石墨相氮化碳量子点荧光探针的合成及其对Fe3+识别性能的研究

, , , , ,,

(1.重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074；2.国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；3.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074；4.重庆交通大学交通土木工程材料国家和地方联合工程实验室，重庆 400074)

Fe3+是生理环境中最重要的过渡金属离子，它是许多酶促反应的辅助因子,参与血红素运载氧，并在细胞新陈代谢等诸多生理过程中发挥至关重要的作用。铁的摄入是健康饮食的重要组成部分，但Fe3+的过量摄入与某些癌症的发病率增加和心脏、胰腺和肝脏等器官功能障碍有关[1 - 2]。因此，检测生理环境和动物细胞中Fe3+对生物学和环境问题具有重要的影响。

荧光探针因其对金属离子检测具有高精度和高灵敏度，且分析简单快速而备受关注[3 - 7]。迄今为止，各种荧光探针，包括荧光金属纳米粒子、有机染料和半导体量子点(QDs)都已被成功应用[8 - 12]。但是，这些材料也存在一些缺陷，包括易被氧化，荧光染料的光漂白性，高毒性和低光响应性等，这限制了他们的大规模制备和进一步的应用[13 - 17]。因此，探索具有高稳定性、低毒性、高荧光量子产率的非金属半导体量子点已成为分析科学、材料科学和生物科学的重要研究课题之一。荧光g-C3N4由于具有易于制备、无毒、成本低、生物相容性好和优良的光稳定性等特性而备受关注[18 - 20]。最近，通过简单的方法制备g-C3N4纳米片已有报道[21]。然而，g-C3N4纳米片因尺寸太大、表面缺陷和低荧光量子效率等限制，这都制约了它们在生物领域的广泛应用。众所周知，掺杂对于碳氮化合物固有性质的调整十分有效，F、O、S、B、P、I等几种元素的掺杂都已被报道[22 - 27]。但是，据我们所知，氟掺杂氮化碳仅在光催化[28]和生物成像[29]领域有报道，关于离子检测方面的研究还未见诸报道。因此，制备具有量子尺寸效应、高荧光量子产率的g-C3N4量子点已成为研究热点。本课题组通过简单的溶剂热法制备了对Fe3+有响应的g-C3N4量子点，通过氟原子的掺杂达到了提高量子产率的目的，并将其应用于生态检测领域。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

BRUKERD8ADVANCEX射线多晶(粉末)衍射仪(德国)；TecnaiG2F20场发射透射电镜(美国)；SolverP47-Pro原子力显微镜(上海纳腾仪器有限公司)；F97荧光分光光度计(上海棱光技术有限公司)。

三聚氰胺(99%)，从阿拉丁工业有限公司处购买；氟化铵(96%)，从上海埃彼化学试剂有限公司处购买；乙二醇(99.5%)，从成都市科龙化工试剂厂处购买；氨水(25%～28%)，从无锡市亚泰联合化工有限公司处购买。试剂均为分析纯。

1.2 C3N4-R和F-C3N4-R量子点的制备

1.2.1合成块状的g-C3N4和F-g-C3N4以三聚氰胺和氟化铵为原料，用热聚法分别合成出块状的g-C3N4和F-g-C3N4。具体步骤为：将5 g三聚氰胺放入盖上盖子的坩埚中，放在马弗炉中2 h升温到600 ℃，600 ℃保温 2 h；5 g三聚氰胺，0.5 g氟化铵，放入盖上盖子的坩埚中，放在马弗炉中2 h升温到600 ℃，600 ℃ 2 h保温。

1.2.2C3N4-R和F-C3N4量子点的合成分别称取0.1 g 块状的g-C3N4和F-g-C3N4，放入聚四氟乙烯反应器中，然后加入15 mL的氨水和15 mL的乙二醇，180 ℃保温12 h。水洗离心沉淀，得到量子点，分别标记为C3N4-R和F-C3N4-R。

1.3 荧光性能实验

1.3.1C3N4-R和F-C3N4-R对Fe3+的识别取适量浓度的目标产物的水溶液2.0 mL于比色管中，再分别用移液枪加入2.0 mL浓度为500 μmol/L的Al3+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Cu2+、K+、Fe3+、Zn2+、Mg2+、Na+、Ni2+、Pb2+的水溶液，混合均匀，在常温下放置30 min后，可以进行荧光测试。

1.3.2C3N4-R和F-C3N4-R对Fe3+的抗干扰识别为测试其他离子对Fe3+的干扰情况，取适量浓度的目标产物的水溶液2.0 mL于比色管中，加入2.0 mL浓度为500 μmol/L的Fe3+溶液，再分别用移液枪加入2.0 mL浓度为500 μmol/L的Al3+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Cu2+、K+、Fe3+、Zn2+、Mg2+、Na+、Ni2+、Pb2+的水溶液，混合均匀，在常温下放置30 min后，进行荧光测试。

1.3.3Fe3+浓度对C3N4-R和F-C3N4-R荧光强度的影响取适量浓度的目标产物的水溶液2.0 mL于比色管中，分别向比色管加入0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 μmol/L Fe3+溶液，混合均匀。以上均用320 nm的紫外光做激发光源，为保证一定的荧光强度，选择合理的狭缝宽度为5 nm，并设置光电倍增管的电压为700 V。

2 结果与讨论

2.1 荧光量子产率的计算

本文设计合成的量子点的荧光量子产率是通过比较样品和硫酸奎宁标准的波长-积分强度测量得到的[30 - 31]。计算公式(1)如下：

(1)

其中，Yu代表被测物的量子产率，Ys代表标准物质的量子产率，Fu代表被测物的荧光积分强度，Fs代表标准物质的荧光积分强度，Au代表被测物的紫外吸光度，As代表标准物质的紫外吸光度。其中标准物质硫酸奎宁的量子产率是0.54，激发波长为313 nm[32]。

通过上式计算得出C3N4-R和F-C3N4-R的量子产率分别是0.3048和0.4324，后者的量子产率提高了41.86%。

2.2 X-射线衍射(XRD)分析

图1 g-C3N4、F-g-C3N4和F-C3N4-R的X射线衍射图(XRD)图Fig.1 The XRD pattern of g-C3N4，F-g-C3N4 and F-C3N4-R

图1是合成产物的XRD图。在块状F-g-C3N4的XRD图形中发现，在衍射角2θ为27.3°处有一个较强的衍射峰，对应其g-C3N4(002)晶面，是由π共轭平面的石墨层状堆积引起的；在衍射角2θ为12.7°处有一个较弱的衍射峰，对应其g-C3N4(100)晶面，是由构成平面的3-s-三嗪结构单元形成的。类似于块状g-C3N4的XRD图形，表明在氮化碳结构中掺杂F原子的过程中没有改变氮化碳的原始结构。对于F-C3N4-R而言，2θ为12.7°处的特征峰消失了，这可能是由于量子点的小尺寸和超薄层结构造成的。然而，g-C3N4在2θ为27.3°处的特征峰仍然能够观察到，这清楚地表明F-C3N4-R的结构没有被破坏。

2.3 透射电子显微镜(TEM)分析

为了了解合成的量子点的微观形貌，我们对样品进行了透射电子显微镜(TEM)表征。从图2(a)中，我们可以估算出C3N4-R的粒径尺寸大致分布在5～10 nm的范围内；而在图2(b)中，F-C3N4-R的粒径尺寸大致分布在3～12 nm的范围内。以上数据说明块状的氮化碳和氟掺杂氮化碳已经被剥离成相应的量子点C3N4-R和F-C3N4-R。

图2 C3N4-R(a)和F-C3N4-R(b)的透射电子显微镜(TEM)图Fig.2 TEM images of C3N4-R(a) and F-C3N4-R(b)

图3 C3N4-R(a)和F-C3N4-R(c)的原子力显微镜(AFM)图;C3N4-R(b)和F-C3N4-R(d)相对应的高度Fig.3 AFM images of C3N4-R (a) and F-C3N4-R(c);Corresponding height images of C3N4-R (b) and F-C3N4-R(d)

2.4 原子力显微镜(AFM)分析

为了了解合成样品的微观形貌，我们还对样品进行了原子力显微镜(AFM)表征，结果如图3所示。图3(a)和图3(c)中蓝色圆圈所标注的是样品，从图3(b)中可以看出样品厚度大约为1 nm，图3(d)中所显示的样品厚度大约是5 nm。这证明了块状的g-C3N4和F-g-C3N4已经成功被我们剥离成大约3和15个C-N原子层厚度的量子点。

2.5 荧光光谱分析

2.5.1C3N4-R和F-C3N4-R对金属离子的选择性识别为了考察C3N4-R和F-C3N4-R对金属离子的选择性，比较了他们对12种金属离子(Al3+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Cu2+、K+、Fe3+、Zn2+、Mg2+、Na+、Ni2+、Pb2+)的检测结果。由图4(a)可见，加入Fe3+的C3N4-R溶液的荧光强度由原溶液的820.0降到7.55，荧光强度猝灭完全，而其他金属离子的猝灭效果没有Fe3+的强，说明C3N4-R对Fe3+有很高的选择性；加入Fe3+的F-C3N4-R溶液的荧光强度由原溶液的361.8降到27.86，荧光强度几乎猝灭完全，说明F-C3N4-R对Fe3+也有很高的选择性。

图4 C3N4-R(a)和F-C3N4-R(b)在不同金属离子存在时的荧光光谱图Fig.4 Fluorescence spectra of C3N4-R (a) and F-C3N4-R (b) with the presence of different metal ions

2.5.2C3N4-R和F-C3N4-R对金属离子的抗干扰识别从图5中我们可以看出，C3N4-R和F-C3N4-R在添加了所有其他竞争性金属离子的情况下，Fe3+溶液还是几乎没有荧光，依然保持很好的选择性，表明了C3N4-R和F-C3N4-R对Fe3+的选择抗干扰能力强。

图5 不存在(a)(黑色)和存在(b)(灰色)Fe3+情况下加入竞争性金属离子时C3N4-R和F-C3N4-R的荧光强度Fig.5 The fluorescence intensity of C3N4-R and F-C3N4-R upon addition of competing metal ions in the absence (a) (black) and presence (b) (gray) of Fe3+

2.5.3不同浓度Fe3+对C3N4-R和F-C3N4-R荧光光谱的影响图6是不同浓度Fe3+对C3N4-R和F-C3N4-R 的荧光光谱图，以及C3N4-R和F-C3N4-R荧光强度与Fe3+浓度之间的线性关系图。图6(a)，随着Fe3+浓度的增加，C3N4-R的荧光强度成比例降低；图6(b)，Fe3+浓度在0～1 000 μmol/L范围内，呈现了良好的线性关系(R2=0.9962)。图6(c)，随着Fe3+浓度的增加，F-C3N4-R的荧光强度成比例降低；图6(d)，Fe3+浓度在0～1 000 μmol/L范围内，呈现了良好的线性关系(R2=0.9928)。基于公式D=3σ/K(D代表检测限，σ代表11次空白样品的标准偏差，K代表线性回归方程的斜率)，计算C3N4-R和F-C3N4-R对Fe3+的检测限分别达到0.068 nmol/L和0.216 nmol/L。由于氟原子的掺杂致使由构成平面的3-s-三嗪结构单元形成的(100)晶面的衍射峰变弱了，说明氟的掺杂可能部分破环了氮化碳的刚性结构，从而使得F-C3N4-R的荧光降低。荧光强度的降低导致线性回归方程的斜率K变小从而使得检测限变高。因此两种量子点(C3N4-R和F-C3N4-R)对Fe3+的检测限具有数量级的差异。但是与其它荧光纳米探针相比(表1)，我们合成的探针具有很宽的检测范围和较低的检出限。

图6 Fe3+浓度对C3N4-R(a)和F-C3N4-R(c)荧光光谱的影响;C3N4-R(b)和F-C3N4-R(d)荧光强度与Fe3+浓度的线性关系图Fig.6 Fluorescence spectra of C3N4-R(a) and F-C3N4-R(c) in the presence of different concentrations of Fe3+;linear relationship between the fluorescence intensity of C3N4-R(b),(F-C3N4-R)(d) and the concentrate of Fe3+

ProbeLinear range(μmol/L)Limit of detectionReferencesLa-CNNS0.1-200.0232 μmol/L[33]g-C3N4 QDs5-1000.5 μmol/L[34]NCQDS0-504.67 μmol/L[35]g-CNQDs0-102 nmol/L[36]C3N4-R0-1 0000.068 nmol/LThis workF-C3N4-R0-1 0000.216 nmol/LThis work

2.6 荧光猝灭的原理

图7 荧光猝灭的原理Fig.7 Principle of fluorescence quenching

引入Fe3+后导致荧光强度明显降低，说明Fe3+可以有效地猝灭C3N4-R的荧光。Fe3+与C3N4-R的N原子发生螯合作用使它们彼此靠近。因为Fe3+/Fe2+的氧化还原电位位于C3N4的导带(CB)和价带(VB)之间，所以发生了从导带(CB)向Fe3+的光诱导电子转移(PET)过程，从而导致荧光猝灭(图7)。

2.7 实际水样中Fe3+的检测

为了检测量子点的实际应用性，该量子点被应用于实际水样中Fe3+的检测。水样取自重庆市江津区李子湖。将湖水预处理后，用所得水样配制不同浓度(100、200、300、400、500 μmol/L)的Fe3+溶液，然后用上述方法进行分析。从图8中可以看出，在不同浓度的Fe3+离子存在的情况下，量子点的荧光强度随着Fe3+离子浓度的增加而降低。尽管受到湖水中众多矿物质和有机物的干扰，量子点仍然可以识别湖水中的Fe3+。这些结果意味着该量子点在实际水样中有潜在的应用价值。

图8 C3N4-R(a)和F-C3N4-R(b)检测实际水样中Fe3+的荧光光谱图Fig.8 Fluorescence spectra of C3N4-R(a) and F-C3N4-R(b) detecting Fe3+ in real water sample

3 结论

本文通过固相法合成了大体积g-C3N4和F-g-C3N4，并采用溶剂热法(氨水和乙二醇体系)对大体积的g-C3N4和掺杂的F-g-C3N4进行处理，成功制备了相应的量子点。运用XRD、TEM和AFM对比研究了它们的晶体结构和形貌特征并且对其荧光性能进行评价。无氟掺杂的量子点对Fe3+具有更好的检测灵敏度，而氟掺杂的量子点展现出较高的荧光量子产率，扩展了该类量子点在生物领域的应用。基于Fe3+对量子点的荧光猝灭效应，设计了以氮化碳量子点为荧光探针检测水样中Fe3+的分析方法，并且将其应用于实际水样的检测，显示了其在生态环境检测中的广泛应用前景。