荧光碳量子点的制备及其在Cu2+检测中的应用

梁国熙, 潘常刚, 卢 庆, 黎彩琦, 王 丽

(1.江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学 药学院，江苏 镇江 212013)

随着人口的剧增及人们生活水平的日益提高，对水的需求量和质量要求越来越高，环境污染问题日趋严重[1-2].研究表明体内过量的铜能导致多种疾病[3].目前检测的方法主要有原子吸收及发射光谱法，电感耦合质谱法，电化学发光以及电化学方法等[4-5].但是这些仪器分析方法存在样品前处理繁杂、技术操作要求较高、抗干扰能力差等缺陷，因而不能实现实时快速监测.与这些技术不同，荧光传感器具有制备方法简单、灵敏度高、响应快速、选择性好等优点，已逐渐成为定量检测重金属离子的有力工具，在生物和环境检测中应用广泛.

碳量子点(CDs)的发现被认为是荧光纳米材料发展的一个重要里程碑，由于准确可靠、操作简单、测量快速、成本低廉等优点，引起了人们越来越大的研究兴趣，并且已成为目前最有前途的荧光纳米材料之一[6]，已经被广泛应用于生化传感、细胞成像、光电转换和载药等领域，尤其在重金属离子测方面发挥着重要作用[7].与传统半导体量子点一样，CDs通过与金属离子、阴离子、有机小分子及生物分子等的相互作用，改变其表面缺陷状态，导致荧光强度的变化，最终实现对被检测物的定性定量分析.

文中采用加热回流法在70 ℃下一步合成得到稳定的红色荧光碳量子点，较其他方法具有方便和快捷等优势.通过探讨并优化反应时间、溶液离子强度和pH值条件等对该碳量子点荧光的影响，建立了一种快速检测Cu2+碳量子点荧光探针.最后通过EDTA对铜离子的配位作用，探究了铜离子对碳量子点荧光猝灭的机理.

1 材料与方法

1.1 试验试剂与仪器

材料：三氯甲烷(氯仿，分析纯)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；二乙胺，甲醇，乙醇，CuCl2·2H2O，FeCl3·6H2O，FeCl2·4H2O，CaCl2，HgCl2，CdCl2·2.5H2O，NaCl，KCl，MgCl2·6H2O，ZnCl2，AgNO3，Ni(NO3)2·6H2O，AlCl3，BaCl2，NH4Cl，KBr，Na2SO4，Na3PO4和NaNO3等分析纯级别，全部购于国药集团化学试剂有限公司，所有化学试剂在使用前无任何纯化处理.除特殊说明外，文中试验过程中均使用超纯水.

仪器：荧光分光光度计(LF-1102002，美国Thermo Fisher公司)，UV-2600紫外-可见分光光度计(日本日立公司)，RV-211A旋转蒸发仪(上海一恒科学仪器有限公司)，透射电子显微镜(HRTEM，JEM-2100)，傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 6700)，X射线衍射仪(Bruker，D8 Advance).

1.2 试验方法

1.2.1CDs的制备

精确量取40 mL氯仿和8 mL二乙胺于100 mL三颈烧瓶中，在70 ℃加热回流3 h后，进行二次加样，迅速加入40 mL二乙胺和10 mL甲醇并继续反应9 h.自然冷却至室温后，得到橙黄色的碳量子点溶液.随后，在45 ℃水浴条件下，应用旋转蒸发仪纯化干燥得到碳量子点，将得到的碳量子点溶于乙醇并保存在4 ℃待用.

1.2.2水溶液和实际样品中Cu2+的检测

首先对Cu2+标准溶液进行了分析.在最佳pH缓冲液中，取0.1 mL上述荧光碳量子点溶液，然后分别加入1.9 mL超纯水和1 mL不同浓度的Cu2+溶液，混合均匀后室温下反应10 min，在600 nm激发波长下测定荧光强度.

为探讨Cu2+检测传感器在河水样品中的应用，首先取玉带河水样，用截留分子量为3 000 kD的超滤管超滤离心处理去除较大的悬浮物(7000 r·min-1，15 min).随后采用加标回收试验的方法检测水样中的Cu2+浓度，并计算回收率.

2 结果与讨论

2.1 材料的表征及分析

2.1.1荧光性能表征

光学特性是荧光纳米材料最重要的性质之一，图1为碳量子点的光谱图.

图1 荧光碳量子点光谱图及电镜图

2.1.2透射电镜表征(TEM)

利用透射电镜可对物质的形貌进行观察，如图1b所示，碳量子点粒径在7 nm左右具有良好的分散性，为球形纳米颗粒、且尺寸均一，与文献[8]报道一致.

2.1.3红外光谱表征(FTIR)

红外分光光度计可对物质表面的官能团进行分析.图2为碳量子点的红外光谱.

图2 荧光碳量子点的FTIR图

由图2可见，具有明显的—OH伸缩振动峰(3 421 cm-1)和—NH峰(1 392，801 cm-1)，表明该碳量子点表面具有明显的氨基和羟基功能基团.

2.1.4X射线衍射表征(XRD)

利用X射线衍射仪可对材料的晶体结构进行分析.碳量子点的XRD图见图3.

图3 碳量子点的XRD图

由图3可见，该碳量子点的XRD图有3个尖锐的峰，主峰位置也在13°，27°和41°左右，表明该碳量子点有较完整且连续的晶体结构.

2.1.5荧光性能分析

为了进一步探究本体系的红色荧光碳量子点发光性能，特别是溶剂极性对碳量子点荧光的影响，本试验以水和乙醇2种不同极性的溶液溶解碳量子点并测定荧光，结果如图4所示.

由图4可见，与前人报道的碳量子点不同，不论是在非极性的乙醇溶液中还是在极性的水溶液中，随着激发波长的变化，碳量子点的荧光发射峰并没有出现较大蓝移或者红移，表明本体系的碳量子点没有激发光依赖的光致发光特性.在图4a中，碳量子点在乙醇溶液中激发光波长由570 nm增加到630 nm，采集相应的荧光发射光谱，很显然，在620 nm激发光下有最大的荧光发射强度；如图4b所示，碳量子点在水中荧光强度较乙醇中降低了18%左右，最大激发波长移动到600 nm；而且碳量子点在水相中荧光峰的位置(约645 nm)蓝移5 nm，这可能是溶剂效应引起的[9].因此，在水样中检测Cu2+时激发波长设为600 nm，发射波长为645 nm.

2.2 试验优化

为了更好地分析其他条件因素对Cu2+猝灭碳量子点荧光的影响，本试验体系对pH、离子强度和反应时间等进行了条件优化，结果见图5.

图5 不同参数对红色荧光碳量子点荧光强度的影响

如图5a所示，在pH=4～10的范围，荧光碳量子点荧光强度变化较小(小于±10%)，考虑到实际环境中水样的pH接近中性，因此，在后续试验中选择pH=7进行研究.

在实际水样中检测Cu2+，必须要考虑到水样中离子强度对红色荧光碳量子点荧光强度的影响.本试验选择以不同浓度氯化钠代替总溶液的离子强度，并考察了其对红色荧光碳量子点荧光强度的影响，结果如图5b所示,由图可见，即使在氯化钠高达1 mol·L-1时，红色荧光碳量子点荧光强度影响也较小(约5%).因此，在Cu2+检测试验中可忽略离子强度对碳量子点荧光强度的影响.

本试验选择了加入50，100 μmol·L-1浓度的Cu2+，由图5c可见Cu2+使碳量子点荧光猝灭的反应在35 min左右达到稳定.因此，本试验选择35 min作为离子检测时间.

2.3 Cu2+的选择性

在分析检测试验中，必须考虑到结构类似的干扰物质对反应体系的影响，探究了一些常见阴阳离子对红色荧光碳量子点荧光强度的影响，结果见图6.

图6 常见阴阳离子对红色荧光碳量子点荧光强度的影响(n=3)

由图6可见，Cu2+浓度为100 μmol·L-1，其他离子的浓度高达1 000 μmol·L-1时，Cu2+对碳量子点的荧光猝灭最明显，而其他离子对碳量子点的荧光强度影响较小，因此本传感器对Cu2+具有良好选择性.

2.4 Cu2+检测

在最优化的分析条件下，基于Cu2+对碳量子点荧光强度的猝灭，建立了测定Cu2+的荧光方法，结果见图7.

图7 不同浓度Cu2+荧光光谱及其检测标准曲线图

图7可见，随着Cu2+的浓度不断增大，猝灭效果越来越明显，并且当Cu2+的浓度在0.01～1 μmol·L-1和5～150 μmol·L-1范围时，与碳量子点的荧光强度有良好的线性关系，所得的标准曲线方程分别为Y=22 432.76-2 180.93X和Y=17 597.46-111.34X，其中X指的是加入的Cu2+的浓度，Y指的是加入不同浓度Cu2+后碳量子点的荧光强度.线性相关系数R2分别为0.964 7，0.994 9，该检测系统的最低检出限LLOD= 3.4 nmol·L-1.

2.5 实际样品的检测

在最佳试验条件下，采用本方法测定了实际水样(江苏大学玉带河水样)的Cu2+浓度.表1为实际水样Cu2+的加标回收试验结果，加标回收率为90.00%～110.00%，表明本试验体系构建的Cu2+的荧光传感器可用于实际水样的检测.

表1 实际水样中Cu2+的测定

3 试验机理探究

荧光猝灭机制可分为静态猝灭与动态猝灭[10]，静态猝灭指基态荧光分子与猝灭剂之间通过较弱的结合作用生成非荧光复合物，动态猝灭指激发态荧光分子与猝灭剂碰撞使其荧光猝灭.

为了研究Cu2+对CDs的猝灭作用，在Cu2+-CDs体系中加入常见的Cu2+螯合剂(乙二胺四乙酸二钠，EDTA)进行分析，结果如图8所示.

图8 Cu2+对碳量子点荧光猝灭机制

由图8可见加入EDTA后，碳量子点的荧光有很大程度上的恢复.因此本试验体系的荧光猝灭机理可以理解如下：碳量子点表面带有丰富的氨基可吸附Cu2+引起明显的荧光猝灭，碳量子点的FTIR光谱见图3，因为氨基中的N原子含有孤对电子，这些孤对电子能与Cu2+的d轨道产生配位作用，从而形成了没有荧光的CDs-Cu2+的配合物.加入EDTA后，由于Cu2+与EDTA的配位能力较碳量子点表面氨基结合能力强，使得碳量子点Cu2+配合物重新解离出Cu2+，荧光性能恢复.

4 结 论

1)所提出的Cu2+荧光检测方法线性范围为0.01～150 μmol·L-1，检测限为3.4 nmol·L-1.在实际水样中Cu2+的回收率为90.00%～110.00%，表明该碳量子点在Cu2+的环境生物分析检测等研究领域具有很好应用前景.

2)应用EDTA对Cu2+的强配位作用，可以解离出CDs-Cu2+配位体系中的Cu2+，从而探究了Cu2+对CDs的猝灭机理.