王潤(rùn)霞, 王秀芳, 孫益民

(1.安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 藥學(xué)系，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學(xué) 先進(jìn)建材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

引 言

近年來(lái)，科學(xué)工作者們開(kāi)始研究碳基量子點(diǎn)的各種性質(zhì)及在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。表面帶有多種官能團(tuán)的碳基量子點(diǎn)可以高靈敏地檢測(cè)不同的陰、陽(yáng)離子，如Cu2+、Cr3+、Fe3+、C1-等[1-4]，它是目前研究的熱點(diǎn)。

石墨相氮化碳量子點(diǎn)(g-C3N4量子點(diǎn))是一種碳基量子點(diǎn)。1996年Teter[5]等運(yùn)用共軛梯度法計(jì)算出C3N4可能具有α相(α-C3N4)、β相(β-C3N4)、立方相(c-C3N4)、準(zhǔn)立方相(P-C3N4)和石墨相(g-C3N4)5種結(jié)構(gòu)，其中g(shù)-C3N4在室溫下最穩(wěn)定。石墨相氮化碳是一種新型的具有可見(jiàn)光響應(yīng)的不含金屬的光催化劑，其2.7eV的禁帶寬度決定了g-C3N4材料可以吸收太陽(yáng)光中小于460nm的光。g-C3N4的分子結(jié)構(gòu)中，C、N原子之間形成強(qiáng)的共價(jià)鍵，這決定了g-C3N4在光照下也能表現(xiàn)出穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[6]。然而，塊體的g-C3N4由于層數(shù)相對(duì)較多，因此光照下光生電荷從體相遷移至表面比較困難，使得光生電荷的復(fù)合率增大，造成其光催化效率下降。與塊體g-C3N4相比，g-C3N4量子點(diǎn)具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[7]：一是量子點(diǎn)粒徑小，一般介于1～10 nm之間，具有小尺寸效應(yīng)；二是具有量子限域效應(yīng)，即量子點(diǎn)的光吸收譜隨著量子點(diǎn)尺寸的逐漸變小出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，并且藍(lán)移現(xiàn)象也隨著量子點(diǎn)尺寸變小越發(fā)顯著；三是量子點(diǎn)吸收一個(gè)光子能產(chǎn)生多個(gè)光生電子，使得光電轉(zhuǎn)換效率可進(jìn)一步被提高；四是量子點(diǎn)光穩(wěn)定性良好。g-C3N4量子點(diǎn)還具有良好的熒光特性和水溶性，生物相容性好，且環(huán)境友好、無(wú)毒性[8]。此外，由于組成g-C3N4的C、N元素來(lái)源廣泛，所以g-C3N4還具有廉價(jià)易得的優(yōu)點(diǎn)，因此常被用作熒光化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于高效、靈敏地離子檢測(cè)[9-10]、生物成像[11]、以及光電催化[12]等領(lǐng)域。

目前，g-C3N4量子點(diǎn)常用的制備方法主要有低溫固相合成法[13](即將檸檬酸鈉與尿素按1∶6的質(zhì)量比混合研磨，置于反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)制備而得)、逐步剝離法[11](即以三聚氰胺為原料制備得到的g-C3N4經(jīng)過(guò)逐步剝離、水熱反應(yīng)和超聲振蕩得到g-C3N4量子點(diǎn))、微波輔助加熱的蒸發(fā)冷凝法[9]、水熱法[12]、急速冷凍干燥法[14]等。

肝素鈉是主要是由艾杜糖醛酸、葡萄糖醛酸和葡萄糖胺組成的強(qiáng)負(fù)電荷的線性硫酸化糖胺聚糖，屬粘多糖硫酸酯類抗凝血藥，可以從牛或豬的腸粘膜中提取而得[15]。近年來(lái)的研究證明肝素鈉具有降血脂的作用，臨床上還用作抗血栓和抗腫瘤藥物。在心血管外科術(shù)后治療或者長(zhǎng)期治療中所用肝素鈉的劑量要求有不同限度[16]，因此有效靈敏的測(cè)量肝素鈉的含量具有實(shí)際意義。

人體中含有包括鐵、鋅和銅等在內(nèi)的多種微量元素，它們?cè)诰S持人體健康中發(fā)揮重要的作用。微量元素?cái)z入過(guò)量、不足、不平衡都會(huì)不同程度地引起人體生理的異常或發(fā)生疾病，如人體攝入過(guò)量的銅，就會(huì)引起阿爾茨海默氏病(老年癡呆癥)等神經(jīng)性疾病[17-18]。由于在工業(yè)制造業(yè)中銅的應(yīng)用比較廣泛，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，世界衛(wèi)生組織和一些國(guó)家都對(duì)飲用水中Cu2+的含量規(guī)定了上限[19-20]。所以，檢測(cè)環(huán)境和生物體中Cu2+的含量就非常有必要。

本文以g-C3N4量子點(diǎn)為研究對(duì)象，采用用三聚氰胺熱聚合法，經(jīng)過(guò)逐步剝離、水熱反應(yīng)和超聲振蕩，制備得到g-C3N4量子點(diǎn)。利用g-C3N4量子點(diǎn)的熒光性質(zhì)實(shí)現(xiàn)在pH7.4(正常人血液pH范圍內(nèi))條件下分別對(duì)Cu2+和肝素鈉進(jìn)行檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺(天津市津北精細(xì)化工有限公司)，H2O2(江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司)、HCl(上?；瘜W(xué)試劑有限公司)，NaOH(上?；瘜W(xué)試劑有限公司)，CuSO4·5H2O(天津市津北精細(xì)化工有限公司)，肝素鈉(天津市津北精細(xì)化工有限公司)。溶液以去離子水配制。

KQ-250DB型數(shù)控超聲波清洗器(武漢敬信科技有限公司)、馬弗爐(武漢江宇電爐制造有限公司)、BS224S電子天平(深圳市朗普電子科技有限公司)、DHG-9123A干燥箱(上海昕?jī)x儀器儀表有限公司)、TGL16M離心機(jī)(長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司)、F-4600熒光分光光度計(jì)(上海渡揚(yáng)精密儀器有限公司)、100mL高溫加熱反應(yīng)釜(無(wú)錫市錫山雪浪化工設(shè)備有限公司)。

1.2 g-C3N4量子點(diǎn)溶液制備

取三聚氰胺于坩堝中，加蓋置于馬弗爐中進(jìn)行煅燒(500℃煅燒4h，以20℃的升溫速率升至550℃，保溫2h)，煅燒結(jié)束后冷卻到室溫，取出塊狀g-C3N4，研磨成粉末。取0.2g制備的g-C3N4粉末于燒杯中，加入40mL去離子水和40mL雙氧水，超聲分散5min，倒入反應(yīng)釜中，200℃恒溫加熱12h，加熱結(jié)束后，冷卻到室溫，透析，離心得g-C3N4量子點(diǎn)溶液。

1.3 肝素鈉的檢測(cè)

用10mM的Tris-HCl緩沖液調(diào)節(jié)g-C3N4量子點(diǎn)溶液pH值為7.4，記錄1mL g-C3N4量子點(diǎn)溶液的熒光光譜，然后分別將1mL g-C3N4量子點(diǎn)溶液和一系列相同體積不同濃度(0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM)的肝素鈉溶液混合于11個(gè)2.0mL比色皿中，在室溫下反應(yīng)5分鐘。在310nm激發(fā)波長(zhǎng)下，記錄熒光光譜。

1.4 Cu2+的檢測(cè)

圖1 g-C3N4量子點(diǎn)的透射電鏡圖(a)和高分辨透射電鏡圖(b)Fig.1 TEM(a)and HRTEM(b)of g-C3N4quantum dots

分別取1mL用10mM的Tris-HCl緩沖液調(diào)節(jié)pH值為7.4的g-C3N4量子點(diǎn)溶液，然后與不同濃度(0,25,50,75,100,125,150,175,200nM)的Cu2+(溶液平緩搖動(dòng)下混合于9個(gè)2.0mL比色皿中，在室溫下反應(yīng)5分鐘。在310nm激發(fā)波長(zhǎng)下，記錄熒光光譜。

1.5 表征

用TU-1800PC分光光度計(jì)測(cè)定了室溫下樣品的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。熒光光譜是樣品在室溫下放在日立石英試池(1mm)用F-7000熒光分光光度計(jì)上記錄所得。利用Nexus-870分光光度計(jì)和KBr壓片獲得了傅里葉變換紅外光譜。透射電子顯微鏡圖(TEM)是利用JEM-2100F儀器在200kV下發(fā)射槍進(jìn)行操作獲得。照片是用佳能350D數(shù)碼相機(jī)拍攝得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 g-C3N4量子點(diǎn)的透射電鏡圖

圖1a是g-C3N4量子點(diǎn)的透射電鏡圖，從圖中可以看出g-C3N4量子點(diǎn)樣品顆粒呈球狀，具有很好的分散性，顆粒大小均勻。通過(guò)對(duì)200個(gè)納米顆粒測(cè)量，得到量子點(diǎn)的平均粒徑約為5nm。從圖1b中可以看出絕大多數(shù)的石墨相氮化碳點(diǎn)顆粒觀察不到明顯的晶面，這說(shuō)明得到的石墨相氮化碳點(diǎn)具有無(wú)定型的結(jié)構(gòu)。

2.2 樣品g-C3N4量子點(diǎn)的的紅外光譜圖

圖2為g-C3N4量子點(diǎn)的紅外光譜圖，在3430cm-1的吸收峰是O-H的伸縮振動(dòng)，在1630cm-1的峰值是由于N-H彎曲振動(dòng)(伯胺)，在1400和755cm-1的峰值是碳?xì)滏I彎曲振動(dòng)。在1270cm-1的峰值是量子點(diǎn)表面酚羥基的伸縮振動(dòng)。這一結(jié)果表明，合成的g-C3N4量子點(diǎn)表面含有胺基和羥基。

圖2 g-C3N4量子點(diǎn)的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of g-C3N4 quantum dots

2.3 g-C3N4量子點(diǎn)的紫外光譜圖

為進(jìn)一步闡明g-C3N4量子點(diǎn)的表面特征，進(jìn)行了紫外可見(jiàn)光譜分析。用水稀釋的g-C3N4量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收光譜圖(圖3)顯示，量子點(diǎn)在紫外區(qū)有較強(qiáng)的吸收，紫外吸收特征峰集中在270nm，然后逐漸下降到可見(jiàn)區(qū)，但無(wú)特征吸收峰，這一性能與間帶半導(dǎo)體納米材料相一致，一定程度上表明g-C3N4量子點(diǎn)是半導(dǎo)體材料，圖中270nm處的吸收峰是g-C3N4量子點(diǎn)的特征峰。

2.4 g-C3N4量子點(diǎn)的熒光光學(xué)照片

圖4為g-C3N4量子點(diǎn)溶液在365nm紫外光照射下的光學(xué)照片，從圖中可以看出，樣品溶液在紫外光照射下發(fā)出明亮的藍(lán)光。這是由于g-C3N4量子點(diǎn)吸收紫外光后電子受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)，返回基態(tài)過(guò)程中一部分能量以光能形式的表現(xiàn)。

2.5 g-C3N4量子點(diǎn)的熒光光譜

圖5所示的是不同激發(fā)波長(zhǎng)下(250～370nm)g-C3N4量子點(diǎn)的熒光光譜圖。從圖中可以看出：g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度在激發(fā)波長(zhǎng)250～310nm范圍內(nèi)隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加而升高；在激發(fā)波長(zhǎng)310～370nm范圍內(nèi)隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加而降低，在激發(fā)波長(zhǎng)為310nm時(shí)出現(xiàn)最大值。

圖3 g-C3N4量子點(diǎn)的紫外光譜圖Fig.3 UV spectrum of g-C3N4 quantum dots

圖4 g-C3N4量子點(diǎn)的熒光光學(xué)照片(365nm紫外光)Fig.4 Fluorescence optical photos of g-C3N4 quantum dots(365nm UV)

圖5 不同激發(fā)波長(zhǎng)下g-C3N4量子點(diǎn)的熒光光譜圖Fig.5 Fluorescence spectra of g-C3N4 quantum dots at different excitation wavelengths

2.6 肝素鈉的檢測(cè)分析

圖6 (a)不同濃度肝素鈉條件下g-C3N4量子點(diǎn)熒光光譜圖(λex=310nm)(肝素鈉濃度從上到下：0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM(pH=7.4)；(b)熒光強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)肝素鈉濃度的關(guān)系曲線(I和I0分別是有、無(wú)肝素鈉存在時(shí)g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度)Fig.6 Fluorescence spectra (λex=310nm)of g-C3N4 quantum dots in acidic condition with different concentration of heparin sodium concentrations:0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200nM(pH=7.4),and(b)plots of the fluorescence intensity against the concentration of heparin sodium(I and I0 are the fluorescence intensity of g-C3N4 quantum dots in the presence and absence of heparin sodium,respectively).

如圖6a所示，在沒(méi)有肝素鈉的情況下，水溶液中的g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度相當(dāng)強(qiáng)烈。隨著肝素納濃度的增加，熒光強(qiáng)度在420nm處逐漸減小。圖6b所示的圖是熒光下降百分比對(duì)應(yīng)肝素鈉的濃度。它們之間有良好的線性關(guān)系(I和I0分別是在有、無(wú)肝素鈉時(shí)g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度)，最佳線性響應(yīng)的肝素鈉濃度范圍是從20nM到200nM(R2=0.9981)?；诜磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)和校準(zhǔn)曲線的斜率(S)計(jì)算LOD，根據(jù)公式：LOD=3.0(σ/S)，肝素鈉的最低檢測(cè)限(LOD)約為20nM。隨著肝素鈉濃度的增加，g-C3N4量子點(diǎn)在420nm處的熒光強(qiáng)度逐漸降低，利用這點(diǎn)可以用于檢測(cè)肝素鈉(見(jiàn)圖6b)。由此可見(jiàn)，g-C3N4量子點(diǎn)在水溶液中可以靈敏地檢測(cè)肝素鈉。在沒(méi)有肝素鈉的情況下，在水溶液中的g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度相當(dāng)強(qiáng)。添加肝素鈉后，g-C3N4量子點(diǎn)表面的胺基與羥基會(huì)與肝素鈉中的硫酸和羧酸根陰離子通過(guò)靜電和氫鍵相互作用，使得g-C3N4量子點(diǎn)發(fā)生聚合，導(dǎo)致其熒光淬滅。利用肝素鈉使g-C3N4量子點(diǎn)熒光淬滅可以應(yīng)用于檢測(cè)肝素鈉。

2.7 Cu2+的檢測(cè)分析

圖7 (a)不同濃度Cu2+條件下(0,25,50,75,100,125,150,175,200nM,pH=7.4)g-C3N4量子點(diǎn)的熒光光譜圖(λex=310nm)，(b)熒光強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)Cu2+濃度的關(guān)系曲線(I和I0分別是有、無(wú)Cu2+存在的g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度)

Fig.7 (a)Fluorescence spectra(λex=310nm)of g-C3N4quantum dots at different concentrations of Cu2+:0,25,50,75,100,125,150,175,200nM(pH=7.4)，(b)plots of the fluorescence intensity against the concentration of Cu2+,I and I0are the fluorescence intensity of g-C3N4quantum dots in the presence and absence of Cu2+.

如圖7a所示，在沒(méi)有Cu2+的情況下，在水溶液中的g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度相當(dāng)強(qiáng)烈。隨著Cu2+濃度的增加，熒光強(qiáng)度逐漸減小。圖7b所示的圖是熒光下降百分比對(duì)應(yīng)Cu2+的濃度。I和I0之間有良好的線性關(guān)系(I和I0分別是在有、無(wú)Cu2+時(shí)g-C3N4量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度)，最佳線性響應(yīng)的Cu2+的濃度范圍是從25nM到200nM(R2=0.9981)。基于反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)和校準(zhǔn)曲線的斜率(S)計(jì)算LOD，根據(jù)公式：LOD=3.0(σ/S)，Cu2+的最低檢測(cè)限(LOD)約為25nM。隨著Cu2+濃度增加，g-C3N4量子點(diǎn)在420nm處的熒光強(qiáng)度逐漸降低，利用這點(diǎn)可以用于檢測(cè)Cu2+(見(jiàn)圖7b)。由此可見(jiàn)，g-C3N4量子點(diǎn)在水溶液中可以靈敏地檢測(cè)Cu2+。這是由于在弱堿性條件下，g-C3N4量子點(diǎn)帶負(fù)電，表面的羧基與帶正電的Cu2+存在靜電作用，從而使g-C3N4量子點(diǎn)聚集，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度降低。因此，利用Cu2+使g-C3N4量子點(diǎn)熒光淬滅可以應(yīng)用于靈敏地檢測(cè)Cu2+。

3 結(jié)論

本文用三聚氰胺為原料通過(guò)熱聚合法制備出g-C3N4，以雙氧水輔助，經(jīng)過(guò)逐步剝離、水熱反應(yīng)和超聲振蕩，最終得到熒光g-C3N4量子點(diǎn)，該量子點(diǎn)表面帶有氨基和羥基。本研究合成量子點(diǎn)的工藝簡(jiǎn)單易行，且合成的量子點(diǎn)具有較高的熒光效率。用g-C3N4量子點(diǎn)溶液對(duì)肝素鈉溶液進(jìn)行熒光檢測(cè)，從熒光光譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著肝素鈉濃度的增高，復(fù)合物的熒光強(qiáng)度逐漸降低，由此可得，樣品可以檢測(cè)肝素鈉。用g-C3N4量子點(diǎn)溶液對(duì)Cu2+溶液進(jìn)行熒光檢測(cè)，從熒光光譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著Cu2+濃度的增高，復(fù)合物的熒光強(qiáng)度逐漸降低，由此，樣品可以檢測(cè)Cu2+。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本工作利用熒光g-C3N4量子點(diǎn)在pH7.4下帶不同的電荷，為高靈敏地檢測(cè)肝素鈉和Cu2+提供了一條低成本的新途徑。