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

1、PAGE 14 -堿木質(zhì)素碳點(diǎn)的制備及對(duì)Fe3+檢測(cè)性能研究碳點(diǎn)（Carbondots，CDs），又稱碳量子點(diǎn)或者碳納米點(diǎn)，是一類尺寸在10nm以內(nèi)的碳基零維材料，具有獨(dú)特的光學(xué)性能、良好的水溶性、高穩(wěn)定性、低毒性、優(yōu)良的生物相容性和低環(huán)境影響等特性，被認(rèn)為是一種新穎而極具應(yīng)用前景的熒光碳材料而備受矚目。2022年，Xu等人3在電泳純化單壁碳納米管的過程中初次發(fā)現(xiàn)了可發(fā)出微弱熒光的碳量子點(diǎn)，自此關(guān)于碳點(diǎn)的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，近年來更是掀起了以天然物質(zhì)為碳源合成碳點(diǎn)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(jià)、環(huán)保、簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)脫穎而出。目前用于水熱法合成碳點(diǎn)的天然碳源（可以

2、是自然界中任何含碳的有機(jī)質(zhì)材料）來源廣泛，同時(shí)制備成本低、性能優(yōu)良，在發(fā)光二極管4、化學(xué)傳感器5、生物成像6、離子檢測(cè)7、光電催化8等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。木質(zhì)素是一種含量?jī)H次于纖維素的芳香族天然高分子化合物，其儲(chǔ)量大、來源廣、無毒廉價(jià)、易分解，且具有較高的碳含量和豐富的芳香結(jié)構(gòu)，是制備碳點(diǎn)的優(yōu)良碳源。Chen等人11以木質(zhì)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(zhì)素碳點(diǎn)，表現(xiàn)出卓越的生物標(biāo)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(zhì)素雜化CQDs，合成的CQD具有低的細(xì)胞毒性和良好的細(xì)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

3、量子產(chǎn)率高達(dá)25.53%的堿木質(zhì)素/聚乙烯亞胺碳點(diǎn)，并研究了其對(duì)體系pH值的敏感性。Zhu等人14利用木質(zhì)素合成亮綠色的熒光碳量子點(diǎn)，并用于高靈敏度檢測(cè)Fe3+離子。Liu等人15開發(fā)了一種含有木質(zhì)素衍生碳點(diǎn)的發(fā)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(shí)時(shí)和可視檢測(cè)。另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，金屬離子的快速準(zhǔn)確檢測(cè)在環(huán)境、食品和醫(yī)療領(lǐng)域顯得尤為重要。鐵離子（Fe3+）在生命系統(tǒng)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(diào)控不當(dāng)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。因此，對(duì)Fe3+的快速準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)這些疾

4、病的早期診斷具有重要意義。目前，對(duì)Fe3+的常規(guī)檢測(cè)方法有等離子體發(fā)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(xiàn)出的突出優(yōu)點(diǎn)，如選擇性高、靈敏度強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間短、生物毒性低等，而受到研究人員的廣泛關(guān)注。本研究以廉價(jià)的堿木質(zhì)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(zhì)素基碳點(diǎn)（ALE-CDs）。通過單因素影響實(shí)驗(yàn)，考察了合成條件對(duì)其熒光性能的影響，并優(yōu)選出制備ALE-CDs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(wěn)定性，對(duì)Fe3+表現(xiàn)出較好的熒光猝滅

5、選擇性，可用于Fe3+的特異性檢測(cè)。本研究結(jié)果可為簡(jiǎn)單、可持續(xù)、低成本的綠色碳點(diǎn)合成提供新途徑，并可為離子檢測(cè)領(lǐng)域提供一種新的熒光納米探針材料。1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)原料及試劑堿木質(zhì)素（Alkalilignin，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。1.2實(shí)驗(yàn)儀器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；Quantaur

6、us-QYplus型絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量?jī)x，日本濱松公司；TECNAIG2F20型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司；D8advance型X射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司；VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker公司；InviaReflex型激光拉曼光譜儀，英國(guó)Renishaw公司。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1ALE-CDs的制備稱取0.5gAL，超聲攪拌溶解于50mL去離子水中，隨后加入一定量的EDA，再加入10mLH2O2，磁力攪拌30min。將分散均勻的溶液轉(zhuǎn)移到100mL聚四氟乙烯內(nèi)襯，密閉于不銹鋼釜中，放入恒溫干燥箱反應(yīng)，隨后自然冷卻至室溫，即獲得棕黃色ALE-CDs溶液

7、。1.3.2ALE-CDs的純化棕黃色ALE-CDs溶液經(jīng)離心去除未反應(yīng)完全的AL大顆粒（離心轉(zhuǎn)速9000r/min，離心時(shí)間10min），然后用0.22m水系濾膜的玻璃砂芯過濾器濾除反應(yīng)中生成的大顆粒碳。隨后，在去離子水中透析48h（期間每隔12h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(diǎn)溶液用于表征。1.4ALE-CDs對(duì)離子的選擇性實(shí)驗(yàn)取稀釋后的ALE-CDs溶液20mL，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+

8、、Sn2+、Zn2+）的可溶性鹽以配制陽離子濃度均為0.05mol/L的碳點(diǎn)溶液。搖勻后，待其穩(wěn)定5min，立即測(cè)試其熒光強(qiáng)度。1.5ALE-CDs檢測(cè)Fe3+離子取稀釋后的ALE-CDs溶液20mL，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、50mol/L的碳點(diǎn)溶液。搖勻后，待其穩(wěn)定5min，立即記錄其熒光光譜。2結(jié)果與討論2.1ALE-CDs的最佳工藝條件及光學(xué)性能分析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、ALEDA質(zhì)量比、水熱時(shí)間這3個(gè)因素的對(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

9、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

10、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12h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)AL

11、E-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.1EffectofprocessconditionsonthefluorescenceintensityofALE-CDsandtheUV-Visabsorptionspectra,fluorescenceexcitationandemissionspectra,andfluorescenceimagesofALE-CDsALEDA質(zhì)量比對(duì)ALE-CDs熒光強(qiáng)度的影響如圖1(c)所示，可知ALEDA的最佳質(zhì)量比為14。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

12、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12h、ALEDA質(zhì)量比14。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，276nm和323nm的寬吸收范圍分別對(duì)應(yīng)于芳香共軛結(jié)構(gòu)的*電子躍遷和C=N或C=O鍵的n*電子躍遷24。另外，樣品在紫外區(qū)（200300nm）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40

13、0nm和475nm。插圖為ALE-CDs在紫外燈箱（為365nm）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300nm增至430nm時(shí)，ALE-CDs的熒光強(qiáng)度出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，并在400nm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10nm的增量從300nm增加至430nm時(shí)，熒光發(fā)射光譜先藍(lán)移至455nm后再紅移

14、至495nm，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)使芳香共軛體系的電子云密度發(fā)生變化，導(dǎo)致*電子躍遷和n*電子躍遷發(fā)生相應(yīng)的變化25。圖2ALE-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.2Excitation-dependentfluorescenceemissionspectraandfluorescenceemissionnormalizedspectraofALE-CDs2.2ALE-CDs的熒光壽命和量子產(chǎn)率圖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)

15、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3ALE-CDs的時(shí)間分辨光譜Fig.3Time-resolvedspectrumofALE-CDsR(t)=A1et/1+A2et/2（1）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；1、2為各指數(shù)成分壽命，分別為1.59、7.76。是平均熒光壽命（*）公式，經(jīng)代入計(jì)算可知，ALE-CDs的*為6.03ns，說明在激發(fā)光下，ALE-CDs中處于激發(fā)態(tài)的

16、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。*=A121+A222A11+A22（2）此外，通過量子產(chǎn)率測(cè)量?jī)x（Quantaurus-QYplus）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)。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(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

17、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0.342nm，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1.03.7nm，主要集中在1.62.8nm。圖4ALE-CDs的TEM圖（插圖：HRTEM圖）和粒徑分布圖Fig.4TEMimage(Inset:HRTEMimage)andparticlesizedistributiondiagramofALE-CDs2.4紅外光譜分析采用紅外光譜儀對(duì)A

18、L、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，3420cm-1處的紅外峰可歸屬為OH伸縮振動(dòng)特征吸收峰，1592cm-1處為芳香環(huán)骨架和C=O疊加振動(dòng)吸收峰，1410cm-1處為芳香環(huán)CH平面變形振動(dòng)特征峰，1120cm-1處為典型的紫丁香醛的CH伸縮振動(dòng)吸收峰，1043cm-1處為芳香環(huán)面外CH伸縮振動(dòng)峰。對(duì)于EDA鈍化劑，3282、3356cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于典型伯胺的NH伸縮振動(dòng)特征，2846、2926cm-1處為飽和CH伸縮振動(dòng)峰，1597cm-1處為NH面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰，1360、1460cm-1處為CH彎曲振動(dòng)峰，821、883cm-

19、1處為NH面外彎曲振動(dòng)特征吸收峰。而ALE-CDs在30003500cm-1范圍內(nèi)的寬吸收帶可歸因于NH伸縮振動(dòng)峰和OH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，說明ALE-CDs富含氨基和羥基基團(tuán)。1578cm-1和1640cm-1處分別為C=C和C=O伸縮振動(dòng)特征吸收峰，在1391cm-1和1460cm-1處分別為CN和CNC的特征吸收峰，而1042cm-1和1165cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)于CO和COC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5AL、EDA和ALE-CDs的紅外光譜圖F

20、ig.5InfraredspectraofAL,EDAandALE-CDs2.5X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(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6AL、ALE-CDs的XRD譜圖和ALE-CDs

21、的拉曼光譜圖Fig.6XRDpatternsofALandALE-CDs,RamanspectrumofALE-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1349cm-1的D帶代表碳點(diǎn)中的無定形碳，而位于1584cm-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（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(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

22、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。2.6ALE-CDs檢測(cè)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50mmol/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365nm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

23、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7ALE-CDs溶液在紫外光照射下（=365nm）的照片和不同離子存在時(shí)ALE-CDs的熒光強(qiáng)度Fig.7PhotoofALE-CDssolutionunderultravioletlight(=365nm)andfluorescenceintensityofALE-CDsinthepresenceofdifferentions進(jìn)一步研究了Fe3+濃度（0、10、20、30、40、50mol/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