熒光碳點的制備及其在I-檢測中的應用

龐紀平，江英霞，顏范勇，施錦輝

（1.天津中新藥業集團股份有限公司 中新制藥廠，天津 300450；2.天津工業大學 分離膜與膜過程國家重點實驗室/國家分離膜國際聯合研究中心，天津 300387；3.南通海關 綜合技術中心，江蘇 南通 226004）

碘是人體必需的微量元素之一，可參與甲狀腺激素的合成，調控人體的生長發育[1-3]。長期缺碘可引起甲狀腺功能低下，而長期碘過量則容易引起碘中毒，表現為消化道刺激癥狀等[4-5]。因此，準確測定生物、環境樣品及食品蔬菜中的碘含量對人體健康狀況分析、食物營養評價和環境評估有重要意義。目前，I-的檢測方法主要有離子色譜法、分光光度法、電化學法、中子活化法和色譜光譜法等[6-9]。這些方法具有靈敏度高和選擇性好的優點，但成本高，操作復雜。與之相比，熒光分析法不僅選擇性好，而且操作簡便、成本低廉，可以高靈敏快速檢測I-[10-13]。

CDs與傳統的石墨烯量子點相比，其光學性質對pH值、光照、溫度和離子強度等具有更好的穩定性，在應用時受到的限制條件較少。CDs還具有良好的水溶性、低毒性和良好的生物相容性等優點，被廣泛應用于傳感、生物成像和光學器件等多個領域[14-16]。CDs一般可用于檢測金屬離子以及其他無機離子，例如Fe3+、Hg2+、Al3+、F-、NO2-和OCl-[17-20]，但對I-檢測的研究仍然十分有限。因此，采用一步法合成用于檢測I-的熒光CDs至關重要。

本文以無水檸檬酸為碳源，乙二胺為氮源，通過一步水熱法合成了氮摻雜的CDs，通過TEM、UV-vis、FTIR和熒光光譜對CDs的結構和光學特性進行表征；并在此基礎上，開發了一種基于CDs的快速、靈敏檢測實際水樣中I-的方法。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

試劑：無水檸檬酸（≥99.5%）、N-2-羥乙基哌嗪-N′-2-乙磺酸（HEPES），上海阿拉丁試劑有限公司產品；乙二胺，天津大茂化學試劑廠產品；NaH2PO4、Na2HPO4、Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO3、Na2S，均為天津市風船化學試劑科技有限公司產品；NaNO2、NaNO3、NaAc、NaF，天津市北方天醫化學試劑廠產品；KBr、NaCl、KI，天津市福晨化學試劑廠產品；CaCl2、MgCl2、AlCl3，天津市化學試劑三廠產品。以上試劑均為AR級。

儀器：ALC-210.4型分析天平，上海奧豪斯儀器有限公司產品；DZG-401型電熱真空干燥箱，天津天宇實驗儀器有限公司產品；RE-52A型旋轉蒸發儀，上海雅榮生化設備儀器有限公司產品；KH-250型超聲清洗器，昆山禾創超聲儀器有限公司產品；TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜儀、F380型熒光分光光譜儀，天津港東科技發展股份有限公司產品；ZF-1型紫外-可見分光光度計，北京北分瑞利分析儀器有限責任公司產品；JEOL-2010F型透射電子顯微鏡，日本電子株式會社產品；T500型分析天平，天津市天馬儀器廠產品。

1.2 CDs的合成及純化

采用簡單的一步水熱法制備CDs。準確量取0.156 0 mL乙二胺和1.345 0 g無水檸檬酸于50 mL燒杯中，加入30 mL去離子水超聲使其溶解，將溶液倒入50 mL水熱反應釜中于190℃加熱5 h。反應完成后待其自然冷卻至室溫得到深棕色的溶液。通過離心除掉溶液中的不溶性顆粒，轉速為4 000 r/min，離心時長為15 min。將離心后的上清液進行進一步的透析純化（MW=3.5 ku），透析時間為24 h，此操作目的是除去體系中未反應的前體化合物。之后再用旋轉蒸發儀對透析后的產物進行旋轉蒸發，真空旋干，得到純化的CDs產物。

1.3 標準溶液的配置

（1）精密稱量CDs 0.01 g，用水做溶劑使其充分溶解，溶解之后將其稀釋定容到50 mL并進行適當搖晃，配制成質量濃度為0.2 mg/mL的標準母液。放置于冰箱保存備用。

（2）準確稱取適量的NaH2PO4、Na2HPO4、Na2S2O3、Na2SO4、Na2S、NaHSO3、NaNO2、NaNO3、NaAc、NaF、KBr、NaCl、KI、MgCl2、AlCl3、CaCl2等配制成濃度為2.0 mmol/L的標準溶液。配制完成之后將其做好標記，保存于冰箱備用。

（3）準確稱量119.15 g HEPES溶解在400 mL蒸餾水中，加0.5~1 mol/L的NaOH水溶液調節至pH值為7.4，然后用蒸餾水定容至500 mL，于冰箱保存備用。

1.4 CDs的選擇性和I-的測定

（1）CDs的熒光選擇性：首先取200μL CDs母液于10 mL容量瓶中，然后加入濃度為2 mmol/L的待測離子100μL，放置15 min后在350 nm的激發波長下進行熒光掃描，激發和發射狹縫均設置為2.5 nm。

（2）I-的測定：取100μL CDs溶液加入到10 mL容量瓶中，再向其中加入不同濃度的I-溶液，用10 mmol/L的HEPES緩沖液（pH值為7.4）定容。將混合液充分搖勻后于室溫下靜置10 min，之后在激發波長為350 nm下記錄CDs熒光強度的變化。在此過程中，激發和發射狹縫均設置為2.5 nm。

（3）干擾性評估：分別取100μLCDs溶液和200μL陰離子的標準溶液加入到10 mL容量瓶中，再用配制的HEPES緩沖液定容。將混合液充分搖勻后于室溫下靜置10 min，之后在激發和發射狹縫為2.5 nm、激發波長為350 nm的條件下記錄CDs熒光強度的變化。

1.5 量子產率的計算

CDs的量子產率（φ）是使用硫酸奎寧為標準物質（φf=54%）來計算的[21-22]。首先，將CDs溶解在水中，將硫酸奎寧溶解在0.1 mol/L H2SO4中形成0.1μg/mol溶液。然后配置5個不同梯度的CDs和硫酸奎寧溶液。為了最大程度地減少重吸收效果，硫酸奎寧在10 mm熒光比色皿中的吸光度保持在0.05以下，而CDs的吸光度保持在0.1以下。熒光積分強度是最佳激發波長下熒光光譜的積分面積。然后使用熒光積分強度對吸光度作圖，截距為零。量子產率計算公式為：

式中：φ為量子產率；Grad為熒光積分強度與吸光度之間關系的梯度；η為溶液折射率；x代表未知樣品；st為標準品；對于水溶液來說，ηx/ηst=1。

1.6 I-的加標實驗

為了評估CDs在實際應用中的可行性，研究了CDs在實際水樣中對I-的加標回收實驗。以天津工業大學的自來水為例。在進行I-加標實驗前，該水樣先通過0.35μm的濾膜過濾其中可能存在的不溶性雜質。之后，用該水樣配制5、10、15和20μmol/L的KI溶液，在室溫下孵育15 min后，在350 nm的激發波長下對每個樣品測量3次，記錄在450 nm處的熒光強度，與對應I-濃度的標準熒光強度作比較，計算回收率：

2 結果與討論

2.1 碳點的表征與光學性質

本文利用TEM、FTIR、XRD、UV-vis和熒光光譜對所制備的CDs進行表征，結果如圖1—圖2所示。

圖1 CDs的TEM圖、粒徑分布直方圖、FT-IR譜圖和XRD衍射圖Fig.1 TEM image，particle size distribution diagram，FT-IR spectra and XRD diffraction pattern of CDs

圖2 CDs的熒光光譜和紫外可見吸收光譜Fig.2 Fluorescence spectra and UV-vis absorption spectra of CDs

CDs的形態和粒徑通過TEM圖像表征。由圖1（a）和圖1（b）可知，由檸檬酸和乙二胺通過一步水熱法制備的CDs呈類球形結構并且具有良好的分散性；本文制備的CDs具有較窄的粒徑分布，主要分布在1.1~2.7 nm的范圍內，平均粒徑為2.25 nm。

CDs表面官能團的類型通過FT-IR圖譜測定。由圖1（c）可知，N—H或O—H的伸縮振動峰位于3 400 cm-1左右；C=O的伸縮振動峰位于1 700 cm-1左右；1 250 cm-1左右的峰為C—N的伸縮振動峰；1 175 cm-1左右的峰為C—C的伸縮振動峰。由此可知，本文合成的CDs表面同時具有—NH2與—COOH等官能團。

圖1（d）為CDs的XRD圖譜，其在2θ=21.5°處具有一個明顯且較寬的衍射特征峰，這歸因于（002）晶格面的衍射。稍微大于石墨晶格間距（0.34 nm），是由于在CDs中引入了含N和含O基團。

CDs的熒光光譜如圖2（a）所示，由于表面的不均一性，隨著激發波長的增加，CDs的發射峰逐漸紅移，表明CDs具有激發決定發射的性質[23-24]。并且CDs的熒光強度隨著激發波長的增加先增加后降低，在激發波長為350 nm時熒光強度在450 nm處具有最佳的發射峰。因此，350 nm為該CDs的最佳激發波長，之后的測量均使用該激發波長。

圖2（b）為CDs的UV-vis光譜，由圖2（b）可知，該CDs在203、252和345 nm處具有3個吸收峰。在203和252 nm處的吸收峰主要由C=C鍵上π-π*的電子躍遷造成，而在345 nm處的吸收峰主要由C=O上n-π*的電子躍遷造成[25-26]。

通過對CDs在不同pH溶液和不同濃度NaCl溶液中的熒光強度來研究CDs的光穩定性，結果如圖3和圖4所示。

圖3 不同pH條件下CDs的熒光穩定性Fig.3 Fluorescence stability of CDs at different pH conditions

圖4 鹽濃度對CDs熒光強度的影響Fig.4 Effect of salt concentration on luorescence intensity of CDs

由圖3可知，在pH值從4變化到10的過程中，CDs的歸一化熒光強度僅有微弱的變化，并且在pH值為8時達到最高值。因此，在之后的檢測中HEPES緩沖液的pH值在7~8之間對熒光檢測最為有利。由圖4可知，明顯地，即使NaCl的濃度達到4.0 mol/L時，CDs的熒光強度也沒有明顯下降的趨勢。以上結果表明，本文所合成的CDs具有優異的熒光穩定性。

2.2 CDs的選擇性與滴定實驗

CDs對常見離子的選擇性識別結果如圖5所示。

由圖5可知，在陽離子對CDs的滴定過程中（圖5（a）），Cr6+由于在470 nm處本來就有一定的吸收，所以Cr6+在陽離子檢測中表現出來的特殊吸收現象并不能說明本文合成的CDs對其有特殊的選擇性。而如圖5（b）所示，在對陰離子檢測的過程中，CDs的熒光被I-淬滅，這說明本文合成的CDs對I-具有特異性識別能力。

圖5 CDs對常見陽離子和陰離子的選擇性Fig.5 Selectivity of CDs for common cations and anions

在350 nm的激發波長下評估不同濃度的I-對CDs在450 nm處的熒光強度的影響，結果如圖6和圖7所示。由圖6可知，隨著I-濃度的增加，CDs的熒光強度逐漸降低。圖7為CDs熒光強度與I-濃度的線性關系圖。由圖7可見，當I-濃度范圍為20~90μmol/L時CDs的熒光響應（F0-F）與I-濃度有較好的線性關系，并且由此得到的檢測限為1.743μmol/L。

圖6 I-對CDs的熒光滴定光譜Fig.6 Fluorescence titration spectra of I-on CDs

圖7 F0-F與I-濃度的線性關系Fig.7 Linear relationship between F0-F and I-

2.3 干擾性評估和機理研究

CDs對I-靈敏性的抗干擾性評估結果8所示。由圖8可知，當其他干擾性離子存在時，加入I-后CDs的熒光淬滅程度與沒有存在干擾性離子幾乎一樣，說明其他陰離子的存在對CDs檢測I-具有可忽略的影響，說明該CDs具有良好的抗干擾能力。

圖8 干擾離子對CDs熒光強度的影響Fig.8 Effect of interfering ions on fluorescence intensity of CDs

通常CDs的淬滅機理主要包括靜態淬滅、動態淬滅、內濾效應（IFE）和福斯特共振能量轉移（FRET）[22-25]。通過測定加入I-前后CDs的熒光衰退曲線和紫外吸收光譜分析CDs對I-的檢測機理，如圖9所示。

圖9 CDs對I-的檢測機理分析Fig.9 Detection mechanism analysis of I-by CDs

由圖9（a）可知，CDs的熒光壽命為9.644 ns，加入I-之后CDs的熒光壽命為9.313 ns，熒光壽命幾乎沒有改變，因此，可排除動態淬滅和FRET。由圖9（b）可知，加入I-后，CDs在345 nm處的吸收峰降低而240 nm處的吸收峰增加，240 nm處不發光基態復合物的形成導致CDs的紫外吸收譜圖改變，由此排除IFE。因此，CDs與I-相互作用的機理為靜態淬滅。由圖9（c）可知，當加入相同濃度I-后僅升高反應溫度時CDs的熒光淬滅程度下降，進一步驗證了淬滅機理為靜態淬滅[27]。

2.4 I-在實際樣品中的加標實驗

為了驗證本文合成的CDs可以選擇性識別I-，通過在自來水樣品中分別加入不同濃度的I-進行加標回收實驗，結果如表1所示。由表1可知，得到I-的回收率在98.7%~101%之間。以上結果表明回收率較高，能夠定量回收I-。由此說明，本文合成的CDs可用于有效、靈敏地檢測自來水中的I-含量。

表1 水樣中I-的分析結果Tab.1 Analytical results of I-in water samples

3 結論

采用無水檸檬酸和乙二胺通過一步水熱法合成了水溶性的藍色發射熒光CDs，利用TEM、FTIR、UVvis和熒光光譜對CDs的結構、元素組成和光學性質進行了表征，并采用CDs檢測水樣中的I-，考察其檢測效果和淬滅機理，結果表明：

（1）CDs的熒光強度與I-濃度在20~90μmol/L的范圍內具有良好的線性關系，檢測限為1.743μmol/L。

（2）該CDs對I-具有良好的特異性識別能力和靈敏度，淬滅機理為靜態淬滅。通過真實水樣中的加標實驗進一步發現，該方法具有良好的實際應用前景。