芒果叶碳量子点的制备及其荧光性能研究

张 超，袁 涛，覃姣兰，王玉椒，李秀林，林莉瞻

（广西高校桂西区域生态环境分析和污染控制重点实验室，广西芒果生物学重点实验室，百色学院化学与环境工程学院，广西 百色 533000）

碳量子点（CQDs）是一种粒子尺寸在10nm以下、单分散、近乎类椭球型的一种碳纳米材料，在金属离子识别与检测、pH值检测、生物成像、光致发光、光电转换等领域的应用广泛，具有较好的应用前景。制备碳量子点的原料来源广泛，成本低，碳水化合物、蜡烛灰、炭黑、生物基质等均能被用作碳源。以草莓为碳源，在180℃下反应12h制备的尺寸为5.2 nm左右的蓝色荧光碳量子点（CQDs），量子产率为6.3%。该碳量子点对Hg2＋响应敏感，可以检测痕量Hg2＋，检测限为 3nmol・L-1[1]。刘文[2]采用水热反应法，用心里美萝卜合成了一种蓝色荧光碳量子点，直径为1.2~6 nm，量子产率为13.6%，对 Fe3＋的检测限是 0.13μmol・L-1。穆海峰课题组[3]以紫甘蓝素为合成原料，硼氢化钠溶液为氧化还原剂，采用水热合成法合成了碳量子点ZGLCQDs。该碳量子点在水溶液中对Cu2＋的测定浓度范围约为 0.6×10-6~2.60×10-6mol・L-1，检出限为3.16×10-7mol・L-1。此外，菠菜[4]、香菇[5]、废茶叶[6]、木质素[7]、枫叶[8]、烟灰[9]等也可作为碳源，合成的碳量子点在金属离子检测及成像方面具有突出的应用。

百色是芒果之乡，为此，我们以芒果叶为原料，采用水热法合成了芒果叶荧光碳量子点，研究其荧光性能，并研究其对各种金属离子的响应程度，以寻找一种可用于检测金属离子的高效、灵敏且环保的荧光探针。

1 实验部分

1.1 材料、试剂与设备

芒果叶洗净、烘干至恒重，粉碎，过筛，得到芒果树叶粉末，备用。实验中的无机盐及有机试剂均为分析纯。

YB-600A型高速粉碎机，F-7000型荧光分光光度计，TDZ5-WS型离心机，JA5003B型电子分析天平。

1.2 碳量子点的制备

1.2.1 芒果叶碳量子点（MG/CQDs）的制备

称量0.1 g芒果叶粉末装入聚四氯乙烯内胆中，加10mL超纯水，放入反应釜不锈钢套，置于200℃烘箱中反应5h，取出冷却至室温后，过0.22μm滤膜，得到棕色上清液。将上清液通过透析袋（分子截留量为1000Da），透析2~3d，获得MG/CQDs水溶液，4℃下避光保存，备用。

1.2.2 氮掺杂芒果叶碳量子点（MG/N-CQDs）的制备

称量芒果叶/尿素含量分别为0.1g/0.1g、0.1/0.2g、0.2g/0.1g的3份样品，加入10mL超纯水，按照MG/CQDs的制备方法，制备相应的碳量子点。用荧光分光光度计对3个不同原料的碳量子点进行测定，发现按1∶2比例制备的碳量子点的荧光强度最高，后续实验按此比例进行。该量子点命名为MG/N-CQDs。

1.3 MG-CQDs/MG/N-CQDs的荧光性能实验

1.3.1 激发波长的选择

取MG-CQDs原溶液稀释103倍，分别以290、295、300、305、310nm 为激发波长，测定其发射光谱。取相同体积的MG/N-CQDs原溶液稀释104倍，分别以 300、305、310、320nm 为激发波长，测定其发射光谱。根据发射光谱与激发光谱的强度及对称性，确定碳量子点的最佳激发波长。MG-CQD水溶液的最佳激发波长为300 nm，MG/N-CQDs水溶液的最佳激发波长为305 nm。后续MG-CQD和MG/N-CQDs的荧光性能实验，均在该激发波长下进行。

1.3.2 pH值的影响

分别取5mL稀释后的MG-CQDs溶液至12只10mL的比色管中，参考文献[10]，用0.1mol・L-1盐酸溶液、0.01mol・L-1PBS缓冲溶液、0.01mol・L-1Tris-HCI缓冲溶液和0.1mol・L-1NaOH溶液，在1.0~12.0范围内调节pH，定容，用荧光分光光度计测定不同的pH对MG-CQDs/MG/N-CQDs荧光强度的影响。

1.3.3 抗盐性实验

在7只10 mL的比色管中，分别取5 mL稀释104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs溶液，再加NaCl溶液定容至10 mL，使得最终NaCl浓度分别为0、0.25、0.50、0.75、1.25、2.00、2.50mol・L-1，测定各样品的荧光强度。

1.3.4 抗光漂白性实验

将稀释104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs原溶液，置于365nm的紫外光下分别照射0、10、20、30、40、50、60、70 min 后，测定其荧光强度。稀释 104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs原溶液放置0d、7d、14d、25d、32d 后，测定其荧光强度。

1.4 不同金属离子对碳量子点荧光的影响

取5mL稀释104倍的MG-CQDs和MG/N-CQDs原溶液至9支10mL的比色管中，分别加5 mL 浓度为 2.5μM 的 Cr2＋、Cd2＋、Cu2＋、Ni2＋、Co2＋、Ba2＋、Mn2＋、Fe2＋、Pb2＋的水溶液，混合均匀后，测定其荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 MG-CQDs/MG/N-CQDs的光学特性

图1为稀释103倍后的MG-CQDs和稀释104倍后的MG/N-CQDs溶液，在不同激发波长下的荧光发射光谱。激发波长为290~310nm时，MGCQDs溶液的荧光强度逐渐降低；激发波长为300nm时，在410nm处有最大荧光发射（I=9466)，因此选择300nm为MG-CQDs的激发波长。激发波长在300~320nm变化时，MG/N-CQDs的荧光发射光谱向右移动，且荧光强度下降；激发波长为305nm时，在400nm处的荧光强度最大（I=5328），且用发射波长400nm反扫激发波长，在305nm处有一强激发峰，因此选择305nm为MG/N-CQDs的激发波长。

图1 不同激发波长下MG-CQDs和MG/N-CQDs的荧光发射光谱图

2.2 溶液pH对碳量子点荧光的影响

图2是在pH为1~12的溶液中，MG-CQDs和MG/N-CQDs分别在波长300nm和波长305nm下激发时，在410nm和400nm处的荧光强度。由图可知，MG-CQDs的荧光强度在pH=1~10区间基本不变，在pH=10~12区间，荧光强度稍有增加，但不明显。MG/N-CQDs的荧光强度在一定程度上受到酸碱度的影响。pH＜3时，MG/N-CQDs的荧光强度的下降较为明显，从4000a.u下降到3250a.u；pH=6~8时，MG/N-CQDs的荧光强度的变化幅度较小；pH=9~12时，MG/N-CQDs的荧光强度的增幅较大，从3650 a.u升高到4248 a.u。

图2 MG-CQDs和MG/N-CQDs在不同pH值下的荧光强度

可见，在极强酸和强碱性条件下，MG/N-CQDs的荧光强度不稳定，其变化原理可能与MG/N-CQDs表面的基团有关。掺氮量子点表面往往存在大量的羧基和氨基基团，在强酸性和强碱条件下，CQDs表面可能发生质子化和去质子化作用，从而引起该分子中的表面电荷含量发生变化[11]。

2.3 MG-CQDs和MG/N-CQDs的抗盐性

研究表明，离子强度对纳米材料具有较大影响。图3是不同的NaCl浓度对MG-CQDs和MG/N-CQDs荧光强度的影响。随着NaCl的浓度增加，MG-CQDs的荧光强度几乎没有变化，说明离子强度对MG-CQDs的影响较小；而MG-CQDs的荧光强度随着NaCl的浓度增加发生了小幅度的波动，但总体变化不大，说明MG-CQDs和MG/N-CQDs具有良好的抗盐能力，有利于其在生化分析领域的应用，特别是合成的绿色荧光CQDs可作为荧光探针，应用于痕量分析。

图3 不同浓度的NaCl对MG-CQDs和MG/N-CQDs荧光强度的影响

2.4 MG-CQDs和MG/N-CQDs的抗光漂白性

为了考察MG-CQDs和MG/N-CQDs的光学稳定性，将其水溶液置于365nm紫外灯下照射70min，结果见图4。MG-CQDs的荧光强度不受紫外光的影响，说明MG-CQDs具有良好的抗光漂白性。而MG/N-CQDs的荧光强度随着紫外光照射时间的增加，出现了较明显的下降，光照70min后，荧光强度从3865a.u降到2768a.u，可见光照对MG/N-CQDs的荧光具有猝灭作用。

图4 紫外灯照射对MG-CQDs和MG/N-CQDs荧光强度的影响

同时将2份量子点溶液放在5℃的冰箱保存1个月，每隔一段时间测1次荧光强度，结果见图5。与紫外灯照射的结果一样，MG-CQDs的荧光强度几乎没有变化，而MG/N-CQDs的荧光强度随着时间的推移而逐渐下降，从3890a.u降到2669a.u。这一结果进一步说明MG-CQDs具有抗光性，而MG/N-CQDs对光不稳定。

图5 放置时间对MG-CQDs和MG/N-CQDs荧光强度的影响

2.3 MG-CQDs和MG/N-CQDs对不同离子的选择性

碳量子点探针对金属离子具有较好的灵敏性和选择性，近年来关于生物基碳量子点用于检测金属离子的报道层出不穷。图6是浓度为2.5μM的金属离子对MG-CQDs和MG/N-CQDs荧光强度的影响，图中的F0为未加入金属离子时碳量子点的荧光强度，F为加入金属离子后碳量子点的荧光强度。由图6可见，金属离子对MG/N-CQDs的荧光猝灭比 MG-CQDs强，其中 Cu2＋对 MG/N-CQDs的猝灭作用最大，加入2.5μM的Cu2＋后，MG/N-CQDs的荧光强度从F0= 3760下降到F= 774.7，可见MG/N-CQDs对Cu2＋具有较敏感的选择性。

图6 MG-CQDs和MG/N-CQDs对不同金属离子的荧光响应

考察了不同浓度的Cu2＋对MG/N-CQDs溶液的荧光强度的影响，结果见图7。加入2μL、2.5μM的Cu2＋后，MG/N-CQDs的荧光强度显著下降，从3076a.u降到936.9a.u，荧光猝灭达69.5%，之后随着Cu2＋的浓度增加，荧光强度缓慢下降，但总体上不呈线性关系。可见MG/N-CQDs对Cu2＋具有较好的选择性，但不具备线性关系，只能进行定性分析。

图7 不同浓度的Cu2+对MG/N-CQDs荧光的响应图谱

3 结论

本文以芒果叶为碳源，尿素为氮源，采用一步水热法制备了具有荧光性能的芒果叶碳量子点（MG/CQDs）和掺氮芒果叶碳量子点（MG/N-CQDs）。相同浓度下，MG/N-CQDs的荧光强度比MG/CQDs高；MG-CQDs和MG/N-CQDs都具有良好的抗盐能力；MG-CQDs的pH耐受性和抗光漂白性强于MG/N-CQDs。在对金属离子的识别分析中，MG/N-CQDs对Cu2＋表现出特异选择性，具有开发成检测Cu2＋的荧光探针的潜力。