大腸桿菌一步水熱法制備氮摻雜碳量子點及其在鐵離子檢測中應用

林燁 李躍海 楊輝 黃虹浦 李琳 李順興

摘?要?以大腸桿菌沉淀物為前驅體，采用水熱法（180℃）一步合成水溶性好、pH穩定性和抗鹽性突出的氮摻雜碳量子點（N-CQDs）。通過透射電子顯微鏡、動態光散射和傅立葉紅外光譜對N-CQDs進行了表征，N-CQDs呈圓球狀，粒徑均一，大小4.1 nm，分散良好，表面含大量親水基團;采用紫外-可見吸收光譜和熒光光譜考察其光學性能，結果表明， Fe3+離子可對N-CQDs選擇性熒光猝滅，在0.58 nmol/L～100 μmol/L濃度范圍內，熒光猝滅程度與Fe3+濃度呈良好的線性關系，檢出限為0.58 nmol/L，回收率為93.9%～108.7%;同時考察了pH值、含鹽量、金屬離子共存對Fe3+測定的干擾，結果表明， 本方法適用于含鹽量較高、pH值變化范圍較大、共存金屬離子多樣的近海海水中Fe3+的選擇性熒光檢測。

關鍵詞?大腸桿菌; 氮摻雜碳量子點; 鐵離子; 熒光探針

1?引 言

碳量子點（Carbon quantum dots，CQDs）由于具有良好且穩定的光學性質[1]、水溶性[2]、生物相容性[3]及低毒性[4]等優于傳統量子點的特性，廣泛應用于化學傳感[5，6]、生物傳感[7，8]、生物成像[9，10]、納米醫學[11，12]、光催化[13，14]和電催化[15，16]等領域，特別是表面修飾CQDs已用于金屬離子快速便捷檢測[14～16]，因此，CQDs自2004年Xu等[17]發現以來， 便成為研究熱點。CQDs制備方法主要分為兩類： 自上而下法，以較大碳材料為碳源，剝落為CQDs，如激光銷蝕法[18]、電化學法[19]及弧光放電法[17]等; 自下而上法，對較小碳材料進行表面修飾，制取CQDs，如化學氧化法[20]、微波法[21，22]及水熱法[5，6]等。由于簡單方便、產品穩定，水熱法已成為CQDs制備最常用方法[23]。

鐵元素是重要生源要素，在水環境廣泛存在，在生物地球化學循環中起重要作用[24]。對于許多小型生物（如浮游植物）而言，被動擴散是金屬進入生物體內的唯一方式[25]，自由離子活度模型（FIAM）認為離子態金屬才能被這些小型生物直接利用[26]。海水中鐵濃度很低，如在沿岸海水中鐵濃度為0.1～10 μmol/L，Fe2+主要通過光還原或生物還原Fe3+形成，存在時間非常短，會立刻被氧化成Fe3+離子[25]， 因此Fe3+是鐵主要存在價態，Fe3+修飾檢測是鐵生物可利用評價的重要基礎。

Fe3+檢測方法主要包括化學發光法[10，11]、原子吸收/發射光譜法[27]、比色法[28]及分光光度法[29]。熒光光譜法因靈敏度高和響應快速等優點受到極大關注。基于碳量子點熒光探針測定Fe3+近年來成為研究熱點[30～35]。已有的碳量子點雖可靈敏檢測Fe3+，但抗干擾能力不強，適用于淡水和生物樣品，無法滿足含鹽量高、pH值變化大、共存金屬離子多的近海海水中Fe3+的檢測。

以微生物為碳源制備碳量子點的研究甚少，僅有植物乳桿菌LCC-605水熱碳化合成生物標記用碳量子點[36]，未見用于實際分析檢測應用。大腸桿菌為微米尺度的原核生物，結構簡單，主要由C、H、O、N等元素組成，培養簡便，繁殖速度快。大腸桿菌常被作為檢測對象[37]，而以其為前驅體制備碳量子點，未見報道。本研究以大腸桿菌為碳源，通過水熱法一步合成氮摻雜碳量子點（N-CQDs），其水溶性好、化學穩定性強，對Fe3+響應選擇性好且靈敏，可用于實際海水水樣中Fe3+的檢測。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

ROTINA 420高速離心機（德國Hettich公司）; JEM-2100場發射透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）; Thermo Scientific Escalab 250 Xi型X射線光電子能譜儀、 Nicolet iS5傅立葉變換紅外光譜儀（美國Thermo Fisher Scientific公司）; UV-5800PC 型紫外-可見分光光度計（上海元析儀器有限公司）; Cary Eclipse熒光分光光度計、 Agilent 7500 Series電感耦合等離子體質譜儀（美國Agilent公司）; 馬爾文Zetaszier Nano-ZS90儀器（英國馬爾文公司）。

大腸桿菌菌種ATCC購于廣東省微生物菌種保藏中心（Guangdong culture collection center）; LB肉湯購于北京陸橋技術有限責任公司; FeCl2、KCl等無機離子的鹽酸鹽（分析純，西隴化工股份有限公司）; 透析袋（（MWCO： 1000D，美國聯合碳化Viskase公司）; 實驗用水為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）， 采用美國Millipore超純水儀制備。

2.2?N-CQDs的制備

2.2.1?大腸桿菌培養?取大腸桿菌（ATCC35401）菌液0.2 mL，接種于100 mL LB肉湯培養基，于37℃水浴搖床（轉速100～200 r/min）中培養24 h，8000 r/min離心10 min，用超純水將菌體沉淀洗滌3次，于真空干燥箱中60℃干燥，研磨成粉末，備用。

2.2.2?N-CQDs合成?取上述菌體粉末0.06 g于10 mL超純水中，超聲分散5 min，轉移至高壓反應釜的聚四氟乙烯內襯中，180℃反應6 h，冷卻至室溫，將產物以10000 r/min離心10 min，用0.22 μm濾膜過濾，透析12 h，將透析液冷凍干燥后稱重，配制成濃度為0.25 g/L的溶液，于4℃保存。

2.3?熒光量子產率計算

鑒于N-CQDs碳量子點熒光激發波長為327 nm，硫酸奎寧在350 nm的熒光激發下量子產率為0.58，選擇硫酸奎寧作為熒光量子產率的標準參照物。測定過程中控制碳量子點和硫酸奎寧在350 nm的吸光度低于0.05。N-CQDs相對熒光量子產率計算公式為：