大肠杆菌一步水热法制备氮掺杂碳量子点及其在铁离子检测中应用

林烨 李跃海 杨辉 黄虹浦 李琳 李顺兴

摘 要 以大肠杆菌沉淀物为前驱体，采用水热法（180℃）一步合成水溶性好、pH稳定性和抗盐性突出的氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。通过透射电子显微镜、动态光散射和傅立叶红外光谱对N-CQDs进行了表征，N-CQDs呈圆球状，粒径均一，大小4.1 nm，分散良好，表面含大量亲水基团;采用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱考察其光学性能，结果表明， Fe3+离子可对N-CQDs选择性荧光猝灭，在0.58 nmol/L～100 μmol/L浓度范围内，荧光猝灭程度与Fe3+浓度呈良好的线性关系，检出限为0.58 nmol/L，回收率为93.9%～108.7%;同时考察了pH值、含盐量、金属离子共存对Fe3+测定的干扰，结果表明， 本方法适用于含盐量较高、pH值变化范围较大、共存金属离子多样的近海海水中Fe3+的选择性荧光检测。

关键词 大肠杆菌; 氮掺杂碳量子点; 铁离子; 荧光探针

1 引 言

碳量子点（Carbon quantum dots，CQDs）由于具有良好且稳定的光学性质[1]、水溶性[2]、生物相容性[3]及低毒性[4]等优于传统量子点的特性，广泛应用于化学传感[5，6]、生物传感[7，8]、生物成像[9，10]、纳米医学[11，12]、光催化[13，14]和电催化[15，16]等领域，特别是表面修饰CQDs已用于金屬离子快速便捷检测[14～16]，因此，CQDs自2004年Xu等[17]发现以来， 便成为研究热点。CQDs制备方法主要分为两类： 自上而下法，以较大碳材料为碳源，剥落为CQDs，如激光销蚀法[18]、电化学法[19]及弧光放电法[17]等; 自下而上法，对较小碳材料进行表面修饰，制取CQDs，如化学氧化法[20]、微波法[21，22]及水热法[5，6]等。由于简单方便、产品稳定，水热法已成为CQDs制备最常用方法[23]。

铁元素是重要生源要素，在水环境广泛存在，在生物地球化学循环中起重要作用[24]。对于许多小型生物（如浮游植物）而言，被动扩散是金属进入生物体内的唯一方式[25]，自由离子活度模型（FIAM）认为离子态金属才能被这些小型生物直接利用[26]。海水中铁浓度很低，如在沿岸海水中铁浓度为0.1～10 μmol/L，Fe2+主要通过光还原或生物还原Fe3+形成，存在时间非常短，会立刻被氧化成Fe3+离子[25]， 因此Fe3+是铁主要存在价态，Fe3+修饰检测是铁生物可利用评价的重要基础。

Fe3+检测方法主要包括化学发光法[10，11]、原子吸收/发射光谱法[27]、比色法[28]及分光光度法[29]。荧光光谱法因灵敏度高和响应快速等优点受到极大关注。基于碳量子点荧光探针测定Fe3+近年来成为研究热点[30～35]。已有的碳量子点虽可灵敏检测Fe3+，但抗干扰能力不强，适用于淡水和生物样品，无法满足含盐量高、pH值变化大、共存金属离子多的近海海水中Fe3+的检测。

以微生物为碳源制备碳量子点的研究甚少，仅有植物乳杆菌LCC-605水热碳化合成生物标记用碳量子点[36]，未见用于实际分析检测应用。大肠杆菌为微米尺度的原核生物，结构简单，主要由C、H、O、N等元素组成，培养简便，繁殖速度快。大肠杆菌常被作为检测对象[37]，而以其为前驱体制备碳量子点，未见报道。本研究以大肠杆菌为碳源，通过水热法一步合成氮掺杂碳量子点（N-CQDs），其水溶性好、化学稳定性强，对Fe3+响应选择性好且灵敏，可用于实际海水水样中Fe3+的检测。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

ROTINA 420高速离心机（德国Hettich公司）; JEM-2100场发射透射电子显微镜（日本JEOL公司）; Thermo Scientific Escalab 250 Xi型X射线光电子能谱仪、 Nicolet iS5傅立叶变换红外光谱仪（美国Thermo Fisher Scientific公司）; UV-5800PC 型紫外-可见分光光度计（上海元析仪器有限公司）; Cary Eclipse荧光分光光度计、 Agilent 7500 Series电感耦合等离子体质谱仪（美国Agilent公司）; 马尔文Zetaszier Nano-ZS90仪器（英国马尔文公司）。

大肠杆菌菌种ATCC购于广东省微生物菌种保藏中心（Guangdong culture collection center）; LB肉汤购于北京陆桥技术有限责任公司; FeCl2、KCl等无机离子的盐酸盐（分析纯，西陇化工股份有限公司）; 透析袋（（MWCO： 1000D，美国联合碳化Viskase公司）; 实验用水为超纯水（电阻率≥18.2 MΩ·cm）， 采用美国Millipore超纯水仪制备。

2.2 N-CQDs的制备

2.2.1 大肠杆菌培养 取大肠杆菌（ATCC35401）菌液0.2 mL，接种于100 mL LB肉汤培养基，于37℃水浴摇床（转速100～200 r/min）中培养24 h，8000 r/min离心10 min，用超纯水将菌体沉淀洗涤3次，于真空干燥箱中60℃干燥，研磨成粉末，备用。

2.2.2 N-CQDs合成 取上述菌体粉末0.06 g于10 mL超纯水中，超声分散5 min，转移至高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中，180℃反应6 h，冷却至室温，将产物以10000 r/min离心10 min，用0.22 μm滤膜过滤，透析12 h，将透析液冷冻干燥后称重，配制成浓度为0.25 g/L的溶液，于4℃保存。

2.3 荧光量子产率计算

鉴于N-CQDs碳量子点荧光激发波长为327 nm，硫酸奎宁在350 nm的荧光激发下量子产率为0.58，选择硫酸奎宁作为荧光量子产率的标准参照物。测定过程中控制碳量子点和硫酸奎宁在350 nm的吸光度低于0.05。N-CQDs相对荧光量子产率计算公式为：