生物质碳量子点的制备及Fe3+离子检测应用*

魏新晶，衣晓彤，程 凤，黄玉东，贺金梅

（哈尔滨工业大学 化工与化学学院，黑龙江 哈尔滨150001）

引 言

碳量子点（Carbon Quantum Dots，CQDs）作为一种新兴的碳纳米材料，是一种尺寸小于10nm 的零维碳纳米颗粒，自2004 年被偶然发现以来，一直受到广泛的关注[1]。更重要的是，CQDs 具有优异的可调谐荧光特性、化学和光学稳定性、良好的光致发光特性、抗光漂白特性和生物相容性，而被认为是传统半导体量子点和有机染料的潜在替代品[2～3]。正因为这些优越的特性，CQDs 已经被应用于环境及离子检测[2]、生物成像[3]、生物传感[4]、药物运输[5]等领域。目前，CQDs 的制备方法种类繁多，而热解法操作简便，绿色安全，还可以避免大量有毒试剂的使用。

Fe3+离子作为一种生物系统必不可少的金属离子，在许多生理和病理过程中起到非常重要的作用[6]。另外，Fe3+离子也是环境监测过程中一种重要的金属污染物。因此，在生物系统和环境监测中，Fe3+离子的检测都显得极其重要。目前，CQDs 作为荧光探针已经被广泛应用在各种金属离子检测领域[7]。

本文以天然生物质绞股蓝为碳源，通过热解法成功制备得到了荧光碳量子点。并通过探究不同热解温度及时间对CQDs 荧光强度的影响，得到了最佳的实验条件。同时，还发现CQDs 的荧光可以被Fe3+离子选择性地猝灭，从而将CQDs 应用于Fe3+离子的检测。

1 实验部分

1.1 碳量子点的制备

取粉碎好的绞股蓝细粉末，放入洁净干燥的方形坩埚中，然后将其置于已通入氮气的管式炉内，设置热解温度及时间，开启加热升温程序，待加热结束，自然冷却至室温，取出黑色粉末。将黑色粉末加入到去离子水中，室温下持续搅拌，将悬浮液离心20min，然后再将得到的上层清液经过过滤，透析，最终得到淡黄色溶液。最后，通过真空冷冻干燥机干燥，得到碳量子点粉末。

1.2 金属离子检测

室温下，用去离子水分别配置不同的金属离子溶液，浓度为1mmol/L，然后取2mL 的金属离子溶液加入到2mL 的CQDs 溶液中，混合均匀后，用荧光分光光度计测320nm 激发波长下，混合体系的荧光发射光谱，并记录荧光强度，对照组为将2mL 去离子水加入到2mL 的CQDs 溶液。

1.3 Fe3+离子检测

室温下，首先用去离子水分别配置一系列浓度梯度的Fe3+离子溶液，然后取2mL 的Fe3+离子溶液加入到2mL 的CQDs 溶液中，混合均匀后，用荧光分光光度计测320nm 激发波长下，混合体系的荧光光谱，并记录荧光强度，对照组为将2mL 去离子水加入到2mL 的CQDs 溶液。

2 结果与讨论

2.1 热解温度和时间对碳量子点荧光性能的影响

本实验以中药绞股蓝为碳源，通过一步热解法制备出发蓝色荧光的CQDs。绞股蓝作为中药材的一种，安全无毒，绿色环保，来源广泛，价廉易得，还含有碳氧等元素，符合制备碳点对碳源选择的要求。为了获得具有优异荧光性能的CQDs，考察了不同温度和时间对CQDs 的荧光强度的影响，最终确定最佳制备条件。图1 为不同热解温度下制备CQDs 的荧光发射光谱，从图中可以看出，CQDs 的荧光强度随着温度的不断增加而先增大后下降，明显地看出，温度增加到400℃时，CQDs 的荧光强度最大，因此，最终选择400℃进行CQDs 的制备。另外，随着温度的升高，CQDs的发射峰的位置发生了蓝移，在400～430nm 之间。

图1 不同热解温度制备CQDs 的荧光光谱Fig.1 The fluorescence emission spectra of CQDs prepared at different reaction temperature

同样的，加热时间也是影响CQDs 荧光强度的重要因素，图2 给出了不同加热时间对CQDs 的荧光强度的影响，从图中可以看出，随着加热时间的增加，CQDs 的荧光强度也是先增加后下降。加热时间太短可能会造成绞股蓝粉末的碳化不完全，影响发光效果，然而，加热时间太长，会造成绞股蓝粉末逐渐灰化，造成荧光强度下降。因此，最后选择4h 为最佳热解时间。

图2 不同热解时间制备CQDs 的荧光光谱Fig.2 The fluorescence emission spectra of CQDs prepared in different reaction time

因此，根据对加热温度和时间的探究结果，选择400℃条件下加热4h 为制备CQDs 的最佳条件。后续实验过程中使用的CQDs 均为该条件下制备得到。

2.2 金属离子检测

本实验研究了CQDs 对各种金属离子的荧光响应情况，分别测试了金属离子溶液加入到CQDs 溶液中，混合体系荧光强度的变化，如图3 所示，研究了常见的多种金属离子对CQDs 的荧光强度的影响，从图中可以看出，众多金属离子中，Fe3+离子对CQDs的荧光抑制作用最为明显，这说明CQDs 对Fe3+离子具有较高的离子选择性。这可能是Fe3+离子能够与CQDs 表面上丰富的含氧官能团结合导致的[8]。因此，制备的CQDs 能够作为纳米荧光探针用于检测Fe3+离子。

图3 荧光CQDs 溶液在不同金属离子存在时荧光响应Fig.3 The fluorescence responses of CQDs solution in the presence of different metal ions

2.3 Fe3+离子检测

用一系列浓度梯度（0～500μmol/L）的Fe3+离子溶液来观察CQDs 的荧光强度变化情况，如图4 所示，随着Fe3+离子浓度的增加，CQDs 的荧光强度减弱，Fe3+离子对CQDs 的荧光猝灭效果也越来越明显。结合Stern-Volmer 方程对图4 中CQDs 与Fe3+离子的猝灭数据进行分析，可以明显的发现，Fe3+离子在0～500μmol/L 的浓度范围内，荧光CQDs 的相对荧光强度F0/F 和Fe3+离子浓度之间存在良好的线性关系（R2=0.9957），拟合的线性方程为Y=0.01431X+0.9028。并根据3σ/k 计算得出检出限为0.38μmol/L，其中σ为CQDs 空白组的标准偏差，k 为拟合线性方程的斜率。与此同时，还发现该值远低于世界卫生组织（WHO）所规定的Fe3+离子在饮用水中允许的最大值5.36μmol/L[4]。另外，表1 给出了一些已经报道的用于检测Fe3+离子的荧光探针，相比之下，该荧光CQDs在应用于Fe3+离子检测时，具有更宽的线性范围和更好的检测灵敏度。因此，制备的CQDs 可以作为一种纳米荧光探针来实现定量检测Fe3+离子。

图4 Fe3+离子浓度与F0/F 的关系Fig.4 The relationship between F0/F and Fe3+ions concentration

表1 已报道的碳量子点为荧光探针对Fe3+离子检测的比较Table 1 The comparison of the reported CQDs fluorescence probes for Fe3+ions detection

3 结 论

本文以中药绞股蓝为碳源，无需添加额外的化学试剂，通过一步热解法制备出了可以用于检测Fe3+离子的荧光碳量子点。通过比较不同热解条件下CQDs的荧光光谱，最终确定热解法制备CQDs 的最佳条件为400℃温度下加热4h。同时，荧光CQDs 的相对荧光强度F0/F 和Fe3+离子浓度在0～500μmol/L 范围内存在良好的线性关系，检出限为0.38μmol/L。因此，该荧光CQDs 可以作为检测Fe3+离子的纳米荧光探针。