木質素基碳量子點的制備及其在Fe3+熒光探針中的應用

李瀟瀟，馬曉軍

（天津科技大學輕工科學與工程學院，天津 300457）

碳量子點（CQDs）是碳材料家族新興的一種光致發光材料，為尺寸在10 nm左右的類球形顆粒，具有合成簡單、光穩定性高、光致發光可調諧、水溶性好、細胞毒性低等特點[1-4]，是一種很有前途的替代材料。碳量子點優異的光學特性使其在細胞成像[5-6]、離子檢測[7-10]、藥物傳輸[11-12]、光電催化[13-14]、生物傳感[15]和防偽[16-19]等領域的應用成為可能。可用于合成碳量子點的前驅體有很多，自然界中大多數含碳的物質均可作為制備CQDs的前驅體。生物質資源作為自然界中一種成本低、環保、可再生等優點的原料，可作為石油基化工產品的替代材料，實現其高利用價值，因此生物質基碳量子點已成為前沿新材料領域的重要研究熱點。近年來，以生物質為前驅體合成強熒光CQDs被大量報道[17,20-23]。如ZHAO等[21]利用簡單的一鍋法成功地將低價值的生物質資源松木合成了發出強熒光的P-CQDs，P-CQDs還表現出良好的水溶性、熒光性和光學穩定性；此外，探討了在水熱炭化（HTC）過程中P-CQDs的形成機理以及P-CQDs可對Fe3+選擇性識別的特性。RAO等[24]通過將香蕉樹的根莖作為碳源前驅體，利用一步水熱法制備的生物質基碳量子點對Fe3+具有高選擇性，發生熒光猝滅效應，Fe3+的檢測限低至6.4 nM。LONG等[25]通過便捷的一步水熱法制備的FNCDs擁有可逆的自保護RTP和pH穩定的藍色熒光特性。其中FNCDs的熒光顏色能夠實現紫外光可控制的藍、綠光轉換(在紫外光下能顯示藍色熒光，無紫外光時顯示綠色熒光)，可以作為一種制備成本低、可分辨的新型智能隱藏墨水，用于信息加密和解密、反偽造和隱藏復雜圖案等安全級別較高的加密工作。另外，劉辰等[26]報道了以玉米秸稈發酵后的殘渣酶解木質素為碳源，通過水熱法制備發出藍綠色熒光的CQDs，并研究了不同重金屬離子對CQDs熒光性能的影響。然而，沒有進一步探究重金屬離子濃度對CQDs熒光性能的影響。

重金屬離子具有生物不親和性和不可降解性，是環境污染物之一。另外，重金屬離子很容易通過食物的攝入而在生物體內聚集，最終將會危及人類的身體健康[27]。而Fe3+作為一種重金屬離子，對人類的新陳代謝貢獻很大，但高濃度的金屬離子也會給身體帶來眾多副作用，如引起貧血、肝損傷等疾病[8]。因此，可利用CQDs的優異光致發光性能，開發一種簡單、耗時短、可裸眼識別的熒光探針，用于食品包裝中Fe3+的測定。

木質素在自然界中的來源廣泛，具有天然可再生、無毒、價廉的獨特特性，儲量僅次于纖維素[28-29]。木質素含有較高的碳含量和豐富的芳香結構，可作為合成CQDs的前驅體[22-23,30]，以實現其高價值利用，同時降低制備成本。為此，本研究以廢棄的酶解木質素作為前驅體，通過一步水熱反應制備CQDs，探討酶解木質素濃度、反應時間、反應溫度對CQDs熒光性能的影響，研究CQDs溶液在不同pH值下的熒光變化以及對Fe3+的熒光選擇性，從而為CQDs作為熒光探針和熒光傳感器在食品包裝等領域的廣泛應用提供思路。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

酶解木質素（EHL）是橡膠木粉在纖維素酶的作用下酶解后得到的殘渣[31]，為實驗室留存的廢棄物。

三氯化鐵，購自國藥試劑有限公司；蒸餾水，由實驗室自制。

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海申賢恒溫設備廠；SHB-III型循環水式多用真空泵，天津科諾儀器設備有限公司；Lab-1A-50E型真空冷凍干燥機，北京亞星儀科科技發展有限公司；FEL Tecnai F20型透射電子顯微鏡（TEM），美國FEI公司；ThermoFisher Scientific iS5型傅里葉紅外變換光譜儀（FTIR），美國Thermo electron科技公司；UV-2700型紫外－可見光分光光度計(UV-vis)，日本島津公司；HP-ZF01型紫外分析儀，濟南恒品機電技術有限公司；Cary Eclipse型熒光分光光度計，美國瓦里安公司。

1.2 木質素基碳量子點（CQDs）的合成

稱取一定量酶解木質素，加入20 mL水，超聲處理30 min后，將其轉移至100 mL聚四氟乙烯內襯的反應釜中，在不同的溫度下反應一定時間。自然冷卻至室溫，用0.22μm的濾膜抽濾，得到的淺黃色溶液，使用截留分子量為500的透析袋，在1 L去離子水里透析48 h，每隔6 h換一次水。最后將其冷凍干燥3 d，得到CQDs粉末。

1.3 結構與性能測試

1.3.1 透射電子顯微鏡(TEM)分析

使用透射電子顯微鏡（TEM）進行CQDs尺寸和形貌分析。

1.3.2 傅里葉紅外光譜分析

采用KBr壓片法在紅外變換光譜儀下測定固定樣品的紅外光譜，在500~4000 cm-1的波長范圍內掃描，分辨率設置為4 cm-1，掃描次數為16次。

1.3.3 熒光光譜和紫外可見光譜

分別使用紫外分光光度計和熒光分光光度計對樣品進行掃描，記錄紫外光譜和熒光光譜，用于判斷碳量子點的光致發光性質。

1.3.4 CQDs的pH響應特性

取適量的碳量子點溶液，將其分別放入不同pH值溶液中，反應5 min，使用熒光分光光度計對樣品進行掃描，記錄熒光光譜（PL）圖，觀察CQDs的熒光變化。

1.3.5 CQDs對Fe3+的熒光選擇性

取適量碳量子點溶液，分別放入不同濃度的Fe3+溶液中，反應15 min，觀察CQDs的熒光變化。

2 結果與討論

2.1 CQDs工藝優化

圖1展示了不同影響因素對CQDs熒光性能的影響。圖1(a)是在一定時間和溫度下，不同酶解木質素濃度(10、30、50、70、90 mg/mL)對制備的CQDs熒光強度的影響，從圖1（a）中可以看出，碳源濃度對CQDs熒光強度的影響相對明顯，隨著木質素濃度的增加，CQDs的熒光強度先增強后減弱，當木質素濃度為50 mg/mL時，熒光強度達到最大值。當木質素濃度＞50 mg/mL時，CQDs的熒光強度開始下降，這是由于內濾效應，碳源濃度過高，熒光強度逐漸下降。從圖1（b）可以看出，隨著水熱溫度（160、180、200、220、240℃）的升高（固定碳源濃度和反應時間），熒光強度逐漸增大，在220℃時，熒光強度達到最大，這可能是因為酶解木質素是長鏈大分子，低溫時反應不充分，得到的CQDs熒光較弱。隨著反應溫度的升高，水熱反應更加完全，熒光強度增強。而240℃時，熒光減弱，這可能是因為過高的溫度影響碳核的形成，導致碳量子點團聚，部分熒光猝滅。因此，最佳的水熱溫度為220℃。從圖1（c）可以看出，隨著水熱反應時間（8、10、12、14、16 h）的增加（固定碳源濃度和反應溫度），CQDs熒光強度逐漸增強。當反應時間為12 h時，熒光強度能夠達到750，與反應16 h的CQDs熒光相比，變化不大，考慮到效益最大化，認為12 h為最佳反應時間。

圖1 不同因素對CQDs熒光性能的影響

通過上述結果和分析可以得出工藝優化后碳量子點的最佳合成條件是：酶解木質素(碳源)濃度為50 mg/mL，反應溫度為220℃，反應時間為12 h。在此基礎上，以使用最佳工藝制備的碳量子點作為測試樣品，通過TEM、FTIR、UV-vis、FL測試對CQDs的分散性、尺寸大小和光學性能等進行進一步的分析。

2.2 CQDs的TEM分析

圖2是CQDs的TEM圖像。從圖2中可以看出，CQDs呈類球形，尺寸分布均勻，無明顯團聚，粒徑在7 nm左右，與文獻描述一致[13,18]。

圖2 CQDs的TEM圖像

2.3 CQDs的FTIR分析

圖3為CQDs的FTIR圖。從圖3的數據可以看出，合成的CQDs保留了酶解木質素的基本結構。在3430 cm-1處的寬吸收峰對應于CQDs中—OH的伸縮振動，豐富的—OH賦予了CQDs良好的水溶性特征[32-33]。在1610 cm-1和1436 cm-1處出現的吸收峰歸屬于—COOH的伸縮振動。紅外光譜圖結果進一步表明CQDs表面富含含氧官能團，與文獻的報道一致[5]。

圖3 CQDs的紅外光譜圖

2.4 CQDs的光學性質

圖4為CQDs溶液的紫外吸收光譜圖和熒光光譜圖。由圖4可知，CQDs水溶液在280 nm處出現較明顯的紫外吸收峰，這是由芳香族sp2碳的π-π*躍遷引起的[25]。另外，熒光光譜圖展示CQDs的最大激發波長為365 nm，最大發射波長為452 nm。CQDs具有良好的水溶性，在日光下呈透明的淡黃色，而在365 nm的紫外燈照射下發出明亮的藍色熒光。

圖4 CQDs溶液的紫外吸收光譜圖和熒光光譜圖

圖5為CQDs在不同激發波長下得到發射光譜圖。從圖5可以看出，隨著激發波長從280 nm變化到420 nm，發射波長發生紅移，且發射峰先增強后減弱，說明制備的CQDs具有激發波長依賴性[22]。這與文獻報道的CQDs的性質是一致的，這種現象出現的原因是CQDs的表面有不同的發射位點或CQDs的顆粒大小存在差異。

圖5 CQDs溶液在不同激發波長下的發射光譜圖

2.5 CQDs的pH響應特性

為探討CQDs在不同pH溶液下的熒光性能變化，將一定濃度的CQDs放入不同pH溶液里，反應5 min后，觀察CQDs溶液熒光變化，結果如圖6和圖7所示。實驗發現：溶液pH值從2.3變化到12.5，對應CQDs的熒光強度先增強而后減弱，當pH值大約在3～7時，熒光強度基本穩定，pH為4.5時達到最大值。然而在堿性條件下，CQDs的熒光強度會逐漸減弱。這可能是因為在堿性環境中會形成羧酸鹽，破壞了CQDs表面的鈍化，造成大量CQDs團聚，從而促使熒光發生一定程度的淬滅[23]。不同pH下CQDs溶液的熒光效果圖見圖7。上述結果表明，制備的CQDs具有一定的pH響應特性，說明其有望應用在食品包裝有害物檢測等更多領域。

圖6 在不同pH下CQDs溶液的熒光光譜圖

圖7 不同p H時CQDs溶液在可見光和365 nm紫外光下的效果圖

2.6 CQDs對Fe3+的檢測

為探究CQDs是否對重金屬離子具有熒光選擇性，觀察CQDs溶液的熒光強度與不同Fe3+濃度（0~2000μmol/L）之間的關系，結果如圖8和圖9所示。沒有加入Fe3+時，CQDs溶液具有高的熒光強度，但隨著Fe3+濃度的增加，CQDs熒光強度逐漸降低，且最大發射波長略有改變，可能是由于加入Fe3+影響了CQDs表面的官能團，造成CQDs聚集，從而發生熒光猝滅。不同Fe3+濃度時CQDs溶液的熒光變化見圖9。實驗結果表明：CQDs對Fe3+有顯著的熒光選擇性，且對低濃度的Fe3+依然能表現出熒光猝滅現象。當Fe3+濃度為30μmol/L時，熒光強度降低了13.8%；當Fe3+濃度為300μmol/L時，熒光強度降低了50.2%。因此，CQDs可以作為快速簡便、可裸眼識別的熒光探針用于Fe3+的測定。

圖8 在不同Fe3+濃度下CQDs溶液的熒光光譜圖

圖9 不同Fe3+濃度時CQDs溶液在可見光和365 nm紫外光下的效果圖

3 結束語

本文以酶解木質素為碳源，通過綠色簡便的一步水熱法合成了可發出強烈藍色熒光的碳量子點（CQDs）。CQDs的最佳合成條件是：酶解木質素濃度為50 mg/mL，水熱溫度為220℃，水熱時間為12 h。上述方法合成的CQDs具有良好的水溶性和優異的光致發光性能，且具有pH響應特性和Fe3+選擇性。基于CQDs優異的pH響應特性和Fe3+選擇性能，其在食品包裝有害物檢測、重金屬Fe3+測定等領域具有廣泛的應用前景。