基于檸檬酸/乙二胺-碳量子點(diǎn)制備熒光傳感器

張語嫣，李永生

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

碳量子點(diǎn)具有獨(dú)特的物理及化學(xué)性質(zhì)，與半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳量子點(diǎn)具有低毒性、環(huán)境友好、生物相容性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛用于生物成像[1-2]、傳感[3-4]、藥物傳遞[5-6]和光催化[7-8]等領(lǐng)域。由于碳量子點(diǎn)對(duì)金屬離子的超高選擇性，越來越多的碳量子點(diǎn)用于金屬檢測(cè)[9-10]。但目前利用的碳量子點(diǎn)熒光探針技術(shù)大多使用液態(tài)碳量子點(diǎn)，使用過后難以回收，不能重復(fù)使用。本研究通過靜電結(jié)合，將碳量子點(diǎn)固定在毛細(xì)管內(nèi)表面，制備了一種熒光生物傳感器，對(duì)Fe3+有特定響應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

pH標(biāo)準(zhǔn)物、聚丙烯酸、乙醇、聚乙烯亞胺(PEI)、氫氧化鈉、無水檸檬酸、乙二胺均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水均為超純水(電導(dǎo)率0.1 μS/cm)。

RF-5301PC熒光光度儀；玻璃毛細(xì)管(45 mm×0.90 mm)；毛細(xì)管精密定位座(13 mm×13 mm×43 mm)，自制；艾柯KL-UP-IV-10型超純水器；AUW型電子天平；傲藝紫外-可見分光光度計(jì)。

1.2 試劑配制

1.2.1 25 g/L CA/EDA-CQDs儲(chǔ)備液 稱取1.5 g CA/EDA-CQDs，用超純水溶解，100 mL容量瓶定容，置于4 ℃冰箱中保存。

1.2.2 6 g/L PAA儲(chǔ)備液 稱取0.6 g PAA，用超純水溶解，100 mL容量瓶定容。置于4 ℃冰箱中保存。

1.2.3 10 g/L PEI儲(chǔ)備液 稱取1.0 g PEI，用超純水溶解，100 mL容量瓶定容。置于4 ℃冰箱中保存。

1.3 CA/EDA-CQDs的制備[11]

10 mL 1 mol/L檸檬酸溶液中加入2 mL乙二胺，待溶液混合均勻后，置于微波爐中，中高火加熱5 min，可觀察到溶液顏色逐漸變黃，最終得到的褐色產(chǎn)物即為CA/EDA-CQDs。于60 ℃ 烘干24 h。

1.4 CA/EDA-CQDs熒光傳感器制備

用濃硫酸、NH3/H2O2對(duì)玻璃表面進(jìn)行預(yù)處理，使玻璃表面帶有負(fù)電荷，從而將碳點(diǎn)固定在玻璃表面[12]。其制備過程見圖1。

1.4.1 玻璃毛細(xì)管的預(yù)處理 將玻璃毛細(xì)管放入煮沸的1.0 mol/L NaOH溶液中1 h，使其內(nèi)表面修飾上硅羥基。取出毛細(xì)管，用水、無水乙醇清洗數(shù)次，于50 ℃下烘干。

1.4.2 PEI陽離子層修飾 將毛細(xì)管浸入10 g/L PEI溶液，室溫下反應(yīng)5 min。取出毛細(xì)管用超純水清洗2次，清除未結(jié)合的PEI分子。

1.4.3 PAA陰離子層修飾 將毛細(xì)管浸入6 g/L PAA溶液，室溫下反應(yīng)5 min。取出毛細(xì)管，用超純水清洗2次，清除未結(jié)合的PAA分子。

1.4.4 CA/EDA-CQDs固定化 將毛細(xì)管浸入 15 g/L CA/EDA-CQDs溶液，室溫下反應(yīng)5 min。取出毛細(xì)管，用超純水清洗2次，清除未結(jié)合的CA/EDA-CQDs。

1.4.5 多層CA/EDA-CQDs固定化 依次循環(huán)上述1.4.3、1.4.4節(jié)步驟，按制備PAA/CA/EDA-CQDs復(fù)合薄膜層數(shù)確定步驟循環(huán)次數(shù)。

圖1 CA/EDA-CQDs熒光傳感器制備流程圖Fig.1 Flowchart of CA/EDA-CQDs fluorescence sensor preparation

2 結(jié)果與討論

2.1 CA/EDA-CQDs光學(xué)表征

圖2為CA/EDA-CQDs紫外-可見吸收光譜及熒光光譜表征。

圖2 CA/EDA-CQDs光譜圖Fig.2 The spectrogram of CA/EDA-CQDs

2.2 CA/EDA-CQDs溶液濃度對(duì)固定化影響

CA/EDA-CQDs溶液濃度對(duì)CA/EDA-CQDs固定化影響見圖3。

由圖3可知，隨著CA/EDA-CQDs溶液濃度增加，傳感器平臺(tái)熒光強(qiáng)度隨之增加。為了節(jié)省試劑，同時(shí)獲得較好的熒光強(qiáng)度，選定CA/EDA-CQDs溶液濃度為15 g/L。

圖3 CA/EDA-CQDs濃度對(duì)固定化影響Fig.3 Effect of concentration of CA/EDA-CQDson immobilization

2.3 CA/EDA-CQDs溶液酸度對(duì)固定化影響

CA/EDA-CQDs溶液酸度對(duì)CA/EDA-CQDs固定化影響見圖4。

圖4 CA/EDA-CQDs pH對(duì)固定化影響Fig.4 Effect of CA/EDA-CQDs pHon immobilization

由圖4可知，固定化CA/EDA-CQDs毛細(xì)管的熒光強(qiáng)度隨著CA/EDA-CQDs溶液pH的增加而增加，當(dāng)pH=3時(shí)，達(dá)到最大值，隨后固定化CA/EDA-CQDs毛細(xì)管的熒光強(qiáng)度隨著CA/EDA-CQDs溶液pH的增加而減小。這是由于CA/EDA-CQDs+與H+與PAA的 —COO-基團(tuán)競爭結(jié)合。

2.4 PAA溶液濃度對(duì)固定化影響

PAA作為平臺(tái)的聚強(qiáng)陰離子電解質(zhì)層，對(duì)CA/EDA-CQDs固定化存在影響，PAA濃度對(duì)CA/EDA-CQDs固定化影響見圖5。

圖5 PAA濃度對(duì)固定化影響Fig.5 Effect of PAA concentration on immobilization

由圖5可知，PAA濃度為6 g/L時(shí)，CA/EDA-CQDs在毛細(xì)管內(nèi)壁固定的效果最好。聚電解質(zhì)發(fā)生電離時(shí)，聚電解質(zhì)鏈上帶有同種電荷，發(fā)生靜電排斥，分子鏈?zhǔn)嬲归_來。溶液濃度<1%，隨著濃度的降低，平衡向電離方向移動(dòng)。當(dāng)濃度適當(dāng)降低時(shí)，有利于PAA的電離，利于CA/EDA-CQDs與PAA分子間的靜電結(jié)合。

2.5 PAA溶液酸度對(duì)固定化影響

PAA溶液酸度對(duì)PAA的電離有影響，從而影響到PAA與CA/EDA-CQDs之間的靜電結(jié)合。PAA溶液酸度對(duì)固定化影響進(jìn)行考察，結(jié)果見圖6。

圖6 PAA的pH對(duì)固定化影響Fig.6 Effect of PAA pH on immobilization

由圖6可知，PAA溶液pH為3時(shí)，CA/EDA-CQDs在毛細(xì)管內(nèi)壁固定的效果最好。當(dāng)溶液的酸度過高時(shí)，溶液中存在大量H+，對(duì)PAA長鏈上的 —COOH的電離有抑制作用，不利于PAA與CA/EDA-CQDs的靜電結(jié)合；溶液的酸度降低時(shí)，溶液中存在的OH-增多，抑制了固定在毛細(xì)管內(nèi)壁的CA/EDA-CQDs的質(zhì)子化，仍然不利于PAA與CA/EDA-CQDs的靜電結(jié)合。故當(dāng)pH為3時(shí)，對(duì)PAA的電離與CA/EDA-CQDs的質(zhì)子化沒有較大影響。

2.6 傳感器金屬離子選擇性考察

將制備的傳感器內(nèi)吸入超純水，測(cè)定此時(shí)傳感器熒光強(qiáng)度為F1，吹出超純水，再吸入不同的金屬離子溶液(1 mg/L)，在傳感器內(nèi)停留10 min，反應(yīng)結(jié)束后，吹出管內(nèi)溶液，重新吸入超純水，測(cè)定此時(shí)傳感器熒光強(qiáng)度(F2)，金屬離子對(duì)傳感器熒光猝滅值ΔF=F1-F2，結(jié)果見圖7。

圖7 傳感器對(duì)金屬離子選擇性Fig.7 Sensor selectivity for metal ions

由圖7可知，該傳感器對(duì)Fe3+有高選擇性。

3 結(jié)論

基于靜電結(jié)合法制備了CA/EDA-CQDs的熒光傳感器。在CA/EDA-CQDs溶液濃度為15 g/L，pH為3，PAA溶液濃度為6 g/L，pH為3時(shí)制備的傳感器熒光強(qiáng)度最高。將傳感器內(nèi)吸入不同的金屬離子，發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)Fe3+的響應(yīng)最強(qiáng)，說明該傳感器對(duì)Fe3+有特定響應(yīng)，可用來檢測(cè)生物樣品中Fe3+含量。