壳聚糖衍生物基聚合物碳点对Pd2+的传感性能

于淑娟，袁广志，汪 丰，鲁诗言，李媛媛

(南宁师范大学 化学与材料学院，广西天然高分子化学与物理重点实验室，广西 南宁 530001)

1 引 言

钯金属因具有耐高温、耐腐蚀以及较强的伸展性，在催化剂、牙科、医疗器械、珠宝、燃料电池、汽车催化转换器以及制药工业等领域中有着广泛的应用[1-4]。然而，含有Pd2+的工业废物易污染生物和土壤水样，导致潜在的毒性，对人类健康产生了严重的威胁[5]。例如，Pd2+会引起一系列细胞毒性效应，能与蛋白质、DNA、RNA等生物大分子形成复合物而引起严重的原发性皮肤和眼睛刺激等症状[6-7]。在制药工业中，钯的临界水平被限制在(5～10)×10-6范围[8]。为了避免Pd2+造成的危害，开发一类能准确和痕量测定Pd2+的传感器对人类健康非常重要。

各种先进的纳米结构材料在检测有害环境物质方面受到了极大的关注[9-10]。特别是荧光纳米材料，例如量子点[11-12]、半导体聚合物点[13]、有机荧光染料[14]和纳米团簇[15]等是具有强大传感能力以及独特光学和荧光特性的有吸引力的材料。然而，这些荧光材料存在水溶性和稳定性差等缺点，此外，这些纳米材料潜在的毒性可能引起二次环境污染。碳点(CDs)因毒性低、易于分子修饰、水溶性好、良好的光致发光性等优异性能，使其成为传统荧光纳米材料的理想替代品[16-17]。

壳聚糖是一类天然高分子氨基多糖，具有无毒、亲水性好、良好的生物相容性以及易于分子修饰等诸多优点，已经广泛应用于传感器、生物医用材料等方面。以壳聚糖为原料合成碳点的研究已有报道。Yang等[18]以壳聚糖作为碳源，通过水热法合成了表面带有氨基的碳点，荧光量子产率为7.8%，并成功应用于人体肺腺癌细胞的生物成像。Xiao等[19]利用壳聚糖为原料，采用微波法合成了量子产率为6.4%的壳聚糖基碳点。王霞等[20]以壳聚糖为原料合成了壳聚糖复合物碳点材料，并对其在荧光涂层及细胞成像等方面进行了应用性研究。汪雪琴等[21]合成了壳聚糖碳点，并成功应用到Fe3+离子检测中，表现出良好的传感性能。本实验组通过接枝与掺杂柠檬酸的方式合成了高量子产率壳聚糖衍生物基聚合物碳点，并将其应用到纸张的抗紫外光老化方面，表现出较好的抗紫外光老化性能[22]。鉴于先前合成的壳聚糖接枝柠檬酸衍生物聚合物碳点具有优异的荧光性能以及高量子产率等特点，本文将其应用到金属离子检测中，结果发现对Pd2+有良好的选择性，可以用于Pd2+的痕量检测。

2 实 验

2.1 实验原料及主要仪器

壳聚糖(CS)，脱乙酰度97%，粘度50～200，浙江奥兴生物科技有限公司；无水柠檬酸、硫酸奎宁(98%)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、硝酸银、硝酸铜、铬标准溶液、氯化镁、氯化钾、氯化钙、硝酸镍、氯化锌、钯离子标准溶液，三氯化铁·六水合物、硝酸锰、硝酸汞、硝酸镉、硝酸铝、氯化亚铁均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，不同浓度的Pd2+通过稀释标准溶液获得。

采用美国IS10型傅里叶红外光谱仪，以溴化钾压片法测定P(CS-g-CA)Ds在500～4 000 cm-1范围内的红外光谱(FT-IR)；采用日本岛津RF-5301PC 型荧光光谱仪测试P(CS-g-CA)Ds的荧光性能，激发波长为365 nm，激发与发射狭缝为5 nm，扫描速度为240 nm/min；采用美国Tecnai G2 F20 S-TWIN 型透射电子显微镜观察P(CS-g-CA)Ds的形貌。

2.2 壳聚糖接枝柠檬酸(CS-g-CA)的合成

采用实验室先前合成方法[22]，在三口瓶中加入质量比为1∶1的CS与CA、60 mL去离子水，常温下搅拌2 h，然后加入0.02 mol EDC和0.04 mol NHS避光反应48 h，结束后透析(8 000～14 000 u) 48 h，冷冻干燥得到产物。

2.3 壳聚糖衍生物基聚合物碳点(P(CS-g-CA)Ds)的制备

将上述产物CS-g-CA(0.5 g)、N-(2-羟乙基)乙二胺(0.5 mL)、20 mL去离子水加入到四氟乙烯水热反应釜中，于180 ℃反应3 h。结束后，产物用去离子水透析(1 000 u)24 h，得到P(CS-g-CA)Ds，合成路线如图1所示。

2.4 离子选择性及对Pd2+离子检出限的测定

取2 mL 100 μmol/L各种金属离子溶液和300 μL的(CS-g-CA)Ds(1 μg/mL)碳点溶液混合，摇匀静止15 min，记录365 nm激发波长下的荧光强度，考察不同金属离子对P(CS-g-CA)Ds的荧光猝灭情况。

将300 μL 的P(CS-g-CA)Ds(10 μg/mL)加入到2 mL不同浓度(0～150 μmol/L，每10 μmol/L梯度递增)的Pd2+中，摇匀静置15 min后，测试其混合液的荧光光谱，通过线性拟合计算对Pd2+离子的检出限，其中激发与发射狭缝均设置为5 nm，激发波长为365 nm。

图1 P(CS-g-CA)Ds的合成路线

2.5 不同温度下荧光猝灭常数及荧光寿命的测定

将300 μL P(CS-g-CA)Ds(10 μg/mL)与2 mL不同浓度(0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 μmol/L)的Pd2+溶液混合，摇匀静置15 min后，在298,304,310 K温度下，测试混合液的荧光发射光谱，激发和发射狭缝均为2.5 nm，激发波长为365 nm。

以Fluorolog-3 system型时间分辨荧光衰减仪测试5 mg/mL P(CS-g-CA)Ds及与50 μmol/L Pd2+反应15 min后的荧光寿命。

3 结果与讨论

采用TEM研究了P(CS-g-CA)Ds的形貌和尺寸，如图3所示。从图3中可以看出P(CS-g-CA)Ds呈现球形，具有良好的分散性。高斯分布曲线拟合结果显示P(CS-g-CA)Ds的粒径分布较窄，尺寸范围在2～5 nm之间，平均直径约为3.2 nm。

图2 P(CS-g-CA)Ds的FT-IR谱图

图3 P(CS-g-CA)Ds的透射电镜图(a)及其粒径分布图(b)

Fig.3 TEM image(a) of P(CS-g-CA)CDs and their size distribution(b)

图4 P(CS-g-CA)Ds的紫外吸收光谱、荧光激发与荧光发射光谱(a)以及它们在日光(c)和紫外光(d)下的数码照片;(b)P(CS-g-CA)Ds的荧光寿命曲线。

Fig.4 Fluorescence excitation and fluorescence emission spectra of P(CS-g-CA)Ds(a), and their digital photographs under daylight(c) and UV light(d). (b) Fluorescence lifetime curve of P(CS-g-CA)Ds.

溶液的酸碱度是传感系统的另一个关键因素，在之前的研究中[22]，我们考察了pH值对P(CS-g-CA)Ds荧光稳定性的影响，结果表明该聚合物碳点在pH=4～10范围内有良好的稳定性，所以离子检测均是在pH=7中性条件下进行的。此外，我们将P(CS-g-CA)Ds的弱酸水溶液于自然光下放置60 d，研究了其贮存稳定性，结果如图5所示。从图中可以看出荧光强度在前5 d内衰减了约7%左右，分析可能是因为聚合物碳点表面含有的壳聚糖分子长链在弱酸水溶液中发生了降解，从而使P(CS-g-CA)Ds表面分子结构发生了变化，导致荧光强度减弱。而5 d后P(CS-g-CA)Ds的表面分子结构趋于稳定，所以在5～60 d之间荧光强度趋于稳定。此外，我们还观察到P(CS-g-CA)Ds溶液在储存过程未见沉淀生成及色泽变化，说明该聚合物碳点有相对良好的储存稳定性。

将P(CS-g-CA)Ds应用到离子检测中，即将P(CS-g-CA)Ds(10 μg/mL)与100 μmol/L金属离子(Ag+、Cu2+、Cr2+、Mg2+、K+、Ca2+、Ni2+、Zn2+、Pd2+、Fe3+、Mn2+、Hg2+、Cd2+、Al3+和Fe2+)反应15 min，然后测试其荧光发射光谱(激发波长为365 nm)。其荧光强度变化如图6所示，从图中可以看出，Cu2+、Mg2+、K+、Ca2+4种离子对P(CS-g-CA)Ds的荧光有增强作用，分析可能是这几种金属离子与P(CS-g-CA)Ds之间发生了利于其荧光增强的分子内电荷转移过程[32]。其他离子对P(CS-g-CA)Ds的荧光均产生了不同程度的猝灭效应，其中Pd2+离子对其猝灭程度最大，这也可能是由于Pd2+与P(CS-g-CA)Ds之间形成了不能发光的配合物使其荧光猝灭[33-34]，但与文献[21]报道的壳聚糖基碳点对离子选择性有所不同，这可能与碳点的内滤效应有关[35]。

图5 储存时间对P(CS-g-CA)Ds荧光强度的影响

Fig.5 Effects of different storage time on the fluorescence intensity of P(CS-g-CA)Ds

图6 添加不同金属离子的P(CS-g-CA)Ds溶液的荧光强度变化柱状图

Fig.6 Fluorescence intensity change bar graphs of P(CS-g-CA)Ds added with different metal ions

研究了P(CS-g-CA)Ds对Pd2+离子检测的灵敏性，在P(CS-g-CA)Ds溶液中加入不同浓度的Pd2+溶液，测试混合液在365 nm激发波长下的荧光发射光谱，结果如图7(a)所示。从图中可以看出，随着Pd2+浓度的增加，荧光强度线性降低。 Pd2+浓度在0～100 μmol/L范围内与P(CS-g-CA)Ds的荧光强度值((F0-F)/F0)呈良好的线性关系(相关系数r=0.998)，如图7(b)所示，符合Stern-Volmer 方程。通过线性拟合获得回归方程为y=0.0030+0.0151x，根据D=3σ/k(σ是空白的标准偏差，k是线性范围内的校准曲线的斜率)[36]计算P(CS-g-CA)Ds对Pd2+离子的检测限为63.3 nmol/L，由此说明P(CS-g-CA)Ds可以对Pd2+离子进行灵敏检测。

图7 Pd2+浓度对P(CS-g-CA)Ds荧光光谱的影响(a)及 (F0-F)/F与 Pd2+浓度在0～100 μmol/L范围内的关系(b)

Fig.7 Influence of different Pd2+concentration on the fluorescence spectra of P(CS-g-CA)Ds (a) and relationship between (F0-F)/Fand Pd2+concentration in the range of 0-100 μmol/L (b)

荧光的猝灭过程通常分为两种方式，一种是当荧光分子与猝灭剂分子的激发态碰撞后，通过电荷转移或能量转移的方式，荧光分子从激发态返回到基态引起其荧光信号消失的动态猝灭；另一种是荧光分子与猝灭剂分子由于某种作用结合而形成了不能发光的配合物的静态猝灭。为了进一步深入了解Pd2+对P(CS-g-CA)Ds的荧光猝灭机制，在298，304，310 K 3种温度下，测试了Pd2+(0～100 μmol/L) 与P(CS-g-CA)Ds作用前后的荧光强度的变化，根据Stern-Volmer方程F0/F-1=Ksv[Q][37]计算了荧光猝灭常数Ksv(F0和F分别为加入Pd2+前后P(CS-g-CA)Ds的荧光强度，Ksv是猝灭常数，[Q]是Pd2+浓度)，结果如图8所示，数据列于表1中。从图8和表1中可以明显看出，猝灭常数Ksv随着温度升高呈现下降趋势，这可能是由于温度越高导致Pd2+与P(CS-g-CA)Ds的结合能力越弱，说明荧光猝灭是由Pd2+和P(CS-g-CA)Ds形成了配合体导致的静态猝灭。此外，我们又通过紫外差谱与荧光寿命测试进一步研究了荧光猝灭机制，如图9(a)、(b)所示。一般静态猝灭会影响荧光物质的紫外吸收光谱，而动态猝灭几乎对荧光物质的紫外吸收光谱没有影响[38]，根据这一理论说明Pd2+对P(CS-g-CA)Ds荧光猝灭机制属于静态猝灭，因为加入Pd2+前后的紫外吸收光谱并不重合。从荧光寿命曲线可以看出P(CS-g-CA)Ds与Pd2+复合后的荧光寿命分别为13.12 ns和12.97 ns，说明该聚合物碳点与Pd2+作用后平均荧光寿命变化甚小，可以忽略，由此也可以证明荧光猝灭机理为静态猝灭。

图8 不同温度下，(F0-F)/F对Pd2+离子浓度(0～100 μmol/L范围) 的线性关系。

Fig.8 Linear relationship of (F0-F)/Fversusthe concentration of Pd2+ions over the range 0-100 μmol/L at different temperatures

表1 不同温度下Pd2+与 P(CS-g-CA)Ds相互作用后的Ksv值

Tab.1Ksvvalues for the interaction of Pd2+with P(CS-g-CA)Ds at a variety of temperatures

pHT/KKsv/(103L·mol-1)R27.02981.070.99127.03040.990.99237.03100.970.9946

图9 P(CS-g-CA)Ds与Pd2+离子作用前后的紫外吸收光谱(a)和荧光寿命曲线(b)

Fig.9 UV absorption spectra(a) and fluorescence lifetime curves(b) of P(CS-g-CA)Ds before and after interaction with Pd2+

4 结 论

本文合成了一种壳聚糖衍生物聚合物碳点(P(CS-g-CA)Ds)荧光材料，采用红外光谱、紫外吸收光谱以及透射电镜对P(CS-g-CA)Ds进行了表征。该聚合物碳点具有较高的量子产率(54.7%)和较长的荧光寿命(13.12 ns)以及良好的储存稳定性。将P(CS-g-CA)Ds应用在离子检测中，发现其对Pd2+有良好的传感性能，其线性范围为0～100 μmol/L，检测极限为63.3 nmol/L。通过测试不同温度下Pd2+与P(CS-g-CA)Ds作用前后的紫外光谱、荧光寿命变化以及荧光猝灭常数Kvs，对其猝灭机制进行了系统研究，结果均证明荧光猝灭机制为静态猝灭。