堿木質素碳點的制備及對Fe3+檢測性能研究

任世明 鄭祖陽 韓春暉 李瑤瑤 莊建東，*

（1.福建農林大學材料工程學院，福建福州，350002；2.植物纖維功能材料國家林業和草原局重點實驗室，福建福州，350002；3.福建警察學院刑事科學技術系，福建福州，350007）

碳點（Carbon dots，CDs），又稱碳量子點或者碳納米點，是一類尺寸在10 nm 以內的碳基零維材料，具有獨特的光學性能、良好的水溶性、高穩定性、低毒性、優良的生物相容性和低環境影響等特性，被認為是一種新穎而極具應用前景的熒光碳材料而備受矚目[1-2]。2004年，Xu等人[3]在電泳純化單壁碳納米管的過程中初次發現了可發出微弱熒光的碳量子點，自此關于碳點的研究引起了國內外學者的廣泛關注，近年來更是掀起了以天然物質為碳源合成碳點的研究熱潮。在眾多合成方法中，水熱或溶劑熱合成法以廉價、環保、簡單等優勢脫穎而出。目前用于水熱法合成碳點的天然碳源（可以是自然界中任何含碳的有機質材料）來源廣泛，同時制備成本低、性能優良，在發光二極管[4]、化學傳感器[5]、生物成像[6]、離子檢測[7]、光電催化[8]等領域都有很好的應用前景。

木質素是一種含量僅次于纖維素的芳香族天然高分子化合物，其儲量大、來源廣、無毒廉價、易分解，且具有較高的碳含量和豐富的芳香結構[9-10]，是制備碳點的優良碳源。Chen 等人[11]以木質素為原料，在雙氧水作為氧化劑的水熱條件下成功制備了木質素碳點，表現出卓越的生物標記性能和生物傳感性能。Xue 等人[12]通過一鍋水熱法成功地合成木質素雜化CQDs，合成的CQD 具有低的細胞毒性和良好的細胞生物相容性。洪碧云等人[13]以聚乙烯亞胺為鈍化劑，通過水熱合成法制備出熒光量子產率高達25.53%的堿木質素/聚乙烯亞胺碳點，并研究了其對體系pH 值的敏感性。Zhu 等人[14]利用木質素合成亮綠色的熒光碳量子點，并用于高靈敏度檢測Fe3+離子。Liu等人[15]開發了一種含有木質素衍生碳點的發光透明木材作為建筑材料，該建筑材料可用于甲醛氣體的實時和可視檢測。

另一方面，隨著社會經濟的快速發展，金屬離子的快速準確檢測在環境、食品和醫療領域顯得尤為重要。鐵離子（Fe3+）在生命系統中擁有舉足輕重的地位，存在于所有的組織中，尤其是肝、脾和肺。Fe3+含量調控不當可引起貧血、阿爾茨海默病、帕金森綜合癥、智力下降、血色素沉著癥、糖尿病和癌癥等疾病[16-17]。因此，對Fe3+的快速準確檢測對這些疾病的早期診斷具有重要意義。目前，對Fe3+的常規檢測方法有等離子體發射光譜法[18]、比色法[19]、熒光探針法[20]等，熒光納米探針法在金屬離子傳感以及生物成像方面表現出的突出優點，如選擇性高、靈敏度強、反應時間短、生物毒性低等，而受到研究人員的廣泛關注。本研究以廉價的堿木質素（AL）為碳源，乙二胺（EDA） 為表面鈍化劑，在氧化劑雙氧水（H2O2）的作用下，利用一步水熱法制備了堿木質素基碳點（ALE-CDs）。通過單因素影響實驗，考察了合成條件對其熒光性能的影響，并優選出制備ALECDs的最佳工藝條件。所制備的ALE-CDs粒徑尺寸均勻，在水中具有很好的分散性和穩定性，對Fe3+表現出較好的熒光猝滅選擇性，可用于Fe3+的特異性檢測。本研究結果可為簡單、可持續、低成本的綠色碳點合成提供新途徑，并可為離子檢測領域提供一種新的熒光納米探針材料。

1 實 驗

1.1 實驗原料及試劑

堿木質素（Alkali lignin，AL），購自北京索萊寶科技有限公司；透析袋（截留分子質量3500），美國。乙二胺（Ethanediamine，EDA）、質量分數30%H2O2，均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗儀器

UAT-02 型暗箱式紫外分析儀，山東普創工業科技有限公司；F-280 型熒光分光光度計，天津港東科技股份有限公司；UV-6300型雙光束紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；Quantaurus-QY plus 型絕對量子產率測量儀，日本濱松公司；TEC?NAI G2 F20 型場發射透射電子顯微鏡，美國FEI 公司；D8 advance 型X 射線衍射儀，德國Bruker 公司；VERTEX 70 型傅里葉變換紅外光譜儀，德國Bruker公司；Invia Reflex 型激光拉曼光譜儀，英國Renishaw公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 ALE-CDs的制備

稱取0.5 g AL，超聲攪拌溶解于50 mL 去離子水中，隨后加入一定量的EDA，再加入10 mL H2O2，磁力攪拌30 min。將分散均勻的溶液轉移到100 mL 聚四氟乙烯內襯，密閉于不銹鋼釜中，放入恒溫干燥箱反應，隨后自然冷卻至室溫，即獲得棕黃色ALE-CDs溶液。

1.3.2 ALE-CDs的純化

棕黃色ALE-CDs 溶液經離心去除未反應完全的AL 大顆粒（離心轉速9000 r/min，離心時間10 min），然后用0.22μm 水系濾膜的玻璃砂芯過濾器濾除反應中生成的大顆粒碳。隨后，在去離子水中透析48 h（期間每隔12 h換一次水），透析后離心去除沉淀獲得純化的ALE-CDs，用棕色塑料試劑瓶4℃保存。冷凍干燥部分碳點溶液用于表征。

1.4 ALE-CDs對離子的選擇性實驗

取稀釋后的ALE-CDs 溶液20 mL，向其中添加各金屬陽離子（Bi3+、Cd2+、La3+、Ga3+、Ag+、K+、Mn2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Fe2+、Ca2+、Na+、Cu2+、Al3+、Sn2+、Zn2+）的可溶性鹽以配制陽離子濃度均為0.05 mol/L的碳點溶液。搖勻后，待其穩定5 min，立即測試其熒光強度。

1.5 ALE-CDs檢測Fe3+離子

取稀釋后的ALE-CDs 溶液20 mL，向其中添加不同量的Fe3+可溶性鹽以配制濃度分別為0、10、20、30、40、50 μmol/L 的碳點溶液。搖勻后，待其穩定5 min，立即記錄其熒光光譜。

2 結果與討論

2.1 ALE-CDs的最佳工藝條件及光學性能分析

本研究采用單因素實驗法，以碳點的熒光強度為指標，通過對水熱溫度、AL∶EDA 質量比、水熱時間這3個因素的對比研究，來確定ALE-CDs的最佳制備工藝。表1為ALE-CDs制備工藝條件實驗設計表。

表1 制備工藝條件實驗設計表Table 1 Experimental design table of preparation process conditions

圖1為不同工藝條件下所合成ALE-CDs的熒光性能。由圖1(a)可知，水熱溫度對ALE-CDs 的熒光性能有重要影響。當水熱溫度從160℃上升到200℃時，ALE-CDs的熒光強度出現先增后降的變化趨勢，并在190℃時達到最強。同時隨水熱溫度的升高，透析后的ALE-CDs 溶液顏色也逐漸由深黃色變為淺黃色。結合ALE-CDs 顏色和熒光強度分析可知，在低溫條件下由于反應物碳化程度較低，所合成的碳點碳核小，不易發生大顆粒聚沉，因此透析后溶液中碳點濃度較大，顏色較深，易產生碳點與碳點之間的“熒光內濾效應”，致使ALE-CDs 熒光強度較低。而隨著水熱溫度的升高，ALE-CDs碳化程度逐步提升，碳核逐漸生長成尺寸較大的碳點，經透析后，上清液中的碳點濃度減小，內濾效應減弱，熒光強度得到增加。同時，由于碳點表面的含氧量隨著溫度升高而逐漸降低，促進激發電子通過光子輻射釋放能量，進而增強碳點的熒光強度[21]。當進一步升高水熱溫度到200℃時，由于碳點的過分長大，上清液中碳點濃度進一步下降，發射位點太少而導致熒光強度略微下降。與水熱溫度的影響相似，ALE-CDs的熒光強度隨水熱時間的延長呈現先升后降的趨勢（見圖1(b)），其熒光強度在保溫12 h的條件下達到峰值。同樣，水熱時間過長會導致碳點過分生長，經透析后上清液中碳點濃度太低，進而引起熒光強度降低。而水熱時間過短，不利于碳點的形核及生長[22]。

AL∶EDA 質量比對ALE-CDs 熒光強度的影響如圖1(c)所示，可知AL∶EDA 的最佳質量比為1∶4。在EDA 用量較少時，ALE-CDs 的熒光強度隨EDA 用量的上升而逐漸增強。這主要是由于鈍化劑的引入可以改善碳點的表面缺陷態，并減少碳點間的團聚[13]。但當EDA 用量超過最佳比例時，過量的EDA 反而會減少碳點表面的激發活性位點，導致其熒光強度下降[23]。由上述分析可知，堿木質素碳點最優制備工藝條件為：水熱溫度190℃、水熱時間12 h、AL∶EDA質量比1∶4。

圖1(d)為ALE-CDs 的紫外-可見吸收光譜和熒光激發及發射光譜。從UV-Vis 吸收光譜可見，276 nm和323 nm 的寬吸收范圍分別對應于芳香共軛結構的π→π*電子躍遷和C=N 或C=O 鍵的n→π*電子躍遷[24]。另外，樣品在紫外區（200～300 nm）顯示出強的光學吸收，吸收邊延伸到可見光區。由熒光光譜可知，ALE-CDs激發波長和發射波長分別位于400 nm和475 nm。插圖為ALE-CDs在紫外燈箱（λ為365 nm）下的熒光照片，溶液呈現透亮的藍色熒光，表明ALE-CDs在水中具有優異的分散性和穩定性。

進一步研究了ALE-CDs 熒光發射性能與激發波長之間的關系，結果如圖2 所示。從圖2(a)中可以看出，當激發波長從300 nm 增至430 nm 時，ALE-CDs的熒光強度出現先增后降的趨勢，并在400 nm 處達到最強。隨激發波長的增加，ALE-CDs表面發射位點發生變化，碳點與碳點之間的光散射和反射程度不同。圖2(b)為ALE-CDs 的熒光發射歸一化光譜，當激發波長以10 nm 的增量從300 nm 增加至430 nm 時，熒光發射光譜先藍移至455 nm 后再紅移至495 nm，主要呈現紅移趨勢。分析可知，EDA 的引入使得ALE-CDs表面氨基上的N有不成對電子，具有很強的給電子能力，當改變激發光時，氨基會使芳香共軛體系的π電子云密度發生變化，導致π→π*電子躍遷和n→π*電子躍遷發生相應的變化[25]。

圖2 ALE-CDs激發依賴的熒光發射光譜和熒光發射歸一化光譜Fig.2 Excitation-dependent fluorescence emission spectra and fluorescence emission normalized spectra of ALE-CDs

2.2 ALE-CDs的熒光壽命和量子產率

圖3為ALE-CDs的時間分辨光譜圖。當熒光物質被激發后，大部分激發態分子迅速返回基態，而有些分子可以延遲到幾倍于熒光壽命時才回到基態，這樣就形成了熒光強度衰減曲線。由于實際體系的復雜性，熒光衰減往往要用多指數或非指數衰減方程進行處理[26]。經擬合發現符合熒光雙指數衰減曲線公式(1)。

圖3 ALE-CDs的時間分辨光譜Fig.3 Time-resolved spectrum of ALE-CDs

式中，R為熒光強度；A1、A2為常數，分別為670.20、502.23；t為時間；τ1、τ2為各指數成分壽命，分別為1.59、7.76。式(2)是平均熒光壽命（τ*）公式，經代入計算可知，ALE-CDs的τ*為6.03 ns，說明在激發光下，ALE-CDs中處于激發態的熒光分子可以很快退激發回到基態并在此過程中以發射熒光的形式釋放能量。

此外，通過量子產率測量儀（Quantaurus-QY plus）直接測定ALE-CDs 的絕對量子產率為19.20%，此方法具有精準、快捷、高效、無需標樣、測試數值穩定、可重復性較好等優勢。

2.3 微觀形貌分析

通過透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察了ALE-CDs 的粒徑大小、分布和石墨化程度，結果見圖4。如圖4(a)所示，ALE-CDs主要是由分散性良好的納米顆粒組成，呈圓球形結構，同時也可以觀察到少數顏色較深的大顆粒。這些較大納米顆粒歸因于碳點粒徑較小，使得比表面積大，導致其表面能高，能量處于不穩定狀態，因此容易發生聚集，產生“團聚”現象。在HRTEM圖中，可以清楚地觀察到石墨碳（002）晶面的晶格條紋間距為0.342 nm，表明最佳工藝條件下制備的ALE-CDs的石墨化程度較高。此外，通過ImageJ軟件對碳點粒徑進行統計分析，如圖4(b)所示，碳點粒徑分布在1.0～3.7 nm，主要集中在1.6～2.8 nm。

圖4 ALE-CDs的TEM圖（插圖：HRTEM圖）和粒徑分布圖Fig.4 TEM image(Inset:HRTEM image)and particle size distribution diagram of ALE-CDs

2.4 紅外光譜分析

采用紅外光譜儀對AL、EDA 和ALE-CDs 表面功能團進行分析，結果如圖5 所示。由圖5 可知，對于AL原料，3420 cm-1處的紅外峰可歸屬為O—H伸縮振動特征吸收峰，1592 cm-1處為芳香環骨架和C=O 疊加振動吸收峰，1410 cm-1處為芳香環C—H 平面變形振動特征峰，1120 cm-1處為典型的紫丁香醛的C—H伸縮振動吸收峰，1043 cm-1處為芳香環面外C—H 伸縮振動峰。對于EDA 鈍化劑，3282、3356 cm-1處的吸收峰對應于典型伯胺的N—H 伸縮振動特征，2846、2926 cm-1處為飽和C—H伸縮振動峰，1597 cm-1處為N—H 面內彎曲振動吸收峰，1360、1460 cm-1處為C—H彎曲振動峰，821、883 cm-1處為N—H面外彎曲振動特征吸收峰。而ALE-CDs在3000～3500 cm-1范圍內的寬吸收帶可歸因于N—H 伸縮振動峰和O—H伸縮振動峰重疊而形成的締合峰，且其強度比AL 和EDA 都高，說明ALE-CDs 富含氨基和羥基基團。1578 cm-1和1640 cm-1處分別為C=C 和C=O 伸縮振動特征吸收峰，在1391 cm-1和1460 cm-1處分別為C—N和C—N—C 的特征吸收峰，而1042 cm-1和1165 cm-1處的吸收峰分別對應于C—O 和C—O—C 的特征吸收峰[27-28]。通過上述分析可知，簡單的水熱處理能夠成功地將EDA 中的氨基連接到碳點表面，使ALE-CDs具有優異的熒光性能。

圖5 AL、EDA和ALE-CDs的紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectra of AL,EDA and ALE-CDs

2.5 X射線衍射及拉曼光譜分析

利用X 射線衍射儀（XRD）分析了AL 及冷干后ALE-CDs 的晶型結構，見圖6。由圖6(a)可知，AL 具有1個低強度的寬衍射峰帶，且其上有很多凸起的雜峰，表明AL 結晶度低且含有雜質。對比AL，ALECDs 的XRD 衍射圖譜雜峰較少，表明所制得的碳點較為純凈。此外，譜圖中以22.3°為中心的寬峰可對應于石墨碳的（002）晶面，而在43.5°處的小峰可歸屬于石墨碳的（100）晶面[29]，表明ALE-CDs 具有較好的石墨化轉化程度，與HRTEM結果相符。

利用拉曼光譜進一步研究了ALE-CDs 的石墨化程度。圖6(b)是經擬合處理后的拉曼光譜，其中，位于1349 cm-1的D 帶代表碳點中的無定形碳，而位于1584 cm-1的G 帶則代表石墨化的碳。D 帶與G 帶的相對強度比（ID/IG）被廣泛用于表征碳材料的無序程度或 石 墨 化 程 度[30]。ALE-CDs 的ID/IG值 約 為0.48，與XRD 及HRTEM 結果相符合，表明合成的ALE-CDs 石墨化程度較高，主要以石墨碳環結構存在于水溶液中，且其上多含以氮/氧為中心的自由基及雜原子缺陷。正是這些氮/氧功能團及雜原子的存在，為ALECDs的優異熒光提供發射活性位。

圖6 AL、ALE-CDs的XRD譜圖和ALE-CDs的拉曼光譜圖Fig.6 XRD patterns of AL and ALE-CDs,Raman spectrum of ALE-CDs

2.6 ALE-CDs檢測Fe3+

利用暗箱式紫外分析儀和熒光光譜儀研究了17種陽離子（濃度均為50 mmol/L）對ALE-CDs 的熒光猝滅行為，見圖7。圖7(a)為含不同金屬離子的ALECDs 溶液在365 nm 紫外光照下的熒光照片。顯然，Fe3+對ALE-CDs 溶液的熒光猝滅效果最顯著。這一結果也可以在圖7(b)的熒光光譜圖中得到證實，這都表明ALE-CDs 對Fe3+具有良好的熒光選擇性。這種獨特的選擇性可能是由于Fe3+離子與ALE-CDs 的相互作用引起的。Fe3+易與ALE-CDs 表面的羧基、羥基或氨基等官能團發生配位作用，有助于ALE-CDs 中的光激發電子以非輻射躍遷的方式進行電子轉移，其中部分電子轉移到Fe3+的d 電子軌道，進而導致熒光猝滅[31]。

圖7 ALE-CDs溶液在紫外光照射下（λ=365 nm）的照片和不同離子存在時ALE-CDs的熒光強度Fig.7 Photo of ALE-CDs solution under ultraviolet light(λ=365 nm)and fluorescence intensity of ALE-CDs in the presence of different ions

進一步研究了Fe3+濃度（0、10、20、30、40、50 μmol/L）對ALE-CDs 體系熒光強度的影響，結果如圖8 所示。由圖8(a)可知，隨著Fe3+濃度的增加，ALE-CDs 熒光強度逐漸降低。表明Fe3+離子濃度越大，越容易與ALE-CDs 表面的含氧或含氮官能團進行配位，猝滅效果越明顯。通過對I/I0-Fe3+濃度進行線性擬合可知（圖8(b)），在0～50μmol/L 的范圍內，Fe3+濃度與ALE-CDs 的熒光強度間具有良好的線性關系，線性回歸方程為：y=-0.0055x+0.9705，線性相關系數R2=0.9705。Fe3+的檢出限（LOD）可通過式(3)進行計算[32]。

圖8 不同Fe3+濃度下ALE-CDs的熒光強度和I/I0與Fe3+濃度的線性關系Fig.8 Fluorescence intensity of ALE-CDs under different Fe3+concentrations and linear relationship between I/I0 and Fe3+concentration

式中，δ為信號的標準偏差；S是直線的斜率。

計算求得Fe3+檢出限為1.66μmol/L，與同類型已報道數據相比（見表2）具有較低的檢出限，表明ALE-CDs 對Fe3+有很好的熒光響應。通過上述分析可知，ALE-CDs可以作為一種熒光納米探針，針對污水或血液中Fe3+離子進行敏感性和選擇性的檢測，在生物醫學、環境、刑偵等領域都具有較好的應用前景。

表2 不同熒光碳點對Fe3+檢測性能的比較Table 2 Comparison of Fe3+detection performance of different fluorescent carbon dots

3 結 論

本研究選用價格低廉、來源廣泛的堿木質素作碳源、以含氮量豐富的乙二胺為鈍化劑，在雙氧水的氧化作用下，通過一步水熱法合成具有高熒光的堿木質素基碳點（ALE-CDs），實現了堿木質素的高附加值轉化。

3.1 以熒光強度為碳點性能指標，通過單因素實驗優化ALE-CDs 的合成工藝，獲得的最佳工藝條件為：水熱溫度190℃、AL∶EDA 質量比1∶4、水熱時間12 h；合成的ALE-CDs 熒光量子產率及壽命分別為19.20%和6.03 ns，碳點粒徑集中在1.6～2.8 nm。

3.2 將ALE-CDs作為熒光納米探針來檢測金屬離子，結果表明，ALE-CDs 對Fe3+具有高熒光猝滅選擇性，檢出限可達1.66μmol/L。