一步水熱法合成的石墨烯量子點(diǎn)及其在錳離子探測(cè)中的應(yīng)用

吳春霞，宋澤琳

(1.江蘇大學(xué)江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光子制造科學(xué)與技術(shù)中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210096)

1 引 言

石墨烯是一種sp2軌道雜化的單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀的碳質(zhì)新材料［1-2］，厚度只有0.335 nm，相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的20萬(wàn)分之一，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料(如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨)的基本單元［3］。石墨烯是零能隙的半導(dǎo)體，由于缺少帶隙而沒(méi)有熒光的缺點(diǎn)限制了它在光電方面的應(yīng)用。將二維的石墨烯轉(zhuǎn)變成尺寸小于10 nm的石墨烯量子點(diǎn)(Graphene quantum dots，GQDs)［4］，或?qū)⑹┕δ芑寄苡行У卣{(diào)整石墨烯的帶隙。制備GQDs的方法主要分為自上而下和自下而上兩大類(lèi)。自上而下的方法［5-8］就是用物理和化學(xué)的方法將大塊石墨烯材料切割成小尺寸的GQDs，包括水熱法、電化學(xué)氧化法、強(qiáng)酸氧化剝離纖維法、微波超聲分解法和等離子處理法等。這類(lèi)方法步驟相對(duì)簡(jiǎn)單、產(chǎn)率較高，是目前應(yīng)用最多的一類(lèi)方法［9］，但是不能達(dá)到對(duì)形貌和尺寸的控制。自下而上的方法［10-11］則是將有機(jī)小分子聚合成稍大尺寸的GQDs。這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GQDs形貌和尺寸的精確控制，但步驟繁瑣而且操作過(guò)程復(fù)雜。GQDs擁有石墨烯和量子點(diǎn)雙重的優(yōu)異性能，不含重金屬元素，具有低毒性和良好的生物相容性。GQDs中的π-π共軛網(wǎng)絡(luò)和豐富的表面含氧官能團(tuán)使其具有很好的表面連接性能和很大的比表面積。上述優(yōu)點(diǎn)使GQDs可以作為熒光探針應(yīng)用于生物成像和離子探測(cè)等方面，目前已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道用 GQDs 探 測(cè) 銅 離 子［12］、鐵 離 子［4］、汞 離子［13］、鎳離子［14］和鉛離子［15］等。

錳是人體必需的微量元素之一，是構(gòu)成正常骨骼的必要物質(zhì)，也是一些抗氧化酶(如過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶)的重要組成成分［16］。然而，攝取過(guò)量的錳元素對(duì)人體是有害的，會(huì)引起錳中毒，重度錳中毒可使人出現(xiàn)暴躁、幻覺(jué)等癥狀，引起帕金森氏綜合癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病［17］。由于GQDs具有優(yōu)異的熒光性能、生物相容性和低毒性，因此可以作為Mn2+檢測(cè)的理想探針。與原有的電子光譜法、化學(xué)改性劑電熱原子吸收光譜法等檢測(cè)方法相比，以GQDs為探針的檢測(cè)方法在操作上更為簡(jiǎn)單，靈敏度也更高。

目前比較常用的GQDs合成方法是Pan等［18-19］使用的以二次氧化的石墨烯為前驅(qū)體的水熱法。本文對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用一步水熱法，直接以還原氧化石墨烯為原料制備出了GQDs。這種方法不需要經(jīng)過(guò)二次氧化，簡(jiǎn)化了步驟，具有工藝簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。所制備的GQDs粒徑大小均一，分散性良好，表現(xiàn)出激發(fā)波長(zhǎng)不依賴的熒光性能。在此基礎(chǔ)上研究了Mn2+對(duì)GQDs熒光的猝滅效應(yīng)，并以此構(gòu)建熒光探針來(lái)檢測(cè)Mn2+，拓展了GQDs在傳感探測(cè)方面的應(yīng)用。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 石墨烯量子點(diǎn)的制備

以鱗片石墨為原料，采用改性Hummer法［20］制備氧化石墨。將氧化石墨置于N2氣氛的中溫管式爐中500℃下加熱還原2 h(加熱速率為10℃/min)，然后利用得到的還原氧化石墨進(jìn)行GQDs的制備。首先，稱(chēng)取50 mg的還原氧化石墨烯放置在燒杯中，加入40 mL的超純水，超聲5 h(40 kHz，600 W)。然后，用NaOH溶液調(diào)節(jié)所得溶液的pH值至12，轉(zhuǎn)移到50 mL的反應(yīng)釜中，在200℃下加熱反應(yīng)12 h。最后，將得到的棕色懸浮液用微孔濾膜過(guò)濾后用8000Da的透析袋透析48 h，即得到粒徑均勻的GQDs溶液。

2.2 性能測(cè)試

利用透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)樣品的形貌進(jìn)行表征。采用傅立葉變換紅外光譜儀(美國(guó)熱電尼高力公司NEXUS)測(cè)量紅外光譜。使用UV-2550紫外分光光度計(jì)和F-4600熒光光譜儀研究樣品的熒光特性。

2.3 Mn2+的探測(cè)

將MnSO4固體溶解配成1mol/L的Mn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液。取3 mL的GQDs溶液，依次加入20μL的Mn2+，室溫下反應(yīng)10 min，測(cè)其在300 nm光激發(fā)下的熒光光譜。

3 結(jié)果與討論

圖1(a)為 GQDs的 TEM圖像，可以看出GQDs近似球形，尺寸均一，分散性良好。圖1(b)是GQDs的粒徑分布圖，可以看出大多數(shù)GQDs的尺寸為1.6 nm，而通過(guò)Nanomeasure軟件計(jì)算得出的石墨烯量子點(diǎn)的平均尺寸為1.8 nm。

為了進(jìn)一步確認(rèn) GQDs的形貌，我們利用AFM獲得了的GQDs的形貌和高度分布圖，如圖2所示。從圖2(a)中可以看到，GQDs尺寸均一，均勻分散排布，這與TEM圖的結(jié)果一致。圖2(b)是圖2(a)中從a點(diǎn)到b點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的GQDs的高度分布曲線，大部分的GQDs高度為1.8 nm，說(shuō)明所合成的GQDs大致有3層石墨烯的厚度，這與TEM的結(jié)果有很好的一致性。綜合對(duì)TEM和AFM的分析可以確定，所制備的GQDs尺寸約為1.8 nm，分散均勻，近乎球狀。

圖1 石墨烯量子點(diǎn)的TEM圖像(a)和粒徑分布圖(b)Fig.1 TEM image(a)and lateral size distribution(b)of GQDs

圖2 石墨烯量子點(diǎn)的AFM圖像(a)和高度分布圖(b)Fig.2 AFM image(a)and height distribution(b)of GQDs

圖3 (a)為GQDs的FTIR光譜。從圖中可以看出GQDs表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，1 624 cm－1處為— ==C O/—COOH的伸縮振動(dòng)峰，3 488 cm－1處為—OH 的伸縮振動(dòng)峰，1 380 cm－1處為C—H鍵的振動(dòng)峰，1 105 cm－1處為C—O的伸縮振動(dòng)峰。與石墨烯的 FTIR譜相比，位于1 052 cm－1的C—O—C處伸縮振動(dòng)峰消失，這驗(yàn)證了水熱法的反應(yīng)機(jī)理——拉開(kāi)拉鏈機(jī)制［19］。氧化石墨中的含氧官能團(tuán)如環(huán)氧基團(tuán)(C—O—C)、羧基、羥基等，在熱還原過(guò)程中不能完全去除。在水熱處理過(guò)程中，殘留的環(huán)氧鍵成線形排列，這樣容易斷裂，斷開(kāi)后會(huì)氧化成更加穩(wěn)定的 ==C O/COOH基團(tuán)。通過(guò)這樣的方式，大塊的石墨烯就被切割成尺寸較小的量子點(diǎn)。圖3(b)是GQDs的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，可看到GQDs在紫外區(qū)有很強(qiáng)的吸收，而且在300 nm處有一個(gè)明顯的吸收峰，這和GQDs中含有的芳香烴結(jié)構(gòu)引起的π-π*躍遷有關(guān)。這種多環(huán)芳香烴結(jié)構(gòu)表明GQDs保留了石墨烯的結(jié)構(gòu)，從側(cè)面也驗(yàn)證了拉開(kāi)拉鏈機(jī)制。

圖3 石墨烯量子點(diǎn)的紅外光譜(a)和紫外-可見(jiàn)吸收光譜(b)Fig.3 FTIR(a)and UV-Vis absorption(b)of GQDs

圖4 (a)為GQDs在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光光譜。由圖可知，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從290 nm變到320 nm時(shí)，最強(qiáng)發(fā)射峰位基本不變，表現(xiàn)出激發(fā)波長(zhǎng)不依賴的熒光特性，這和所制備的GQDs尺寸均一［21］、其所含的sp2團(tuán)簇表面狀態(tài)一樣有關(guān)。熒光發(fā)射峰強(qiáng)而窄，證明GQDs具有優(yōu)異的熒光性能。最佳激發(fā)波長(zhǎng)為300 nm，在該激發(fā)波長(zhǎng)下，GQDs的熒光最強(qiáng)，因此，我們選擇在300 nm激發(fā)光下研究Mn2+對(duì)GQDs熒光的猝滅效應(yīng)。圖4(b)是不同pH值下的GQDs的熒光光譜，可以看出GQDs的熒光在中性條件下最強(qiáng)，在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境中都會(huì)減弱，并且在堿性環(huán)境中強(qiáng)于酸性環(huán)境。這是因?yàn)樵谒嵝原h(huán)境中，官能團(tuán)間的氫鍵作用會(huì)引起GQDs團(tuán)聚，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低;在堿性環(huán)境中，羥基和羧基去質(zhì)子化而帶負(fù)電荷，GQDs在負(fù)電荷之間的排斥作用下恢復(fù)單分散，從而使熒光恢復(fù)。由于所制備的GQDs溶液呈中性，而在中性環(huán)境中GQDs熒光最強(qiáng)。因此在檢測(cè)Mn2+時(shí)無(wú)需再調(diào)節(jié)GQDs溶液的酸堿度。

圖4 (a)石墨烯量子點(diǎn)的熒光光譜;(b)pH值對(duì)石墨烯量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響。Fig.4 (a)PL spectra of GQDs.(b)Effects of pH on fluorescence intensity of GQDs.

為了研究Mn2+對(duì)GQDs熒光的影響，我們向GQDs溶液中逐次加入20μL的 Mn2+溶液，反應(yīng)10 min后測(cè)其熒光強(qiáng)度。如圖5(a)所示，隨著Mn2+濃度的增加，GQDs的熒光強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到400μmol/L時(shí)，GQDs的熒光基本猝滅。當(dāng)Mn2+濃度范圍為0～400μmol/L時(shí)，體系的相對(duì)熒光強(qiáng)度比(F/F0)與Mn2+濃度呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為F/F0=0.8263－0.0015c，相關(guān)系數(shù) R=0.994。因此，根據(jù) Mn2+對(duì)GQDs熒光強(qiáng)度的影響可以測(cè)定溶液中Mn2+的濃度。雖然有一些文獻(xiàn)報(bào)道了金屬離子猝滅GQDs熒光的機(jī)理，但是現(xiàn)在仍未明確。我們推測(cè):由于GQDs表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，因而帶有負(fù)電性，可以充當(dāng)電子供體;當(dāng)加入帶正電的Mn2+后，Mn2+會(huì)充當(dāng)電子受體，通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移作用改變了GQDs的電子態(tài)，從而引起熒光猝滅。并且GQDs表面的—OH與Mn2+之間有很強(qiáng)的結(jié)合力，會(huì)形成GQDs-Mn復(fù)合物，引起GQDs聚集長(zhǎng)大，也會(huì)導(dǎo)致GQDs的熒光猝滅。

圖5 加入不同濃度Mn2+后的石墨烯量子點(diǎn)的熒光光譜(a)和線性回歸曲線(b)Fig.5 Fluorescence intensity response of GQDs to the concentration Mn2+(a)and linear regression curve of PL intensity vs.Mn2+(b)

4 結(jié) 論

采用一步水熱法成功制備出了近似球形、分散性良好、平均尺寸為1.8 nm的 GQDs。GQDs的表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，在紫外區(qū)有很強(qiáng)的吸收，紫外發(fā)射峰強(qiáng)而窄，并且表現(xiàn)出激發(fā)波長(zhǎng)不依賴的熒光性能。所使用的一步水熱法大大縮短了制備時(shí)間，不需要使用濃硫酸和濃硝酸等強(qiáng)氧化試劑，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。Mn2+可以有效猝滅GQDs的熒光，當(dāng)Mn2+濃度范圍為0～400 μmol/L時(shí)，GQDs的相對(duì)熒光強(qiáng)度與Mn2+濃度呈良好的線性關(guān)系。以GQDs為熒光探針的Mn2+檢測(cè)方法具有方法簡(jiǎn)便、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，本文的工作進(jìn)一步拓寬了 GQDs在傳感探測(cè)方面的應(yīng)用。

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