綠色前體合成的碳量子點熒光猝滅法快速檢測藥物中痕量鐵離子

喻文湛，李倩，廖微，任靜，肖錫林，廖力夫，薛金花

(1.南華大學 藥學院， 湖南 衡陽 421001；2.南華大學 化學化工學院， 湖南 衡陽 421001； 3.南華大學 公共衛生學院，湖南 衡陽 421001)

碳量子點(CQDs，carbon quantum dots)具有獨特的光致發光性質、高穩定性、良好的親水性和生物相容性、低毒性等，在光電催化、生物成像、藥物載體、離子及藥物檢測等領域有很大的應用前景[1-7]，其中不乏用于Fe3+檢測的研究[8-14]。目前CQDs制備方法主要有水熱法、微波法、模板法和電化學法等[15-16]，水熱法是實驗室常用方法之一。研究者用來制備CQDs的前體除檸檬酸、乙二胺等[17-18]一些有機試劑外也包括明膠[19]、橙汁[20]、梨汁[21]、蔗糖[22]、蜂蜜[23]和橙皮等[24]天然物質。本研究即用自然環境中的樟樹葉作為前體通過水熱法一步合成了CQDs，并用其建立了檢測Fe3+的熒光法，用于補鐵藥中鐵含量的分析。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

KH2PO4、Na2HPO4、Fe(NO3)3·9H2O等均為分析純，且未經純化處理；實驗室用水均為超純水。

UV-3900型紫外-可見分光光度計；F-7000型熒光光譜儀；IRPrestige-21型紅外光譜儀；PHS-3E型pH計。

1.2 試劑配制

1.2.1 0.1 mol/L PBS緩沖液的配制 稱取1.360 9 g KH2PO4，用超純水溶解，于100 mL容量瓶定容得甲液；稱取1.419 6 g Na2HPO4，用超純水溶解，于100 mL容量瓶定容得乙液；將甲液與乙液以不同比例混合，經pH計調至不同pH得一系列pH的PBS緩沖液。

1.2.2 0.01 mol/L Fe3+標準儲備液的配制 稱取0.404 g Fe(NO3)3·9H2O，用超純水溶解，于100 mL 容量瓶定容得0.01 mol/L Fe3+標準儲備液。

1.3 CQDs的制備

將采摘得的新鮮樟樹葉洗凈、烘干，研磨成粉后過200目篩，將過篩粉末收集。稱取樟樹葉粉末1 g，量取50 mL超純水加入，邊超聲邊攪拌充分混勻后將溶液轉移至聚四氟乙烯反應釜中，于200 ℃下反應5 h，冷卻至室溫，將產物離心取上清液，用0.22 μm微孔濾膜過濾，收集濾液于4 ℃冰箱避光保存。

1.4 實際樣品的處理

采集來自不同廠家的同種補鐵藥。分別取2片藥研成粉末狀，濃硫酸溶解，直至粉末完全碳化成黑色，然后邊加熱邊滴加體積比為3∶1的硝酸和雙氧水的混合溶液，直至黃煙消失，溶液變澄清透明。待溶液冷卻后，離心分離除去無法消解的白色固體，將上清液轉移至50 mL容量瓶中，用超純水洗滌殘渣，將洗滌液一并轉入容量瓶，超純水定容，待測。

2 結果與討論

2.1 CQDs的紅外表征

圖1 碳量子點的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectrum of CQDs

2.2 CQDs的光學性質

CQDs表現出明顯的熒光強度和發射位置依賴激發波長的性質(圖2)，其在不同激發波長(320～420 nm，每次間隔10 nm)下，隨著激發波長增大，發射峰逐漸紅移，從418 nm紅移到498 nm，同時，發射峰強度逐漸減弱，320 nm熒光強度最大，為最佳激發波長。圖3為制得的CQDs的紫外吸收光譜及熒光光譜。

圖2 碳量子點在不同激發波長下的發射光譜Fig.2 Emission spectra of CQDs at different excitation wavelengths

圖3 碳量子點的紫外吸收和熒光光譜圖Fig.3 UV-Vis absorption and fluorescence spectra of CQDs a.紫外吸收光譜；b.激發光譜；c.發射光譜

2.3 條件優化

2.3.1 pH的優化 在不同pH條件下，Fe3+對CQDs的熒光猝滅程度不同。見圖4，當體系的pH為7.5時，|ΔF| 最大，即Fe3+對CQDs的熒光猝滅程度最大，因此該反應最佳pH取7.5，后續實驗的pH條件為7.5。

圖4 pH的優化Fig.4 Optimization of pH

2.3.2 CQDs用量的優化 固定Fe3+濃度為1×10-4mol/L，改變CQDs用量，研究熒光猝滅情況。見圖5，隨著CQDs用量增加，熒光猝滅程度增大，用量達到120 μL后趨于穩定，因此，以120 μL作為CQDs的最佳用量。

圖5 CQDs用量的優化Fig.5 Optimization of the volume of CQDs

2.3.3 反應時間的優化 加入0.01 mol/L Fe3+100 μL后CQDs溶液的熒光猝滅程度隨時間的變化見圖6，隨著時間的推移，CQDs溶液的熒光強度逐漸減小后趨于穩定，|ΔF| 逐漸增大后趨于穩定，到10 min時基本穩定，反應迅速，后續實驗反應時間確定為10 min。

圖6 反應時間的優化Fig.6 Optimization of the reaction time

2.4 Fe3+檢測

2.4.1 標準曲線與檢出限 在適量緩沖液中加入120 μL CQDs溶液，而后分別加入不同量Fe3+標準工作液，用緩沖液定容至10 mL，室溫下反應10 min后，在λEx=320 nm下測定熒光發射峰強度，從圖中可以看到，隨著Fe3+濃度的增大，CQDs的熒光強度逐漸減弱。以F/F0對Fe3+濃度做線性擬合(F0和F分別對應不加Fe3+及加入不同濃度Fe3+的CQDs熒光發射峰強度)，F/F0與Fe3+濃度在2.72×10-5～1.00×10-4mol/L范圍內呈良好的線性關系，線性回歸方程為F/F0=0.973 5-0.033 2c(×10-5mol/L)， 相關系數R2=0.991 2。根據LOD=3Sb/k計算得到檢出限為8.16 μmol/L，Sb和k分別表示空白溶液的標準偏差和標準曲線的斜率。

圖7 碳量子點的標準曲線熒光圖譜Fig.7 Standard curve fluorescence spectrum of CQDs

2.4.2 CQDs的選擇性實驗 在適量緩沖液中加入120 μL CQDs溶液，然后分別將100 μL 0.01 mol/L 的Li+、Na+、K+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Ca2+、Ba2+、Cu2+、Fe3+、Fe2+溶液加入，緩沖液定容到10 mL，混合均勻后在320 nm激發波長下測定其熒光強度。見圖8a，加入Fe2+后CQDs溶液的熒光猝滅程度與加入Fe3+后的相近，而Fe2+(H+)為pH 5.5條件下加入Fe2+后CQDs溶液的熒光猝滅程度，與前面pH 7.5時相差甚遠，可能原因為：在堿性條件下，Fe2+更快被氧化為Fe3+，從而使CQDs熒光被猝滅。所以，Fe2+本身其實并不能猝滅CQDs的熒光。而且二價鐵是難以穩定存在的，且對補鐵藥中的鐵含量進行檢測前需將藥片進行前處理，使藥片中的二價鐵全部轉化為三價鐵。見圖8b，將5倍量Fe3+的其他離子溶液和1倍量的Fe3+溶液分別加入到制備的CQDs溶液中，實驗結果表明，在濃度5倍于Fe3+的情況下，其他金屬離子對CQDs熒光強度影響不大，因此CQDs對Fe3+具有較好的選擇性。

圖8 碳量子點對金屬離子的選擇性Fig.8 Selectivity of CQDs for metal ions a.c(其他離子)=c(Fe3+)；b.c(其他離子)=5c(Fe3+)

2.4.3 實際補鐵藥中鐵含量的測定 為評價本方法的可靠性，以來自不同廠家的同種補鐵藥為測試對象，測試結果見表1。樣品1和2分別為來自不同廠家的同一種補鐵藥，對其進行加標回收實驗(n=6)，測得加標回收率為93.08%～105.05%。

表1 加標回收實驗結果(n=6)Table 1 Results of recovery test (n=6)

3 結論

本研究以自然界中的樟樹葉作為前體，通過一步水熱法合成了CQDs，還將制得的CQDs用于Fe3+檢測。在320 nm激發波長下，加入Fe3+反應后CQDs溶液的熒光強度與未加Fe3+的CQDs溶液的熒光強度比F/F0與Fe3+濃度在2.72×10-5～1.00×10-4mol/L范圍內呈良好的線性關系(R2=0.991 2)，回歸方程為F/F0=0.973 5-0.033 2c(×10-5mol/L)，檢出限為8.16 μmol/L。將其應用于補鐵藥中鐵含量的測定時，加標回收率為93.08%～105.05%，結果良好。本研究中制備碳量子點的方法簡便快速，原料環保易得，用于Fe3+檢測線性良好，靈敏度較高，選擇性較好，用于補鐵藥中鐵含量的檢測結果也令人滿意。