源于菊花的碳量子点的制备及其对Fe3+的检测

汪 璐, 汲广博, 叶礼卉, 陈文轩, 芦 湘, 曹 茜

(合肥工业大学 食品与生物工程学院,安徽 合肥 230601)

近年来,碳量子点(carbon quantum dots,CQDs)的制备及其应用研究受到了广泛的关注。作为一种新型的纳米碳材料,有着许多优良的性质。光致发光性质使其可以在化学传感器方面得到利用[1-3],低细胞毒性使其可以用于生物传感器[4],上转换发光性质使其可以应用于生物成像[5-6]。此外,由于自身的特殊结构,亦可应用于化学反应催化领域等[7-8]。目前主要有自上而下和自下而上2种合成方法[9]。自上而下合成法即从质量大的碳源制备得到尺寸小的碳量子点,如电弧放电法[10]、电化学合成法[11]等。自下而上合成法是利用分子或者离子状态等尺寸很小的碳材料制备得到,常见的有水热法[12]、燃烧法[13]、化学氧化法[14]等。

本文利用简单的热解超声方式,选择富含黄酮、挥发油、有机酸等复杂有机化合物的菊花,作为制备生物质碳量子点的潜在材料。首先对菊花进行热解,再经过一系列纯化,如溶解、超声、抽滤、超滤得到碳量子点溶液。利用透析的方法对碳量子点溶液进行纯化,最后冷冻干燥得到固态的碳量子点。此方法具有成本低、无毒性、绿色环保的优点。对制备得到的碳量子点进行表征,分析其相应的性质,发现Fe3+对其荧光有猝灭作用,并得出Fe3+浓度导致其猝灭作用的线性关系,利用该特点得到相应检测Fe3+浓度的方法。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂与仪器

洁净干燥菊花,CuSO4·5H2O、FeCl3·6H2O、MnSO4·H2O、NiSO4·6H2O、FeSO4·7H2O、AgNO3、Pb(NO3)2、ZnSO4·7H2O均为分析纯,实验用水为去离子水。

SX2-5-12MP箱式电阻炉,C-MAG HS7 control磁力搅拌器,G-100ST超声波清洗机,CT14RD台式高速冷冻离心机,TX-Ⅲ型台式吸引器,FD-1A-50真空冷冻干燥机。

1.2 碳量子点的制备

选取洁净干燥的菊花,称取5.0 g置于坩埚中,通氮气1 min,以除去坩埚中的氧气,盖上坩埚盖密封,放入马弗炉中。马弗炉运行温度300 ℃,运行时间180 min,进行热解。冷却至室温后将炭渣取出,用研钵研磨成细粉。称取1.0 g、炭粉于50 mL锥形瓶中,加入20 mL去离子水,加入磁力搅拌子,锡纸密封瓶口,磁力搅拌120 min,25 ℃。超声清洗机超声分散120 min,40 Hz。将溶液转移至50 mL离心管中,离心10 min,转速5 000 r/min。取上清用台式吸引器抽滤,滤膜孔径0.22 μm。使用截留分子量为3 500 Da透析袋将滤液透析72 h,中途多次换水。透析结束后,将溶液转移至玻璃培养皿中,用保鲜膜密封,放入-80 ℃冰箱中冷冻30 min,待无液体流动时取出,将玻璃培养皿放入已预冷好的真空冷冻干燥机中,冻干24 h。收集固体碳量子点。

1.3 材料表征

Nicolet 67傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)分析其表面的官能团,扫描范围为400～4 000 cm-1;HORIBA JOBIN YVON显微共焦激光拉曼光谱仪(RAMAN)分析碳量子点的内部结构;JEM-1400flash透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)选择加速电压120 kV,观察其微观形貌。利用UV2550紫外可见分光光度计和HORIBA FLUOROMAX-4荧光光谱仪分析其光学性质。

1.4 Fe3+的检测应用

选择CuSO4·5H2O、FeCl3·6H2O、MnSO4·H2O、NiSO4·6H2O、FeSO4·7H2O、AgNO3、Pb(NO3)2、ZnSO4·7H2O等常见金属盐,配置为0.05 mol/L的溶液,碳量子点配制成0.1 mg/mL溶液,以金属盐溶液与碳量子点溶液的体积比1∶2混合,选择非特定的激发波长340 nm,测定加入金属离子后的碳量子点溶液的荧光强度(F),并计算其相对荧光强度(ΔF=F/F0)。

配制不同浓度的Fe3+溶液,根据碳量子点溶液在不同激发波长下的光谱图,选择有更好荧光光谱成像效果的330 nm作为激发波长,测定加入Fe3+溶液后的CQDs的荧光强度,并计算其相对荧光强度率分析其对碳量子点溶液的荧光猝灭影响。

2 结果与分析

2.1 碳量子点的结构、组成和形貌

制备的碳量子点在LaB6透射电子显微镜下观察,结果如图1所示。

图1 碳量子点的TEM照片

从图1可以看出,有少量碳量子点单体,其粒径范围为3～5 nm,较为分散、无聚集。

利用FTIR对制备的碳量子点进行表征,结果如图2所示。从图2可以看出,在3 375 cm-1处有一较宽的吸收带,属于O—H的伸缩振动;2 940 cm-1处有一较小的的吸收峰,是C—H的伸缩振动;在1 130 cm-1处的小吸收峰,表明C—C键的存在;在1 580 cm-1和1 380 cm-1处存在2处明显的吸收峰,可能是苯环C—C的伸缩振动,说明碳量子点表面存在苯环结构。羟基和苯环的存在,有利于碳量子点与金属离子的结合。

图2 碳量子点的FTIR图谱

为了探索碳量子点的内部结构,本文对其进行拉曼光谱测试,结果如图3所示。从图3可以看出,位于1 330～1 360 cm-1的D峰和1 545 ～1 580 cm-1的G峰。D峰对应无序的sp3杂化碳原子的振动,G峰对应有晶格的sp2杂化碳原子的振动,它们的强度比值通常称为碳质材料的缺陷指数[15]。G峰相较于D峰更明显,也就是缺陷指数小于1,表明碳量子点内核中有晶格的sp2杂化碳原子的振动占据主导地位。

图3 碳量子点拉曼光谱图

2.2 碳量子点的光学性质

将制备得到的固态碳量子点配制成0.1 mg/mL的溶液,通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析其光学性质。碳量子点溶液的紫外-可见吸收光谱如图4所示。从图4可以看出,随着波长的增加,吸收强度在逐渐降低,在205 nm左右处可观察到一较小的吸收峰,可能是由C=C的π→π*跃迁而产生的。除此之外,没有明显的吸收峰,但有一个范围很宽吸收波谱,可能与粒径分布较宽有关[16]。

图4 碳量子点的紫外-可见吸收光谱图

碳量子点溶液的荧光光谱图如图5所示,从图5可以看出,碳量子点溶液表现出明显的对激发波长存在一定的依赖性,即随激发波长的不断增大,其荧光强度呈现出先增大后减小的趋势,并在 370 nm左右达最大值,对应的发射波长约为460 nm,且荧光发射峰的位置随激发波长的增加而右移。

图5 碳量子点在不同激发波长下的荧光光谱图

2.3 碳量子点对Fe3+的选择性检测

由于碳量子点性质和结构的特殊性,当与不同金属离子溶液混合反应后,碳量子点溶液的荧光强度会呈现不同的猝灭效应,如图6所示。由图6可知,与Ag+、Fe2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+、Co2+等金属离子相比,Fe3+对碳量子点溶液有更明显的荧光猝灭效应,这说明碳量子点具有作为探针检测Fe3+潜能,并具备良好的专一性。

从图5可以看出,在330 nm激发波长下,碳量子点溶液有较好的荧光光谱成像效果,因此选择330 nm作为Fe3+选择性检测的激发波长,检测得到不同Fe3+浓度对0.1 mg/mL的碳量子点溶液荧光猝灭曲线,且其检测限为1×10-5mol/L。

图6 碳量子点在表光光谱和相对荧光强度

在Fe3+浓度为10-5mol/L级别下,设置4个Fe3+浓度,分别为1.0×10-5、2.5×10-5、5.0×10-5、7.5×10-5mol/L,检测其对碳量子点溶液荧光强度的影响,如图7a所示。

由图7a可知，对比空白实验,计算得到4个浓度实验时的荧光强度比,根据Stern-Volmer方程拟合得到相应的荧光猝灭程度线,如图7b所示。结果发现,Fe3+浓度在0～7.5×10-5mol/L范围内时,对碳量子点溶液可以产生较明显的荧光猝灭效应,且随着Fe3+浓度逐渐增大,碳量子点的荧光强度会不断减小。由此拟合出直线方程为y=0.022 63x+1.011 82,其线性相关系数R2为0.974 84。

在Fe3+浓度为10-4mol/L级别下,设置3个Fe3+浓度,分别为1.0×10-4、2.5×10-4、5.0×10-4mol/L,检测其对碳量子点溶液荧光强度的影响,如图8a所示。对比空白实验,计算得到3个浓度实验时的荧光强度比,根据Stern-Volmer方程拟合得到相应的荧光猝灭程度线,如图8b所示。结果发现,Fe3+溶液浓度在0～5.0×10-4mol/L范围内时,对碳量子点溶液可以产生更加明显的荧光猝灭效应,Fe3+浓度逐渐增大,碳量子点的荧光强度亦不断减小。由此拟合出直线方程为y=2.306 68x+0.058 26,其线性相关系数R2为0.954 55。

图7 Fe3+浓度为10-5 mol/L级别下荧光强度曲线

图8 Fe3+浓度为10-4 mol/L级别下荧光猝灭曲线

3 结 论

本实验以菊花为生物质原料,通过热解、超声的方法制备得到固态碳量子点，并对其结构、形貌进行表征,结果表明:碳量子点存在羟基和苯环结构,内核中有晶格的sp2杂化碳原子的振动占据主导地位,粒径3～5 nm,较为分散、无聚集。紫外-可见吸收光谱图在205 nm处存在的峰表明了C=C的存在,红外光谱图进一步证明了苯环和羟基的存在。碳量子点溶液表现出激发波长依赖性。不同金属离子对碳量子点溶液呈现出不同的荧光猝灭程度,其中Fe3+对碳量子点的猝灭程度最大,可利用这一特点定量检测Fe3+的浓度。Fe3+浓度在0～7.5×10-5mol/L内,拟合曲线为y=0.022 63x+1.011 82;在0～5.0×10-4mol/L内,拟合曲线为y=2.306 68x+0.058 26。线性相关程度高,可靠性强,反应灵敏,可以作为试剂定量检测水溶液中Fe3+的浓度。