碱木质素碳点的制备及对Fe3+检测性能研究

1、PAGE 14 -碱木质素碳点的制备及对Fe3+检测性能研究碳点（Carbondots，CDs），又称碳量子点或者碳纳米点，是一类尺寸在10nm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。2022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

2、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，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

3、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。因此，对Fe3+的快速准确检测对这些疾

4、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

5、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（Alkalilignin，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；Quantaur

6、us-QYplus型绝对量子产率测量仪，日本滨松公司；TECNAIG2F20型场发射透射电子显微镜，美国FEI公司；D8advance型X射线衍射仪，德国Bruker公司；VERTEX70型傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司；InviaReflex型激光拉曼光谱仪，英国Renishaw公司。1.3实验方法1.3.1ALE-CDs的制备称取0.5gAL，超声搅拌溶解于50mL去离子水中，随后加入一定量的EDA，再加入10mLH2O2，磁力搅拌30min。将分散均匀的溶液转移到100mL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

7、。1.3.2ALE-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9000r/min，离心时间10min），然后用0.22m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48h（期间每隔12h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。1.4ALE-CDs对离子的选择性实验取稀释后的ALE-CDs溶液20mL，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+

8、、Sn2+、Zn2+）的可溶性盐以配制阳离子浓度均为0.05mol/L的碳点溶液。摇匀后，待其稳定5min，立即测试其荧光强度。1.5ALE-CDs检测Fe3+离子取稀释后的ALE-CDs溶液20mL，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、50mol/L的碳点溶液。摇匀后，待其稳定5min，立即记录其荧光光谱。2结果与讨论2.1ALE-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、ALEDA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

9、表。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

10、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12h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AL

11、E-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.1EffectofprocessconditionsonthefluorescenceintensityofALE-CDsandtheUV-Visabsorptionspectra,fluorescenceexcitationandemissionspectra,andfluorescenceimagesofALE-CDsALEDA质量比对ALE-CDs荧光强度的影响如图1(c)所示，可知ALEDA的最佳质量比为14。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

12、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12h、ALEDA质量比14。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，276nm和323nm的宽吸收范围分别对应于芳香共轭结构的*电子跃迁和C=N或C=O键的n*电子跃迁24。另外，样品在紫外区（200300nm）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40

13、0nm和475nm。插图为ALE-CDs在紫外灯箱（为365nm）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300nm增至430nm时，ALE-CDs的荧光强度出现先增后降的趋势，并在400nm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10nm的增量从300nm增加至430nm时，荧光发射光谱先蓝移至455nm后再红移

14、至495nm，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电子云密度发生变化，导致*电子跃迁和n*电子跃迁发生相应的变化25。图2ALE-CDs激发依赖的荧光发射光谱和荧光发射归一化光谱Fig.2Excitation-dependentfluorescenceemissionspectraandfluorescenceemissionnormalizedspectraofALE-CDs2.2ALE-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

15、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。图3ALE-CDs的时间分辨光谱Fig.3Time-resolvedspectrumofALE-CDsR(t)=A1et/1+A2et/2（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；1、2为各指数成分寿命，分别为1.59、7.76。是平均荧光寿命（*）公式，经代入计算可知，ALE-CDs的*为6.03ns，说明在激发光下，ALE-CDs中处于激发态的

16、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。*=A121+A222A11+A22（2）此外，通过量子产率测量仪（Quantaurus-QYplus）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

17、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0.342nm，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1.03.7nm，主要集中在1.62.8nm。图4ALE-CDs的TEM图（插图：HRTEM图）和粒径分布图Fig.4TEMimage(Inset:HRTEMimage)andparticlesizedistributiondiagramofALE-CDs2.4红外光谱分析采用红外光谱仪对A

18、L、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，3420cm-1处的红外峰可归属为OH伸缩振动特征吸收峰，1592cm-1处为芳香环骨架和C=O叠加振动吸收峰，1410cm-1处为芳香环CH平面变形振动特征峰，1120cm-1处为典型的紫丁香醛的CH伸缩振动吸收峰，1043cm-1处为芳香环面外CH伸缩振动峰。对于EDA钝化剂，3282、3356cm-1处的吸收峰对应于典型伯胺的NH伸缩振动特征，2846、2926cm-1处为饱和CH伸缩振动峰，1597cm-1处为NH面内弯曲振动吸收峰，1360、1460cm-1处为CH弯曲振动峰，821、883cm-

19、1处为NH面外弯曲振动特征吸收峰。而ALE-CDs在30003500cm-1范围内的宽吸收带可归因于NH伸缩振动峰和OH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。1578cm-1和1640cm-1处分别为C=C和C=O伸缩振动特征吸收峰，在1391cm-1和1460cm-1处分别为CN和CNC的特征吸收峰，而1042cm-1和1165cm-1处的吸收峰分别对应于CO和COC的特征吸收峰。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5AL、EDA和ALE-CDs的红外光谱图F

20、ig.5InfraredspectraofAL,EDAandALE-CDs2.5X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6AL、ALE-CDs的XRD谱图和ALE-CDs

21、的拉曼光谱图Fig.6XRDpatternsofALandALE-CDs,RamanspectrumofALE-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1349cm-1的D带代表碳点中的无定形碳，而位于1584cm-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

22、能团及杂原子的存在，为ALE-CDs的优异荧光提供发射活性位。2.6ALE-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50mmol/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365nm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

23、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7ALE-CDs溶液在紫外光照射下（=365nm）的照片和不同离子存在时ALE-CDs的荧光强度Fig.7PhotoofALE-CDssolutionunderultravioletlight(=365nm)andfluorescenceintensityofALE-CDsinthepresenceofdifferentions进一步研究了Fe3+浓度（0、10、20、30、40、50mol/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