碳量子點熒光猝滅法檢測鐵離子

劉雪萍 楊娟 白燕

摘要：以甘油為碳源，采用一步水熱法合成穩定性高，水溶性好的藍色熒光碳量子點，基于Fe3+對碳量子點的熒光猝滅效應，建立一種快速、選擇性檢測Fe3+的新方法。研究表明，Fe3+對碳量子點的熒光猝滅程度與Fe3+濃度在0.005～1.2 mmol/L內呈良好的線性關系（R2=0.995），檢出限為2.2 μmol/L。將其應用于補鐵藥中鐵含量的測定，標準偏差為0.41 mg/tablet，加標回收率為95.5%～101.0%，其結果與鄰二氮菲法測定結果相符。

關鍵詞 ：碳量子點；甘油；水熱法；鐵離子

1 引 言

鐵是人體內必需的微量元素之一，是構成血紅蛋白和血紅素的主要成分之一，在人體健康方面扮演著重要角色。人體內鐵含量過少或者過多都會引起各種疾病，如貧血癥[1]、帕金森綜合癥和阿爾茨海默病[2，3]、癌癥[4]等，因此對鐵含量檢測具有重要意義。目前，有多種測定鐵元素的方法，如紫外光譜法[5]、原子吸收法[6]，然而這些方法大多操作繁瑣，耗時長，測試費用高。與這些傳統檢測方法相比，熒光納米材料檢測具有靈敏度高、選擇性好、操作簡便的優勢。Mu等[7]采用納米金簇作為探針，利用Fe3+對納米金簇的熒光猝滅性質，高選擇性檢測了Fe3+。張靜等[8]采用微波法制備了丙三醇碳量子點，用作對Fe3+高選擇性的探針。

碳量子點在生物標記、生物成像、光電器械等領域的潛在應用價值備受關注。與傳統的熒光半導體量子點相比，碳量子點還具有毒性低、制備成本低、生物相容性良好、穩定性好的優勢。近年來，有大量關于碳量子點的制備方法的報道。Jia等[9]建立了一種低溫加熱維生素C和醋酸銅制備碳量子點的方法，該方法雖然簡單，但是必須加入醋酸銅，銅是一種重金屬，所以這并不是一種環保綠色的制備方法。Wang等[10]將石墨碳氧化物置于濃HNO3中，在120℃下回流，制得粒徑為（3.8±1.4） nm的熒光碳量子點，然而，在制備過程中使用強酸是危險的，并且后續需對產物進行中和，中和過程可能會導致碳量子點的熒光強度減弱。Pan等[11]通過在400℃一步熱解EDTA鹽，制備出熒光量子點產率高達31.6%～40.6%的碳量子點。Han等[12]以葡萄糖為碳源，通過長時間（5 h）高溫加熱，并以聚醚酰亞胺為修飾劑，合成了聚醚酰亞胺修飾的碳量子點，產物的熒光量子產率為3.5%。Liu等[13]以乙二醇為碳源，在140℃回流加熱6 h，通過離心、洗滌等步驟合成了碳量子點，熒光量子產率為25%。以上合成碳量子點的方法步驟繁瑣，條件苛刻，量子產率低，需要高溫、強酸等條件，這些缺點限制了碳量子點的應用。Wang等[14]對甘油、乙二醇、葡萄糖和蔗糖進行微波處理，在幾分鐘內制備出了碳量子點，但是制備過程必須添加少量無機離子作為輔助試劑。水熱法是一種簡單、高效制備碳量子點的方法。胥月等[15]以一步水熱法處理蘋果汁，制備了水溶性好及穩定性高的藍色熒光碳量子點，并用于高靈敏、高選擇性檢測Hg2+。Sahu等[16]通過對橙汁進行120℃水熱處理，制備出穩定性好和毒性低的碳量子點。最近，Chen等[17]通過水熱法處理大蒜，制備了氮硫共摻的碳量子點，并用于Fe3+的高靈敏檢測。

本研究選用價低、易得的甘油作為碳源，通過一步水熱法制備了穩定性高、水溶性好的碳量子點。同時，利用Fe3+對碳量子點熒光猝滅的特性，建立了檢測Fe3+的方法，并用于補鐵藥中鐵含量的測定。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

970CRT熒光分光光度計（上海儀電分析儀器有限公司），Cary 5000紫外可見光譜儀（美國瓦里安公司），ZF1型三用紫外分析儀（上海驥輝科學分析儀器有限公司）。

甘油（C3H8O3，天津市富宇精細化工有限公司）；硫酸喹啉（華威銳科公司（北京））；其它試劑購于上海化學試劑廠和廣州化學試劑廠；所有試劑均為分析純，直接使用未經進一步提純。截留分子量為500的MD36mm透析袋（上海MYM生物技術有限公司）。實驗用水為實驗室制取的超純水。

2.2 碳量子點的制備

碳量子點（CDs）按照文獻[13]的方法進行制備。不同的是，本研究采用一步水熱法替代了文獻[13]中的微波法，且不需添加無機離子作為輔助試劑。制備方法如下：將10 mL甘油移至聚四氟乙烯襯里不銹鋼反應釜中，在180℃下水熱18 h。待冷卻至室溫后，加二次蒸餾水稀釋至50 mL，得到的CDs溶液用截留分子量為500的透析袋透析24 h。

2.3 碳量子點熒光特性和Fe3+的檢測

將5.00 mL CDs溶液移入試管中，加入適量Fe2（SO4）3溶液，搖勻，CDs溶液中Fe3+的最終濃度為0～2000 μmol/L。按以上步驟配制16種相同濃度的不同金屬離子的CDs溶液。不同的金屬離子在CDs中的最終濃度為1.0 mmol/L。所有溶液均在室溫下孵化15 min后，在360 nm的激發波長下進行熒光測試。考察pH值對CDs熒光強度的影響時，用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L HCl調節CDs測試液的pH值。

選用購自廣州市藥店某品牌補鐵藥。取4片藥研成粉末狀，溶解于5 mL濃H2SO4 中，直至粉末完全碳化成黑色，于電爐上加熱，并逐漸加入 HNO3和 H2O2的混合溶液（VHNO3/VH2O2 = 3∶1）直至黃煙消失，溶液變透明。待溶液冷卻后，離心分離除去無法消解的白色固體，將上清液轉移至50 mL容量瓶中，用二次蒸餾水洗滌殘渣，將洗滌液一并轉入容量瓶，二次蒸餾水定容，用于補鐵藥中鐵含量的測定。

3 結果與討論

3.1 碳量子點的光學性質

如圖 1a 所示，CDs在 250～300 nm 之間有一個較強的寬吸收帶，這主要是CDs sp2區域的ππ*躍遷。在360 nm光激發下可發射出460 nm的熒光（圖1b和1c）。在日光燈照射下，CDs溶液呈淺黃色透明狀，水溶性極好，而在365 nm的紫外燈照射下發出藍色熒光，這與發射波長為460 nm是一致的。采用硫酸奎寧（其量子產率為55.7%）作為標準參照物，測得CDs的熒光量子產率為19.8%，CDs在4℃下保存12個月后仍呈現淺黃色透明狀，未產生聚集現象，說明CDs具有較高的穩定性和發光強度。

CDs表現出明顯的熒光強度和發射位置依賴激發波長的性質。圖 2表明，CDs在不同激發波長（280～480 nm，每次間隔20 nm）下，隨著激發波長的增大，發射熒光發生紅移，發射峰從450 nm紅移至530 nm。同時，發射峰強度也逐漸減弱。產生這種現象的原因有可能是不同尺寸的納米粒子對光的選擇性存在差異[8]，或是由于CDs表面的發射空穴不同引起的[11]。利用這些性質可以控制熒光發射[12]。CDs的最佳激發波長為360 nm。

3.2 pH值與碳量子點熒光強度的關系

CDs水溶液的pH值從2.0增大到12.0時，在日光燈照射下，體系依然是淺黃色透明狀；在360 nm的紫外燈照射下，體系顏色一致呈藍色，光強并沒有明顯減弱（圖3插圖）。在不同pH值下，CDs的熒光強度變化如圖3所示，當體系的pH值由2.0增大到12.0時，無論是否添加100 μmol/L Fe3+， CDs體系的熒光強度都幾乎不變，但是添加了Fe3+的CDs體系的熒光強度明顯比純CDs弱，初步說明Fe3+對CDs的熒光具有猝滅作用。CDs這種對pH值的非依賴性質和Fe3+與CDs之間具有的相互作用，為Fe3+檢測提供了有利條件，后續測試無需調節CDs測試液的pH值。

3.3 基于碳量子點熒光猝滅檢測Fe3+的可行性分析

考察了16種常見金屬離子與CDs的相互作用，結果如圖4所示（F1為空白CDs溶液的熒光強度，F0為加金屬離子后CDs溶液的熒光強度）， Fe3+會劇烈猝滅CDs的熒光強度，而其它金屬離子（如Ca2+， K+， Na+， Co2+， Ni2+， Zn2+， Cr3+， Mn2+， Pb2+， Mg2+， Ba2+， Al3+， Fe2+， Cu2+等）對CDs的熒光強度猝滅作用可忽略，Ag+的猝滅強度超過20%，當Ag+和Fe3+共存時，應考慮消除其影響。因此，所制備的CDs對Fe3+的檢測具有高選擇性，不易受其它金屬離子干擾，以此建立基于CDs熒光猝滅的Fe3+的測定方法。

在CDs溶液中分別加入不同量的FeCl3，Fe（NO3）3，Fe2（SO4）3，K3Fe（CN）6溶液，4種鐵鹽溶液對CDs的熒光都具有猝滅作用，并且隨著鐵鹽濃度增加，猝滅程度增大。猝滅機理是由于Fe3+與CDs表面的鈍化基團OH發生配合作用[18]，導致CDs的熒光發生猝滅，隨著Fe3+濃度增大，越多OH與其發生作用，更大程度改變了CDs表面的缺陷狀態，所以熒光強度也發生更大程度的猝滅。

3.5 補鐵藥中鐵含量的測定

以市售補鐵藥為測試對象，評價本方法的可靠性，測試結果列于表1和表2。補鐵藥中的鐵含量為4.31 mg/tablet（n=5），標準偏差為0.41 mg/tablet，加標回收率為95.5%～101.0%。同時，采用經典的鄰二氮菲分光光度法進行對照，測定結果的平均值為4.62 mg/tablet（n=3），兩種方法之間不存在顯著性差異（置信度95%）。近期研究顯示，利用摻硫CDs[19]、摻氮CDs[20]和氮硫共摻CDs[17]熒光猝滅測定Fe3+的檢出限分別達到了4.2×10 μmol/L。與其它相比，本方法以甘油作為碳源，合成方法簡單，所制備的CDs穩定，檢測Fe3+的線性范圍寬，方法的耐變性強。

4 結 論

采用一步水熱甘油法制備了發光強度高，穩定性好的CDs。基于Fe3+對CDs的熒光猝滅作用，建立了一種簡便、耗費低、穩定、環保的檢測Fe3+的方法，本方法用于補鐵藥中鐵含量的測定，結果令人滿意。

References

1 Brugnara C. Clin. Chem.， 2003， 49（10）： 1573-1578

2 Zecca L， Youdim M B H， Riederer P， Connor J R， Crichton R R. Nat. Rev. Neurosci.， 2004， 5（11）： 863-873

3 Altamura S， Muckenthaler M U. J. Alzheimer's Dis.， 2009， 16（4）： 879-895

4 Bastide N M， Pierre F H F， Corpet D E. Cancer Prev. Res.， 2011， 4（2）： 177-184

5 Kok D'A， Wild F. J. Clin. Pathol.， 1960， 13（3）： 241

6 Ajlec R， tupar J. Analyst， 1989， 114（2）： 137-142

7 Mu X Y， Qi L， Dong P， Qiao J， Hou J， Nie Z X， Ma H. Biosens Bioelectron.， 2013， 49： 249-255

8 ZHANG Jing， JIANG Yu-Liang， CHENG Yu， GU Wei-Jin， WANG Bing-Xiang. Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（1）： 54-58

張 靜， 江玉亮， 程 鈺， 顧瑋瑾， 王炳祥. 高等學校化學學報， 2016， 37（1）： 54-58

9 Jia X F， Li J， Wang E K. Nanoscale， 2012， 4（18）： 5572-5575

10 Wang Q L， Zheng H Z， Long Y J， Zhang L Y， Gao M， Bai W J. Carbon， 2011， 49（9）： 3134-3140

11 Pan D Y， Zhang J C， Li Z， Wu C， Yan X M，Wu M H. Chem. Commun.， 2010， 46（21）： 3681-3683

12 Han B F， Wang W X， Wu H Y， Fang F， Wang N Z， Zhang X J， Xu S K. Colloid Surface B， 2012， 100： 209-214

13 Liu Y， Liu C Y， Zhang Z Y. Appl. Surf. Sci.， 2012， 263： 481-485

14 Wang X H， Qu K G， Xu B L， Ren J S， Qu X G. J. Mater Chem.， 2011， 21（8）： 2445-2450

15 XU Yue， TANG ChunJing， HUANG Hong， SUN ChaoQun， ZHANG YaKun， YE QunFeng， WANG AiJun. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（9）： 1252-1258

胥 月， 湯純靜， 黃 宏， 孫超群， 張亞鯤， 葉群峰， 王愛軍. 分析化學， 2014， 42（9）： 1252-1258

16 Sahu S，Behera B， Maiti T K， Mohapatra S. Chem. Commun.， 2012， 48（70）： 8835-8837

17 Chen Y F， Wu Y Y， Weng B， Wang B， Li C. Sensor Actuat. B， 2016， 223： 689-696

18 Li F， Wang J， Lai Y M， Wu C， Sun S Q， He Y H， Ma H. Biosens. Bioelectron.， 2013， 39（1）： 82-87

19 Li S H， Li Y C， Cao J， Zhu J， Fan L Z， Li X D. Anal. Chem.， 2014， 86（20）： 10201-10207

20 Lu W J， Gong X J， Nan M， Liu Y， Shuang S M， Dong C. Anal. Chim. Acta， 2015， 898： 116-127

Abstract The water soluble carbon dots with high stability and excellent photoluminescent properties were synthesized by onestep hydrothermal treatment of glycerol. Based on the significant quenching effect of ferric ion on the fluorescence of carbon dots， a method with high sensitivity and good selectivity for the determination of ferric ion was established. The ratio of fluorescence intensities （F0/F1） had a linear relationship with the concentration of ferric ion in the range of 0.005-1.2 mmol/L （R2=0.995） and the 3s detection limit was 2.2 μmol/L. Furthermore， the standard deviation and the recovery of the method for determination of iron in Iron tablets were 0.41 mg/tablet and 95.5%-101.0%， respectively. The detection result of this method for Fe3+ ions was in agreement with that 1，10phenanthroline spectrophotometry.

Keywords Carbon dots； Glycerol； Hydrothermal method； Iron ions