堿木質(zhì)素碳點(diǎn)的制備及對(duì)Fe3+檢測(cè)性能研究

堿木質(zhì)素（Alkali lignin，AL），購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司；透析袋（截留分子質(zhì)量3500），美國(guó)。乙二胺（Ethanediamine，EDA）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% H₂O₂，均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

UAT-02型暗箱式紫外分析儀，山東普創(chuàng)工業(yè)科技有限公司；F-280型熒光分光光度計(jì)，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(jì)，上海美譜達(dá)儀器有限公司；Quantaurus-QY plus型絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量?jī)x，日本濱松公司；TECNAI G2 F20型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司；D8 advance型X射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司；VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker公司；Invia Reflex型激光拉曼光譜儀，英國(guó)Renishaw公司。

取稀釋后的ALE-CDs溶液20 mL，向其中添加各金屬陽(yáng)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(yáng)離子濃度均為0.05 mol/L的碳點(diǎn)溶液。搖勻后，待其穩(wěn)定5 min，立即測(cè)試其熒光強(qiáng)度。

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(diǎn)溶液。搖勻后，待其穩(wěn)定5 min，立即記錄其熒光光譜。

本研究采用單因素實(shí)驗(yàn)法，以碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度為指標(biāo)，通過對(duì)水熱溫度、AL∶EDA質(zhì)量比、水熱時(shí)間這3個(gè)因素的對(duì)比研究，來(lái)確定ALE-CDs的最佳制備工藝。表1為ALE-CDs制備工藝條件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表。

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(duì)ALE-CDs的熒光性能有重要影響。當(dāng)水熱溫度從160℃上升到200℃時(shí)，ALE-CDs的熒光強(qiáng)度出現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)，并在190℃時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。同時(shí)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?yōu)闇\黃色。結(jié)合ALE-CDs顏色和熒光強(qiáng)度分析可知，在低溫條件下由于反應(yīng)物碳化程度較低，所合成的碳點(diǎn)碳核小，不易發(fā)生大顆粒聚沉，因此透析后溶液中碳點(diǎn)濃度較大，顏色較深，易產(chǎn)生碳點(diǎn)與碳點(diǎn)之間的“熒光內(nèi)濾效應(yīng)”，致使ALE-CDs熒光強(qiáng)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(zhǎng)成尺寸較大的碳點(diǎn)，經(jīng)透析后，上清液中的碳點(diǎn)濃度減小，內(nèi)濾效應(yīng)減弱，熒光強(qiáng)度得到增加。同時(shí)，由于碳點(diǎn)表面的含氧量隨著溫度升高而逐漸降低，促進(jìn)激發(fā)電子通過光子輻射釋放能量，進(jìn)而增強(qiáng)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度^[21]。當(dāng)進(jìn)一步升高水熱溫度到200℃時(shí)，由于碳點(diǎn)的過分長(zhǎng)大，上清液中碳點(diǎn)濃度進(jìn)一步下降，發(fā)射位點(diǎn)太少而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度略微下降。與水熱溫度的影響相似，ALE-CDs的熒光強(qiáng)度隨水熱時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)（見圖1(b)），其熒光強(qiáng)度在保溫12 h的條件下達(dá)到峰值。同樣，水熱時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致碳點(diǎn)過分生長(zhǎng)，經(jīng)透析后上清液中碳點(diǎn)濃度太低，進(jìn)而引起熒光強(qiáng)度降低。而水熱時(shí)間過短，不利于碳點(diǎn)的形核及生長(zhǎng)^[22]。

圖1 工藝條件對(duì)ALE-CDs熒光強(qiáng)度的影響及其UV-Vis吸收光譜、熒光激發(fā)和發(fā)射光譜、熒光圖像

Fig. 1 Effect of process conditions on the fluorescence intensity of ALE-CDs and the UV-Vis absorption spectra, fluorescence excitation and emission spectra, and fluorescence images of ALE-CDs

AL∶EDA質(zhì)量比對(duì)ALE-CDs熒光強(qiáng)度的影響如圖1(c)所示，可知AL∶EDA的最佳質(zhì)量比為1∶4。在EDA用量較少時(shí)，ALE-CDs的熒光強(qiáng)度隨EDA用量的上升而逐漸增強(qiáng)。這主要是由于鈍化劑的引入可以改善碳點(diǎn)的表面缺陷態(tài)，并減少碳點(diǎn)間的團(tuán)聚^[13]。但當(dāng)EDA用量超過最佳比例時(shí)，過量的EDA反而會(huì)減少碳點(diǎn)表面的激發(fā)活性位點(diǎn)，導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度下降^[23]。由上述分析可知，堿木質(zhì)素碳點(diǎn)最優(yōu)制備工藝條件為：水熱溫度190℃、水熱時(shí)間12 h、AL∶EDA質(zhì)量比1∶4。

圖1(d)為ALE-CDs的紫外-可見吸收光譜和熒光激發(fā)及發(fā)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(duì)應(yīng)于芳香共軛結(jié)構(gòu)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(qū)（200～300 nm）顯示出強(qiáng)的光學(xué)吸收，吸收邊延伸到可見光區(qū)。由熒光光譜可知，ALE-CDs激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)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(xiàn)透亮的藍(lán)色熒光，表明ALE-CDs在水中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性。

進(jìn)一步研究了ALE-CDs熒光發(fā)射性能與激發(fā)波長(zhǎng)之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從300 nm增至430 nm時(shí)，ALE-CDs的熒光強(qiáng)度出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，并在400 nm處達(dá)到最強(qiáng)。隨激發(fā)波長(zhǎng)的增加，ALE-CDs表面發(fā)射位點(diǎn)發(fā)生變化，碳點(diǎn)與碳點(diǎn)之間的光散射和反射程度不同。圖2(b)為ALE-CDs的熒光發(fā)射歸一化光譜，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)以10 nm的增量從300 nm增加至430 nm時(shí)，熒光發(fā)射光譜先藍(lán)移至455 nm后再紅移至495 nm，主要呈現(xiàn)紅移趨勢(shì)。分析可知，EDA的引入使得ALE-CDs表面氨基上的N有不成對(duì)電子，具有很強(qiáng)的給電子能力，當(dāng)改變激發(fā)光時(shí)，氨基會(huì)使芳香共軛體系的π電子云密度發(fā)生變化，導(dǎo)致π→π*電子躍遷和n→π*電子躍遷發(fā)生相應(yīng)的變化^[25]。

圖2 ALE-CDs激發(fā)依賴的熒光發(fā)射光譜和熒光發(fā)射歸一化光譜

Fig. 2 Excitation-dependent fluorescence emission spectra and fluorescence emission normalized spectra of ALE-CDs

圖3為ALE-CDs的時(shí)間分辨光譜圖。當(dāng)熒光物質(zhì)被激發(fā)后，大部分激發(fā)態(tài)分子迅速返回基態(tài)，而有些分子可以延遲到幾倍于熒光壽命時(shí)才回到基態(tài)，這樣就形成了熒光強(qiáng)度衰減曲線。由于實(shí)際體系的復(fù)雜性，熒光衰減往往要用多指數(shù)或非指數(shù)衰減方程進(jìn)行處理^[26]。經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)符合熒光雙指數(shù)衰減曲線。

圖3 ALE-CDs的時(shí)間分辨光譜

Fig. 3 Time-resolved spectrum of ALE-CDs

式中，R為熒光強(qiáng)度；A₁、A₂為常數(shù)，分別為670.20、502.23；t為時(shí)間；τ₁、τ₂為各指數(shù)成分壽命，分別為1.59、7.76。是平均熒光壽命（τ^*）公式，經(jīng)代入計(jì)算可知，ALE-CDs的τ^*為6.03 ns，說(shuō)明在激發(fā)光下，ALE-CDs中處于激發(fā)態(tài)的熒光分子可以很快退激發(fā)回到基態(tài)并在此過程中以發(fā)射熒光的形式釋放能量。

此外，通過量子產(chǎn)率測(cè)量?jī)x（Quantaurus-QY plus）直接測(cè)定ALE-CDs的絕對(duì)量子產(chǎn)率為19.20%，此方法具有精準(zhǔn)、快捷、高效、無(wú)需標(biāo)樣、測(cè)試數(shù)值穩(wěn)定、可重復(fù)性較好等優(yōu)勢(shì)。

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(jié)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(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以觀察到少數(shù)顏色較深的大顆粒。這些較大納米顆粒歸因于碳點(diǎn)粒徑較小，使得比表面積大，導(dǎo)致其表面能高，能量處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此容易發(fā)生聚集，產(chǎn)生“團(tuán)聚”現(xiàn)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(duì)碳點(diǎn)粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖4(b)所示，碳點(diǎn)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

采用紅外光譜儀對(duì)AL、EDA和ALE-CDs表面功能團(tuán)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，對(duì)于AL原料，3420 cm^-1處的紅外峰可歸屬為O—H伸縮振動(dòng)特征吸收峰，1592 cm^-1處為芳香環(huán)骨架和C=O疊加振動(dòng)吸收峰，1410 cm^-1處為芳香環(huán)C—H平面變形振動(dòng)特征峰，1120 cm^-1處為典型的紫丁香醛的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰，1043 cm^-1處為芳香環(huán)面外C—H伸縮振動(dòng)峰。對(duì)于EDA鈍化劑，3282、3356 cm^-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于典型伯胺的N—H伸縮振動(dòng)特征，2846、2926 cm^-1處為飽和C—H伸縮振動(dòng)峰，1597 cm^-1處為N—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰，1360、1460 cm^-1處為C—H彎曲振動(dòng)峰，821、883 cm^-1處為N—H面外彎曲振動(dòng)特征吸收峰。而ALE-CDs在3000～3500 cm^-1范圍內(nèi)的寬吸收帶可歸因于N—H伸縮振動(dòng)峰和O—H伸縮振動(dòng)峰重疊而形成的締合峰，且其強(qiáng)度比AL和EDA都高，說(shuō)明ALE-CDs富含氨基和羥基基團(tuán)。1578 cm^-1和1640 cm^-1處分別為C=C和C=O伸縮振動(dòng)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(duì)應(yīng)于C—O和C—O—C的特征吸收峰^[]。通過上述分析可知，簡(jiǎn)單的水熱處理能夠成功地將EDA中的氨基連接到碳點(diǎn)表面，使ALE-CDs具有優(yōu)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

利用X射線衍射儀（XRD）分析了AL及冷干后ALE-CDs的晶型結(jié)構(gòu)，見圖6。由圖6(a)可知，AL具有1個(gè)低強(qiáng)度的寬衍射峰帶，且其上有很多凸起的雜峰，表明AL結(jié)晶度低且含有雜質(zhì)。對(duì)比AL，ALE-CDs的XRD衍射圖譜雜峰較少，表明所制得的碳點(diǎn)較為純凈。此外，譜圖中以22.3°為中心的寬峰可對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)化程度，與HRTEM結(jié)果相符。

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

利用拉曼光譜進(jìn)一步研究了ALE-CDs的石墨化程度。圖6(b)是經(jīng)擬合處理后的拉曼光譜，其中，位于1349 cm^-1的D帶代表碳點(diǎn)中的無(wú)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(duì)強(qiáng)度比（I_D/I_G）被廣泛用于表征碳材料的無(wú)序程度或石墨化程度^[30]。ALE-CDs的I_D/I_G值約為0.48，與XRD及HRTEM結(jié)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(huán)結(jié)構(gòu)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(tuán)及雜原子的存在，為ALE-CDs的優(yōu)異熒光提供發(fā)射活性位。

利用暗箱式紫外分析儀和熒光光譜儀研究了17種陽(yáng)離子（濃度均為50 mmol/L）對(duì)ALE-CDs的熒光猝滅行為，見圖7。圖7(a)為含不同金屬離子的ALE-CDs溶液在365 nm紫外光照下的熒光照片。顯然，F(xiàn)e³⁺對(duì)ALE-CDs溶液的熒光猝滅效果最顯著。這一結(jié)果也可以在圖7(b)的熒光光譜圖中得到證實(shí)，這都表明ALE-CDs對(duì)Fe³⁺具有良好的熒光選擇性。這種獨(dú)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(tuán)發(fā)生配位作用，有助于ALE-CDs中的光激發(fā)電子以非輻射躍遷的方式進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，其中部分電子轉(zhuǎn)移到Fe³⁺的d電子軌道，進(jìn)而導(dǎo)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(shí)ALE-CDs的熒光強(qiáng)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(jìn)一步研究了Fe³⁺濃度（0、10、20、30、40、50 μmol/L）對(duì)ALE-CDs體系熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)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(qiáng)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(tuán)進(jìn)行配位，猝滅效果越明顯。通過對(duì)I/I₀-Fe³⁺濃度進(jìn)行線性擬合可知（圖8(b)），在0～50 μmol/L的范圍內(nèi)，F(xiàn)e³⁺濃度與ALE-CDs的熒光強(qiáng)度間具有良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為：y=-0.0055x+0.9705，線性相關(guān)系數(shù)R²=0.9705。Fe³⁺的檢出限（LOD）可通過進(jìn)行計(jì)算^[32]。

式中，δ為信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差；S是直線的斜率。

圖8 不同 Fe³⁺濃度下ALE-CDs的熒光強(qiáng)度和I/I₀與Fe³⁺濃度的線性關(guān)系

Fig. 8 Fluorescence intensity of ALE-CDs under different Fe³⁺ concentrations and linear relationship between I/I₀ and Fe³⁺ concentration

計(jì)算求得Fe³⁺檢出限為1.66 μmol/L，與同類型已報(bào)道數(shù)據(jù)相比（見表2）具有較低的檢出限，表明ALE-CDs對(duì)Fe³⁺有很好的熒光響應(yīng)。通過上述分析可知，ALE-CDs可以作為一種熒光納米探針，針對(duì)污水或血液中Fe³⁺離子進(jìn)行敏感性和選擇性的檢測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、刑偵等領(lǐng)域都具有較好的應(yīng)用前景。