碳量子点制备及荧光猝灭在Fe3＋检测中的应用

谷苗苗，李 姣，周爱东

（1.南京大学金陵学院化学与生命科学学院，南京 210089；2.南京大学化学化工学院，南京 210023）

0 引言

铁在地壳中分布较广，是人体维持正常生活必需的微量元素之一，在机体的代谢中扮演着重要的角色［1］，除参与血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素及某些酶的合成外，还与多种酶的活力有关［2］。一般地，健康成年人每天需要补充铁15 mg，缺铁不仅会引起贫血，还会使机体代谢功能紊乱［3］。据报道，铁摄入量的增加也会通过催化机制恶化生物系统，导致高活性氧的产生，从而引发许多疾病，包括帕金森综合症、阿尔茨海默病和癌症。美国环保局规定饮用水中铁浓度的允许限值为0.3 mg／L。因此，准确测定水体中铁的浓度水平是十分必要的。用于重金属离子检测的方法有电化学检测［4］、荧光光谱法［5］、分光光度法［6-7］等。尽管这些方法在实验室得到了广泛的应用，但技术或经济因素有时限制了它们的可行性。因此，需要进一步研究更好的检测方法。

碳量子点（CQDs）是一种具有荧光特性的新型纳米碳材料，与传统的量子点相比高度稳定［8］，易溶于水［9］，生物相容性好［10-11］，荧光强度高，制作成本和分离成本更为低廉，细胞毒性小，原料来源广等优势，因此自发现就受到人们广泛关注。迄今为止，有大量文献报道碳量子点的制备方法。其中，Jia 等［12］在低温下加热维生素C 和Cu（CH3COO）2来合成碳量子点，但这种方法并不环保；Liu等［13］将乙二醇作为碳源，在140 ℃下持续回流加热6 h 制备碳量子点，实验步骤较繁琐；Wang 等［14］对甘油等原料进行微波，制备CQDs，虽然制备迅速，但需要无机离子为辅助试剂。

本文以梧桐树叶为碳源，通过燃烧法制备了稳定性高、水溶性好的碳量子点，利用Fe3+对碳量子点有荧光猝灭的特性，建立检测Fe3+的方法，并成功用于自来水中Fe3+的含量测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：RF-5301pc 荧光光度分光计（日本岛津公司），ZF7三用紫外分析仪（上海科兴仪器有限公司）。

试剂：配制0.01 mol／L 的Fe3+、K+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Ba2+、Zn2+、Cr3+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Pb2+、Ag+标准溶液。本实验中所用试剂均为AR，实验用水则为超纯水。

1.2 实验方法

（1）分子荧光仪器条件选择。本实验选择的λem＝425 nm，λex＝310 nm，狭缝宽度均为3 nm。

（2）碳量子点的制备。选用校园梧桐落叶作为碳源，将树叶洗净、烘干、剪碎，然后准确称取5 g，在坩埚中完全燃烧，加入少量超纯水，搅拌使其尽量溶解，离心过滤，得到淡黄色的碳量子点（CQDs）溶液，最后将其定容至250 mL。

（3）金属离子对CDs 荧光猝灭。在比色皿中，先加入2 mL CDs溶液作为空白组，测定其荧光强度F0；然后再向其中加入0.2 μL Fe3+标准溶液作为实验组，测定体系荧光强度为F。对其他金属离子重复上述步骤。

（4）绘制标准曲线。在选定波长处分别测定浓度为0、2.5、5、10、25、50、75、100、150、200、250、300 μmol／L Fe3+标准溶液在CQDs溶液中的荧光强度。

（5）水样测定。实际水样以12 000 r／min，高速离心20 min，取上层清液并用超微滤膜进行过滤。移取3 mL碳量子点溶液，加入处理好的水样10 μL，测量其荧光强度。

2 实验结果与讨论

2.1 碳量子点的光学性质

通过燃烧法合成的CQDs在日光下呈现黄色透明溶液，在波长365 nm紫外灯照射下则发射蓝色荧光，如图1 所示。

图1 CQDs合成及其在紫外灯照射下的颜色

图2 为CQDs 的激发光谱和发射光谱，此方法合成的CQDs在λex＝310 nm下λem＝425 nm荧光。

图2 CQDs的荧光发射光谱（λem）与激发光谱（λex）

图3 为碳量子点在不同激发波长（280～360 nm）下的荧光发射光谱。由图3 可知，随着激发波长的逐渐增大，发射峰产生红移并伴随荧光强度逐渐减弱。造成这种现象的原因可能是碳量子点表面的发射位点差异所致，利用此特性可以有效控制荧光发射的波长［1］。

图3 不同激发波长下CQDs的荧光发射谱图

2.2 量子产率的测定

根据量子化学方法按既定程序测定了CQDs 的量子产率。既定程序为在相同激发条件下，分别测定待测荧光试样和已知量子产率的参比荧光标准物质的积分荧光面积，以及对相同激发波长的入射光的吸光度，通过特定公式进行计算。本文选择0.1 mol／L 硫酸中的硫酸奎宁（360 nm处的量子产率为0.54［15］）作为标准品。量子产率计算公式如下：

式中：ψ为量子产率；η 为折射率；I为积分发射强度；下标“R”表示标准硫酸奎宁相关的物理量。由此公式计算得制备的CQDs量子产率为0.22（见表1）。

表1 硫酸奎宁和碳量子点的量子产率

2.3 反应机理

CQDs检测Fe（III）离子主要是由于Fe（III）通过聚集诱导CQDs的荧光猝灭。由于金属氢氧化物的低溶解度积常数（Ksp），CQDs 表面的羟基很容易与Fe（III）离子结合。结果，CQDs在Fe（III）离子存在下经历聚集，导致荧光猝灭。另一种可能的猝灭机制是基于激发电荷载流子从CQD 表面转移到缺电子Fe（III）离子，导致荧光强度降低，以此来检测铁离子。

2.4 碳量子点对金属离子的选择性

实验中选择了16 种常见金属离子进行干扰研究，考察各金属离子与CQDs的相互作用。通过计算各金属离子对应的F／F0值检测CQDs 对Fe3+的选择性。由图4 可知，此方法制备的CQDs对Fe3+有明显的荧光猝灭作用；其他金属离子对CQDs 的荧光猝灭作用不明显，可以忽略。

图4 CQDs与各金属离子的相互作用

2.5 pH值对碳量子点荧光强度的影响

实验中分别用NaOH（0.1 mol／L）和HCl（0.1 mol／L）调节CQDs 溶液的pH 值。在不同pH 值下CQDs的荧光强度变化规律如图5 所示，当体系的pH值在4.0～7.0 范围内，CQDs的荧光强度变化不明显，因此实验测定中无须对溶液pH值进行严格控制。

图5 pH与CQDs荧光强度的关系

2.6 Fe3＋浓度对CQDs荧光强度的影响

实验探索不同浓度的Fe3+对CQDs 的猝灭程度。由图6 可知，在一定的浓度范围内，CQDs 体系的荧光强度随Fe3+浓度逐渐增加而减弱，Fe3+在2.5～100 μmol／L浓度范围内与CQDs 的荧光猝灭呈良好的线性关系，线性回归方程为y＝-0.005 2x+0.968 3，R2＝0.992 6，检出限为1.2 μmol／ L。

图6 Fe3+浓度与CQDs 的荧光谱及线性关系图

2.7 自来水样中Fe3＋测定

为研究本文方法对实际样品分析中的应用，按上述实验方法测定了自来水中Fe3+浓度。移取3 mL 碳量子点溶液，加入处理好的水样10 μL，测其荧光强度，向其中加入标准试样10 μL 6 mmol／L Fe3+溶液，所得加标浓度为20 μmol／L。样品平行测定3 次。由表可见该分析方法可靠性高，可用于实际样品的检测。

表2 回收试验结果

3 结语

本研究选用了简单易得的碳源——梧桐落叶，以燃烧法制备了稳定性良好的碳量子点，其实验过程简便、快速、环保。实验制备的碳量子点溶液量子产率为0.22，最佳激发和发射波长分别为310 和425 nm。基于荧光内滤作用，检测Fe3+线性范围在2.5～100 μmol／L，相关系数0.992 6，检出限1.2 μmol／L。自来水中加标回收率的测定平均值为98.4%，可用于自来水中Fe3+的检测。