紫胶基CQDs用于检测盐酸四环素

徐红艳，叶金枝，张 琦，刘佳佳，刘兰香

(1.昆明理工大学 津桥学院理工学院，云南 昆明 650500；2.西南林业大学 化学工程学院，云南 昆明 650224；3.玉溪市农产品质量安全检验检测中心，云南 玉溪 653100；4.中国林业科学研究院 资源昆虫研究所，云南 昆明 650233)

漂白紫胶是紫胶虫分泌物经双氧水漂白除去大部分色素后得到的天然物质，其包含80%左右的紫胶树脂，此外还含有少量蛋白质、盐类、糖类等杂质[1-3]。紫胶树脂是由羟基脂肪酸、倍半萜烯酸相互形成的内酯及交酯混合构成的，平均相对分子质量为1 000左右的弹性聚合物[4-5]，是潜在的制备碳量子点(CQDs)的良好前驱体[6-7]。与传统的半导体量子点相比，以天然产物为前驱体制备CQDs具有来源广泛、原料廉价、元素丰度高等优点[8-10]，且由于天然产物化学结构复杂，这为形成结构多样性且发光性能更优异的CQDs带来了更多的可能性[11-13]。本研究以漂白紫胶为原料，通过单因素试验确定水热法制备水溶性紫胶基CQDs(shellac-CQDs)的最佳工艺条件，然后采用多种分析方法对shellac-CQDs的基本结构进行表征和确证，最后探索以shellac-CQDs为荧光传感器在饲料中抗生素检测方面的应用，以期为拓展漂白紫胶的应用领域，同时为新颖的天然产物来源的CQDs的开发和检测提供基础数据。

1 实 验

1.1 原料、试剂与仪器

漂白紫胶由中国林业科学研究院资源昆虫研究所自主研制；盐酸、氢氧化钠和盐酸四环素等试剂均为市售分析纯。实验用水为市售娃哈哈牌纯净水。

F-4600荧光光谱仪，日本HITACHI公司；UV-4802紫外可见分光(UV-Vis)光度计，尤尼柯上海仪器有限公司；KOFD1-10/3水热反应釜；TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪，德国布鲁克有限公司；ST20型pH测试笔；STA2500同步热分析仪，德国耐驰科学仪器公司；K-Alpha X射线光电子能谱(XPS)仪，美国Thermo Scientific公司；Tecnai G2 F20透射电子显微镜(TEM)，美国FEI；Nanotrac Wave II动态光散射(DLS)粒度分析仪，美国麦奇克。

1.2 紫胶基碳量子点的制备

准确称取一定质量的漂白紫胶于烧杯中，加入40.0 mL不同pH值的盐酸(或氢氧化钠)溶液，然后将混合溶液超声波处理20 min后转移至水热反应釜中，再用20.0 mL的水溶液冲洗烧杯2次后合并至反应釜中，混合溶液密闭后在一定的温度条件下在马弗炉中反应12 h。待反应混合溶液自然冷却至室温，滤纸过滤，所得滤液即为紫胶基碳量子点(shellac-CQDs)溶液。

1.3 shellac-CQDs的结构表征与性能分析

1.3.1FT-IR分析 shellac-CQDs样品经减压蒸馏除去溶剂后于105 ℃烘箱中干燥，所得固体采用KBr压片法进行测试，扫描波数范围400～4 000 cm-1。

1.3.2XPS分析 将样品放在导电胶上再贴到电子台上，使用Al Kα(1 486.6 eV)靶材，X射线束能为100 W，光栅直径为100 mm,光斑大小为400 μm的条件下进行X射线光电子能谱(XPS)测试。以C1s吸附碳C—C/C—H结合能284.8 eV对所有谱峰进行校准，使用Avantage软件对XPS数据进行分峰拟合。

1.3.3热重(TG)分析 采用同步热分析仪进行热重分析，称取样品约10.0 mg于陶瓷坩埚中，利用高纯度氮气作为保护气(气体流量为20 mL/min)和吹扫气(气体流量为50 mL/min)，升温速率为10 ℃/min，测试温度范围为35～800 ℃。

1.3.4TEM分析 样品测试点分辨率为0.24 nm，信息分辨率为0.14 nm，最高加速电压为200 kV。

1.3.5光谱性能分析 荧光光谱测定时设置狭缝宽度为5 nm，扫描速率为12 000 nm/min, 光电倍增管电压为750 V。紫外-可见光全波长扫描范围200～600 nm。

1.4 shellac-CQDs传感器检测盐酸四环素

1.4.1工作曲线的绘制 准确称取10.0 mg盐酸四环素固体，溶解于纯水后用10 mL的容量瓶定容，得到质量浓度为1.0 g/L的盐酸四环素储备液，然后用纯水逐级稀释至盐酸四环素的质量浓度分别为0.02、0.04、0.06、0.08和0.10 g/L。测试时，分别准确量取2.0 mL不同质量浓度的盐酸四环素溶液与6.0 mL shellac-CQDs溶液混合均匀后超声波处理20 min，然后将混合液在激发波长为320 nm，光电倍增管为750 V的条件下进行荧光检测。记录被检测样品位于发射波长370～600 nm区间的荧光峰面积为S，空白样品的荧光峰面积为S0。最后，以盐酸四环素的质量浓度为横坐标，荧光峰面积的变化值((S0-S)/S0)为纵坐标绘制标准工作曲线。

1.4.2初步应用实验 分别以水样、家畜(猪)饲料、家禽(鸡)饲料为样品，考察shellac-CQDs用作荧光传感器检测盐酸四环素在实际工作中的应用情况。将质量浓度为0.1 g/L的盐酸四环素溶液用自来水逐级稀释至0.035、0.045和0.070 g/L，样品记为A1、A2和A3。量取20 mL质量浓度为0.10 g/L的盐酸四环素溶液，加入质量为1.0 g的猪饲料或鸡饲料并超声波处理20 min后经滤纸过滤，滤液用纯水逐级稀释至盐酸四环素的质量浓度分别为0.035、0.045和0.070 g/L，猪饲料样品记为B1、B2和B3，鸡饲料样品记为C1、C2和C3。将9种待检测样品按照工作曲线检测方法进行测试，再代入工作曲线方程以验证该工作曲线的可行性。样品回收率的计算见下式：

y=Vd/Vt×100%

式中：y—样品回收率，%；Vd—检测值，g/L；Vt—理论值，g/L。

2 结果与讨论

2.1 不同条件对shellac-CQDs荧光性能的影响

2.1.1反应液pH值 选择漂白紫胶质量为160.0 mg、反应温度为180 ℃，考察反应液pH值对shellac-CQDs荧光性能(激发波长为340 nm)的影响，结果见图1(a)。反应液的pH值对shellac-CQDs的荧光强度具有较大的影响。在酸性至中性条件下，随着反应溶液pH值的增大，所得shellac-CQDs的荧光强度逐渐增强，最大发射波长均在432 nm左右；在碱性条件下(pH值为9～13时)，随着pH值增加荧光强度也随之增强，而且最大发射波长(λem,max)也随之红移，当pH值为13时，shellac-CQDs溶液的λem,max为443 nm。在反应液pH值不同的条件下所得shellac-CQDs荧光性能有较大差异，这可能是由于shellac-CQDs在形成过程中其表面基团在酸碱环境中所带电荷不同，从而对shellac-CQDs的辐射跃迁效率产生影响最终导致荧光强度有较大差异[14]。在其他制备条件相同时，反应溶液的pH值为7时所得shellac-CQDs的荧光强度最强，其荧光强度达到峰值6 028，因此，选择pH值7为反应最佳pH值。

2.1.2漂白紫胶质量 选择反应液pH值为7、反应温度为180 ℃，考察漂白紫胶质量对shellac-CQDs荧光性能(激发波长为340 nm)的影响，结果见图1(b)。如图1(b)所示，不同质量的漂白紫胶所制备出的shellac-CQDs在波长432 nm处的荧光强度随反应液浓度的增加呈现出先增后减的趋势，当漂白紫胶质量为160 mg时所得shellac-CQDs在λem,max处的荧光强度最强，其强度为6 028，说明反应液中漂白紫胶的质量影响了CQDs的粒子聚集状态，但是没有改变CQDs本身的共轭程度，因而它们的λem,max均位于432 nm左右。因此，选择制备shellac-CQDs的漂白紫胶最佳质量为160 mg。

2.1.3反应温度 CQDs的制备是一个原料炭化的过程，反应温度在其制备过程中起到了极其重要的作用。一般来说，反应温度越高，原料炭化越彻底，所得CQDs的共轭程度越大，其荧光性能越强[15-16]。设置激发波长分别为280、300、320、340、360和380 nm，在不同的激发波长下测试样品的荧光性能。选择反应液pH值为7、漂白紫胶质量为160 mg，考察反应温度对shellac-CQDs荧光性能的影响，结果见图1(c)。反应温度的单因素试验结果表明：在低温条件(120和140 ℃)下，漂白紫胶没有生成具有荧光的CQDs；当反应温度为160 ℃时，所得的CQDs具有一定的荧光但荧光强度较弱；随着反应温度升高至180 ℃时，反应所制备的CQDs的荧光强度显著增加，所得样品在测试激发波长为320 nm时，其荧光强度达到最大，λem,max为6 753。考虑到实验条件限制，本研究没有继续升高反应温度。因此，选择制备shellac-CQDs的最佳反应温度为180 ℃。

a.pH；b.漂白紫胶质量bleached shellac weight；c.温度temp.

综上所述，shellac-CQDs的最佳制备条件为：反应液pH值7、漂白紫胶质量160 mg，反应温度180 ℃和反应时间12 h。选择最佳条件下制备的shellac-CQDs进行后续结构表征和性能分析。

2.2 shellac-CQDs的结构表征

图2 shellac-CQDs的FT-IR图谱

2.2.2XPS分析 如图3所示，shellac-CQDs的XPS分析显示其在284.7和532.5 eV处有特征峰，分别对应的是C1s和O1s，说明shellac-CQDs主要由C和O元素组成。

a.XPS; b.C1s; c.O1s

2.2.3TG分析 如图4所示，shellac-CQDs的热降解过程中有2个较为明显的热转化过程，第一个热失重速率峰的峰值出现在144.3 ℃，此时样品仅失重3.9%，所以这可能是shellac-CQDs晶体结构改变引起的；第二个热失重速率峰的峰值出现在415.9 ℃，采用切线法分析可知，shellac-CQDs在温度为354.2～453.8 ℃范围内失重达到75.09%，说明其发生了热分解[21-22]。

图4 shellac-CQDs的TG和DTG曲线

2.2.4TEM分析 如图5 所示，TEM分析表明shellac-CQDs呈圆形球状的纳米颗粒，粒子分布较为均一，同时DLS结果表明这些微粒的平均粒径约为(2.0±0.5)nm。

图5 shellac-CQDs的TEM(a)和粒径分布(b)

2.3 shellac-CQDs的光学性质分析

2.3.1UV-vis及荧光光谱分析 如图6(a)所示，shellac-CQDs的UV-vis测试结果显示其在289 nm处有最大吸收峰，这是电子发生π→π*跃迁引起的，说明shellac-CQDs结构中含有不饱和的共轭结构，如碳氧双键或芳香结构[23-24]。

a.UV-vis; b.不同激发波长下的荧光光谱fluorescence spectra at different excitation wavelengths

如图6(b)所示，shellac-CQDs表现出了明显荧光激发波长依赖性，即随着激发波长的增加，其荧光强度出现了先增后减的变化。在激发波长为320 nm时，shellac-CQDs表现出最高的荧光强度(6 828)，此时其荧光发射峰位于370～600 nm之间，最佳发射波长为432 nm。研究还发现，在365 nm紫外灯照射下，shellac-CQDs呈现明亮的蓝色荧光。

2.3.2shellac-CQDs传感器检测盐酸四环素 如图7所示，shellac-CQDs溶液中加入盐酸四环素后，shellac-CQDs在荧光最大发射波长432 nm处的荧光强度随着盐酸四环素质量浓度的增加而逐渐减小，光谱中位于370～600 nm间的荧光峰面积也随之减小。这可能是因为碳量子点既是良好的电子受体又是电子供体，而盐酸四环素结构中的多个羟基是电子受体，在光照条件下二者发生了光致电子转移，从而导致shellac-CQDs的荧光减弱[25]，且这种减弱趋势与盐酸四环素的质量浓度有关，因此，shellac-CQDs可以作为荧光传感器用于检测盐酸四环素。

图7 添加不同浓度盐酸四环素后shellac-CQDs的荧光光谱

工作曲线绘制结果表明，shellac-CQDs溶液中添加盐酸四环素后，其荧光峰面积变化值与盐酸四环素的质量浓度在0.020～0.100 g/L范围内呈良好的线性关系，线性拟合后可得标准工作曲线方程y=4.87x-0.001 3，线性相关系数R2=0.999 3，检出限为0.010 g/L。

2.3.3初步应用结果 如表1所示，自来水、猪饲料和鸡饲料的9个样品添加了不同质量浓度的盐酸四环素，以shellac-CQDs 为荧光传感器检测盐酸四环素样品。实验结果表明：该方法的样品回收率在96.9%～107.7%之间，相对标准偏差(RSD)在1.9%～5.5%之间，说明该方法准确性较高，重复性较好。因此，shellac-CQDs作为荧光传感器用于检测盐酸四环素的荧光检测方法具有潜在实际应用价值。

表1 shellac-CQDs的初步应用结果

3 结 论

3.1以漂白紫胶为原料，采用水热法一步合成水溶性的可发射蓝色荧光的shellac-CQDs，FT-IR、XPS、TEM和DLS分析表明：样品主要含有碳和氧元素，是由芳环结构和大量含氧官能团构成，平均粒径2.0 nm。

3.2光学性质测试结果表明：shellac-CQDs的荧光最佳激发波长为320 nm，最大发射波长为432 nm左右，发射范围位于370～600 nm区间，反应液的pH值对CQDs的荧光强度具有较大的影响；UV-vis测试结果显示其在289 nm 处有最大吸收峰。

3.3shellac-CQDs中加入盐酸四环素会导致其荧光强度大幅度降低，当盐酸四环素质量浓度在0.02～0.10 g/L 范围内时，其与shellac-CQDs的荧光峰面积变化呈现良好线性关系。初步应用结果表明：以shellac-CQDs为荧光传感器检测自来水或饲料中盐酸四环素的含量，样品的回收率在96.9%～107.7%之间，相对标准偏差(RSD)在1.9%～5.5%之间，说明该方法准确性较高，重复性较好，具有潜在实际应用价值。