微波法制備摻氮碳點及其用作探針檢測鐵離子

王詩琪，涂雨菲，劉之曉，左丹英，許 靜，張宏偉

(武漢紡織大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430073)

1 引 言

碳點是指尺寸在10 nm以下的熒光碳納米材料，于2004年在電泳法制備單壁碳納米管的純化過程中被首次發現［1］。它是一種繼富勒烯、碳納米管和石墨烯之后的新型碳納米材料，主要包括石墨烯量子點、碳納米點和聚合物點三類［2］。與傳統的有機染料和無機半導體量子點相比，碳點具有水溶性好、生物毒性低、熒光強度高、光穩定性好、生物相容性好、制備方便、易于功能化和價格低廉等優點，可廣泛用于醫藥、生物、能源、分析化學、光電轉換、光電催化等領域［1-5］。因此，從碳點被發現開始就受到了研究人員的廣泛關注。

在過去的十多年中，研究人員已經開發出許多種熒光碳點的制備方法。從原料體積變化的角度，這些方法可以分為兩大類:一類是通過切割、破碎體積較大的碳的前驅體(如活性炭［6］、石油焦［7］、石墨［8］、碳納米管［9］和蠟燭灰［10］)，從上到下的合成方法，包括化學氧化法、激光刻蝕法、電化學法和電弧放電法等;另一類是由有機小分子或聚合物分子(如抗壞血酸［11］、檸檬酸［12-13］、蔗糖［14］、葡 萄 糖［15-16］、苯 二 胺［17］、對 氨 基 苯 磺酸［18］、甘油［19］、淀粉［20］、白明膠［21］和殼聚糖［22］)作前驅體通過縮聚、熱解或碳化，從下到上的合成方法，包括水熱法、微波法和燃燒法等。這些方法大多合成步驟繁瑣，耗時較長，因此開發快速宏量制備碳點的方法一直為研究人員所關注。

本文以2-氨基對苯二甲酸(ATA)為前驅體，ATA由苯環、羧基和氨基組成，有利于在碳點中形成石墨碳晶格結構。添加不同的修飾劑后，采用微波法合成摻氮碳點(N-CDs)。該方法原料易得，加熱均勻、迅速，反應時間短，操作簡便，成本低，適宜規模化生產。實驗結果表明，N-CDs水溶性好，所發藍色熒光的強度高且不依賴于激發波長，對Fe3+識別能力良好。鐵是人體中血紅蛋白和血紅素的重要組成成分，過少會引起貧血等疾病，而過多則會引發鐵中毒，因而鐵含量的檢測很有必要。利用Fe3+與NCDs之間的熒光猝滅效應，N-CDs可以用作水中Fe3+檢測的熒光探針。

2 實 驗

2．1 N-CDs的合成

將0．12 g ATA和等質量的修飾劑(二乙醇胺、三乙醇胺、二乙胺和乙二醇)加入15 mL pH=13的去離子水中，超聲混合均勻，倒入四氟乙烯微波消解罐中，以1 kW的功率反應3 min，冷卻至室溫，加入20 mL去離子水稀釋。將所得棕黃色溶液裝入透析袋(MW 1 000 u)中透析48 h后，經真空冷凍干燥，得淡黃色粉末。4種樣品按照修飾劑添加順序依次記為 N-CD-1，N-CD-2，NCD-3，N-CD-4。

2．2 性能測試

使用UV2100紫外-可見分光光度計(中國北分瑞利)和WFY-28熒光分光光度計(天津拓普)、Tecnai G2 F30透射電子顯微鏡(美國FEI公司)、VERTEX70傅里葉變換紅外光譜儀(德國Bruker公司)對制得的樣品進行表征。

2．3 Fe3+的檢測

取5 mL的N-CDs溶液(1．0 mg/mL)，分別加入不同濃度的Fe3+溶液，用稀鹽酸溶液調節pH值到1．5，并用 pH=1．5的去離子水溶液將含Fe3+的N-CDs溶液定容至50 mL，靜置20 min后用注射器抽取其中的3 mL注入四通比色皿中，在340 nm激發波長處檢測溶液的熒光發射光譜，計算體系中N-CDs的熒光相對強度(F/F0)，F和F0分別為添加和不添加Fe3+的峰值(425 nm)熒光強度。

3 結果與討論

3．1 N-CDs的表征

圖1是N-CDs水溶液的紫外-可見光吸收光譜(UV-vis)。N-CDs的吸收峰與文獻［23］中原料ATA的UV-vis圖有明顯的不同，4種N-CDs在220，256，327 nm附近都出現了3個吸收峰，分別歸屬于共軛雙鍵C C的π→π*躍遷、C—N的躍遷和C O的躍遷［19，24-25］。這表明經微波處理后，ATA結構發生了改變，產生了碳骨架，形成的N-CDs存在共軛結構。

圖1 N-CDs的紫外-可見光吸收光譜Fig．1 UV-vis absorption spectra of N-CDs

N-CDs和 ATA的紅外光譜如圖2所示。ATA 的紅外光譜中 3 508，3 392，1 238 cm－1處的峰分別對應于NH2的非對稱伸縮振動、NH2的對稱伸縮振動和C—NH2的伸縮振動;1 690 cm－1處的峰為C O伸縮振動;1 554 cm－1和755 cm－1處的峰對應于苯環的C—C伸縮振動和環呼吸［23］。添加不同修飾劑的N-CDs紅外光譜吸收峰的位置相似，其中3 429 cm－1處的寬峰為O—H和 N—H 伸縮振動［26］;1 646 和 1 418 cm－1處的峰分別為C N和C—N伸縮振動［24，27］;1 500～1 600 cm－1內的多個峰為苯環共軛雙鍵C C伸縮振動;1 369 cm－1處的峰為 C—O—C伸縮振動［15］;1 100 cm－1處的峰為 C—O 伸縮振動［21］。這表明N-CDs表面不僅含有大量的含氧基團，還存在一定量的氨基。

圖2 N-CDs和ATA的傅立葉變換紅外光譜Fig．2 Fourier transform infrared(FT-IR)spectra of N-CDs and ATA

圖3 (a)是N-CDs由340 nm的紫外光激發的熒光發射譜的比較，顯然N-CD-4具有最高的熒光強度;圖3(b)是N-CDs的收率及熒光量子產率(以硫酸濃度為0．1 mol/L的硫酸奎寧為參照)，N-CD-4仍有最高的收率和熒光量子產率。這一結果可能的原因是ATA結構中含有氨基，通過氨基與羧基間的反應，最終實現對碳骨架的氮摻雜，使得4種N-CDs碳骨架上的差異性較小。二乙醇胺、三乙醇胺和二乙胺這3種含氮的修飾劑中，由于三乙醇胺缺少氨基氫原子，與ATA上的基團間的反應效率不及二乙醇胺和二乙胺，導致NCD-2的熒光強度在三者之中最低。乙二醇雖然也不含氨基氫原子，但同等質量下卻可提供比另外3種修飾劑更多的羥基參與反應，使N-CD-4表面產生了更多的含氧基團，因而N-CD-4具有最高的熒光強度和熒光量子產率，后文的分析將圍繞N-CD-4進行。

圖3 (a)N-CDs熒光發射譜中425 nm處熒光相對強度比較;(b)N-CDs的收率及熒光量子產率。Fig．3 (a)Comparison of photoluminescence emission intensities of N-CDs at425 nm．(b)Yields and fluorescence quantum yields of N-CDs．

N-CD-4的透射電鏡(TEM)圖像如圖4所示。N-CD-4的顆粒為橢球形，尺寸為5～8 nm。在右上角的插圖中清晰可見晶格條紋，晶面間距約為0．23 nm，與石墨的(100)晶面間距相近，表明N-CD-4具有類石墨碳的結構［16］。根據上述分析，N-CD-4可能的合成反應過程如圖5所示。

圖4 N-CD-4的TEM圖(插圖為高分辨TEM)Fig．4 Transmission electron microscope(TEM)image of NCD-4，inset is high-resolution TEM(HRTEM)image．

圖5 N-CD-4的合成示意圖Fig．5 Schematic illustration of the synthesis process for N-CD-4

3．2 N-CD-4的熒光性能

從N-CD-4的熒光發射譜和熒光激發譜(圖6(a))可以看出，它的最佳激發波長和發射波長分別為345 nm和425 nm，兩者之差(即Stokes位移)為80 nm，說明其可以發射強而穩定的熒光。在365 nm紫外光激發下，N-CD-4水溶液發出明亮的藍色熒光(圖6(a)插圖)。圖6(b)是N-CD-4在不同激發波長下的熒光發射光譜，可以看出熒光的發射峰不隨激發波長的變化而改變，發射峰的波峰始終位于425 nm。這種不依賴于激發波長的發光行為表明N-CD-4的發光機理是基于表面缺陷而不是基于尺寸依賴的帶隙躍遷［1，14］。此外，實驗中還發現N-CD-1、N-CD-2和N-CD-3的熒光發射行為同樣具有不依賴于激發波長特性，這表明4種N-CDs在碳骨架和表面基團種類上的相似性遠大于差異性。這與上述分析的ATA形成氮摻雜的碳骨架、修飾劑賦予表面基團的結果一致。

圖6 (a)N-CD-4的熒光發射譜和熒光激發譜(插圖為N-CD-4在365 nm紫外光下的光學照片);(b)不同激發光下N-CD-4的熒光發射譜。Fig．6 (a)Photoluminescence(PL)excitation and emission spectra of N-CD-4(inset is the optical image of the N-CD-4 under UV light of 365 nm)．(b)PL emission spectra of the N-CD-4 excited by different wavelengths ranging from 300 to 400 nm in 10 increments．

3．3 Fe3+的檢測

Fe3+的濃度與N-CD-4熒光相對強度之間的線性關系如圖7(b)所示。Fe3+濃度在5～60 μmol/L范圍內，熒光相對強度F/F0與Fe3+濃度的關系為:

根據3δ/K(δ為10次空白樣標準偏差，K為線性方程斜率)計算出Fe3+檢出限約為1．01μmol/L，該值與文獻［19］中碳點對 Fe3+的檢出限(2．0 μmol/L)相當，但高于文獻［18］中硫、氮共摻雜碳點對Fe3+的檢出限(0．1μmol/L)，后續的研究中也許可以通過硫原子共摻雜進一步提高靈敏度。

Fe3+對N-CD-4的猝滅機理如圖8所示。未添加Fe3+時，N-CD-4受紫外光照射后，吸收激發波能量使基態電子躍遷至高能量電子軌道，當這些被激發的電子躍遷回基態時，形成電子/空穴輻射復合，產生熒光。當添加Fe3+后，Fe3+與N-CD-4表面的含氧基團發生絡合配位作用，改變了N-CD-4表面的缺陷狀態。Fe3+外層電子結構為4s23d5，5個d軌道都處于半滿狀態，再受到紫外光照射時，激發態電子會轉移到Fe3+的3d軌道，促進非輻射的電子/空穴復合，導致熒光猝滅［18-19］。

圖7 (a)不同金屬離子存在情況下的N-CD-4熒光相對強度;(b)Fe3+濃度與N-CD-4熒光相對強度之間的線性關系。Fig．7 (a)Fluorescence intensity ratios(F/F0)of N-CD-4 in the presence of differentmetal ions．(b)Relationship between F/F0 and Fe3+concentration of N-CD-4．

圖8 Fe3+對N-CD-4熒光可能的猝滅機理Fig．8 Possible quenchingmechanism of the fluorescence by Fe3+to N-CD-4

4 結 論

本文研究了新型含氮碳源和不同修飾劑通過微波法快速制備N-CDs。所合成的N-CDs具有良好的水溶性，在365 nm紫外光照射下，發出明亮的裸眼可見的藍色熒光，且其熒光發射行為不依賴于激發波長。顆粒呈橢球形，直徑5～8 nm，晶面間距約為0．23 nm，為類石墨碳結構。N-CDs表面的含氧基團可與Fe3+絡合配位，導致熒光猝滅，因此可用這種N-CDs作為熒光探針，通過熒光分光光度法快速地檢測Fe3+濃度，Fe3+檢出限約為1．01 μmol/L。