子荧光团使碳点获得高强度荧光的同时降低了其光稳定性。

图1 G-CDs合成条件的优化及光稳定性测试(a)荧光强度、光稳定性与反应温度的关系;(b)荧光强度、光稳定性与反应时间的关系

图4 G-CDs的光学性能表征(a)G-CDs的激发、发射、紫外-可见吸收光谱;(b)G-CDs在不同波长激发光下的荧光光谱

2.3 G-CDs作为荧光探针检测Fe3+

2.3.1 G-CDs检测Fe3+的标准曲线与检出限 将G-CDs与不同浓度的Fe3+混合均匀,随后在398 nm的激发光下测定混合溶液荧光发射峰的强度。如图5(a)所示,随着Fe3+浓度的增加G-CDs的荧光强度逐渐减弱。进一步地,更直观地使用(F0-F)/F0代表G-CDs荧光强度的变化量(图5(b))。从(F0-F)/F0与Fe3+浓度的线性拟合图中可以看出,在20 ～ 80 μmol/L范围内存在良好的线性关系,线性回归方程为(F0-F)/F0= 0.009 15c[Fe3+]-0.198 09,线性相关系数R2= 0.991 98,根据3σ/k原则计算出检测限(LOD)为8.16 μmol/L。

图5 G-CDs检测Fe3+的荧光图及对应的线性关系(a)G-CDs检测Fe3+;(b)荧光强度变化程度(F0-F)/F0与Fe3+浓度的关系;(c)(F0-F)/F0与Fe3+的线性关系图

2.3.2 G-CDs检测Fe3+的选择性与抗干扰性 为了探讨G-CDs在Fe3+检测中的选择性与对环境中其他离子干扰的抗性,以80 μmol/L的Fe3+溶液为标准,分别配置了80 μmol/L的常见金属离子溶液(K+、Na+、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Al3+、Ba2+)和400 μmol/L的对应金属离子溶液。结果如图6所示,在相同浓度下,Fe3+对G-CDs荧光的影响最为显著,其他金属离子对荧光强度的影响则相对较小(图6(a))。此外,将5倍Fe3+浓度的其他金属离子溶液和标准浓度的Fe3+溶液分别加入到制备的G-CDs溶液中,测试G-CDs在强干扰环境下对Fe3+的选择性。实验结果表明,即使在5倍Fe3+浓度的情况下,其他金属离子对G-CDs荧光强度影响依旧不明显(图6(b)),说明G-CDs对Fe3+具有优异的选择性。

图6 G-CDs对Fe3+的选择性(a)80 μM Fe3+和其他常见金属离子对G-CDs荧光强度的影响;(b)5倍标准浓度(400 μmol·L-1)其他金属离子对G-CDs荧光强度的影响

2.4 G-CDs检测Fe3+的机理研究为了探究Fe3+淬灭G-CDs荧光的机理,测试了Fe3+浓度不同的环境中G-CDs的紫外可见吸收光谱(图7)。从图中可以看出,随着加入Fe3+的浓度增加,210～260 nm和400 nm左右的吸收峰明显变强,且图谱中没有新的吸收峰/带出现,说明Fe3+的加入增强了G-CDs的吸收而并未产生新的化合物。通常Fe3+在500 ～ 600 nm范围内存在较强的吸收带[16],与G-CDs的最佳发射波长(517 nm)有一定重合,这意味着Fe3+能够吸收被激发出的G-CDs荧光,导致碳点的发射强度降低,具有典型的内滤效应[18]。其次,Fe3+存在复数条空轨道与半充满轨道,从XPS的分析得知G-CDs表面存在丰富的氨基(图3)。这意味着碳点表面氨基的孤对电子可能在G-CDs与Fe3+间以d→d跃迁的形式发生电子转移[19-20],消耗了荧光中心激发和发射的光子,从而抑制了G-CDs的荧光发射,降低了荧光强度。因此,Fe3+的浓度升高到一定程度时,G-CDs的荧光发生明显淬灭。

图7 加入不同浓度Fe3+后G-CDs溶液的紫外吸收光谱

2.5 实际样品中的Fe3+浓度检测利用经吸附处理后的Fe3+残液测试G-CDs检测Fe3+的能力。如表1所示,在废液样品中Fe3+的加标回收率为96.9%～102.8%,标准偏差RSD≤ 5.5%。证明G-CDs具有在实际样品中检测Fe3+浓度的能力。

表1 实际水样中Fe3+的检测(n=3)

3 结论

以还原性谷胱甘肽和丙烯酸异辛酯为原料,通过溶剂热法成功制备了一种对Fe3+有特异性性响应的绿色荧光碳点(G-CDs)。该碳点的尺寸为(5.17±0.23)nm,最佳激发和发射波长分别为398 nm和517 nm,通过内滤效应和电子转移对Fe3+有着良好的选择性荧光。基于此,设计了一种利用G-CDs进行免标记Fe3+浓度测定的荧光分析方法,其线性范围为20 ～ 80 μmol/L,检测限为8.16 μmol/L。该方法在实际样品中能够正常使用,有望广泛用于离子检测、荧光探针等领域。