青柿子粗提物簡易制備熒光碳點及對Fe3+的檢測

韓 雍，汪 慧，宋 曦，雒雪麗

(1.隴東學院 農林科技學院，甘肅 慶陽 745000；2.西北農林科技大學 食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100)

碳點(Carbon dots，CDs)是具有三維尺寸的粒徑為10nm左右的類球形碳納米材料，于2004年由Xu等[1]在剝離碳納米管時發現，2006年由孫亞平教授以CDs命名[2]。CDs作為一種以碳元素為主體的新型熒光納米材料，具有良好的水溶性，與傳統的半導體量子點和熒光染料相比，具有毒性小、生物相容性好、化學惰性好、光穩定性優異，以及具備熒光可調性，易于實現表面功能化，抗光漂白能力較強，原材料來源豐富且價格低等優勢[3]。其應用領域非常廣泛，包括細胞成像[4]、生物標記[5]、分析監測[6]、藥物傳遞[7]、光電轉換[8]以及催化[9]等領域。CDs的制備方法分為自上而下(Top-down)法(如激光剝蝕法)以及自下而上(Bottom-up)法(如水熱法[10])。水熱法簡單可靠，便于操作，成為主流的CDs制備方法。CDs應用的關鍵在于其對目標結合物的高度特異性，因此對CDs表面官能團的設計引起研究者的關注。理論上，CDs制備只要有碳元素存在即可，因此很多含碳元素的自然物被用于制備CDs[11-13]。由于植物提取物中含有各種生物活性物質，如酸性成分(鞣質、多酚類、類黃酮、檸檬酸、酒石酸和抗壞血酸)、堿性成分(生物堿)和中性成分(碳水化合物)，因此其在納米顆粒合成中很有吸引力。當植物提取物用于CDs的合成時，合成動力學有時取決于特定萃取物中存在的植物成分。提取的植物成分不僅決定了碳點的表面官能團，還直接影響材料的反應特性。柿子是北方常見水果，由于未成熟柿子中含有大量單寧，而單寧對鐵離子具有一定的識別能力[14]，可利用青柿子作為碳源進行CDs制備，并用于鐵離子檢測。本實驗以青柿子粗提物為碳源，通過水熱法制備碳點并對其進行表征分析，依據所制備碳點的表面官能團特性評價了其對Fe3+的檢測性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

青柿子(Persimmon)采于西北農林科技大學校園內柿樹，選擇半熟狀態的青柿子作為試驗材料。氨水溶液(25%)、乙腈、乙醇、二甲亞砜(DMSO)、硝酸鋁、硝酸鈣、硝酸銀、氯化鈉、硝酸鎂、硫酸錳、硫酸鋅、硫酸鈷、氯化鐵、氫氧化鈉、硫酸(98%)、鹽酸等均為市售分析純，購于國藥集團化學試劑公司。利用氨水溶液調節柿子提取物的pH值。實驗用水為去離子水(DW)。

1.2 實驗方法

1.2.1碳點制備稱取50 g青柿子，切碎研細，放入燒杯中，添加100 mL水，30 ℃超聲處理20 min后，利用紗布過濾去除未研細的青柿子，濾液再經濾紙過濾即得青柿子提取液。將青柿子提取液加入100 mL聚四氟乙烯內襯水熱合成釜中，置于高溫烘箱以180 ℃水熱反應2 h獲得褐色溶液，產物經10 000 r/min離心后，取上清液過0.22 μm濾膜，即得淡褐色青柿子碳點(Persimmon-CDs，PM-CDs)溶液。該溶液在365 nm紫外燈下顯示藍色熒光，以此為儲備液于低溫保存。

1.2.2碳點表征利用場發射透射電子顯微鏡(JEOL-S4800，FESEM,日本JEOL)獲得碳點的透射電子顯微鏡(TEM)形貌圖。利用X射線衍射儀(D8 ADVANCE，德國Bruker Corp)獲得X射線衍射(XRD)圖。使用配有Al-KαX-ray射線源(1 486.6 eV)的X-ray 光電子能譜儀(Axis Ultra DLD，英國Kratos)進行X-ray光電子能譜(XPS)數據收集。利用分光光度計(UV-Vis 2500，日本Shimadzu)對紫外吸收光譜進行表征。利用傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀(Vetex 70，德國Bruker Corp)確定CDs的主要活性基團。通過熒光光譜儀(LS-55，美國Perkine-Elmer)獲得熒光光譜(FL)，其激發和發射縫隙寬度設為5 nm。在365 nm激發波長下，記錄300～600 nm范圍內的發射光譜。所有熒光測量均重復3次。IBM Origin 9.0軟件用于數據處理和作圖。

1.2.3Fe3+檢測以PM-CDs的熒光表征結果為依據，確定最佳Fe3+猝滅熒光體系，配制濃度梯度為0～50 μmol/L的Fe3+溶液，對其進行熒光猝滅檢測，以熒光猝滅量為檢測指標，通過Stern-Volmer猝滅方程進行數據擬合，建立Fe3+濃度與熒光強度的標準方程:F0/F=1+Ksv[Q]。式中:F0和F分別為碳點在加入目標分析物前后的熒光強度；Ksv為熒光猝滅結合常數；[Q]為目標分析物的濃度。

為評價PM-CDs的選擇性，取1 mL 0.01 mol/L的不同金屬離子分別加至2 mL PM-CDs中，在優化檢測條件下，觀察不同金屬離子的熒光猝滅效果，評價不同離子對該碳點檢測Fe3+的干擾情況。

2 結果與討論

2.1 PM-CDs的表征

因青柿子碳源成分復雜，激發光對PM-CDs的熒光發射強度可能存在較大影響，如圖1G所示，在波長285～500 nm范圍內，隨著激發波長的增大，PM-CDs的熒光發射峰發生明顯紅移，而熒光強度呈先升高后降低的趨勢，當激發波長為365 nm時，熒光強度最大，發射波長為445 nm。試驗表明PM-CDs發射光具有明顯的依賴激發波長的熒光特性，主要原因可能是碳點粒徑不均勻，粒徑分布范圍寬，對激發能量的吸收和釋放途徑存在差異，導致熒光發射波長發生明顯改變；另一方面可能是該碳點的碳源純化不徹底，碳點的官能團成分相對復雜，導致碳點熒光發射中心受其他化學基團的影響嚴重。該碳點在不同pH值條件下的熒光發射峰位置保持一定，但熒光強度隨pH值變化發生相應改變(圖1H)。在pH 3.0～5.0范圍內熒光強度迅速增大，在pH 5.0～11.0范圍內熒光強度變化不明顯，具有相對穩定的熒光發射強度，且熒光強度較高，但pH值大于11.0后，熒光強度明顯降低(圖1H插圖)。在pH 5.0～11.0 范圍的高熒光強度和穩定性說明該碳點具有比較優異的環境適應能力，這可能是由于柿子中的活性基團較多，尤其—COOH和—NH2的含量較多，在溶液體系中的緩沖能力較強所致。

2.2 Fe3+檢測

根據熒光猝滅原理，在預試驗基礎上，利用制備的PM-CDs對Fe3+進行檢測，將不同濃度的Fe3+添加到經預試驗優化稀釋的PM-CDs溶液中，以熒光猝滅強度為指標，建立Fe3+的熒光檢測標準曲線。結果表明，在一定濃度范圍內，隨著Fe3+濃度的升高，PM-CDs的熒光強度逐漸降低。在0.45～50 μmol/L范圍內，Fe3+濃度(x，μmol/L)與PM-CDs的熒光猝滅強度(y，y=F0/F-1)呈較好線性關系，線性方程為y=0.166 2x-0.734 9，r2=0.923 4。

Fe3+能夠與碳點上的活性基團進行配位螯合，改變碳點表面官能團的電子傳遞特性，并通過電子轉移方式實現熒光猝滅。另外，對Fe3+溶液的紫外光譜進行分析，發現Fe3+溶液的吸收峰在370 nm附近(圖2A)，與實驗制備的PM-CDs的吸收峰大部分重合，因此Fe3+對PM-CDs的熒光猝滅并非單純的電子轉移，而是存在內濾效應[17]，兩者共同導致對碳點熒光的猝滅。

2.3 干擾試驗

碳點的表面狀態不同，尤其是表面活性基團不同，將導致對金屬離子的選擇性有很大差異。在相同實驗條件下，考察了不同金屬離子(Fe3+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、K+、Al3+、Co2+、Mn2+和Ag+)對碳點熒光強度變化(F0-F)的影響(圖2B)，結果發現Fe3+對碳點熒光強度的影響最顯著，Na+和Ag+對碳點熒光強度有一定的影響，而其他離子對碳點熒光強度的影響較小,表明所制備的碳點對Fe3+具有更好的選擇性，可用于Fe3+的檢測。雖然該碳點具有豐富的表面官能團，擁有優異的電子供給和接受能力，但在與金屬離子螯合的過程中，由于Fe3+的電子供給能力較強，PM-CDs表現出明顯的電子接受能力，故對Fe3+具有明顯的選擇性。此外由于Fe3+溶液對熒光的內濾作用，也影響Fe3+對該碳點的熒光猝滅效果，使PM-CDs熒光對Fe3+具有相對高的選擇性。

金屬離子對熒光猝滅作用主要表現為供電子-受電子能力的強弱，以及碳點表面官能團對金屬離子的協同配合作用，Fe3+與PM-CDs表現為強供電子體和受電子體，而PM-CDs本身碳源的多官能團作用，促進Fe3+與PM-CDs良好的識別能力，而Fe2+的供電子能力遠弱于Fe3+，所以Fe2+水溶液在355 nm激發波條件下不具備對PM-CDs熒光內濾效應。此外，在普通環境下的水溶液中，鐵離子主要以三價存在，因此，干擾試驗中未考慮Fe2+對檢測的影響。

3 結 論

本實驗表明，青柿子經簡單浸提后的混合物可用于碳點制備，制備方法簡易、環保、高效。所制備的碳點在形貌、表面官能團和光學特征等方面有明顯特點，并與常規化學試劑制備的碳點具有相似結構與光學特性，但其復雜的碳源成分導致官能團存在不確定性，對于碳點檢測應用的選擇性和靈敏度提出了挑戰。依賴于電子轉移和內濾效應，該碳點可用于水溶液中Fe3+的檢測，在0.45～50 μmol/L濃度范圍內，該碳點的熒光猝滅強度與Fe3+濃度具有較好的線性關系，同時對Fe3+具有明顯的選擇性和抗干擾能力。由此可見，通過簡單的粗提，生物質材料可用于碳點制備，依靠特有官能團成分可用于目標分析物檢測，為生物質碳點制備及其在檢測領域的應用提供了理論依據和技術參考。