金納米棒調控碳量子點熒光探針的構建與分析

陸筑鳳，王紅梅，李加友，程若冰，劉 露

（嘉興學院a.分析測試中心；b.生物與化學工程學院，浙江嘉興 314001）

0 引言

碳量子點（Carbon Quantum Dots，CQDs）與傳統的半導體量子點相比，具有獨特的發光性能、良好的生物相容性、低毒性、低成本、易合成等優點，廣泛用于各類物質的熒光分析檢測［1-3］。CQDs 作為熒光探針檢測雖然靈敏度高，如王坤杰等［1］證實了CQDs 對汞離子檢測水平為10 nmol／L、2 ppb，檢出限為3.4 nmol／L，但CQDs 存在選擇性差的問題、在檢測過程中易受其他物質的干擾。因此，如何提高CQDs 的選擇性是當前研究的熱點和難點。目前，通過改進合成方法獲得選擇性摻雜特定元素的CQDs，可以加強結合特性、實現熒光行為可控的途徑較為多用，如以熒光內濾效應為基礎，用氮或錳摻雜的CQDs 測定食品中的鹽酸四環素［4］和雙酚A［5］；用鐵摻雜的CQDs 分別檢測了抗壞血酸［6］、H2O2和多巴胺［7］，提高了CQDs的選擇性。

摻雜有金屬元素的CQDs不可避免的會引起生物安全性考慮，本文提出采用金納米棒調控CQDs 熒光發射行為的這一新視角，拓寬了CQDs 選擇性研究的思路和方法。金納米棒（gold nanorods，GNRs）具有易于操控、便于修飾、高效選擇性和生物相容性等優點，能夠與光產生獨特的相互作用，其吸光系數高，大多在520 nm處有較強紫外吸收［8］，吸收光譜與CQDs 的發射光譜有效重疊而引發熒光內濾效應或熒光共振能量轉移［8-9］，可以實現GNRs對CQDs熒光發射行為的調控，有效提高CQDs熒光探針的選擇性。

鑒于上述原因，本文采用一步水熱法和晶種子生長法合成CQDs 與GNRs 材料，分析表征材料微觀形貌、結構組成，研究該熒光體和吸光體的性能，優化應用條件，確立CQDs熒光信號的關閉與開啟技術方法，以構建一種基于GNRs對CQDs熒光調控為依托的新型熒光探針。

1 實驗方法

1.1 調控型熒光探針的工作原理

從GNRs 調控CQDs 的熒光信號“開-關”思路出發，以GNRs對CQDs 產生熒光作用引發熒光變化作為檢測信號，穩定分散的GNRs 的紫外吸收會使得CQDs的熒光減弱或猝滅，即信號“關”。無保護的GNRs在高鹽溶液中會聚集，對CQDs 的熒光猝滅降低，CQDs的熒光恢復，信號“開”［10-11］，構建熒光信號受調控的熒光探針，如圖1 所示。

圖1 金納米棒調控碳量子點熒光信號原理示意圖

1.2 主要試劑及儀器

（1）實驗材料與試劑。氯金酸（HAuCl4）、濃硝酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、檸檬酸三銨、檸檬酸，分析純，阿拉??；抗壞血酸（Vc），分析純，天津市大茂化學試劑廠；乳糖，分析純，上?；瘜W試劑總廠；氯化鈉，分析純，江蘇強盛功能化學股份有限公司；磷酸氫二鈉，分析純，西隴科學股份有限公司；濃鹽酸，分析純，浙江中星化工試劑有限公司；透析袋，截留分子量1 000 D 和3 500 D，北京索萊寶科技有限公司；實驗用水，4.5 L娃哈哈飲用純凈水。

（2）儀器設備。紫外-可見分光光度計，島津；F-7000 分子熒光光度計、S-4800 場發射掃描電鏡，日立；Talos F200X 場發射透射電鏡，賽默飛；DXRxi 拉曼光譜，賽默飛世爾。

1.3 材料制備

（1）碳量子點的制備。稱取0.360 3 g 乳糖和6.080 5 g檸檬酸銨，溶于30 mL的純水中，180 ℃恒溫水熱反應4 h，冷卻，超聲，9 000 r／min高速離心多次，收集上清液。置于透析袋中遮光透析48 h，制得CQDs溶液。

（2）金納米棒的制備。制備金種子液［12］：取0.2 mol／L CTAB 溶液5 mL 放入燒杯中攪拌，滴加0.5 mmol／L HAuCl4溶液5 mL，待其在溶液中均勻分散后，快速加入新鮮配制的0.01 mol／L NaBH4溶液0.6 mL，溶液由淺黃色變為棕黃色，繼續攪拌2 min，于25℃靜置2 h備用。GNRs生長：圓底燒瓶中加入一定量的0.2 mol／L CTAB溶液，滴加8 mmol／L HAuCl4溶液4 mL，穩定后加入0.078 8 mol／L Vc 溶液1 mL，添加純水至總體積50 mL，體系中加入100 μL金種子液反應12 h。取出紫紅色上清液，收集棕色沉淀，7 000 r／min離心洗滌制得金納米棒。

1.4 材料表征

本文進行材料表征的方法：①用高分辨透射電鏡（HRTEM）表征材料微觀形貌：在鍍有超薄碳膜的銅網撈取微量碳量子點溶液，自然干燥，分辨率5 nm；②用掃描電鏡分析（SEM）微觀形貌：將試樣溶液滴度到單晶硅片上，置于電鏡預交換室靜置24 h，加速電壓選擇1.0 kV，Ie選擇15 μA，觀察材料的均勻性；③用傅里葉紅外（FTIR）分析材料的官能團組成：取微量冷凍干燥的試樣與KBr在紅外燈照射下研細混勻，置于壓片機中15 兆帕壓成透明薄片，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為400～4 000 cm-1；④用X 射線衍射粉末衍射（XRD）定性分析物質、確定晶格常數：采用銅靶射線（λ ＝1.541 8 ?），CQDs 溶液冷凍干燥成綠色粉末、GNRs溶液滴度烘干，掃描速度為6 °／min，測試電壓為30 kV，電流20 mA，5°～80°掃描；⑤用拉曼光譜測試CQDs的特征結構和晶格缺陷：將溶液滴度于載玻片上，以532 nm激發直接觀察。

1.5 CQDs的量子產率測定

通過測量CQDs水溶液的紫外可見吸收光譜及熒光光譜（λex＝335 nm）。將熒光發射峰的積分面積F及相應的吸收值A（λem＝440 nm）代入下式計算得到量子產率［13］：

式中：x表示測試樣品；s表示標準物質；Φ為熒光量子效率；A為激發波長下的吸收值；F為熒光發射峰的積分面積；n表示溶劑的折光率，水為1.333，乙醇為1.366。實驗中采用的標準物為羅丹明B（乙醇溶液，熒光量子效率為90%）。

2 實驗結果與分析

2.1 CQDs的微觀形貌和結構分析

圖2 為CQDs 的形貌和結構特征。由圖2（a）的HRTEM表征CQDs的微觀形貌可知，制備的CQDs 粒子大小均勻，成圓形或橢圓形球體，平均粒徑6 nm，有明顯得晶格條紋約為0.21 nm。由圖2（b）的CQDs凍干粉的衍射結果可知，2θ 在25 °時有顯著石墨（002）面特征峰，表面CQDs 是典型的碳納米材料。由圖2（c）的Raman光譜圖可知，材料在1 580、1 365 cm-1有2個明顯峰，其中1 580 cm-1處稱為G峰，代表具有石墨特征結構，而1 365 cm-1處稱為D峰，與石墨晶格缺陷或晶格對稱結構破壞相關，代表一種無序結構峰。2峰積分強度比ID／IG通常表示材料的石墨化程度，值越小說明石墨特征結構越明顯，石墨化程度越高［14］。經計算，CQDs的ID／IG＝0.72，表明CQDs是一種典型的石墨化結構的量子點。

由圖2（d）的CQDs 紅外光譜圖可知，在3 300 cm-1附近出現寬而強的吸收峰是—OH 和—NH2振動形成的吸收峰，在2 960 cm-1處是—CH 的伸縮振動峰，1 624 cm-1為CONH中和—NH的振動峰，1 218 cm-1是C—N的伸縮振動峰，1 083 cm-1為C—O的彎曲振動峰［15］。由此分析CQDs表面存在—OH、、—NH等親水性基團，具有良好的水溶性。

圖2 CQDs形貌和結構表征

2.2 碳量子點的熒光性能

圖3 為CQDs的光學性能表征，紫外-可見吸收光譜被用作監測CQDs合成的工具。由圖3（a）的CQDs紫外吸收光譜圖可知，CQDs的特征吸收峰出現在240和330 nm處，分別為CQDs的π→π*和n→π*躍遷吸收峰；由圖3（b）的熒光光譜可知，CQDs 溶液在335 nm處有較強紫外特征吸收峰，與UV 結果一致，該峰是由骨架組成的共軛雙鍵中的p-p*躍遷吸收所致，峰型較為光滑。用335 nm 激發CQDs 可在440 nm處有顯著熒光發射峰，確定335 nm 為CQDs 的激發波長，440 nm 為熒光發射波長。CQDs 具有熒光不依賴激發的獨特熒光性，熒光性能穩定，CQDs 的熒光量子產率為17.6%。

圖3 CQDs光學性能

2.3 金納米棒的形貌結構與光學性能

圖4 所示為掃描電鏡表征短棒、中棒、長棒3 種不同長徑比的GNRs的形貌、尺寸大小以及長棒形GNRs（R＝15）的透射電鏡表征和晶格計算。

圖4 短棒（a）、中棒（b）、長棒（c）形GNRs的SEM和TEM（d）圖

（1）短棒形GNRs 的SEM 表征。晶種生長法可以制備相對純凈的GNRs，但長徑比小的短棒，如圖4（a）所示，長127 nm、寬16 nm，其制備過程中，還會有大量小顆粒生成，多次離心可以提純但會導致GNRs堆積。

（2）中棒形GNRs的SEM表征。調整CTAB濃度可以使GNRs 更長，在未實現兩端定向生長前，GNRs變長的同時也會橫向變寬，如圖4（b）所示，GNRs長度延長至200 nm，寬度也增加至28 nm，長徑比基本無變化，金納米塊狀型大顆粒（六邊形、梯形狀）增多，影響GNRs純度。

（3）長棒形GNRs 的SEM 表征。優化條件控制兩端生長可以增大長徑比，獲得寬度不變，更長的GNRs，如圖4（c）所示，長240 nm，寬16 nm，R＝15，均勻且純度高，對CQDs的熒光調控也最穩定。

（4）長棒形GNRs 的TEM 表征。圖4（d）為GNRs（R＝15）的HRTEM 圖，納米棒的晶面間距分別為0.238 1、0.205 3 nm，分別對應金納米棒的（111）面和（200）面。

（5）長棒形GNRs的XRD 分析。采用XRD分析晶體結構，結果如圖5 所示。圖5 中4 個衍射峰在2θ ＝38.1°、44.4°、64.5°和77.5°處，分別對應面心立方結構金納米棒的（111）、（200）、（220）和（311）晶面（JCPDS No.89-3697），與TEM結果一致。因此，將長240 nm，寬16 nm，R＝15 的GNRs 用于調控CQDs 的熒光性能。

圖5 長棒形GNRs（R ＝15）的XRD圖

（6）3 種GNRs 的紫外吸收性能。圖6 為3 種不同長徑比GNRs 的紫外吸收光譜圖，短棒形GNRs 在520 nm處有平緩的吸收峰，中長形和長棒形GNRs 均在508 nm處有較強的寬吸收峰，GNRs的吸收光譜與CQDs的發射光譜存在一定重疊，這可能即是實現GNRs對CQDs熒光發射行為的調節的原因，該調節能有效提高CQDs熒光探針的選擇性。

圖6 三種長徑比GNRs的UV譜比較

2.4 金納米棒對碳量子點的熒光調控

快速響應、高靈敏性、高可靠性是成為熒光探針的前提，GNRs對CQDs熒光信號調控的主要影響因素有體系pH、反應時間、濃度、熒光猝滅和恢復程度，圖7為影響因素的優化結果。

（1）pH影響。在室溫25 ℃時，CQDs溶液pH對其熒光發射的強度有較大影響，由圖7（a）可知，不同pH溶液體系中，CQDs 的熒光強度不同，在pH 6.5 的磷酸緩沖溶液中，熒光發射強度最大，因此，本反應體系選擇室溫25 ℃，pH 6.5 的磷酸緩沖溶液。

（2）反應時間。加入GNRs后，CQDs溶液的熒光強度隨即有不同程度的下降，表明發生了熒光猝滅反應，由圖7（b）可知，檢測熒光強度隨時間的變化，猝滅反應在30 min內達到最大程度，因此，GNRs 對CQDs熒光信號關閉的調控是快速的，30 min即可穩定。

圖7 GNRs 調控條件優化

（3）GNRs用量。取適量GNRs（R＝15、OD 0.28）加入到一定量的CQDs（OD 0.21）溶液中，GNRs 的添加量對CQDs的熒光猝滅程度有很大影響，由圖7（c）可知，隨著GNRs 添加量的增多，猝滅程度越大，當體系中，CQDs與GNRs的溶液體積比為1∶12 時，達到最大程度猝滅，熒光信號調控存在最佳濃度比例關系。

（4）熒光信號恢復。以CQDs 和GNRs 溶液體積比1∶1的調控反應為基礎試驗，發現GNRs對CQDs產生熒光猝滅，導致熒光信號強度降低，由圖7（d）可知，若在反應體系中添加適量的氯化鈉溶液，CQDs 的熒光信號隨即恢復到初始值，意味著被關閉的熒光信號重新開啟，熒光猝滅只是信號的“關”環節，信號的重新開啟也是調控的重要內容，這可能是由于GNRs 受鹽誘導而聚集導致其失去對CQDs的熒光影響。由此表明，GNRs可以調控CQDs 的熒光信號，構建復合調控型熒光探針。

3 結語

本文研究的新型納米熒光探針的合成與構建實驗，通過乳糖和檸檬酸銨為原料一步水熱反應合成了熒光性能良好的碳量子點，量子產率17.6%、最大激發和發射波長分別為335 和440 nm；以晶種子生長法合成了不同長徑比的金納米棒，用于調控碳量子點的熒光發射，其中，R＝15 的金納米棒在508 nm 處有較強的寬吸收峰，對碳量子點的熒光發射有顯著吸收達到熒光猝滅，調節體系鹽濃度可恢復碳量子點的熒光信號，成功地建立了一種新型熒光探針。

實驗驗證了以金納米棒調控碳量子點熒光信號為理論基礎構建熒光探針用于分子檢測思路的可行性和正確性。該復合探針有望與核酸適配體共同構建探針從而提高適配體傳感器的實用性能。本文的實驗內容也運用于實驗教學中，開拓了學生視野，培養創新意識。