碳量子点荧光猝灭法检测铁离子

刘雪萍 杨娟 白燕

摘要：以甘油为碳源，采用一步水热法合成稳定性高，水溶性好的蓝色荧光碳量子点，基于Fe3+对碳量子点的荧光猝灭效应，建立一种快速、选择性检测Fe3+的新方法。研究表明，Fe3+对碳量子点的荧光猝灭程度与Fe3+浓度在0.005～1.2 mmol/L内呈良好的线性关系（R2=0.995），检出限为2.2 μmol/L。将其应用于补铁药中铁含量的测定，标准偏差为0.41 mg/tablet，加标回收率为95.5%～101.0%，其结果与邻二氮菲法测定结果相符。

关键词 ：碳量子点；甘油；水热法；铁离子

1 引 言

铁是人体内必需的微量元素之一，是构成血红蛋白和血红素的主要成分之一，在人体健康方面扮演着重要角色。人体内铁含量过少或者过多都会引起各种疾病，如贫血症[1]、帕金森综合症和阿尔茨海默病[2，3]、癌症[4]等，因此对铁含量检测具有重要意义。目前，有多种测定铁元素的方法，如紫外光谱法[5]、原子吸收法[6]，然而这些方法大多操作繁琐，耗时长，测试费用高。与这些传统检测方法相比，荧光纳米材料检测具有灵敏度高、选择性好、操作简便的优势。Mu等[7]采用纳米金簇作为探针，利用Fe3+对纳米金簇的荧光猝灭性质，高选择性检测了Fe3+。张静等[8]采用微波法制备了丙三醇碳量子点，用作对Fe3+高选择性的探针。

碳量子点在生物标记、生物成像、光电器械等领域的潜在应用价值备受关注。与传统的荧光半导体量子点相比，碳量子点还具有毒性低、制备成本低、生物相容性良好、稳定性好的优势。近年来，有大量关于碳量子点的制备方法的报道。Jia等[9]建立了一种低温加热维生素C和醋酸铜制备碳量子点的方法，该方法虽然简单，但是必须加入醋酸铜，铜是一种重金属，所以这并不是一种环保绿色的制备方法。Wang等[10]将石墨碳氧化物置于浓HNO3中，在120℃下回流，制得粒径为（3.8±1.4） nm的荧光碳量子点，然而，在制备过程中使用强酸是危险的，并且后续需对产物进行中和，中和过程可能会导致碳量子点的荧光强度减弱。Pan等[11]通过在400℃一步热解EDTA盐，制备出荧光量子点产率高达31.6%～40.6%的碳量子点。Han等[12]以葡萄糖为碳源，通过长时间（5 h）高温加热，并以聚醚酰亚胺为修饰剂，合成了聚醚酰亚胺修饰的碳量子点，产物的荧光量子产率为3.5%。Liu等[13]以乙二醇为碳源，在140℃回流加热6 h，通过离心、洗涤等步骤合成了碳量子点，荧光量子产率为25%。以上合成碳量子点的方法步骤繁琐，条件苛刻，量子产率低，需要高温、强酸等条件，这些缺点限制了碳量子点的应用。Wang等[14]对甘油、乙二醇、葡萄糖和蔗糖进行微波处理，在几分钟内制备出了碳量子点，但是制备过程必须添加少量无机离子作为辅助试剂。水热法是一种简单、高效制备碳量子点的方法。胥月等[15]以一步水热法处理苹果汁，制备了水溶性好及稳定性高的蓝色荧光碳量子点，并用于高灵敏、高选择性检测Hg2+。Sahu等[16]通过对橙汁进行120℃水热处理，制备出稳定性好和毒性低的碳量子点。最近，Chen等[17]通过水热法处理大蒜，制备了氮硫共掺的碳量子点，并用于Fe3+的高灵敏检测。

本研究选用价低、易得的甘油作为碳源，通过一步水热法制备了稳定性高、水溶性好的碳量子点。同时，利用Fe3+对碳量子点荧光猝灭的特性，建立了检测Fe3+的方法，并用于补铁药中铁含量的测定。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

970CRT荧光分光光度计（上海仪电分析仪器有限公司），Cary 5000紫外可见光谱仪（美国瓦里安公司），ZF1型三用紫外分析仪（上海骥辉科学分析仪器有限公司）。

甘油（C3H8O3，天津市富宇精细化工有限公司）；硫酸喹啉（华威锐科公司（北京））；其它试剂购于上海化学试剂厂和广州化学试剂厂；所有试剂均为分析纯，直接使用未经进一步提纯。截留分子量为500的MD36mm透析袋（上海MYM生物技术有限公司）。实验用水为实验室制取的超纯水。

2.2 碳量子点的制备

碳量子点（CDs）按照文献[13]的方法进行制备。不同的是，本研究采用一步水热法替代了文献[13]中的微波法，且不需添加无机离子作为辅助试剂。制备方法如下：将10 mL甘油移至聚四氟乙烯衬里不锈钢反应釜中，在180℃下水热18 h。待冷却至室温后，加二次蒸馏水稀释至50 mL，得到的CDs溶液用截留分子量为500的透析袋透析24 h。

2.3 碳量子点荧光特性和Fe3+的检测

将5.00 mL CDs溶液移入试管中，加入适量Fe2（SO4）3溶液，摇匀，CDs溶液中Fe3+的最终浓度为0～2000 μmol/L。按以上步骤配制16种相同浓度的不同金属离子的CDs溶液。不同的金属离子在CDs中的最终浓度为1.0 mmol/L。所有溶液均在室温下孵化15 min后，在360 nm的激发波长下进行荧光测试。考察pH值对CDs荧光强度的影响时，用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L HCl调节CDs测试液的pH值。

选用购自广州市药店某品牌补铁药。取4片药研成粉末状，溶解于5 mL浓H2SO4 中，直至粉末完全碳化成黑色，于电炉上加热，并逐渐加入 HNO3和 H2O2的混合溶液（VHNO3/VH2O2 = 3∶1）直至黄烟消失，溶液变透明。待溶液冷却后，离心分离除去无法消解的白色固体，将上清液转移至50 mL容量瓶中，用二次蒸馏水洗涤残渣，将洗涤液一并转入容量瓶，二次蒸馏水定容，用于补铁药中铁含量的测定。

3 结果与讨论

3.1 碳量子点的光学性质

如图 1a 所示，CDs在 250～300 nm 之间有一个较强的宽吸收带，这主要是CDs sp2区域的ππ*跃迁。在360 nm光激发下可发射出460 nm的荧光（图1b和1c）。在日光灯照射下，CDs溶液呈浅黄色透明状，水溶性极好，而在365 nm的紫外灯照射下发出蓝色荧光，这与发射波长为460 nm是一致的。采用硫酸奎寧（其量子产率为55.7%）作为标准参照物，测得CDs的荧光量子产率为19.8%，CDs在4℃下保存12个月后仍呈现浅黄色透明状，未产生聚集现象，说明CDs具有较高的稳定性和发光强度。

CDs表現出明显的荧光强度和发射位置依赖激发波长的性质。图 2表明，CDs在不同激发波长（280～480 nm，每次间隔20 nm）下，随着激发波长的增大，发射荧光发生红移，发射峰从450 nm红移至530 nm。同时，发射峰强度也逐渐减弱。产生这种现象的原因有可能是不同尺寸的纳米粒子对光的选择性存在差异[8]，或是由于CDs表面的发射空穴不同引起的[11]。利用这些性质可以控制荧光发射[12]。CDs的最佳激发波长为360 nm。

3.2 pH值与碳量子点荧光强度的关系

CDs水溶液的pH值从2.0增大到12.0时，在日光灯照射下，体系依然是浅黄色透明状；在360 nm的紫外灯照射下，体系颜色一致呈蓝色，光强并没有明显减弱（图3插图）。在不同pH值下，CDs的荧光强度变化如图3所示，当体系的pH值由2.0增大到12.0时，无论是否添加100 μmol/L Fe3+， CDs体系的荧光强度都几乎不变，但是添加了Fe3+的CDs体系的荧光强度明显比纯CDs弱，初步说明Fe3+对CDs的荧光具有猝灭作用。CDs这种对pH值的非依赖性质和Fe3+与CDs之间具有的相互作用，为Fe3+检测提供了有利条件，后续测试无需调节CDs测试液的pH值。

3.3 基于碳量子点荧光猝灭检测Fe3+的可行性分析

考察了16种常见金属离子与CDs的相互作用，结果如图4所示（F1为空白CDs溶液的荧光强度，F0为加金属离子后CDs溶液的荧光强度）， Fe3+会剧烈猝灭CDs的荧光强度，而其它金属离子（如Ca2+， K+， Na+， Co2+， Ni2+， Zn2+， Cr3+， Mn2+， Pb2+， Mg2+， Ba2+， Al3+， Fe2+， Cu2+等）对CDs的荧光强度猝灭作用可忽略，Ag+的猝灭强度超过20%，当Ag+和Fe3+共存时，应考虑消除其影响。因此，所制备的CDs对Fe3+的检测具有高选择性，不易受其它金属离子干扰，以此建立基于CDs荧光猝灭的Fe3+的测定方法。

在CDs溶液中分别加入不同量的FeCl3，Fe（NO3）3，Fe2（SO4）3，K3Fe（CN）6溶液，4种铁盐溶液对CDs的荧光都具有猝灭作用，并且随着铁盐浓度增加，猝灭程度增大。猝灭机理是由于Fe3+与CDs表面的钝化基团OH发生配合作用[18]，导致CDs的荧光发生猝灭，随着Fe3+浓度增大，越多OH与其发生作用，更大程度改变了CDs表面的缺陷状态，所以荧光强度也发生更大程度的猝灭。

3.5 补铁药中铁含量的测定

以市售补铁药为测试对象，评价本方法的可靠性，测试结果列于表1和表2。补铁药中的铁含量为4.31 mg/tablet（n=5），标准偏差为0.41 mg/tablet，加标回收率为95.5%～101.0%。同时，采用经典的邻二氮菲分光光度法进行对照，测定结果的平均值为4.62 mg/tablet（n=3），两种方法之间不存在显著性差异（置信度95%）。近期研究显示，利用掺硫CDs[19]、掺氮CDs[20]和氮硫共掺CDs[17]荧光猝灭测定Fe3+的检出限分别达到了4.2×10 μmol/L。与其它相比，本方法以甘油作为碳源，合成方法简单，所制备的CDs稳定，检测Fe3+的线性范围宽，方法的耐变性强。

4 结 论

采用一步水热甘油法制备了发光强度高，稳定性好的CDs。基于Fe3+对CDs的荧光猝灭作用，建立了一种简便、耗费低、稳定、环保的检测Fe3+的方法，本方法用于补铁药中铁含量的测定，结果令人满意。

References

1 Brugnara C. Clin. Chem.， 2003， 49（10）： 1573-1578

2 Zecca L， Youdim M B H， Riederer P， Connor J R， Crichton R R. Nat. Rev. Neurosci.， 2004， 5（11）： 863-873

3 Altamura S， Muckenthaler M U. J. Alzheimer's Dis.， 2009， 16（4）： 879-895

4 Bastide N M， Pierre F H F， Corpet D E. Cancer Prev. Res.， 2011， 4（2）： 177-184

5 Kok D'A， Wild F. J. Clin. Pathol.， 1960， 13（3）： 241

6 Ajlec R， tupar J. Analyst， 1989， 114（2）： 137-142

7 Mu X Y， Qi L， Dong P， Qiao J， Hou J， Nie Z X， Ma H. Biosens Bioelectron.， 2013， 49： 249-255

8 ZHANG Jing， JIANG Yu-Liang， CHENG Yu， GU Wei-Jin， WANG Bing-Xiang. Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（1）： 54-58

张 静， 江玉亮， 程 钰， 顾玮瑾， 王炳祥. 高等学校化学学报， 2016， 37（1）： 54-58

9 Jia X F， Li J， Wang E K. Nanoscale， 2012， 4（18）： 5572-5575

10 Wang Q L， Zheng H Z， Long Y J， Zhang L Y， Gao M， Bai W J. Carbon， 2011， 49（9）： 3134-3140

11 Pan D Y， Zhang J C， Li Z， Wu C， Yan X M，Wu M H. Chem. Commun.， 2010， 46（21）： 3681-3683

12 Han B F， Wang W X， Wu H Y， Fang F， Wang N Z， Zhang X J， Xu S K. Colloid Surface B， 2012， 100： 209-214

13 Liu Y， Liu C Y， Zhang Z Y. Appl. Surf. Sci.， 2012， 263： 481-485

14 Wang X H， Qu K G， Xu B L， Ren J S， Qu X G. J. Mater Chem.， 2011， 21（8）： 2445-2450

15 XU Yue， TANG ChunJing， HUANG Hong， SUN ChaoQun， ZHANG YaKun， YE QunFeng， WANG AiJun. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（9）： 1252-1258

胥 月， 湯纯静， 黄 宏， 孙超群， 张亚鲲， 叶群峰， 王爱军. 分析化学， 2014， 42（9）： 1252-1258

16 Sahu S，Behera B， Maiti T K， Mohapatra S. Chem. Commun.， 2012， 48（70）： 8835-8837

17 Chen Y F， Wu Y Y， Weng B， Wang B， Li C. Sensor Actuat. B， 2016， 223： 689-696

18 Li F， Wang J， Lai Y M， Wu C， Sun S Q， He Y H， Ma H. Biosens. Bioelectron.， 2013， 39（1）： 82-87

19 Li S H， Li Y C， Cao J， Zhu J， Fan L Z， Li X D. Anal. Chem.， 2014， 86（20）： 10201-10207

20 Lu W J， Gong X J， Nan M， Liu Y， Shuang S M， Dong C. Anal. Chim. Acta， 2015， 898： 116-127

Abstract The water soluble carbon dots with high stability and excellent photoluminescent properties were synthesized by onestep hydrothermal treatment of glycerol. Based on the significant quenching effect of ferric ion on the fluorescence of carbon dots， a method with high sensitivity and good selectivity for the determination of ferric ion was established. The ratio of fluorescence intensities （F0/F1） had a linear relationship with the concentration of ferric ion in the range of 0.005-1.2 mmol/L （R2=0.995） and the 3s detection limit was 2.2 μmol/L. Furthermore， the standard deviation and the recovery of the method for determination of iron in Iron tablets were 0.41 mg/tablet and 95.5%-101.0%， respectively. The detection result of this method for Fe3+ ions was in agreement with that 1，10phenanthroline spectrophotometry.

Keywords Carbon dots； Glycerol； Hydrothermal method； Iron ions