殼聚糖碳點的水熱法制備及其對金屬離子的選擇性研究

汪雪琴， 洪碧云， 楊 旋， 梁 倩,， 黃 彪*， 唐麗榮,*

(1. 福建農林大學 材料工程學院， 福建 福州 350002； 2. 福建農林大學 金山學院， 福建 福州 350002)

1 引 言

碳是自然界中最常見的元素之一，石墨烯[1-3]和碳納米管[4-5]等多種碳材料被廣泛使用。碳點(CDs)是主要由碳納米粒子組成、直徑小于10 nm的熒光碳納米材料[6-7]。2004年由Xu等[8]首次發現，2006年由Sun等[9]正式命名為碳點。自此，引起了全世界學者的研究興趣。作為21世紀的新興產物,碳點不僅具備傳統金屬基量子點優異的熒光性能，還兼具碳材料良好的生物相容性和無毒性，其獨特的功能如化學傳感[10-11]、藥物傳遞[12-13]、光催化[14-16]、低毒性[17-18]、生物成像[19-23]和生物傳感[24]使其有望成為傳統半導體量子點的取代者。

類似于傳統的半導體量子點，CDs表面上有許多電子和空穴，這種性質將CDs分配給電子受體和電子供體作用，因此在某些情況下CDs可以作為氧化劑或還原劑[25-26]。另外，CDs表面有許多羥基、氨基或羧基，可以與金屬離子配位并穩定金屬納米粒子[27]。近年來，有研究表明,可使用CDs作為還原劑或穩定劑合成Ag[28]和Au[29]納米顆粒。Chen等[30]從天然氣煙塵中制備了一種新型CDs，并將其用作制備Ag納米顆粒的穩定劑。 Liu等[31]發現了一種使用CDs作為還原劑和穩定劑一步合成銀納米顆粒的新方法，并研究了它們的抗菌機理。于淑娟等[32]通過水熱法合成了殼聚糖基聚合點熒光材料，并研究其在宣紙中的抗紫外老化性能。王霞等[33]以殼聚糖為原料制備了碳點/殼聚糖熒光復合物，并研究其在生物成像、熒光涂層等方面的應用。Yang等[34]以殼聚糖為原料，在溫度180 ℃的條件下，水熱反應12 h得到碳點的量子產率為7.8%。然而，關于殼聚糖碳點對金屬離子的選擇性研究未見報道。

本研究采用水熱碳化法合成殼聚糖基碳點，利用殼聚糖的自鈍化功能[35]，不需要額外加入鈍化劑或進一步的修飾，即可獲得發光性能好、成本低、環境友好的碳點材料。另外，通過對金屬離子的選擇性進行研究分析，可為進一步拓展新型金屬離子熒光探針的設計與應用提供一定的研究依據。

2 實 驗

2.1 實驗原料及主要設備

殼聚糖，脫乙酰度：80%～95%，粘度：50～800；乙酸，分析純；硫酸奎寧(98%)；硫酸；KCl、CaCl2、NaCl、MgSO4、Al2(SO)3、Zn(NO3)2·6H2O、FeSO4·7H2O、FeCl3·7H2O、Pb(NO3)2、Cu(NO3)2·3H2O、HgCl2、AgNO3、CoCl2·6H2O、Ni(NO3)2· 6H2O、Cd(NO3)2·4H2O購自上海國藥集團化學試劑有限公司。不同濃度的Fe3+是通過稀釋標準儲備液獲得，其他金屬陽離子溶液在超純水中制備。DHG-9236A型電熱恒溫干燥箱，購自上海精宏實驗設備有限公司。

2.2 殼聚糖碳點的合成

根據Yang等[34]水熱合成法制備碳點的方案進一步修改，反應機理如圖1所示。準確稱取一定質量的殼聚糖通過機械攪拌使其充分溶解在50 mL 1%(w/w)的醋酸溶液中，將溶液轉移到100 mL聚四氟乙烯內膽中，沖入氬氣排出容器內的空氣，密封于高溫高壓反應釜中，在室溫下放入電熱烘箱，待溫度達到所需溫度時開始計時。反應結束后，待反應釜自然冷卻至室溫取出，將獲得的產物通過高速(10 000 r/min)離心0.5 h分離黃棕色的產物，然后將上清液先后通過0.45 μm和0.22 μm的水系濾膜除去濾渣，隨后用旋轉蒸發儀濃縮至40 mL，放于-4 ℃冰箱中冷藏保存備用。分別取1 mL不同條件下制備的碳點溶液定容至50 mL，對熒光性能進行研究分析。

圖1 水熱法制備殼聚糖碳點示意圖

2.3 量子產率的計算

殼聚糖碳點的量子產率(Q)通過參比法[36-37]計算。將硫酸奎寧溶解于0.1 mol/L H2SO4溶液 (文獻參考值QS=0.54)作為標準來測定，分別對參比物和殼聚糖碳點溶液的熒光發射光譜、紫外吸收光譜進行掃描，相對量子產率通過公式(1)計算:

(1)

其中，Q表示量子產率；F表示熒光發射光譜的峰面積；A代表了最大激發波長處樣品的吸光度；下標S和X分別代參比物和待測樣品。

2.4 金屬離子的選擇性研究

選取200 μL環境相關的金屬離子(濃度均為10 mmol/L)，包括K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、Zn2+、Fe2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Hg2+、Ag+、Co2+、Ni2+、Cd2+等，加入到2 mL碳點溶液中，通過機械振蕩充分混勻，觀察碳點溶液加入金屬離子前后的熒光強度變化，對金屬離子進行選擇性研究。用P0表示碳點溶液的熒光強度，P表示添加金屬離子后的熒光強度，熒光猝滅靈敏度使用加入金屬離子前后的熒光強度比值P/P0進行分析。

2.5 性能表征

采用UV-3200型紫外分光光度計對碳點溶液的吸收光譜進行檢測；采用日本日立F-7000型熒光分光光度計對碳點溶液進行波長掃描，掃描參數為：激發狹縫和發射狹縫均為5 nm，掃描速率240 nm/min，電壓600 V，掃描頻率40 Hz；采用美國NanoScope IIIa MuliMode型原子力顯微鏡以輕敲模式對碳點成像；采用美國Nicolet 380型Fourier變換紅外光譜儀分析樣品的表面官能團；采用英國Zetasizer Nano S90型激光粒度分析儀對殼聚糖碳點溶液的ζ電位進行測試，分析樣品基團所帶電荷的正負性；采用美國PHI 5000 Versaprobe Ⅱ型X-ray光電子能譜對樣品進行C、N、O的高分辨率XPS能譜掃描，用Multipak軟件計算能譜圖中峰面積得到殼聚糖和碳點的元素原子比率；采用德國布魯克D8-Advance型X射線衍射儀分析殼聚糖熱液碳化前后的晶體結構變化，測試參數為：以Cu-Kα為射線源，Ni片濾波，管電壓80 kV，掃描速度0.1(°)/s；采用WFH-203B型暗箱式三用紫外分析儀觀察碳點溶液在紫外線照射下的光致發光現象。

3 實驗結果與討論

3.1 碳點的制備條件分析

3.1.1 水熱溫度的影響

在殼聚糖質量分數2%、水熱時間9 h的條件下，考察碳點溶液的熒光強度隨不同水熱溫度的變化趨勢，如圖2所示為不同水熱溫度制得碳點溶液的熒光發射譜。由圖可知，隨水熱溫度的升高，熒光強度呈現先增加后降低的趨勢。當水熱溫度達到200 ℃時，熒光強度達到最大值(4 582.19)，繼續升高溫度熒光強度開始降低，且水熱溫度為160 ℃和180 ℃(熒光強度分別為1 302.76,2 535.80)表現出比水熱溫度220 ℃和240 ℃(熒光強度分別為3 506.13,3 437.84)更弱的熒光峰。這是由于溫度較低，反應不夠充分，碳點產量較少，熒光發射強度較弱。溫度過高，導致碳點顆粒過度碳化，結構破壞，熒光強度降低。

圖2 不同水熱溫度制得碳點溶液的熒光發射譜

Fig.2 Fluorescence emission spectra of CDs prepared at different hydrothermal temperatures

3.1.2 水熱時間的影響

在殼聚糖質量分數2%、水熱溫度200 ℃的條件下，考察碳點溶液的熒光強度隨不同水熱時間的變化趨勢，如圖3所示為不同水熱時間制得碳點溶液的熒光發射譜。由圖可知，熒光強度隨水熱時間的延長呈現先增加后緩慢降低的趨勢。當水熱時間為6 h時熒光強度最弱(2 994.65)，當水熱時間為9 h時熒光強度達到最大值(4 582.19)，水熱時間從6 h增加到9 h，熒光強度的增幅達到最大值(53.01%)，且繼續延長水熱時間熒光強度開始緩慢降低。這可能是由于隨著反應時間的延長反應更充分，碳點產量增加，時間較長，部分已形成碳點的顆粒繼續受熱過度碳化使其結構遭受破壞，與水熱溫度的影響類似。

圖3 不同水熱時間制得碳點溶液的熒光發射譜

Fig.3 Fluorescence emission spectra of CDs prepared at different hydrothermal time

3.1.3 不同殼聚糖質量分數對碳點熒光強度的影響

在水熱溫度200 ℃、水熱時間9 h的條件下，考察碳點溶液的熒光強度隨不同殼聚糖質量分數的變化趨勢，圖4為不同殼聚糖質量分數制得碳點溶液的熒光發射譜。由圖4可知，隨殼聚糖溶解濃度的增加，熒光強度呈現先增加后減小的趨勢。當殼聚糖質量分數為1%時熒光強度(3 766.48)最弱，殼聚糖質量分數為3.5%時，碳點溶液的熒光強度(5 246.04)達到最大值，繼續增加殼聚糖濃度熒光強度開始下降。這是由于當殼聚糖濃度小于3.5%時，隨著殼聚糖濃度的提高，增加了單位空間內生成的碳點顆粒數量。但是繼續增加殼聚糖濃度，相對溶劑量減少，反應空間減少，使得水熱反應不充分，因此熒光強度降低。雖然殼聚糖濃度為3.5%時碳點溶液的熒光強度達到最大值，但是殼聚糖質量分數在2%～3.5%時，熒光強度增幅(14.48%)較殼聚糖質量分數1%～2%(增幅21.66%)的小。為避免不必要的原料損失，使原料利用率達到最大化，選取殼聚糖濃度2%作為后續實驗研究條件。

圖4 不同殼聚糖濃度的碳點溶液的熒光發射譜

Fig.4 Fluorescence emission spectra and excitation spectra of CDs with different chitosan concentration

3.2 碳點的形貌分析

如圖5所示為水熱法合成的殼聚糖碳點的原子力顯微鏡圖。根據AFM成像得到CDs的尺寸大小，結果表明CDs的尺寸范圍為3～10 nm，呈現出球形或類球形的納米顆粒狀，且均勻分布。

圖5 CDs的AFM圖

3.2.1 光學性能分析

圖6為CDs的熒光和紫外吸收光譜。由圖6(a)可知激發峰和發射峰之間存在較大的能量差異，表明CDs具有半導體能帶。CDs顯示出以292 nm為中心的強紫外-可見吸收特征，與Yang等[34]報道的結果一致。CDs在紫外光下顯示明亮的藍色熒光，量子產率約為32.86%。如圖6(b)所示為碳點溶液在不同激發波長下的熒光發射譜，熒光強度隨著激發波長的增加先增加后下降。碳納米顆粒的形成及其表面功能化在熱液碳化過程中同時發生，豐富的官能團(如氨基)可以在表面引入不同的缺陷，充當激發能量空穴并導致熒光發射[38]。從波譜中可以得到最大熒光強度對應的激發波長為335 nm，發射波長為410 nm。

圖6 碳點的紫外吸收和熒光激發與熒光發射光譜(插圖為它們在日光和紫外光下的數碼照片)(a)及不同波長激發下的發射光譜(b)

Fig.6 UV absorption spectrum, fluorescence emission spectra and fluorescence excitation spectra of CDs(a), and PL emission spectra of CDs(b), respectively.

3.2.2 FTIR分析

圖7顯示了殼聚糖(CTs)和碳點(CDs)的FTIR譜。殼聚糖在3 432 cm-1處表現出O—H和氨基的N—H伸縮振動特征吸收峰，在2 874 cm-1處表現為亞甲基的C—H伸縮振動吸收峰，在1 650 cm-1和1 596 cm-1處為N—H彎曲振動吸收峰，在1 157 cm-1處對應吡喃糖環的C—H彎曲振動吸收峰。碳點在3 411 cm-1處表現出的O—H和N—H伸縮振動吸收峰向小波數移動，在2 927 cm-1和2 882 cm-1處出現了C—H伸縮振動吸收峰，并且與殼聚糖相比，在1 600 cm-1處氨基的吸收峰強度更大，與吡喃糖相關的1 157 cm-1處的C—H振動減弱。這些特征可以解釋碳點的形成為殼聚糖鏈的降解和通過脫水分解吡喃糖環。殼聚糖碳點的ζ電位測量結果為正值(+77.6 mV)，這是由于CDs的表面具有氨基。說明殼聚糖的水熱碳化是獲得氨基官能化熒光碳納米顆粒的有效方法。

圖7 殼聚糖(CTs)和碳點(CDs)的紅外光譜

3.2.3 XRD分析

圖8為殼聚糖(CTs)和殼聚糖碳點(CDs)的XRD衍射圖，分析比較了殼聚糖水熱碳化前后的晶體結構變化。由圖可知，殼聚糖在2θ=18.9°處具有主晶峰，在熱液碳化后，殼聚糖的結晶度降低，這是由于殼聚糖的結晶區受熱分解破壞導致的。碳點在2θ=23.8°處顯示更寬的峰，表明存在無定形碳相[39]。

圖8 殼聚糖(CTs)和碳點(CDs)的XRD衍射譜

3.2.4 XPS分析

圖9為殼聚糖(CTs)和碳點(CDs)的XPS能譜圖。分析殼聚糖及碳點的表面狀態，結果顯示兩者均含有C、O和N 3種元素。以399.03 eV為中心的殼聚糖的N1s峰與NH2狀態下的芳香族N相關聯，而碳點在399.55 eV處的N1s峰與被賦予表面官能化的NH2的N相關聯。元素分析表明殼聚糖的組成為36.14%的C、8.02%的N、55.84%的O，而碳點的組成為58.54%的C、3.62%的N、37.84%的O。發現殼聚糖經水熱碳化后碳含量明顯增加，這主要是由于殼聚糖脫水過程中損失了氧和氫。

圖9 殼聚糖(a)和碳點(b)的XPS能譜圖

Fig.9 XPS survey scan of CTs (a) and CDs (b), respectively.

3.3 碳點對金屬離子的選擇性研究

圖10(a)、(b)分別為碳點溶液加入相同添加量的不同金屬離子后的熒光發射譜和熒光強度變化圖。由圖10(a)可知，含相同添加量的不同金屬離子的碳點溶液中，加入Fe3+的碳點溶液熒光強度降低最顯著；由圖10(b)可知，其熒光強度下降至原溶液的10.6%，而其他金屬離子對碳點溶液的熒光猝滅效應不顯著。說明碳點對Fe3+具有敏感性和高選擇性。

圖10(c)為加入不同濃度Fe3+(0～150 μmol/L)的碳點溶液的熒光發射譜，表明Fe3+的加入可以有效猝滅CDs的熒光。根據熒光猝滅程度，對感應不同濃度Fe3+的碳點溶液的熒光強 度變化進行線性擬合，做出回歸曲線如圖10(d)所示。由圖可知，熒光猝滅效率對Fe3+在0～100 μmol/L的濃度范圍內呈線性響應。圖中所示的校準曲線可以表示為(P0-P)/P0=0.00659([Fe3+]:μmol/L)-0.02398，線性相關系數為0.993 25，其中P0表示碳點溶液的熒光強度,P表示分別添加0～100 μmol/L Fe3+的碳點溶液的熒光強度。

圖10 添加不同金屬離子的碳點溶液的熒光發射譜圖(a)和熒光強度變化圖(b)；碳點溶液加入不同濃度Fe3+(0～150 μmol/L)的熒光發射譜圖(c)和響應Fe3+濃度的回歸曲線(d)。

Fig.10 Fluorescence emission spectra(a) and PL intensity change(b) of CDs added with different metal ions. Fluorescence emission spectra upon addition of concentrations of Fe3+(0～150 μmol/L) in the CDs(c) and a linear regression curve of the CDs in response to Fe3+concentration(d).

4 結 論

通過水熱處理殼聚糖合成氨基官能化的熒光碳點，在紫外激發下呈現出強烈的藍色熒光。CDs的XRD譜在2θ=23.8°處存在寬峰，證明碳點的無定形結構。由 XPS分析可知，水熱碳化后碳點的C含量(58.54%)明顯增加，這主要是由于殼聚糖(C含量為36.14%)脫水過程中損失了氧和氫。制備得到的CDs具有靈敏的Fe3+檢測能力(P/P0=10.6%)，基于熒光猝滅效率對Fe3+在濃度0～100 μmol/L范圍內呈現線性響應，可用于Fe3+的定量分析檢測。