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碱木质素碳点的制备及对Fe3+检测性能研究

  • 任世明 1,2
  • 郑祖阳 3
  • 韩春晖 1,2
  • 李瑶瑶 1,2
  • 庄建东 1,2 ✉
1. 福建农林大学材料工程学院，福建福州，350002； 2. 植物纤维功能材料国家林业和 草原局重点实验室，福建福州，350002； 3. 福建警察学院刑事科学技术系， 福建福州，350007

中图分类号： TS79

最近更新：2022-08-29

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2022.04.006

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摘要

以碱木质素（Alkali lignin，AL）为碳源、乙二胺（Ethanediamine，EDA）为钝化剂、双氧水（H2O2）为氧化剂，利用简单、绿色、高效的水热法制备碱木质素碳点（ALE-CDs）。以荧光性能为指标，通过单因素实验优选出ALE-CDs的最佳制备工艺。结果表明，ALE-CDs表面存在大量的羟基（—OH）、羧基（—COOH）和氨基（—NH2）等官能团，在水中具有优良的分散性和稳定性，荧光量子产率及寿命分别为19.20%和6.03 ns。利用ALE-CDs为荧光探针检测不同金属离子，发现ALE-CDs对Fe3+表现出较好的选择性，荧光强度与Fe3+浓度（0~50 μmol/L）呈良好的线性关系，Fe3+检出限约为1.66 μmol/L。

碳点（Carbon dots，CDs），又称碳量子点或者碳纳米点，是一类尺寸在10 nm以内的碳基零维材料，具有独特的光学性能、良好的水溶性、高稳定性、低毒性、优良的生物相容性和低环境影响等特性，被认为是一种新颖而极具应用前景的荧光碳材料而备受瞩目[

1-2]。2004年，Xu等人[3]在电泳纯化单壁碳纳米管的过程中初次发现了可发出微弱荧光的碳量子点，自此关于碳点的研究引起了国内外学者的广泛关注，近年来更是掀起了以天然物质为碳源合成碳点的研究热潮。在众多合成方法中，水热或溶剂热合成法以廉价、环保、简单等优势脱颖而出。目前用于水热法合成碳点的天然碳源（可以是自然界中任何含碳的有机质材料）来源广泛，同时制备成本低、性能优良，在发光二极管[4]、化学传感器[5]、生物成像[6]、离子检测[7]、光电催化[8]等领域都有很好的应用前景。

木质素是一种含量仅次于纤维素的芳香族天然高分子化合物，其储量大、来源广、无毒廉价、易分解，且具有较高的碳含量和丰富的芳香结构[

9-10]，是制备碳点的优良碳源。Chen等人[11]以木质素为原料，在双氧水作为氧化剂的水热条件下成功制备了木质素碳点，表现出卓越的生物标记性能和生物传感性能。Xue等人[12]通过一锅水热法成功地合成木质素杂化CQDs，合成的CQD具有低的细胞毒性和良好的细胞生物相容性。洪碧云等人[13]以聚乙烯亚胺为钝化剂，通过水热合成法制备出荧光量子产率高达25.53%的碱木质素/聚乙烯亚胺碳点，并研究了其对体系pH值的敏感性。Zhu等人[14]利用木质素合成亮绿色的荧光碳量子点，并用于高灵敏度检测Fe3+离子。Liu等人[15]开发了一种含有木质素衍生碳点的发光透明木材作为建筑材料，该建筑材料可用于甲醛气体的实时和可视检测。

另一方面，随着社会经济的快速发展，金属离子的快速准确检测在环境、食品和医疗领域显得尤为重要。铁离子（Fe3+）在生命系统中拥有举足轻重的地位，存在于所有的组织中，尤其是肝、脾和肺。Fe3+含量调控不当可引起贫血、阿尔茨海默病、帕金森综合症、智力下降、血色素沉着症、糖尿病和癌症等疾病[

16-17]。因此，对Fe3+的快速准确检测对这些疾病的早期诊断具有重要意义。目前，对Fe3+的常规检测方法有等离子体发射光谱法[18]、比色法[19]、荧光探针法[20]等，荧光纳米探针法在金属离子传感以及生物成像方面表现出的突出优点，如选择性高、灵敏度强、反应时间短、生物毒性低等，而受到研究人员的广泛关注。本研究以廉价的碱木质素（AL）为碳源，乙二胺（EDA）为表面钝化剂，在氧化剂双氧水（H2O2）的作用下，利用一步水热法制备了碱木质素基碳点（ALE-CDs）。通过单因素影响实验，考察了合成条件对其荧光性能的影响，并优选出制备ALE-CDs的最佳工艺条件。所制备的ALE-CDs粒径尺寸均匀，在水中具有很好的分散性和稳定性，对Fe3+表现出较好的荧光猝灭选择性，可用于Fe3+的特异性检测。本研究结果可为简单、可持续、低成本的绿色碳点合成提供新途径，并可为离子检测领域提供一种新的荧光纳米探针材料。

1 实　验

1.1　实验原料及试剂

碱木质素（Alkali lignin，AL），购自北京索莱宝科技有限公司；透析袋（截留分子质量3500），美国。乙二胺（Ethanediamine，EDA）、质量分数30% H2O2，均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2　实验仪器

UAT-02型暗箱式紫外分析仪，山东普创工业科技有限公司；F-280型荧光分光光度计，天津港东科技股份有限公司；UV-6300型双光束紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；Quantaurus-QY plus型绝对量子产率测量仪，日本滨松公司；TECNAI G2 F20型场发射透射电子显微镜，美国FEI公司；D8 advance型X射线衍射仪，德国Bruker公司；VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司；Invia Reflex型激光拉曼光谱仪，英国Renishaw公司。

1.3　实验方法

1.3.1　ALE-CDs的制备

称取0.5 g AL，超声搅拌溶解于50 mL去离子水中，随后加入一定量的EDA，再加入10 mL H2O2，磁力搅拌30 min。将分散均匀的溶液转移到100 mL聚四氟乙烯内衬，密闭于不锈钢釜中，放入恒温干燥箱反应，随后自然冷却至室温，即获得棕黄色ALE-CDs溶液。

1.3.2　ALE-CDs的纯化

棕黄色ALE-CDs溶液经离心去除未反应完全的AL大颗粒（离心转速9000 r/min，离心时间10 min），然后用0.22 μm水系滤膜的玻璃砂芯过滤器滤除反应中生成的大颗粒碳。随后，在去离子水中透析48 h（期间每隔12 h换一次水），透析后离心去除沉淀获得纯化的ALE-CDs，用棕色塑料试剂瓶4℃保存。冷冻干燥部分碳点溶液用于表征。

1.4　ALE-CDs对离子的选择性实验

取稀释后的ALE-CDs溶液20 mL，向其中添加各金属阳离子（Bi3+、Cd2+、La3+、Ga3+、Ag+、K+、Mn2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Fe2+、Ca2+、Na+、Cu2+、Al3+、Sn2+、Zn2+）的可溶性盐以配制阳离子浓度均为0.05 mol/L的碳点溶液。摇匀后，待其稳定5 min，立即测试其荧光强度。

1.5　ALE-CDs检测Fe3+离子

取稀释后的ALE-CDs溶液20 mL，向其中添加不同量的Fe3+可溶性盐以配制浓度分别为0、10、20、30、40、50 μmol/L的碳点溶液。摇匀后，待其稳定5 min，立即记录其荧光光谱。

2 结果与讨论

2.1　ALE-CDs的最佳工艺条件及光学性能分析

本研究采用单因素实验法，以碳点的荧光强度为指标，通过对水热温度、AL∶EDA质量比、水热时间这3个因素的对比研究，来确定ALE-CDs的最佳制备工艺。表1为ALE-CDs制备工艺条件实验设计表。

表1  制备工艺条件实验设计表
Table 1  Experimental design table of preparation process conditions
实验编号水热温度/℃AL∶EDA质量比水热时间/h荧光强度/a.u.
1 160 1∶4 12 347.6
2 170 1∶4 12 498.9
3 180 1∶4 12 617.3
4 190 1∶4 12 691.3
5 200 1∶4 12 663.4
6 190 1∶1 12 462.5
7 190 1∶2 12 521.0
8 190 1∶3 12 621.8
9 190 1∶5 12 677.4
10 190 1∶6 12 620.1
11 190 1∶4 8 443.5
12 190 1∶4 10 466.7
13 190 1∶4 14 681.1
14 190 1∶4 16 503.5
15 190 1∶4 18 470.9

图1为不同工艺条件下所合成ALE-CDs的荧光性能。由图1(a)可知，水热温度对ALE-CDs的荧光性能有重要影响。当水热温度从160℃上升到200℃时，ALE-CDs的荧光强度出现先增后降的变化趋势，并在190℃时达到最强。同时随水热温度的升高，透析后的ALE-CDs溶液颜色也逐渐由深黄色变为浅黄色。结合ALE-CDs颜色和荧光强度分析可知，在低温条件下由于反应物碳化程度较低，所合成的碳点碳核小，不易发生大颗粒聚沉，因此透析后溶液中碳点浓度较大，颜色较深，易产生碳点与碳点之间的“荧光内滤效应”，致使ALE-CDs荧光强度较低。而随着水热温度的升高，ALE-CDs碳化程度逐步提升，碳核逐渐生长成尺寸较大的碳点，经透析后，上清液中的碳点浓度减小，內滤效应减弱，荧光强度得到增加。同时，由于碳点表面的含氧量随着温度升高而逐渐降低，促进激发电子通过光子辐射释放能量，进而增强碳点的荧光强度[

21]。当进一步升高水热温度到200℃时，由于碳点的过分长大，上清液中碳点浓度进一步下降，发射位点太少而导致荧光强度略微下降。与水热温度的影响相似，ALE-CDs的荧光强度随水热时间的延长呈现先升后降的趋势（见图1(b)），其荧光强度在保温12 h的条件下达到峰值。同样，水热时间过长会导致碳点过分生长，经透析后上清液中碳点浓度太低，进而引起荧光强度降低。而水热时间过短，不利于碳点的形核及生长[22]。

  

  

  

  

图1 工艺条件对ALE-CDs荧光强度的影响及其UV-Vis吸收光谱、荧光激发和发射光谱、荧光图像

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质量比对ALE-CDs荧光强度的影响如图1(c)所示，可知AL∶EDA的最佳质量比为1∶4。在EDA用量较少时，ALE-CDs的荧光强度随EDA用量的上升而逐渐增强。这主要是由于钝化剂的引入可以改善碳点的表面缺陷态，并减少碳点间的团聚[

13]。但当EDA用量超过最佳比例时，过量的EDA反而会减少碳点表面的激发活性位点，导致其荧光强度下降[23]。由上述分析可知，碱木质素碳点最优制备工艺条件为：水热温度190℃、水热时间12 h、AL∶EDA质量比1∶4。

图1(d)为ALE-CDs的紫外-可见吸收光谱和荧光激发及发射光谱。从UV-Vis吸收光谱可见，276 nm和323 nm的宽吸收范围分别对应于芳香共轭结构的π→π*电子跃迁和C=N或C=O键的n→π*电子跃迁[

24]。另外，样品在紫外区（200～300 nm）显示出强的光学吸收，吸收边延伸到可见光区。由荧光光谱可知，ALE-CDs激发波长和发射波长分别位于400 nm和475 nm。插图为ALE-CDs在紫外灯箱（λ为365 nm）下的荧光照片，溶液呈现透亮的蓝色荧光，表明ALE-CDs在水中具有优异的分散性和稳定性。

进一步研究了ALE-CDs荧光发射性能与激发波长之间的关系，结果如图2所示。从图2(a)中可以看出，当激发波长从300 nm增至430 nm时，ALE-CDs的荧光强度出现先增后降的趋势，并在400 nm处达到最强。随激发波长的增加，ALE-CDs表面发射位点发生变化，碳点与碳点之间的光散射和反射程度不同。图2(b)为ALE-CDs的荧光发射归一化光谱，当激发波长以10 nm的增量从300 nm增加至430 nm时，荧光发射光谱先蓝移至455 nm后再红移至495 nm，主要呈现红移趋势。分析可知，EDA的引入使得ALE-CDs表面氨基上的N有不成对电子，具有很强的给电子能力，当改变激发光时，氨基会使芳香共轭体系的π电子云密度发生变化，导致π→π*电子跃迁和n→π*电子跃迁发生相应的变化[

25]。

图2  ALE-CDs激发依赖的荧光发射光谱和荧光发射归一化光谱

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

2.2　ALE-CDs的荧光寿命和量子产率

图3为ALE-CDs的时间分辨光谱图。当荧光物质被激发后，大部分激发态分子迅速返回基态，而有些分子可以延迟到几倍于荧光寿命时才回到基态，这样就形成了荧光强度衰减曲线。由于实际体系的复杂性，荧光衰减往往要用多指数或非指数衰减方程进行处理[

26]。经拟合发现符合荧光双指数衰减曲线公式(1)。

图3  ALE-CDs的时间分辨光谱

Fig. 3  Time-resolved spectrum of ALE-CDs

Rt=A1e-t/τ1+A2e-t/τ2 （1）

式中，R为荧光强度；A1、A2为常数，分别为670.20、502.23；t为时间；τ1、τ2为各指数成分寿命，分别为1.59、7.76。式(2)是平均荧光寿命（τ*）公式，经代入计算可知，ALE-CDs的τ*为6.03 ns，说明在激发光下，ALE-CDs中处于激发态的荧光分子可以很快退激发回到基态并在此过程中以发射荧光的形式释放能量。

τ*=A1τ12+A2τ22A1τ1+A2τ2 （2）

此外，通过量子产率测量仪（Quantaurus-QY plus）直接测定ALE-CDs的绝对量子产率为19.20%，此方法具有精准、快捷、高效、无需标样、测试数值稳定、可重复性较好等优势。

2.3　微观形貌分析

通过透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察了ALE-CDs的粒径大小、分布和石墨化程度，结果见图4。如图4(a)所示，ALE-CDs主要是由分散性良好的纳米颗粒组成，呈圆球形结构，同时也可以观察到少数颜色较深的大颗粒。这些较大纳米颗粒归因于碳点粒径较小，使得比表面积大，导致其表面能高，能量处于不稳定状态，因此容易发生聚集，产生“团聚”现象。在HRTEM图中，可以清楚地观察到石墨碳（002）晶面的晶格条纹间距为0.342 nm，表明最佳工艺条件下制备的ALE-CDs的石墨化程度较高。此外，通过ImageJ软件对碳点粒径进行统计分析，如图4(b)所示，碳点粒径分布在1.0～3.7 nm，主要集中在1.6～2.8 nm。

图4  ALE-CDs的TEM图（插图：HRTEM图）和粒径分布图

Fig. 4  TEM image (Inset: HRTEM image) and particle size distribution diagram of ALE-CDs

2.4　红外光谱分析

采用红外光谱仪对AL、EDA和ALE-CDs表面功能团进行分析，结果如图5所示。由图5可知，对于AL原料，3420 cm-1处的红外峰可归属为O—H伸缩振动特征吸收峰，1592 cm-1处为芳香环骨架和C=O叠加振动吸收峰，1410 cm-1处为芳香环C—H平面变形振动特征峰，1120 cm-1处为典型的紫丁香醛的C—H伸缩振动吸收峰，1043 cm-1处为芳香环面外C—H伸缩振动峰。对于EDA钝化剂，3282、3356 cm-1处的吸收峰对应于典型伯胺的N—H伸缩振动特征，2846、2926 cm-1处为饱和C—H伸缩振动峰，1597 cm-1处为N—H面内弯曲振动吸收峰，1360、1460 cm-1处为C—H弯曲振动峰，821、883 cm-1处为N—H面外弯曲振动特征吸收峰。而ALE-CDs在3000～3500 cm-1范围内的宽吸收带可归因于N—H伸缩振动峰和O—H伸缩振动峰重叠而形成的缔合峰，且其强度比AL和EDA都高，说明ALE-CDs富含氨基和羟基基团。1578 cm-1和1640 cm-1处分别为C=C和C=O伸缩振动特征吸收峰，在1391 cm-1和1460 cm-1处分别为C—N和C—N—C的特征吸收峰，而1042 cm-1和1165 cm-1处的吸收峰分别对应于C—O和C—O—C的特征吸收峰[

27-28]。通过上述分析可知，简单的水热处理能够成功地将EDA中的氨基连接到碳点表面，使ALE-CDs具有优异的荧光性能。

图5  AL、EDA和ALE-CDs的红外光谱图

Fig. 5  Infrared spectra of AL, EDA and ALE-CDs

2.5　X射线衍射及拉曼光谱分析

利用X射线衍射仪（XRD）分析了AL及冷干后ALE-CDs的晶型结构，见图6。由图6(a)可知，AL具有1个低强度的宽衍射峰带，且其上有很多凸起的杂峰，表明AL结晶度低且含有杂质。对比AL，ALE-CDs的XRD衍射图谱杂峰较少，表明所制得的碳点较为纯净。此外，谱图中以22.3°为中心的宽峰可对应于石墨碳的（002）晶面，而在43.5°处的小峰可归属于石墨碳的（100）晶面[

29]，表明ALE-CDs具有较好的石墨化转化程度，与HRTEM结果相符。

  

  

图6 AL、ALE-CDs的XRD谱图和ALE-CDs的拉曼光谱图

Fig. 6 XRD patterns of AL and ALE-CDs, Raman spectrum of ALE-CDs

利用拉曼光谱进一步研究了ALE-CDs的石墨化程度。图6(b)是经拟合处理后的拉曼光谱，其中，位于1349 cm-1的D带代表碳点中的无定形碳，而位于1584 cm-1的G带则代表石墨化的碳。D带与G带的相对强度比（ID/IG）被广泛用于表征碳材料的无序程度或石墨化程度[

30]。ALE-CDs的ID/IG值约为0.48，与XRD及HRTEM结果相符合，表明合成的ALE-CDs石墨化程度较高，主要以石墨碳环结构存在于水溶液中，且其上多含以氮/氧为中心的自由基及杂原子缺陷。正是这些氮/氧功能团及杂原子的存在，为ALE-CDs的优异荧光提供发射活性位。

2.6　ALE-CDs检测Fe3+

利用暗箱式紫外分析仪和荧光光谱仪研究了17种阳离子（浓度均为50 mmol/L）对ALE-CDs的荧光猝灭行为，见图7。图7(a)为含不同金属离子的ALE-CDs溶液在365 nm紫外光照下的荧光照片。显然，Fe3+对ALE-CDs溶液的荧光猝灭效果最显著。这一结果也可以在图7(b)的荧光光谱图中得到证实，这都表明ALE-CDs对Fe3+具有良好的荧光选择性。这种独特的选择性可能是由于Fe3+离子与ALE-CDs的相互作用引起的。Fe3+易与ALE-CDs表面的羧基、羟基或氨基等官能团发生配位作用，有助于ALE-CDs中的光激发电子以非辐射跃迁的方式进行电子转移，其中部分电子转移到Fe3+的d电子轨道，进而导致荧光猝灭[

31]。

  

  

图7 ALE-CDs溶液在紫外光照射下（λ= 365 nm）的照片和不同离子存在时ALE-CDs的荧光强度

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

进一步研究了Fe3+浓度（0、10、20、30、40、50 μmol/L）对ALE-CDs体系荧光强度的影响，结果如图8所示。由图8(a)可知，随着Fe3+浓度的增加，ALE-CDs荧光强度逐渐降低。表明Fe3+离子浓度越大，越容易与ALE-CDs表面的含氧或含氮官能团进行配位，猝灭效果越明显。通过对I/I0-Fe3+浓度进行线性拟合可知（图8(b)），在0～50 μmol/L的范围内，Fe3+浓度与ALE-CDs的荧光强度间具有良好的线性关系，线性回归方程为：y=-0.0055x+0.9705，线性相关系数R2=0.9705。Fe3+的检出限（LOD）可通过式(3)进行计算[

32]。

LOD=3δS （3）

式中，δ为信号的标准偏差；S是直线的斜率。

  

  

图8 不同 Fe3+浓度下ALE-CDs的荧光强度和I/I0与Fe3+浓度的线性关系

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

计算求得Fe3+检出限为1.66 μmol/L，与同类型已报道数据相比（见表2）具有较低的检出限，表明ALE-CDs对Fe3+有很好的荧光响应。通过上述分析可知，ALE-CDs可以作为一种荧光纳米探针，针对污水或血液中Fe3+离子进行敏感性和选择性的检测，在生物医学、环境、刑侦等领域都具有较好的应用前景。

表 2  不同荧光碳点对Fe3+检测性能的比较
Table 2  Comparison of Fe3+ detection performance of different fluorescent carbon dots
样品编号线性范围/μmol·L-1检出限/μmol·L-1参考文献
CDs 10~1670 5.64 [33]
CDs-Gel 0-50 10 [34]
CDs 0~1000 9.8 [35]
SN-CDs 0~560 5 [36]
Carbon Nanodots 0~120 10 [37]
NS CDs 5-300 4 [38]
NCDs 0~256 9.07 [39]
ALE-CDs 0~50 1.66 本研究

3 结　论

本研究选用价格低廉、来源广泛的碱木质素作碳源、以含氮量丰富的乙二胺为钝化剂，在双氧水的氧化作用下，通过一步水热法合成具有高荧光的碱木质素基碳点（ALE-CDs），实现了碱木质素的高附加值转化。

3.1　以荧光强度为碳点性能指标，通过单因素实验优化ALE-CDs的合成工艺，获得的最佳工艺条件为：水热温度190℃、AL∶EDA质量比1∶4、水热时间12 h；合成的ALE-CDs荧光量子产率及寿命分别为19.20%和6.03 ns，碳点粒径集中在1.6～2.8 nm。

3.2　将ALE-CDs作为荧光纳米探针来检测金属离子，结果表明，ALE-CDs对Fe3+具有高荧光猝灭选择性，检出限可达1.66 μmol/L。

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