堿木質素碳點的制備及對Fe3+檢測性能研究

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(shù)30% H₂O₂，均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。

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，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；TECNAI G2 F20型場發(fā)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。

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(wěn)定5 min，立即測試其熒光強度。

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。

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(xiàn)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?yōu)闇\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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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]。

圖1 工藝條件對ALE-CDs熒光強度的影響及其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(tài)，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(fā)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(yōu)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(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(qū)（200～300 nm）顯示出強的光學吸收，吸收邊延伸到可見光區(qū)。由熒光光譜可知，ALE-CDs激發(fā)波長和發(fā)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(xiàn)透亮的藍色熒光，表明ALE-CDs在水中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性。

進一步研究了ALE-CDs熒光發(fā)射性能與激發(fā)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(fā)波長從300 nm增至430 nm時，ALE-CDs的熒光強度出現(xiàn)先增后降的趨勢，并在400 nm處達到最強。隨激發(fā)波長的增加，ALE-CDs表面發(fā)射位點發(fā)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(fā)射歸一化光譜，當激發(fā)波長以10 nm的增量從300 nm增加至430 nm時，熒光發(fā)射光譜先藍移至455 nm后再紅移至495 nm，主要呈現(xiàn)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(fā)光時，氨基會使芳香共軛體系的π電子云密度發(fā)生變化，導致π→π*電子躍遷和n→π*電子躍遷發(fā)生相應的變化^[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的時間分辨光譜圖。當熒光物質被激發(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才回到基態(tài)，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(shù)或非指數(shù)衰減方程進行處理^[26]。經擬合發(fā)現(xiàn)符合熒光雙指數(shù)衰減曲線。

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(shù)，分別為670.20、502.23；t為時間；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，經代入計算可知，ALE-CDs的τ^*為6.03 ns，說明在激發(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(shù)值穩(wěn)定、可重復性較好等優(yōu)勢。

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(shù)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(wěn)定狀態(tài)，因此容易發(fā)生聚集，產生“團聚”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軟件對碳點粒徑進行統(tǒng)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

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(huán)骨架和C=O疊加振動吸收峰，1410 cm^-1處為芳香環(huán)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(huán)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^[]。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(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，ALE-CDs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。

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（I_D/I_G）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I_D/I_G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(huán)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ALE-CDs溶液在365 nm紫外光照下的熒光照片。顯然，F(xiàn)e³⁺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(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0～50 μmol/L的范圍內，F(xiàn)e³⁺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(shù)R²=0.9705。Fe³⁺的檢出限（LOD）可通過進行計算^[32]。

式中，δ為信號的標準偏差；S是直線的斜率。

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

計算求得Fe³⁺檢出限為1.66 μmol/L，與同類型已報道數(shù)據(jù)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(yī)學、環(huán)境、刑偵等領域都具有較好的應用前景。