微波绿色合成N,S共掺杂碳点及其在Fe3+检测和温度传感方面的应用

陈文静,伍贤学,吴云英,李亮星,肖 群，雷 旭,罗 义,鄢林琼,谢建新

(玉溪师范学院化学生物与环境学院，云南 玉溪 653100)

0 引 言

碳点（carbon dots,CDs），是一种新兴的碳纳米发光材料，其粒径一般小于10 nm[1]。相比传统的荧光半导体量子点，碳点具有低毒、生物相容性高、抗光漂白、稳定性好、水溶性好、环保等特点，广泛应用于生物成像[1]、光催化[2]、光电器件[3]和传感[4]等方面。目前碳点的合成方法主要分为两类：自上而下法，以体积较大的碳材料为碳源，剥落为碳点，如激光消融法[5]，电化学合成法[6]，化学氧化法[7]等；自下而上法，以体积较小的碳材料为碳源进行表面修饰，如水热法[8]，微波法[9-10]，溶剂热法[11]等。由于微波电磁辐射加热均匀，反应时间短，操作简单，微波法已成为最常用的一种碳点合成方法。掺杂杂原子可以改变碳点的电子密度和电子迁移速率，产生更多的活性位点，提高了荧光量子产率和检测灵敏度[12]。天然产物含有丰富N、S等杂原子，可以不用额外添加含N、S的化合物，一步合成N,S掺杂的碳点[13-14]，发展以天然产物为碳源合成含杂原子的碳点有重要的探索意义。Fe3+是人体必需的微量元素，缺乏会导致贫血等疾病，过量又会损伤肾脏和肝脏[15]。同时温度影响细胞内大多数的生化反应中酶的催化活性及动力学进程[16]，因此制备低毒、生物兼容性高、Fe3+的高灵敏检测和温度传感的荧光探针有着重要的意义。

本文以韭菜为碳源，采用微波法一步绿色合成了N,S共掺杂的荧光碳点，采用透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)对制备的碳点进行了表征，发现所得到的碳点粒径均匀，水溶性好，性质稳定。基于制备的碳点对Fe3+和温度的高灵敏度响应，可用于制备Fe3+检测的荧光探针和纳米温度计。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

韭菜购自当地的菜市场，铁的标准溶液购自坛墨质检-标准物质中心。HNO3、Na2HPO4、NaH2PO4、Cr(NO3)3、CdSO4、NaCl等无机金属盐均购自西陇化工股份有限公司，所有试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

UV-2550紫外可见分光光度计（日本岛津）；F-7000日立荧光光谱仪（日本日立）；IR960傅立叶变换红外光谱仪（日本岛津）；JEOLJEM-2010高倍透射电子显微镜（日本JEOL公司）；250XiX射线光电子能谱（赛默飞）。

1.2 N,S共掺杂碳点的制备

取50 g韭菜，洗净，剪碎，加入20 mL超纯水后榨汁。过滤，将滤液放置于500 mL烧杯中，于微波炉中用高火微波25 min后，溶液变为深棕色固体，则反应完全。然后加入20 mL超纯水溶解，离心除去未反应的物质，用0.22 µm微孔的滤膜过滤，再用透析袋（MW1000D）透析48 h，真空干燥得棕黄色粉末。

1.3 Fe3+的检测

移取100 µL制备的碳点水溶液于比色皿中，依次向其中加入一定体积一定浓度的Fe3+溶液，用PBS缓冲溶液(10 mmol/L，pH=5)定容至2 mL，摇匀后测其荧光光谱，激发波长为333 nm。

1.4 N,S共掺杂碳点温敏性测定

为了探究所制备的N,S共掺杂碳点的温敏性，在20～55 ℃的范围内，测定所制备的碳点在不同的温度下的荧光光谱。

2 结果与讨论

2.1 碳点的表征

由CDs的透射电镜图如图1（a）和粒径分布图如图1（b）可知，制备的碳点呈球状，在水溶液中分散性好，粒径大小均匀，粒径分布范围为2.0～5.0 nm，平均粒径为3.0 nm。

图1 CDs的形貌表征

采用X射线光电子能谱（XPS）表征了制备的碳点的原子含量及官能团。如图2所示，所合成的CDs主要由C、O、N这3种元素组成，其含量分别为：69.02%，26.61%，4.09%，除此之外还含有少量的S元素（0.27%）。在CDs的C1s图上有4个峰值，结合能分别为284.6 eV，286.1 eV，287.6 eV，288.6 eV。表明以韭菜为碳源所合成的CDs表面存在C=C、CC、C-H，C-OH、C-O-C，C=O，O-C=O等基团。在CDs的O1s图上有2个峰值，结合能分别为531 eV和532.4 eV，表明所合成的CDs表面存在C=O，CO-C、C-OH等基团。在CDs的N1s图上有2个峰值，结合能分别为399.6 eV，400.2 eV，表明在CDs表面含有 C-N-C，N-(C)3等基团[17]。

图2 CDs的X射线光电子能谱

CDs和韭菜的傅里叶变换红外光谱(FT-IR）如图3所示。由图可知，以韭菜为碳源微波法合成的CDs的红外光谱图与韭菜的红外光谱图有明显的差异。 CDs的FT-IR图上3 414 cm-1、2 937 cm-1、1 609 cm-1、1 385 cm-1、1 073 cm-1，分别对应为-OH或-COOH、C-H、C=O、C-N、C-O或 C-O-C的特征吸收峰，由FT-IR数据和XPS表征可知，合成的碳点表面富含亲水基团，因此制备的碳点具有良好的水溶性和分散性。

图3 CDs和韭菜的傅里叶变换红外光谱图

2.2 CDs的荧光性能

CDs的紫外可见吸收光谱如图4(a)所示，在250～300 nm范围内具有明显的紫外吸收，这是由CDs中的 C=C的 π-π*跃迁导致的，所制备的 CDs在365 nm紫外灯照射下发明亮的蓝色荧光。如图4（b）所示，当激发波长由325 nm递增到445 nm时，CDs的荧光强度先增大后减小，并发生红移。当激发波长为333 nm时，CDs发射峰在415 nm处荧光强度最强。这与所报道的大多数碳点类似，以韭菜为碳源制备的CDs表现出了激发波长依赖性的特征，这可能是因为所制备的CDs的粒径范围比较宽引起的。

图4 CDs的荧光性能

2.3 CDs对Fe3+的特异性检测

在CDs的水溶液中加入1 mmol/L的常见金属离 子 如 Fe3+,Mg2+,Mn2+,Pb2+，Ca2+,Cd2+,Ag+，Cr3+，Co2+，Al3+，Zn2+，在激发波长 λex为 333 nm 时，比较发射波长λem为415 nm时CDs的荧光强度的变化。由图5（a）可知，加入Fe3+后CDs荧光猝灭明显，其他金属离子对CDs的荧光强度影响不明显，这说明制备的CDs对Fe3+有较高的选择性，可作为检测水溶液中Fe3+的荧光探针。由图5(a)可知，在其他金属离子共存时，Fe3+对CDs荧光猝灭效果几乎不受影响，说明制备的荧光探针抗干扰能力较强。对CDs检测Fe3+的实验条件进行了优化，在不同pH值下 (3～12)，测定了添加和不添加 50 µmol/L Fe3+时CDs的荧光强度。由图5（b）可知，在pH为5时，ΔF最大（ΔF=F0-F,F0为未添加Fe3+CDs的荧光强度，F为添加Fe3+后CDs的荧光强度），说明pH为5时，猝灭效果最好，后续实验选择在10 mmol/L的磷酸缓冲溶液(pH=5)中进行。

图5 CDs对Fe3+的选择性及检测条件优化

如图6（a）所示，随着 Fe3+浓度的升高，CDs荧光强度逐渐降低，可能是碳点表面的官能团（-OH,-COOH,-NH2等）和Fe3+之间发生了络合反应。当Fe3+浓度在5～300 µmol/L的范围内，荧光强度的比值F/F0(F为加不同浓度Fe3+后碳点的荧光强度，F0为空白值)与铁离子的浓度CFe3+呈现良好的线性关系，如图6（b）所示，线性方程为F/F0=0.959 57-0.001 91CFe3+，相关系数R=0.993 0，根据 3δ/S(δ为11次空白样的标准偏差，S为线性方程的斜率)计算该法检测限可达4.0 µmol/L。结果表明所制备的碳点用于Fe3+的检测有较高的灵敏度和抗干扰能力，与之前的报道相比较[15]，该方法的检测范围较宽，制备方法简单，材料易得，可用于检测血清或环境水样中Fe3+含量。

图6 CDs对Fe3+的特异性检测

2.4 N,S共掺杂碳点作为“turn-off”纳米温度计

考察了不同温度下(20～55 ℃)的CDs的荧光发射光谱，如图7（a）所示，碳点在低温下发光强度较强，随着温度的升高，荧光强度逐渐降低，但峰位置和峰形没有改变，这可能是因为随着温度的升高，粒子振动增加，CDs发生了聚集导致了荧光的猝灭。由图7(b)可知，在20～55 ℃范围内，荧光强度与温度呈现较好的线性关系，线性方程为F=7 628.89-39.02T，相关系数为R=0.995 7。由于生理温度范围包含在这个范围内，因此CDs具有制备“turn-off”纳米温度计用于生物体内温度传感的潜在应用价值。

图7 CDs作为“turn-off”纳米温度计

3 结束语

以韭菜为前驱体，采用微波法一步绿色合成了粒径均匀、分散性好的水溶性N,S共掺杂碳点。所合成的碳点表面富含-C=O,-C-N,-C-OH等官能团，Fe3+对其有明显的荧光猝灭现象。基于此可用于Fe3+的检测，该方法对Fe3+具有特异选择性且灵敏度高，抗干扰能力强，检测范围宽（5～300 µmol/L）等优点。基于荧光强度具有温度依赖性，且生理温度范围包含在此响应温度范围内（20～55 ℃），可制备细胞纳米温度计用于温度传感。