一种新型具有氧化性的碳点合成与结构表征

黄 娟，陈莹莹，王 可，张 坤，聂琪峰，卢东明，赵上昊，刘友勋

（新乡医学院 生命科学技术学院，河南 新乡 453003）

碳点（Carbon dots CDs），又称碳量子点或碳纳米点，是一类新型的具有显著荧光的碳纳米材料，由离散的准球型碳纳米粒子组成，其超细尺寸一般小于10 nm[1-2]。近年来，碳量子点作为一种荧光材料，由于具有安全、无毒性及良好的生物相容性，已经引起了广大科学工作者们极大兴趣。碳点由于其出色的光稳定性、良好的生物相容性、低毒性、对目标分析物的高灵敏度和出色的选择性、可调节的荧光发射和激发、高量子产率和大的斯托克斯位移，而被广泛应用于光电子学、过渡金属离子检测、荧光油墨、光催化、传感器和细胞成像等领域[3]。与传统的具有毒性的量子点相比，碳点具有良好的水溶性，绿色环保和制备简便性等优点成为有效的传统量子点的替代物。近年来，出现了大量针对目标检测物使碳量子点荧光淬灭现象的研究，其中包含了不同的淬灭机理，如光诱导电子转移，共振能量转移和内滤效应等，利用这些机理可实现荧光碳点对苦味酸、硫胺素、叶酸受体、谷胱甘肽和癌胚抗原等的选择性检测[4]。例如，有科学研究者合成了氮掺杂的碳点，在有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖生成过氧化氢，其与亚铁离子反应产生羟基自由基，从而使N-CDs 的荧光发生猝灭，以此实现对葡萄糖的检测[5]。CDs 的合成方法有很多种，如化学氧化、水热碳化、电化学氧化、燃烧/热微波加热和辅助合成、激光烧蚀和热解[6]。

为了扩大CDs 在更多领域的应用，有必要使其功能多样化。有文献报道表明，通过CDs 的表面修饰或掺杂其他原子是使CDs 功能化的2 种常用策略。文献表明，二价的铜离子有一定的氧化性能[6]。为了提高CDs 的氧化性能，本文通过一步水热法在反应液中加入铜离子，使合成的CDs 通过表面基团与铜离子结合，获得铜离子掺杂的CDs，分析其结构特征，验证合成的CDs 对邻苯二胺有良好氧化性能，为扩大CDs 的应用领域提供实验基础。

1 实验

1.1 实验药品

所有试剂均为分析级，未经进一步纯化即按采购使用，二水氯化铜，乙二胺四乙酸二钠，邻苯二胺。

1.2 主要仪器

高压釜，烘箱，纯水仪，微孔滤膜，磁力搅拌器，低温高速离心机，透射电子显微镜，傅里叶红外光谱仪，荧光分光光度计，紫外-可见分光光度计。

1.3 碳点的制备和纯化

本实验采用一步水热法合成含铜的碳点（Cu，NCDs）和作为对照的不含铜碳点（N-CDs）。首先，将乙二胺四乙酸二钠溶液（0.1 M）和二水氯化铜溶液（0.1 M）混合，混合液体积为15 ml。然后，将其加入到容量为25ml 的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中。将以上混合物放在烘箱里，在180 ℃下加热6 h，待高压釜冷却至常温后取出产液。用0.22 μm 微孔滤膜过滤上层绿色产液，除去沉淀，所得滤液用透析袋（500~1 000 Da）透析24 h，目的是除去滤液中未反应的原料和其他副产物。最后，将透析后的滤液进行冷冻干燥，得到含铜的碳点Cu，N-CDs。在制备对照组的不含铜碳点时，除开在反应混合液中不加二水氯化铜外，其他步骤和上述一致，最后得到不含铜的对照组碳点N-CDs。

1.4 Cu，N-CDs 对邻苯二胺的氧化和检测

建立荧光比率法检测邻苯二胺标准曲线的具体操作是，先配置终浓度在0~1 mg/L 之间的邻苯二胺溶液。在1.5 ml 的EP 管中，加入800 μl 的Tris-HCl 缓冲液（pH=7.0），100 μl 的Cu，N-CDs 溶液和100 μl 不同浓度邻苯二胺溶液。将EP 管置于金属浴中，50 ℃下反应20 min，在360 nm 激发波长下，用荧光分光光度计进行测定，分别记录430 nm、560 nm 处的荧光强度值，并计算荧光比值F430/F560。以邻苯二胺浓度为横坐标，F430/F560 的比值为纵坐标建立荧光比率法检测标准曲线，用于邻苯二胺含量的测定。

2 结果与讨论

2.1 样品表征

用水热法合成碳点是一种常用方法，通过这个方法制备出对照组碳点N-CDs 的溶液呈现出浅灰色，而制备出含铜的碳点Cu，N-CDs 呈现出浅绿色，如图1（a）和（b），这种绿色是由于碳点中含有铜离子引起的。而当用紫外光照射Cu，N-CDs 溶液时，从图1（c）可以看到有蓝色的荧光发出，表明成功的制备出带有荧光的碳点。

图1 合成碳点的颜色和透射电镜图

通过电镜照对Cu，N-CDs 形态进行了观察，分别对不同放大倍数的碳点形态进行拍照观察。如图1（d）、（e）和（f），从200 nm 标尺的电镜照片可以看到，有一些碳点形成了聚集块，可能是部分碳点在高温中过度焦化聚集而成，而从20 nm 标尺的电镜照片可以看到很多分散的碳点，进一步从5 nm 标尺的电镜照片观察到球形的碳点且具有晶格形态，估计大小在1~10 nm 之间。用激光粒度分析仪进一步分析Cu，N-CDs 的粒径，图2 显示了大部分碳点的粒径在1~10 nm 之间，少部分碳点的粒径在100 nm~5 μm 之间，结果和电镜观察的结果基本吻合。

图2 Cu，N-CDs 粒径大小统计

用红外光谱表征了Cu，N-CDs 与N-CDs 之间的化学键。从红外光谱图3（a）看，Cu，N-CDs 与N-CDs 特征吸收峰有一定的差异。Cu，N-CDs 在伸缩振动500-2 000 cm-1范围内产生很多吸收峰，尤其在860 cm-1处有一个新的特征峰，这是由于Cu，N-CDs 的N-Cu-N 化学键的拉伸振动产生的，表明在碳点合成中Cu2+已经整合到了碳点中。从图3（b）中可以看出Cu，N-CDs 在紫外光260 nm处有一个明显的吸收峰，而对照的碳点N-CDs 溶液没有吸收峰，表明2 种碳点在结构上有一定的差异。

图3 合成碳点的红外光谱和紫外光谱

由图4 可知，当用320~420 nm 之间不同波长激发光照射Cu，N-CDs 溶液时，可以看到Cu，N-CDs 的荧光发射波长随着激发波长的变化而变化，而且强度先增强后减弱，表明Cu，N-CDs 的荧光波长对激发波长有一定的依赖性。同时还可以观察到当激发波长为360 nm 时，Cu，N-CDs 在430 nm 处有最大发射波长，所以后续的荧光实验中选用360 nm 作为最佳激发波长。

图4 不同激发波长光照射Cu,N-CDs 的荧光光谱变化

2.2 邻苯二胺的氧化和检测

如图5（a）所示，在pH7.0 的缓冲液中，Cu，N-CDs能将无色的邻苯二胺转化成黄色的产物，该产物在360 nm 波长的紫外光激发下能在560 nm 处产生黄色荧光，结果表明Cu，N-CDs 具有氧化活性。在该反应体系中，随着邻苯二胺浓度增加，其氧化产物量的也会增加，如图5（b）所示，使得荧光F560 值增强。另一方面，氧化产物对Cu，N-CDs 在430 nm 的蓝色荧光有内滤作用导致其F430 减弱，最终显示为F560/F430 的荧光强度比值逐渐增大。以邻苯二胺浓度为横坐标，F430/F560 的比值为纵坐标建立荧光比率法检测标准曲线，可用于邻苯二胺含量的测定，构建成一套荧光检测体系。如图6 所示，当邻苯二胺浓度在0~1 mg/L 范围时，经过线性拟合后，发现邻苯二胺浓度和F430/F560 比值存在良好的线性关系，其线性方程为y=0.827 6x+0.181 5，R2=0.996 3，检测限约为0.12 mg/L。

图5 Cu，N-CDs 氧化的邻苯二胺

图6 邻苯二胺被Cu，N-CDs 氧化后的F560/ F430 荧光比值和浓度间的线性拟合

3 结论

总之，本文通过简单的一步水热法成功地合成了含有铜离子的碳点（Cu，N-CDs）。在pH7.0 的缓冲液中，Cu，N-CDs 能将无色的邻苯二胺氧化成黄色的产物，证实了其具有氧化性，并且发现邻苯二胺浓度和F430/F560 荧光比值存在良好的线性关系，可用于邻苯二胺含量的测定，本实验结果为进一步扩大碳点的应用领域提供了实践基础。