绿色方法合成纳米碳点及对Fe3+的特异性荧光检测

张 艺，邢晶晶，孙思佳，吴 頔，曾乐勇

(河北大学 化学与环境科学学院，河北 保定 071002)

1 引 言

纳米碳点是一种尺寸在10 nm以下的碳纳米材料。作为一种新型的荧光碳纳米材料，纳米碳点具有荧光性质易调控、光稳定性好、毒性低、表面易修饰等优点，在传感检测、成像诊断等领域显示出潜在的应用前景[1-5]。

常用的纳米碳点合成方法包括微波法和水热法[6-7]，其中水热法具有设备简单、产物石墨化程度高等优点，受到研究人员的青睐。研究表明，纳米碳点的发光性质与碳前体有关，氮元素掺杂或表面官能团修饰能有效提高纳米碳点的量子产率[8-9]。一些含氮试剂，如尿素等可被用作氮源添加在反应物中制备氮元素掺杂的纳米碳点。孙再成等以柠檬酸为碳源、尿素为氮源合成了氮元素掺杂的蓝/绿/红三色发光纳米碳点，组装了白光LED器件[10]。林恒伟等以邻/间/对苯二胺为反应物合成了不同发光性质的纳米碳点，并实现了对细胞的多色成像[11]。尽管这些纳米碳点显示出优异的光致发光性质，但制备过程都均以化学试剂为反应物，成本高且会造成一定的毒性和污染。一些天然产物如水果、蔬菜中含有丰富的杂原子元素，是制备纳米碳点的理想碳前体[12-16]。因此，以天然产物为原料，发展环境友好型的绿色合成方法对于降低纳米碳点的制备成本、毒性以及拓宽其应用具有重要的意义。

本文以黄瓜为原料，采用水热法合成了纳米碳点，并实现了对Fe3+的特异性荧光检测。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和荧光分光光度计对纳米碳点的形貌、结构和荧光性质进行了表征，研究了反应温度和反应时间对纳米碳点发光性能的影响，利用纳米碳点的荧光猝灭性质实现了对Fe3+的特异性检测。

2 实 验

2.1 试剂与仪器

原料与试剂：市售青皮黄瓜；不同金属盐，包括六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)、六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)、无水氯化镉(CdCl2)、二水合氯化铜(CuCl2·2H2O)、无水氯化镍(NiCl2)、硫酸汞(HgSO4)和无水氯化铅(PbCl2)等购自北京伊诺凯科技有限公司。

主要仪器：制备仪器：不锈钢反应釜(30 mL)、榨汁机、烘箱、磁力搅拌器和高速离心机。表征仪器：TEM(FEI，Tecnai F20)、XPS(Kratos，AXIS Ultra DLD)、三用紫外分析仪(上海金鹏，ZF-7)和荧光分光光度计(Hitachi，F-4600)。

2.2 纳米碳点的制备

以黄瓜为原料，采用水热法制备纳米碳点。实验步骤如下：

(1)取市售青皮黄瓜5根，去离子水洗净，用榨汁机榨成汁。取黄瓜汁20 mL，倒入反应釜，放置在烘箱中。保持反应温度为200 ℃，反应时间为12 h。反应结束后，自然冷却至室温，将产物离心，取上清液用0.22 μm滤膜过滤处理，得到的纳米碳点(滤液)保存在4 ℃冰箱中待用。

(2)各取黄瓜汁20 mL(4份)，分别密封在反应釜中。改变反应时间分别为4，6，8，10 h制备纳米碳点。反应结束后，自然冷却至室温，将产物离心，取上清液用0.22 μm滤膜过滤处理，得到的纳米碳点(滤液)保存在4 ℃冰箱中待用。

(3)在步骤(2)中，保持反应时间为12 h，改变反应温度分别为120，140，160，180 ℃制备纳米碳点。反应结束后，自然冷却至室温，将产物离心，取上清液用0.22 μm滤膜过滤处理，得到的纳米碳点(滤液)保存在4 ℃冰箱中待用。

2.3 荧光性能测试

将不同反应条件制备的纳米碳点配制成浓度相同的水溶液，各取2 mL加入比色皿中，利用三用紫外分析仪和荧光光谱仪观察和测量其荧光性能。

(1)荧光观察：将盛装纳米碳点溶液的比色皿放置在三用紫外分析仪(254 nm、365 nm和可见光)中，改变激发光波长，观察溶液的荧光强弱，确定其最佳激发波长。

(2)荧光测量：将盛装纳米碳点溶液的比色皿放置在荧光光谱仪的样品槽，设定激发光波长为365 nm，测量不同纳米碳点溶液的荧光发射光谱，确定制备纳米碳点的最佳反应条件。

2.4 Fe3+特异性荧光检测

(1)Fe3+的荧光检测：配制浓度为0，20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，240 μmol/L的Fe3+的水溶液，各取1 mL加入到 1 mL的纳米碳点溶液中(Fe3+的最终浓度为0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，120 μmol/L)。设定激发光波长为365 nm，分别测量加入不同浓度Fe3+的纳米碳点溶液的荧光光谱，并绘制其荧光发射强度变化(ΔF/F0)与Fe3+浓度的关系曲线。

(2)不同金属离子的荧光检测：配制浓度为240 μmol/L的Fe3+、Co2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Hg2+和Pd2+的水溶液，各取1 mL加入到 1 mL的纳米碳点溶液中(金属离子的最终浓度为120 μmol/L)。设定激发光波长为365 nm，分别测量加入不同金属离子的纳米碳点溶液的荧光光谱，并绘制其荧光发射强度变化(F/F0)的柱状图。

3 结果与讨论

3.1 纳米碳点的荧光性能表征

以黄瓜为原料，采用绿色方法合成了纳米碳点。首先，采用三用紫外分析仪，观察到在365 nm波长激发下，纳米碳点的荧光最强。因此，设定激发光波长为365 nm，采用荧光光谱仪研究了不同反应条件对纳米碳点发光性能的影响。当反应温度为200 ℃时，改变反应时间合成的纳米碳点的发射光谱如图1(a)所示，可以发现随着反应时间的增加，纳米碳点的荧光强度逐渐增强；当反应时间为10 h和12 h时，合成的纳米碳点的荧光性能最佳。当反应时间为12 h时，改变反应温度合成的纳米碳点的发射光谱如图1(b)所示，可以看出随着反应温度的升高，纳米碳点的荧光强度逐渐增加；当反应温度为200 ℃时，合成的纳米碳点的荧光性能最佳。因此，当反应温度为200 ℃、反应时间为12 h时，采用绿色方法合成的纳米碳点具有最佳的荧光发射性能，发射峰位于435 nm。

图1 不同反应条件下制备的纳米碳点的荧光发射光谱。(a)不同反应时间；(b)不同反应温度。

3.2 纳米碳点的形貌和结构表征

采用TEM和高分辨TEM对纳米碳点(反应温度为200 ℃和反应时间为12 h条件下制备)的形貌和微观结构进行了表征。图2(a)为纳米碳点的TEM图，可以发现纳米碳点具有良好的分散性，且尺寸分布均匀，单个纳米碳点的尺寸约为3 nm。图2(b)为纳米碳点的高分辨TEM图，可以看到明显的晶格条纹，表明纳米碳点具有良好的结晶性。

图2 纳米碳点的TEM和高分辨TEM图。(a)TEM；(b)高分辨TEM。

图3 纳米碳点的XPS谱。(a)全谱；(b)C 1s谱；(c)N 1s谱；(d)O 1s谱。

3.3 纳米碳点对Fe3+的特异性荧光检测

向纳米碳点(反应温度为200 ℃和反应时间为12 h条件下制备)中加入不同浓度的Fe3+溶液，测量了其荧光强度的变化。图4(a)是加入不同浓度Fe3+溶液的纳米碳点的发射光谱，可以看出随着Fe3+浓度的增加，纳米碳点的荧光强度逐渐降低，但发射峰的位置不变，表明Fe3+能够有效猝灭纳米碳点的荧光。当Fe3+的浓度低至10 μmol/L时，仍然可以观察到纳米碳点荧光强度的变化。此外，绘制了Fe3+浓度与荧光强度变化之间的关系曲线，并给出了线性拟合方程。如图4(b)所示，当Fe3+浓度处于0～120 μmol/L范围内时，Fe3+浓度与纳米碳点的荧光强度衰减量呈线性关系。根据线性拟合方程，通过测量待测样品的荧光光谱，可以方便计算出待测样品中Fe3+的大致浓度。结果表明，Fe3+对纳米碳点具有荧光猝灭效应，能够用于Fe3+的半定量检测。

图4 加入不同浓度Fe3+的纳米碳点的荧光发射光谱和线性拟合曲线。(a)荧光发射光谱；(b)线性拟合曲线。

为了验证纳米碳点对Fe3+检测的特异性，向纳米碳点(反应温度为200 ℃和反应时间为12 h条件下制备)中加入同浓度、不同种类的金属离子溶液，并测量了其荧光强度的变化。图5(a)是加入不同种类金属离子的纳米碳点的发射光谱，可以发现当金属离子的浓度均为120 μmol/L时，纳米碳点的发射峰位置不变，只有加入Fe3+后纳米碳点的荧光强度明显降低，加入其他离子后纳米碳点的荧光强度基本无变化(除了Cd2+的略微增强和Cu2+的略微减弱)。图5(b)的柱状图再一次清晰地显示了Fe3+对纳米碳点的特异性荧光猝灭，这是由于Fe3+和纳米碳点表面的羟基配位形成Fe(OH)3导致纳米碳点发生聚集，碳点之间的距离缩短限制了其辐射跃迁的发生几率，而其他金属离子与羟基配位形成的氢氧化物的溶度积常数(Ksp)远高于Fe(OH)3[20-21]。以上结果表明，利用纳米碳点的荧光性质对Fe3+的检测具有特异性，可以实现对Fe3+的特异性荧光检测。

图5 加入不同金属离子的纳米碳点的荧光发射光谱和荧光强度变化柱状图。(a)荧光发射光谱；(b)荧光强度变化柱状图。

4 结 论

本文以黄瓜为原料，采用水热法实现了纳米碳点的绿色合成，并利用纳米碳点的荧光猝灭性质实现了对Fe3+的特异性荧光检测。结果表明，纳米碳点的尺寸约为3 nm，是氮元素掺杂的纳米碳点；当反应温度为200 ℃、反应时间12 h时，纳米碳点的荧光性能最佳，激发和发射波长分别为365 nm和435 nm。Fe3+的加入能够有效猝灭纳米碳点的荧光，其最低检测限为10 μmol/L；其他离子的加入不会改变纳米碳点的荧光强度和发射峰位置。上述结果表明，绿色方法合成的纳米碳点实现了对Fe3+的特异性荧光检测，是一种潜在的金属离子快速检测试剂。