氨基化碳量子點熒光猝滅法測定焦性沒食子酸的研究

李滿秀， 李永霞， 張 媛， 賀晨芳

(忻州師范學院 化學系, 山西 忻州 034000)

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氨基化碳量子點熒光猝滅法測定焦性沒食子酸的研究

李滿秀*， 李永霞， 張 媛， 賀晨芳

(忻州師范學院 化學系, 山西 忻州 034000)

以葡萄糖為原料，通過一步水熱法合成穩(wěn)定性高的碳量子點，并用乙二胺使其表面氨基化。焦性沒食子酸能使氨基化的碳量子點熒光明顯猝滅，由此建立一種簡便、高效檢測焦性沒食子酸的新方法。考察了緩沖體系pH、反應時間、反應溫度等對焦性沒食子酸測定的影響。結果表明，在pH=11.20的三酸緩沖溶液中，室溫反應20 min時，體系的F0/F與焦性沒食子酸的濃度呈良好的線性關系，其線性范圍為4.0×10-6～9.0×10-5mol·L-1，相關系數(shù)r=0.997 4，檢出限為3.5×10-6mol·L-1。該方法快速簡便，適用于水樣中焦性沒食子酸的檢測。

氨基化碳量子點； 焦性沒食子酸； 熒光猝滅

1 引 言

碳量子點(CQDs)是以碳為骨架結構的新型納米材料，是一種分散的、尺寸小于10 nm的類球形納米顆粒[1-2]。這種材料不僅繼承了半導體量子點的優(yōu)異光學性能，有高的熒光強度、好的穩(wěn)定性和耐光漂白性，同時還具備低毒、環(huán)境友好及良好的生物相容性等優(yōu)點，在生物成像、藥物傳遞、光催化和光電領域[3]引起人們的廣泛關注。目前制備碳量子點的方法有電化學法[4]、化學氧化法[5]和水熱法[6]等。其中水熱法是一種較為簡單、快速合成碳量子點的方法。與常規(guī)碳量子點相比，用乙二胺修飾碳量子點得到的表面氨基化的碳量子點具有更高的熒光強度且性能更穩(wěn)定。

焦性沒食子酸廣泛應用于攝影工業(yè)、塑料工業(yè)、食品加工及保鮮、染料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農藥等領域[7]，對人體和環(huán)境有一定的影響，尤其是對水生生物有很大危害，甚至可能對水體環(huán)境產(chǎn)生長期不可逆的不良影響。因此，建立一種簡便、高效檢測焦性沒食子酸的方法具有重要意義。

目前，檢測焦性沒食子酸的方法有高效液相色譜法[8]、循環(huán)伏安法[9]、化學發(fā)光法[10]、光度法[11]、電化學方法[12]等。本文以葡萄糖為碳源，采用水熱法合成碳量子點,再通過乙二胺使之表面氨基化，進而與焦性沒食子酸作用，使體系的熒光發(fā)生猝滅，且猝滅程度在一定范圍內與焦性沒食子酸的濃度成正比，從而實現(xiàn)對焦性沒食子酸的檢測。該方法可用于水樣中焦性沒食子酸的快速檢測。

2 實 驗

2.1主要儀器和試劑

UV-2550型紫外-可見分光光度計(日本島津公司)；F-4500型熒光分光光度計(日本日立公司)；IRAffinity-1S傅立葉變換紅外光譜儀(日本島津公司)； 85-2型恒溫磁力攪拌器(上海司樂儀器廠)；DHG-9240型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

葡萄糖(天津市申泰化學試劑有限公司)；乙二胺(天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠)；焦性沒食子酸(國藥集團化學試劑有限公司)；三酸緩沖溶液：在100 mL 三酸混合液(硼酸、磷酸、乙酸濃度均為0.04 mol/L)中，加入一定體積的0.2 mol/L NaOH溶液，得到相應pH值的緩沖溶液。實驗用水為超純水。試劑級別均為分析純。

2.2實驗方法

2.2.1 碳量子點的合成

稱取葡萄糖1.44 g，用適量超純水溶解，定容至50 mL容量瓶中。然后，轉移至100 mL單口圓底燒瓶中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌10 min，放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于200 ℃下加熱8 h。反應結束后，獲得淺黃色粘稠液體，自然冷卻至室溫，定容至原容量瓶中，過濾、離心后，得到均一的碳量子點。

2.2.2 氨基化碳量子點的合成

取制備的碳量子點10 mL于圓底燒瓶中，再加入200 μL乙二胺。充分振蕩后，放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于200 ℃下加熱5 h。反應結束后，獲得深褐色粘稠液體，自然冷卻至室溫，稀釋至10 mL，過濾，即得到乙二胺修飾的碳量子點(記為N-CQDs)。

2.2.3 焦性沒食子酸的定量檢測

取系列10 mL比色管，均加入0.3 mL乙二胺修飾的碳量子點，然后按一定體積梯度依次加入1.0×10-3mol·L-1焦性沒食子酸標準溶液， 1 mL pH=11.20的三酸緩沖溶液，最后用超純水定容至10 mL。充分振蕩后，在室溫下反應20 min，測定其熒光強度F(以481 nm為激發(fā)波長掃描發(fā)射光譜，激發(fā)和發(fā)射光譜帶通均為10 nm)。

2.2.4 標準曲線的繪制

配制4，6，8，10，35，45，78，90×10-6mol·L-1的焦性沒食子酸系列標準溶液，依照上述實驗方法測定其熒光強度。然后以濃度C為橫坐標，體系的相對熒光強度F0/F為縱坐標繪制標準曲線。

2.2.5 量子點的光譜表征

使用傅立葉變換紅外光譜儀對合成的碳量子點及氨基化的碳量子點進行表征。將稀釋不同倍數(shù)的碳量子點和氨基化碳量子點置于比色皿中，用紫外可見分光光度計在200～800 nm范圍內進行檢測。

取兩支10 mL比色管，分別加入0.3 mL碳量子點和乙二胺修飾的碳量子點，再加入1 mL pH=11.20的三酸緩沖溶液，用超純水定容至10 mL，用熒光分光光度計進行熒光檢測。所有的光學檢測均在室溫下進行。

3 結果與討論

3.1碳量子點的光譜表征

3.1.1 紅外光譜

圖1 碳量子點和氨基化的碳量子點的紅外光譜圖

3.1.2 紫外-可見吸收光譜

從碳量子點和氨基化碳量子點的紫外-可見吸收光譜(圖2)可知，在最優(yōu)條件下合成的碳量子點的紫外吸收光譜中有兩個較為明顯的吸收峰，位于225 nm和283 nm。而氨基化的碳量子點較為明顯的吸收峰僅有一個，位于260 nm處。

(a) 1～4： C=30，15，6，3×10-3mol·L-1； (b) 1～4： C=7.5，6.7，6.0，5.5×10-4 mol·L-1.

3.1.3 熒光光譜

在圖3所示的熒光光譜中，碳量子點在347 nm激發(fā)下，最大發(fā)射波長為438 nm；氨基化的碳量子點在481 nm激發(fā)下，最大發(fā)射波長為539 nm，且熒光強度明顯增大。這是因為碳量子點表面有環(huán)氧基團和羧基基團，它們是非輻射復合中心[13]，氮源可以與之發(fā)生親核反應，從而減少環(huán)氧基團和羧基基團，即碳量子點表面的部分C—O—C和—COOH在加熱條件下與氮源反應，生成了酰胺和醇類，減少了非輻射復合，從而增強了碳量子點的熒光發(fā)射[14]。

圖3 碳量子點和氨基化碳量子點(4.4×10-3mol·L-1)的熒光發(fā)射光譜

Fig.3 Fluorescence emission spectra of CQDs and N-CQDs

3.2碳量子點合成條件的優(yōu)化

為了得到性能良好的碳量子點，我們在不同反應溫度(160，180，200 ℃)和不同反應時間(6，8，10，15，20，24 h)下制備了熒光碳量子點并檢測其激發(fā)和發(fā)射光譜。結果表明，當反應溫度為200 ℃、反應時間為8 h時，得到的碳量子點的熒光強度最大，如圖4和圖5所示。

圖4 反應時間對碳量子點熒光強度的影響

Fig.4 Effect of reaction time on the fluorescence intensity of CQDs

圖5 反應時間為8 h時的碳量子點的激發(fā)和發(fā)射光譜

Fig.5 Excitation and emission spectra of CQDs with the reaction time of 8 h

3.3氨基化碳量子點合成條件的優(yōu)化

對合成的氨基化碳量子點進行熒光檢測，我們發(fā)現(xiàn)其熒光強度不夠穩(wěn)定，推測是乙二胺用量的影響。實驗選擇乙二胺加入量分別為100，200，300，535 μL來合成氨基化碳量子點，并對其進行熒光測定，結果如圖6所示。當乙二胺的加入量為300 μL時，氨基化碳量子點的熒光強度最大，但與乙二胺加入量為200 μL時的產(chǎn)物的熒光強度相差較小。考慮到熒光強度的穩(wěn)定性，我們選擇乙二胺加入量為200 μL。

圖6 乙二胺加入量對N-CQDs熒光強度的影響

Fig.6 Effect of amount of ethylenediamine on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.4氨基化碳量子點與焦性沒食子酸相互作用的條件優(yōu)化

3.4.1 緩沖體系pH

筆者搜集、查閱了很多資料，關于這一點外國專家也沒有太具體的建議。以下是筆者自己的想法，與大家分享交流。

實驗考察了pH范圍為8.36～11.58的三酸緩沖溶液對體系熒光強度的影響，如圖7所示。結果表明，量子點在pH=11.20時的猝滅效果較佳且體系較為穩(wěn)定，因此，我們選擇三酸緩沖體系的最佳pH為11.20(ΔF為未加入與加入1.8×10-5mol·L-1焦性沒食子酸的氨基化碳量子點體系的熒光強度之差)。

圖7 pH對N-CQDs熒光強度的影響

Fig.7 Effect of pH on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.4.2 反應時間

我們考察了反應時間為10，20，30，40，50，60，90，120 min對體系熒光強度的影響。結果顯示，焦性沒食子酸對氨基化碳量子點的熒光猝滅作用在20 min左右趨于穩(wěn)定，延長反應時間，體系不再發(fā)生變化。所以，實驗選擇焦性沒食子酸加入20 min后進行測定。

3.4.3 反應溫度

我們考察了反應溫度為15，25，35，45，55，65 ℃對體系熒光強度的影響。結果表明，焦性沒食子酸對氨基化碳量子點的熒光猝滅作用在室溫25 ℃時效果最佳，升溫或降溫均使猝滅效果受到不同程度的影響。

3.5干擾成分對體系熒光強度的影響

將焦性沒食子酸濃度定為1.8×10-5mol·L-1，我們在最優(yōu)實驗條件下考察了常見離子、氨基酸和酚類化合物對體系測定的影響，結果如表1所示(相對誤差在5%范圍內)。實驗結果表明，氨基酸、酚類化合物和多數(shù)離子對體系干擾很小，故本方法具有較好的選擇性。

表1 干擾物質的影響

3.6標準曲線、檢出限和精密度

在最佳條件下，體系的相對熒光強度F0/F(F0、F代表未加和加入焦性沒食子酸測得體系的熒光強度)與焦性沒食子酸在4.0×10-6～9.0×10-5mol·L-1范圍內具有良好的線性關系，線性回歸方程為：F0/F=0.0048C+0.9871，線性相關系數(shù)r=0.997 4。平行測定10組1.8×10-5mol·L-1的焦性沒食子酸溶液，相對標準偏差RSD為1.1%。根據(jù)IUPIC推薦的標準，測得檢出限(三倍標準差法)為3.5×10-6mol·L-1。

圖8 焦性沒食子酸對氨基化碳量子點的熒光猝滅

Fig.8 Fluorescence quenching of different concentration of pyrogallic acid in N-CQDs

3.7猝滅機理

為了探討熒光猝滅機理, 我們先用Stern-Volmer方程來區(qū)分動態(tài)猝滅還是靜態(tài)猝滅。我們考察了不同溫度下焦性沒食子酸對氨基化碳量子點的猝滅作用，并用Stern-Volmer方程F0/F=1+KsvC=1 +Kqτ0C處理實驗數(shù)據(jù)。其中：F0、F分別為未加和加入焦性沒食子酸氨基化碳量子點的熒光強度；Ksv為Stern-Volmer猝滅常數(shù)；C為加入焦性沒食子酸的濃度；Kq為熒光猝滅速率常數(shù)；τ0為猝滅劑不存在時熒光分子的平均壽命。

不同溫度下的焦性沒食子酸濃度對氨基化碳量子點的Stern-Volmer曲線如圖9所示。由于Ksv為斜率，因此 1/Ksv在數(shù)值上等于猝滅效率為50%時猝滅劑的濃度。由式Kqτ0=Ksv可求得雙分子猝滅過程的速率常數(shù)Kq(單位為L /(mol·s))。由圖可得，25 ℃的回歸方程為F0/F=0.0048C+ 0.8971，r=0.997 4；35 ℃的回歸方程為F0/F=0.0035C+0.9973，r=0.997 0。

已知碳量子點的熒光平均壽命約為2.74×10-9s，可得25 ℃時的Kq=1.74×1012；35 ℃時的Kq=1.29×1012，均大于最大動態(tài)猝滅常數(shù)Kq=2×1010L /(mol·s)，因此應為靜態(tài)猝滅過程。

圖9 溫度對氨基化碳量子點熒光強度的影響

Fig.9 Effect of temperature on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.8樣品測定

按照實驗方法，我們在優(yōu)化條件下對自來水樣中焦性沒食子酸的含量進行了測定，并進行了加標回收實驗，每個樣品平行測定5次，實驗結果見表2。結果表明，水樣加標測定平均回收率在92.3%～109.4%之間。

表2 水樣中焦性沒食子酸含量的測定(n=5)

4 結 論

碳量子點是近年來出現(xiàn)的一種新型熒光納米粒子，目前以氨基化碳量子點為熒光探針，測定焦性沒食子酸的研究還較少。本文合成了乙二胺修飾的碳量子點，利用氨基化碳點為熒光探針與焦性沒食子酸作用，建立了一種簡單、快速定量檢測焦性沒食子酸的新方法。該方法已成功用于水樣檢測，具有較好的實用價值。

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李滿秀(1955-)，男，山西原平人，教授，1997年本科畢業(yè)，主要從事發(fā)光分析方面的研究。

E-mail: Lmxxz@sohu.com

Determination of Pyrogallic Acid in Amino-functional Carbon Quantum Dots Fluorescence Quenching

LI Man-xiu*, LI Yong-xia, ZHANG Yuan, HE Chen-fang

(DepartmentofChemistry,XinzhouTeachers’University,Xinzhou034000,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:Lmxxz@sohu.com

With crystal giucose as raw material, the carbon quantum dots were synthesized through one-step hydrothermal method. The surface of the carbon quantum dot was amino modificated using ethylenediamine. Pyrogallic acid can cause the fluorescence quenching effect of the amino-functional carbon quantum dots more obvious, hereby, a simple and efficient method to measure the pyrogallic acid was established. Different influencing factors were studied including pH buffer system, reaction time, reation temperature and so on. The results show thatF0/Fof the system has linear relationship with the concentration of the pyrogallic acid in Britton-Robinson buffer solution with pH=11.20 and the reaction time of 20 min at room temperature. The linear range is 4.0×10-6-9.0×10-5mol·L-1, the correlation coefficientris 0.997 4, and the detection limit is 3.5×10-6mol·L-1, respectively. The method is simple and applicable to the determination of pyrogallic acid in water samples with satisfactory results.

amino-functional carbon quantum dots; pyrogallic acid; fluorescence quenching

2016-07-17；

2016-09-23

山西省重點學科項目(20141010)； 山西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(2015381)； 山西省重點實驗室基金資助項目 Supported by Key Subject of Shanxi Province(20141010); Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students in Shanxi Province(2015381); Key Laboratary Foudation of Shanxi Province

1000-7032(2017)01-0117-07

O482.31

A

10.3788/fgxb20173801.0117