木质素基碳量子点的制备及其在Fe3+荧光探针中的应用

李潇潇，马晓军

（天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457）

碳量子点（CQDs）是碳材料家族新兴的一种光致发光材料，为尺寸在10 nm左右的类球形颗粒，具有合成简单、光稳定性高、光致发光可调谐、水溶性好、细胞毒性低等特点[1-4]，是一种很有前途的替代材料。碳量子点优异的光学特性使其在细胞成像[5-6]、离子检测[7-10]、药物传输[11-12]、光电催化[13-14]、生物传感[15]和防伪[16-19]等领域的应用成为可能。可用于合成碳量子点的前驱体有很多，自然界中大多数含碳的物质均可作为制备CQDs的前驱体。生物质资源作为自然界中一种成本低、环保、可再生等优点的原料，可作为石油基化工产品的替代材料，实现其高利用价值，因此生物质基碳量子点已成为前沿新材料领域的重要研究热点。近年来，以生物质为前驱体合成强荧光CQDs被大量报道[17,20-23]。如ZHAO等[21]利用简单的一锅法成功地将低价值的生物质资源松木合成了发出强荧光的P-CQDs，P-CQDs还表现出良好的水溶性、荧光性和光学稳定性；此外，探讨了在水热炭化（HTC）过程中P-CQDs的形成机理以及P-CQDs可对Fe3+选择性识别的特性。RAO等[24]通过将香蕉树的根茎作为碳源前驱体，利用一步水热法制备的生物质基碳量子点对Fe3+具有高选择性，发生荧光猝灭效应，Fe3+的检测限低至6.4 nM。LONG等[25]通过便捷的一步水热法制备的FNCDs拥有可逆的自保护RTP和pH稳定的蓝色荧光特性。其中FNCDs的荧光颜色能够实现紫外光可控制的蓝、绿光转换(在紫外光下能显示蓝色荧光，无紫外光时显示绿色荧光)，可以作为一种制备成本低、可分辨的新型智能隐藏墨水，用于信息加密和解密、反伪造和隐藏复杂图案等安全级别较高的加密工作。另外，刘辰等[26]报道了以玉米秸秆发酵后的残渣酶解木质素为碳源，通过水热法制备发出蓝绿色荧光的CQDs，并研究了不同重金属离子对CQDs荧光性能的影响。然而，没有进一步探究重金属离子浓度对CQDs荧光性能的影响。

重金属离子具有生物不亲和性和不可降解性，是环境污染物之一。另外，重金属离子很容易通过食物的摄入而在生物体内聚集，最终将会危及人类的身体健康[27]。而Fe3+作为一种重金属离子，对人类的新陈代谢贡献很大，但高浓度的金属离子也会给身体带来众多副作用，如引起贫血、肝损伤等疾病[8]。因此，可利用CQDs的优异光致发光性能，开发一种简单、耗时短、可裸眼识别的荧光探针，用于食品包装中Fe3+的测定。

木质素在自然界中的来源广泛，具有天然可再生、无毒、价廉的独特特性，储量仅次于纤维素[28-29]。木质素含有较高的碳含量和丰富的芳香结构，可作为合成CQDs的前驱体[22-23,30]，以实现其高价值利用，同时降低制备成本。为此，本研究以废弃的酶解木质素作为前驱体，通过一步水热反应制备CQDs，探讨酶解木质素浓度、反应时间、反应温度对CQDs荧光性能的影响，研究CQDs溶液在不同pH值下的荧光变化以及对Fe3+的荧光选择性，从而为CQDs作为荧光探针和荧光传感器在食品包装等领域的广泛应用提供思路。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

酶解木质素（EHL）是橡胶木粉在纤维素酶的作用下酶解后得到的残渣[31]，为实验室留存的废弃物。

三氯化铁，购自国药试剂有限公司；蒸馏水，由实验室自制。

DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱，上海申贤恒温设备厂；SHB-III型循环水式多用真空泵，天津科诺仪器设备有限公司；Lab-1A-50E型真空冷冻干燥机，北京亚星仪科科技发展有限公司；FEL Tecnai F20型透射电子显微镜（TEM），美国FEI公司；ThermoFisher Scientific iS5型傅里叶红外变换光谱仪（FTIR），美国Thermo electron科技公司；UV-2700型紫外－可见光分光光度计(UV-vis)，日本岛津公司；HP-ZF01型紫外分析仪，济南恒品机电技术有限公司；Cary Eclipse型荧光分光光度计，美国瓦里安公司。

1.2 木质素基碳量子点（CQDs）的合成

称取一定量酶解木质素，加入20 mL水，超声处理30 min后，将其转移至100 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在不同的温度下反应一定时间。自然冷却至室温，用0.22μm的滤膜抽滤，得到的浅黄色溶液，使用截留分子量为500的透析袋，在1 L去离子水里透析48 h，每隔6 h换一次水。最后将其冷冻干燥3 d，得到CQDs粉末。

1.3 结构与性能测试

1.3.1 透射电子显微镜(TEM)分析

使用透射电子显微镜（TEM）进行CQDs尺寸和形貌分析。

1.3.2 傅里叶红外光谱分析

采用KBr压片法在红外变换光谱仪下测定固定样品的红外光谱，在500~4000 cm-1的波长范围内扫描，分辨率设置为4 cm-1，扫描次数为16次。

1.3.3 荧光光谱和紫外可见光谱

分别使用紫外分光光度计和荧光分光光度计对样品进行扫描，记录紫外光谱和荧光光谱，用于判断碳量子点的光致发光性质。

1.3.4 CQDs的pH响应特性

取适量的碳量子点溶液，将其分别放入不同pH值溶液中，反应5 min，使用荧光分光光度计对样品进行扫描，记录荧光光谱（PL）图，观察CQDs的荧光变化。

1.3.5 CQDs对Fe3+的荧光选择性

取适量碳量子点溶液，分别放入不同浓度的Fe3+溶液中，反应15 min，观察CQDs的荧光变化。

2 结果与讨论

2.1 CQDs工艺优化

图1展示了不同影响因素对CQDs荧光性能的影响。图1(a)是在一定时间和温度下，不同酶解木质素浓度(10、30、50、70、90 mg/mL)对制备的CQDs荧光强度的影响，从图1（a）中可以看出，碳源浓度对CQDs荧光强度的影响相对明显，随着木质素浓度的增加，CQDs的荧光强度先增强后减弱，当木质素浓度为50 mg/mL时，荧光强度达到最大值。当木质素浓度＞50 mg/mL时，CQDs的荧光强度开始下降，这是由于内滤效应，碳源浓度过高，荧光强度逐渐下降。从图1（b）可以看出，随着水热温度（160、180、200、220、240℃）的升高（固定碳源浓度和反应时间），荧光强度逐渐增大，在220℃时，荧光强度达到最大，这可能是因为酶解木质素是长链大分子，低温时反应不充分，得到的CQDs荧光较弱。随着反应温度的升高，水热反应更加完全，荧光强度增强。而240℃时，荧光减弱，这可能是因为过高的温度影响碳核的形成，导致碳量子点团聚，部分荧光猝灭。因此，最佳的水热温度为220℃。从图1（c）可以看出，随着水热反应时间（8、10、12、14、16 h）的增加（固定碳源浓度和反应温度），CQDs荧光强度逐渐增强。当反应时间为12 h时，荧光强度能够达到750，与反应16 h的CQDs荧光相比，变化不大，考虑到效益最大化，认为12 h为最佳反应时间。

图1 不同因素对CQDs荧光性能的影响

通过上述结果和分析可以得出工艺优化后碳量子点的最佳合成条件是：酶解木质素(碳源)浓度为50 mg/mL，反应温度为220℃，反应时间为12 h。在此基础上，以使用最佳工艺制备的碳量子点作为测试样品，通过TEM、FTIR、UV-vis、FL测试对CQDs的分散性、尺寸大小和光学性能等进行进一步的分析。

2.2 CQDs的TEM分析

图2是CQDs的TEM图像。从图2中可以看出，CQDs呈类球形，尺寸分布均匀，无明显团聚，粒径在7 nm左右，与文献描述一致[13,18]。

图2 CQDs的TEM图像

2.3 CQDs的FTIR分析

图3为CQDs的FTIR图。从图3的数据可以看出，合成的CQDs保留了酶解木质素的基本结构。在3430 cm-1处的宽吸收峰对应于CQDs中—OH的伸缩振动，丰富的—OH赋予了CQDs良好的水溶性特征[32-33]。在1610 cm-1和1436 cm-1处出现的吸收峰归属于—COOH的伸缩振动。红外光谱图结果进一步表明CQDs表面富含含氧官能团，与文献的报道一致[5]。

图3 CQDs的红外光谱图

2.4 CQDs的光学性质

图4为CQDs溶液的紫外吸收光谱图和荧光光谱图。由图4可知，CQDs水溶液在280 nm处出现较明显的紫外吸收峰，这是由芳香族sp2碳的π-π*跃迁引起的[25]。另外，荧光光谱图展示CQDs的最大激发波长为365 nm，最大发射波长为452 nm。CQDs具有良好的水溶性，在日光下呈透明的淡黄色，而在365 nm的紫外灯照射下发出明亮的蓝色荧光。

图4 CQDs溶液的紫外吸收光谱图和荧光光谱图

图5为CQDs在不同激发波长下得到发射光谱图。从图5可以看出，随着激发波长从280 nm变化到420 nm，发射波长发生红移，且发射峰先增强后减弱，说明制备的CQDs具有激发波长依赖性[22]。这与文献报道的CQDs的性质是一致的，这种现象出现的原因是CQDs的表面有不同的发射位点或CQDs的颗粒大小存在差异。

图5 CQDs溶液在不同激发波长下的发射光谱图

2.5 CQDs的pH响应特性

为探讨CQDs在不同pH溶液下的荧光性能变化，将一定浓度的CQDs放入不同pH溶液里，反应5 min后，观察CQDs溶液荧光变化，结果如图6和图7所示。实验发现：溶液pH值从2.3变化到12.5，对应CQDs的荧光强度先增强而后减弱，当pH值大约在3～7时，荧光强度基本稳定，pH为4.5时达到最大值。然而在碱性条件下，CQDs的荧光强度会逐渐减弱。这可能是因为在碱性环境中会形成羧酸盐，破坏了CQDs表面的钝化，造成大量CQDs团聚，从而促使荧光发生一定程度的淬灭[23]。不同pH下CQDs溶液的荧光效果图见图7。上述结果表明，制备的CQDs具有一定的pH响应特性，说明其有望应用在食品包装有害物检测等更多领域。

图6 在不同pH下CQDs溶液的荧光光谱图

图7 不同p H时CQDs溶液在可见光和365 nm紫外光下的效果图

2.6 CQDs对Fe3+的检测

为探究CQDs是否对重金属离子具有荧光选择性，观察CQDs溶液的荧光强度与不同Fe3+浓度（0~2000μmol/L）之间的关系，结果如图8和图9所示。没有加入Fe3+时，CQDs溶液具有高的荧光强度，但随着Fe3+浓度的增加，CQDs荧光强度逐渐降低，且最大发射波长略有改变，可能是由于加入Fe3+影响了CQDs表面的官能团，造成CQDs聚集，从而发生荧光猝灭。不同Fe3+浓度时CQDs溶液的荧光变化见图9。实验结果表明：CQDs对Fe3+有显著的荧光选择性，且对低浓度的Fe3+依然能表现出荧光猝灭现象。当Fe3+浓度为30μmol/L时，荧光强度降低了13.8%；当Fe3+浓度为300μmol/L时，荧光强度降低了50.2%。因此，CQDs可以作为快速简便、可裸眼识别的荧光探针用于Fe3+的测定。

图8 在不同Fe3+浓度下CQDs溶液的荧光光谱图

图9 不同Fe3+浓度时CQDs溶液在可见光和365 nm紫外光下的效果图

3 结束语

本文以酶解木质素为碳源，通过绿色简便的一步水热法合成了可发出强烈蓝色荧光的碳量子点（CQDs）。CQDs的最佳合成条件是：酶解木质素浓度为50 mg/mL，水热温度为220℃，水热时间为12 h。上述方法合成的CQDs具有良好的水溶性和优异的光致发光性能，且具有pH响应特性和Fe3+选择性。基于CQDs优异的pH响应特性和Fe3+选择性能，其在食品包装有害物检测、重金属Fe3+测定等领域具有广泛的应用前景。