吲哚-6-羧酸修饰荧光碳点的制备及金属离子检测

云 卉 ,李可可 ,白靖 ,代晓敏

(1.榆林学院 化学与化工学院,陕西 榆林 719000;2.西安科技大学 化学与化工学院,陕西 西安 710054)

重金属离子污染对生态系统和人类健康造成了严重威胁。传统的金属离子检测手段如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法、光电子能谱法和伏安法等不仅成本高、同时还涉及复杂的样品制备和仪器检测过程[1-2]。因此,开发经济、灵敏、选择性高且操作简单的新型金属离子检测技术成为科研工作者的研究重点。

碳点(Carbon Dots,简写为CDs)是一种尺寸小于10 nm 的新型零维碳纳米材料[3-5],具有良好的水溶性和稳定性、优异的生物相容性、独特的荧光性能以及可调的物理化学性质等诸多优点,近年来在重金属离子检测领域受到了广泛的关注[6-12]。目前,不同碳源被用于荧光碳点的合成,包括碳材料(如石墨、碳管、碳纤维、煤炭等)、天然生物质(如水果、蔬菜、茶叶、面粉、植物叶等)、小分子(如葡萄糖、L-色氨酸、EDTA、柠檬酸等)、聚合物(如聚噻吩苯丙酸、聚乙二醇)等。根据碳源的不同,CDs 合成方法则主要分为“自上而下”和“自下而上”两个途径,具体包括激光辐照、化学氧化、水热、超声波、热解、微波合成等方法[13-16]。从分子层面来讲,CDs由sp2杂化共轭碳核心以及—COOH、—NH2、—OH等表面有机官能团构成,其表面的功能基团能够与金属离子相互作用,从而提高其对金属离子的检测活性[17-19]。此外,研究表明,当采用氮、硫、硼等杂原子掺杂CDs,杂原子的加入,不仅可以提供更多的与金属离子相互作用的位点,改善CDs 的键合性能,而且可以改变CDs 表面化学性质和电子性质,有效地提高CDs 的光致发光性能。此外,杂原子掺杂还可以引起紫外/可见光谱的红移,增强CDs 的化学传感能力,从而进一步增强其金属离子检测的选择性和灵敏度[20]。

本文以乙二胺(EDA)为碳源,吲哚-6-羧酸(6-Cy)为修饰剂,通过一步水热法成功制备了荧光碳点。所制备的EDA-6-Cy CDs 尺寸均一、具有良好的水溶性,对于金属铝离子有良好的的选择性和灵敏度。

1 实验

1.1 化学药品和试剂

乙二胺(EDA,质量分数≥99%,分析纯,天津达茂化学试剂厂),吲哚-6-羧酸(分析纯,上海生物科技有限公司),氢氧化钠(NaOH,分析纯,杭州恒鑫达化工有限公司),透析袋(分子量1000,美国联合碳化),去离子水(自制)。所需的金属离子溶液通过对应的盐用去离子水稀释制得。

1.2 碳点的制备

将0.20 g 6-Cy 和0.05 g NaOH 溶于70 mL 去离子水中,滴加82 μL EDA(6-Cy 与EDA 摩尔比为1 ∶1),室温下磁力搅拌10 min,得到均一透明溶液。随后将溶液转移至100 mL 反应釜中,在180 ℃水热反应8 h。冷却至室温,得到的液体经22 μm滤膜过滤,除去悬浮物。滤液在去离子水中透析48 h,然后冷冻干燥,获得EDA-6-Cy CDs 粉末。

1.3 碳点的表征

样品的形貌和结构采用高倍透射电子显微镜(HRTEM,H-7650,Japan)、傅里叶变换红外光谱(FTIR,Spectrum GX,U.S.A)进行表征。样品的紫外-可见吸收光谱采用美国Thermo-Fisher 紫外-可见分光光度计(UV-Vis,Evolution 220 型)进行测试,扫描范围为200～800 nm。样品的荧光光谱(PL)采用美国 Perkin Elmer 公司的LS 55 型荧光分光光度计进行分析。

1.4 金属离子的荧光检测

为了评价所制备的CDs 对金属离子的选择性,分别制备了15 种金属离子(Al3+、Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Hg2+、K+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+、Fe3+、Na+),浓度为0.005 mol/L,各取30 μL 金属离子溶液分别与3 mL 的EDA-6-Cy CDs 探针溶液混合,用紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计记录加入金属离子前后的探针溶液的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱。

1.5 碳点荧光与pH 值的关系

为了研究所制备的碳点与pH 值的关系,配制了以下溶液。

(1)磷酸盐缓冲溶液(PB)的配制:取19 mL 0.2 mol L-1NaH2PO4和81 mL 0.2 mol L-1的Na2HPO4·12H2O 混合均匀,即为0.2 mol L-1pH为7.5 的PB。随后通过调节加入的盐酸或氢氧化钠的量配制了pH 值分别为2.10、2.97、3.95、5.95、7.00、7.95、8.96、10.04、11.15 的缓冲溶液。

(2)碳点溶液的配制:取0.001 g 制备好的EDA-6-Cy CDs 于溶于10 mL 去离子水中,充分搅拌后转移至100 mL 容量瓶中,定容至100 mL(碳点溶液的浓度为0.01 mg/mL),贴好标签备用。

(3)不同pH 值碳点溶液的配制:取pH 为2.10、2.97、3.95、5.95、7.00、7.95、8.96、10.04、11.15 的缓冲溶液PB 各1.5 mL,分别与1.5 mL EDA-6-Cy CDs 溶液混合,摇匀备用。

用荧光分光光度计记录EDA-6-Cy CDs 在不同pH 值下的荧光光谱。

2 结果与讨论

2.1 形貌与结构

图1 为EDA-6-Cy CDs 的透射电镜照片。从图中可以看出,所制备的EDA-6-Cy CDs 近似圆球形,分散性良好,粒径大小约为5 nm。

图1 EDA-6-Cy CDs 的透射电镜图

图2 为6-Cy 和EDA-6-Cy CDs 的红外光谱图。与6-Cy 分子的红外光谱相比,EDA-6-Cy CDs在1 600 cm-1和1 380 cm-1附近的吸收峰更加明显,这分别对应与C=O 和C=C 键的特征吸收振动峰,而在3 350 cm-1～3 500 cm-1范围内尖锐的吸收峰则归属于O—H 伸缩振动峰,这表明6-Cy 修饰的EDA-6-Cy CDs 表面存在羰基和羧基基团。此外,在2 968 cm-1和2 836 cm-1处的吸收峰归属于C—H 伸缩振动峰,1 000 cm-1以下的吸收峰则可能由其他烷基键伸缩振动引起的。

图2 6-Cy 和EDA-6-Cy CDs 的红外光谱图

2.2 光学性能

图3(a)为EDA-6-Cy CDs 探针的紫外-可见吸收光谱。从图中可以看出,位于285 nm 左右的吸收峰对应于吲哚环的特征吸收峰,312 nm处的肩峰则归属于碳点的特征吸收峰。图3(b)是在激发波长为285 nm 时测得的荧光光谱图,可以看出EDA-6-Cy CDs 探针的最大荧光发射峰位于376 nm 处。

图3 EDA-6-Cy CDs 的(a)紫外-可见吸收光谱和(b)荧光光谱

2.3 碳点的pH 稳定性

为了探究EDA-6-Cy CDs 在不同pH 值下荧光强度的变化,测试了的pH 分别为2.10、2.97、3.95、5.95、7.00、7.95、8.96、10.04、11.15 碳点溶液的荧光光谱图。如图4a 所示,在强酸条件下(pH 值为2.10 和2.97),EDA-6-Cy CDs 的荧光强度明显高于其他pH 值时的荧光强度,且荧光发射峰发生明显红移。从图4b 中可以看出,pH 值为2.10 和2.97 时相对荧光强度明显变大,pH 在4～11 范围内时EDA-6-Cy CDs 的荧光强度比较稳定,这表明EDA-6-Cy CDs 在强酸条件下的稳定性较差,而在中性或碱性条件下EDA-6-Cy CDs 较为稳定。

图4 不同pH 条件下EDA-6-Cy CDs 的(a)荧光光谱图和(b)相对荧光强度曲线图

2.4 碳点对金属离子的选择性和灵敏度分析

基于EDA-6-Cy CDs 优异的光学性质,测试了其对15 种不同金属离子的荧光响应性能(如图5 所示)。从图5a 和5b 可知,Cu2+、Fe3+、Hg+三种金属离子对EDA-6-Cy CDs 的荧光猝灭较为明显。在加入Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、K+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+、Na+后,EDA-6-Cy CDs 的荧光强度则没有明显变化。然而,仅仅在加入Al3+之后,EDA-6-Cy CDs 溶液的荧光强度明显增强,这表明EDA-6-Cy CDs 对Al3+具有较高的选择性,其可以作为荧光探针用于Al3+的定性检测。

图5 EDA-6-Cy CDs 加入不同金属离子后的(a)荧光光谱和(b)离子选择性柱状图

为了探究EDA-6-Cy CDs 对Al3+的检测能力,进一步测试了不同Al3+浓度下DA-6-Cy CDs 溶液的荧光光谱(如图6 所示)。从图6(a)中可以看出,随着加入的Al3+浓度逐渐增大,EDA-6-Cy CDs 的相对荧光强度有所增大。当Al3+浓度小于0.02 mmol/L 时,EDA-6-Cy CDs 的荧光强度没有明显变化,且荧光特征发射峰发生了蓝移;而当Al3+浓度大于0.02 时,EDA-6-Cy CDs 的荧光强度增强则较为明显,这表明EDA-6-Cy CDs 对于较高浓度的Al3+具有良好的检测效果。

图6 EDA-6-Cy CDs 加入不同浓度Al3+后的(a)荧光光谱和(b)相对荧光强度曲线图

3 结论

采用水热法成功制备得到一种新型EDA-6-Cy CDs,其尺寸均一且具有良好的水溶性。将EDA-6-Cy CDs 作为荧光探针,其对Al3+具有高的选择性。当Al3+浓度大于0.02 mmol/L 时,EDA-6-Cy CDs对Al3+的灵敏度更高。所制备的EDA-6-Cy CDs 荧光探针在水环境监测方面有良好的应用潜力。