以香烟过滤嘴为原料制备碳量子点应用于多巴胺的测定

彭小珊，苏安梅，文辉忠，钟青梅，陈羽烨，王益林

(广西大学化学化工学院 广西生物炼制重点实验室，广西 南宁 530004)

1 引 言

多巴胺(Dopamine，DA)是哺乳动物体内一种重要的神经传递物质，它在神经系统、心血管系统、肾脏及内分泌系统中发挥着重要作用[1]。若生物体内的DA分泌不足，会导致神经肌肉失调，甚至引发帕金森氏症、老年痴呆症、心脏病、癫痫症和各种精神疾病[2]。因此，DA是一些疾病检测的重要指标。此外，作为一种心血管药物，DA在临床上广泛用于治疗神经紊乱、支气管哮喘、高血压及感染性休克等[3]。 因此，检测DA既有重要的理论意义也有临床应用价值。目前，已报道的DA检测方法主要有电化学法[4]、化学发光法[5]、高效液相色谱法[6]、比色法[7]及荧光法[8]等。

碳量子点(Carbon quantum dots，CQDs)是一种新型荧光探针，与传统的半导体量子点相比，CQDs具有制备成本低、没有毒性、生物相容性好等优势，在化学分析[9-10]和生物传感[11-12]等研究领域得到了广泛应用。文献报道的CQDs制备方法很多，但一般采用人工制备的含碳化合物为原料[13-15]。近年来，一些利用天然生物质，如苹果汁[16]和枸杞[17]等为原料，采用绿色概念制备CQDs的方法相继出现。本文以丢弃的香烟过滤嘴为原料，制备荧光强度高、水溶性和稳定性好的CQDs；基于DA在碱性条件下的氧化产物(多巴胺醌)与CQDs发生电荷转移而使CQDs发生荧光猝灭的原理，发展一种荧光猝灭测定DA含量的分析方法，并应用于实际样品的测定，测定结果令人满意。

2 实 验

2.1 主要试剂与仪器

主要试剂有：盐酸多巴胺(99.0%，上海毕得医药科技有限公司)，NaH2PO4(分析纯，广东光华科技股份有限公司)，Na2HPO4(分析纯，广东光华科技股份有限公司)，抗坏血酸、尿酸、麦芽糖、葡萄糖、乳糖、苏氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、丙氨酸(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)，蔗糖、葡萄糖、果糖(分析纯，天津登科化学有限公司)。

测试仪器包括RF-5301荧光分光光度计(岛津)，UV-4802紫外可见分光光度计(尤尼柯(上海)仪器有限公司)，HH-S2数显恒温水浴锅(金坛市医疗仪器厂)，DHG-9146A电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)。

2.2 实验步骤

2.2.1 碳量子点的制备

本文以丢弃的香烟过滤嘴为碳源，采用水热法制备CQDs。具体方法简述如下：将香烟过滤嘴外边的纸撕掉，取出过滤嘴并掰开成片状，水洗后在烘箱中低温(60 ℃)烘干；称取上述过滤嘴0.40 g，放入聚四氟乙烯内衬，加40 mL去离子水，盖好盖子，放入反应釜中，将拧紧后的反应釜放入烘箱，在200 ℃下反应6 h后自然冷却；收集反应后的溶液，经0.45 μm 的滤膜过滤后定容到250 mL备用。

2.2.2 多巴胺的测定

在系列10 mL比色管中依次加入5.0 mL磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液(pH=8.0)、1.0 mL CQDs、1.0 mL不同浓度的DA胺标准溶液，充分混匀，用去离子水定容到刻度后放入35 ℃的恒温水浴锅中培育4 h。随后，将比色管从水浴锅中取出并在室温下冷却，用RF-5301型荧光分光光度计测荧光强度(F)。同时做DA试剂空白(F0)。测定时激发波长选用356 nm，激发和发射狭缝都设置为5.0 nm。

3 结果与讨论

3.1 碳量子点的表征

图1是CQDs的透射电镜及粒径分布图，可以看出，制备的CQDs分散性好，颗粒呈球状，粒度分布比较均匀，尺寸介于2.8～9.6 nm之间，平均粒径5.9 nm，与文献[18]报道的CQDs粒度范围一致。

图1 碳量子点的透射电镜及粒径分布图Fig.1 TEM image of CQDs and the corresponding size distribution histogram

图2 碳量子点的紫外可见光谱及荧光光谱图。插图为在日光(左)和紫外光(右)下的实物照片。
Fig.2 UV-Vis absorption and fluorescence spectra of CQDs.Inset:photographs of the solution of CQDs taken under visible light (left) and under 365 nm UV light (right).

3.2 多巴胺对碳量子点的荧光猝灭及其机理探讨

常温下，在CQDs溶液中加入DA后其荧光强度没有变化；经低温加热一定时间后，DA能猝灭CQDs的荧光。图3是在磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液中，CQDs及CQDs-DA在35 ℃的恒温水浴锅中反应4 h后的荧光光谱。可以看出，在CQDs-DA体系中，CQDs的荧光明显降低。研究表明，碱性条件下，DA可被O2氧化而产生多巴胺醌，而多巴胺醌是强吸电子体[22]。因此，我们认为DA猝灭CQDs荧光的可能机理是电荷转移，即DA被氧化后生成的多巴胺醌与CQDs激发态分子之间发生电荷转移而引起荧光猝灭。

图3 加入多巴胺前后碳量子点的荧光光谱Fig.3 Fluorescence spectra of CQDs in the absent and presence of dopamine

3.3 多巴胺的测定

3.3.1 测定条件的选择

pH值的大小既影响CQDs的荧光强度也影响多巴胺醌的生成。本文在磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲体系中研究了pH值对CQDs荧光猝灭的影响。图4数据表明，在pH=6～8的范围内，CQDs的荧光随pH值的升高而增强；而CQDs-DA体系的荧光随pH值的升高而降低，这与碱性条件有利于多巴胺醌的产生一致。后续实验选择在pH=8.0的缓冲溶液中进行。

DA的还原性比较强，但在常温下被溶液中溶解O2氧化的速度非常慢。图5实验数据表明，常温下DA对CQDs的荧光几乎没有猝灭作用；随着温度的升高，荧光猝灭逐渐增强，当温度到35 ℃后，继续升温则效果甚微。因此，实验选择在35 ℃的温度下培育一定时间后进行荧光测定。

图4 不同pH值条件下加与不加多巴胺时碳量子点的荧光响应
Fig.4 Fluorescence responses of CQDs in the absence and presence of dopamine at different pH values

图5 温度对荧光响应的影响Fig.5 Temperature-dependent fluorescence response

图6 时间对荧光响应的影响Fig.6 Time-dependent fluorescence response

图6是在35 ℃水浴锅中培育不同时间后CQDs及CQDs-DA体系的荧光测定结果。可以看出，CQDs-DA体系的荧光强度随反应时间延长而明显下降，且4小时后继续延长时间而效果甚微。因此，实验选择在35 ℃水浴锅中培育4 h后进行荧光测定。

3.3.2 方法的分析性能

根据实验方法，在选定的实验条件下测定了CQDs在不同浓度DA溶液中的荧光光谱。数据表明，当DA浓度在1.2～84.0 μmol/L范围内时，荧光强度的猝灭值与DA浓度呈良好的线性关系(图7)，线性回归方程为ΔF=1.08C+ 11.1 (ΔF=F0-F，C为DA浓度，单位：μmol/L) ，相关系数R2为0.996，方法检出限(3σ/k)为0.80 μmol/L。对含36 μmol/L DA的溶液连续测定5次，测定结果的相对标准偏差为2.7%。说明该方法的灵敏度和精密度较高，满足微量分析要求。

图7 荧光猝灭与DA浓度的关系Fig.7 Relationship between the fluorescence quenching and the concentration of DA

3.3.3 共存物的影响

3.3.4 分析应用

为进一步研究方法的实用性，收集2 名志愿者尿液用磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液(pH=8.0)稀释5倍，取稀释后的尿液1.0 mL，按实验方法进行多巴胺的回收率测定，具体结果如表1所示。可以看出，测定结果相对标准偏差和方法回收率都在可以接受的范围内，该方法可应用于实际样品的分析。

表1 尿液样品中盐酸多巴胺的回收率实验(n=5)Tab.1 Recovery of standard addition of dopamine hydrochloride in real urine samples (n=5)

4 结 论

以丢弃的香烟过滤嘴为原料制备水溶性碳量子点；基于多巴胺在碱性条件下的氧化产物(多巴胺醌)与碳量子点发生电荷转移而使碳量子点发生荧光猝灭的原理，发展一种荧光猝灭测定多巴胺含量的分析方法，并应用于实际样品的测定，测定结果令人满意。本研究提供了一种以废弃物为原料制备碳量子点的新方法，具有操作简单、成本低、对环境无污染、对人体健康无害等优势。

[1] 刘伟禄,李聪,唐柳,等.石墨烯-聚苯乙烯磺酸盐-铂复合物的制备及在多巴胺检测中的应用 [J].分析化学,2013,41(5):714-718.

LIU W L,LI C,TANG L,etal..Synthesis and application of graphene-poly(styrene sulfonate)-Pt nanocomposite in amperometric determination of dopamine [J].Chin.J.Anal.Chem.,2013,41(5):714-718.(in Chinese)

[2] QIAN T,YU C F,ZHOU X,etal..Ultrasensitive dopamine sensor based on novel molecularly imprinted polypyrrole coated carbon nanotubes [J].Biosens.Bioelectron.,2014,58:237-241.

[3] 张翠忠,王丽伟,卢永课,等.基于单壁碳纳米管/Nafion/铜纳米粒子复合材料的多巴胺传感器的研制 [J].分析化学,2016,44(8):1263-1269.

ZHANG C Z,WANG L W,LU Y K ,etal..A novel dopamine sensor based on single-walled carbon nanotubes/nafion/copper nanoparticles nanocomposites [J].Chin.J.Anal.Chem.,2016,44(8):1263-1269.(in Chinese)

[4] 李冲,贾丽萍,马荣娜,等.聚乙烯亚胺功能化石墨烯修饰电极同时测定抗坏血酸、多巴胺、尿酸和色氨酸 [J].高等学校化学学报,2015,36(7):1282-1290.

LI C,JIA L P,MA R N,etal..Simultaneous detection of ascorbic acid,opamine,uric acid and tryptophan on the PEI-graphene modified electrode [J].Chem.J.Chin.Univ.,2015,36(7):1282-1290.(in Chinese)

[5] LI L L,LIU H Y,SHEN Y Y,etal..Electrogenerated chemiluminescence of Au nanoclusters for the detection of dopamine [J].Anal.Chem.,2011,83(3):661-665.

[6] FERRY B,GIUF E P,SANDU I,etal..Analysis of microdialysate monoamines,including noradrenaline,dopamine and serotonin,using capillary ultra-high performance liquid chromatography and electrochemical detection [J].J.Chromatogr.B,2014,951:52-57.

[7] 冯娟娟,赵祎曼,王海燕.纳米银比色法检测多巴胺 [J].高等学校化学学报,2015,36(7):1269-1274.

FENG J J,ZHAO Y M,WANG H Y.Colorimetric detection of dopamine based on silver nanoparticles [J].Chem.J.Chin.Univ.,2015,36(7):1269-1274.(in Chinese)

[8] 赵振盛,郭旭东,李沙瑜,等.反应型比例荧光探针检测多巴胺 [J].化学学报,2016,74:593-596.

ZHAO Z S,GUO X D,LI S Y,etal..Reaction-based ratiometric fluorescence probes for dopamine detection [J].ActaChim.Sinica,2016,74:593-596.(in Chinese)

[9] 苏安梅,钟青梅,余姝轶,等.碳量子点荧光猝灭法测定饮料中日落黄 [J].发光学报,2017,38(4):530-534.

SU A M,ZHONG Q M,YU S Y,etal..Fluorescence quenching method for determination of sunset yellow in drinks with carbon quantum dots [J].Chin.J.Lumin.,2017,38(4):530-534.(in Chinese)

[10] HUANG H,WANG B D,CHEN M,etal..Fluorescence turn-on sensing of ascorbic acid and alkaline phosphatase activity based on graphene quantum dots [J].Sens.ActuatorsB:Chem.,2016,235:356-361.

[11] WANG G L,FANG X,WU X M,etal..Label-free and ratiometric detection of nuclei acids based on graphene quantum dots utilizing cascade amplification by nicking endonuclease and catalytic G-quadruplex DNAzyme [J].Biosens.Bioelectron.,2016,81:214-220.

[12] 马红燕,王艳妮.石墨烯量子点荧光探针测定肾上腺色腙 [J].发光学报,2016,37(2):230-236.

MA H Y,WANG Y N.Detection of carbazochrome by graphene quantum dot fluorescence probe [J].Chin.J.Lumin.,2016,37(2):230-236.(in Chinese)

[13] PAN J H,ZHENG Z Y,YANG J Y,etal..A novel and sensitive fluorescence sensor for glutathione detection by controlling the surface passivation degree of carbon quantum dots [J].Talanta,2017,166:1-7.

[14] KE J,LI X Y,ZHAO Q D,etal..Upconversion carbon quantum dots as visible light responsive component for efficient enhancement of photocatalytic performance [J].J.ColloidInterf.Sci.,2017,496:425-433.

[15] LI H,HE X,LIU Y,etal..One-step ultrasonic synthesis of water-soluble carbon nanoparticles with excellent photoluminescent properties [J].Carbon,2011,49:605-609.

[16] XU Y,TANG C J,HUANG H,etal..Green synthesis of fluorescent carbon quantum dots for detection of Hg2+[J].Chin.J.Anal.Chem.,2014,42(9):1252-1258.

[17] 胡月芳,张亮亮,林丽云,等.基于枸杞为原料的碳量子点制备及作为荧光探针高灵敏检测D-青霉胺 [J].中国科学:化学,2017,47:258-266.

HU Y F,ZHANG L L,LIN L Y,etal..Preparation of carbon quantum dots from lycium chinensis and as a fluorescent probe for high sensitive detection of D-penicillamine [J].Sci.Sin.Chim.,2017,47:258-266.

[18] LIANG Z C,ZENG L,CAO X D,etal..Sustainable carbon quantum dots from forestry and agricultural biomass with amplified photoluminescence by simple NH4OH passivation [J].J.Mater.Chem.C,2014,2:9760-9766.

[19] DONG Y Q,SHAO J W,CHEN C Q,etal..Blue luminescent graphene quantum dots and graphene oxide prepared by tuning the carbonization degree of citric acid [J].Carbon,2012,50:4738-4743.

[20] GRABOLLE M,SPIELES M,LESNYAK V,etal..Determination of the fluorescence quantum yield of quantum dots:suitable procedures and achievable uncertainties [J].Anal.Chem.,2009,81:6285-6294.

[21] CHENG C G,SHI Y N,LI M,etal..Carbon quantum dots from carbonized walnut shells:structural evolution,fluorescence characteristics,and intracellular bioimaging [J].Mater.Sci.Eng.C,2017,79:473-480.

[22] ZHAO D,SONG H J,HAO L Y,etal..Luminescent ZnO quantum dots for sensitive and selective detection of dopamine [J].Talanta,2013,107:133-139.

彭小珊(1992-)，女，广西北流人，2017年于广西大学获得学士学位，主要从事环境监测方面的研究。

E-mail:601888541@qq.com

王益林(1968-)，男，湖南邵阳人，博士，教授，2010年于广西大学获得博士学位，主要从事量子点荧光材料的合成与应用的研究。

E-mail:theanalyst@163.com

文辉忠(1966-)，男，广西兴安人，讲师，1987年于广西大学获得学士学位，主要从事光谱分析方面的研究。

E-mail:gxuwen@126.com