CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第10期
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化 工 进
展
基于氮掺杂碳量子点的荧光微球制备和Fe 3+检测
刘清浩1，何艳飞1，梁丽娜1，念继鹏1，胡志勇1，郭金春2，梁栋1，刘红彦3
（1中北大学化学工程与技术学院，山西 太原 030051；2中北大学环境与安全工程学院，山西 太原 030051；
3
河南省农业科学院植物保护研究所，河南 郑州 450002）
摘要：分别以尿素、氨水、二乙烯三胺、多乙烯多胺为氮源，绿廉价的白菜为碳源，采用水热法合成氮掺杂的蓝荧光碳量子点，结果表明多乙烯多胺氮掺杂碳量子点（NCDs ）荧光量子产率最高为53.3％。然后将NCDs 作为荧光探针应用于荧光微球制备和Fe 3+检测方面，以三聚氰胺甲醛（MF ）为载体，合成了氨基化MF 荧光微球；基于Fe 3+对NCDs 良好的荧光猝灭效应，建立了一种荧光测定Fe 3+的方法，并对NCDs 和MF 荧光微球的结构和性能进行表征。结果表明，NCDs 的荧光性能得到了显著的改善；MF 荧光微球单分散性好、荧光性能好且稳定，在生物医学领域方面有重要的应用价值；NCDs 对Fe 3+具有单一选择性，Fe 3+浓度在0～2μmol/L 内与NCDs 的荧光猝灭程度呈良好的线性关系（R 2=0.9945），检出限为0.035μmol/L 。将该体系应用于实际水样中Fe 3+的测定，相对标准偏差（RSD ，n =6）在1.42%～3.02%内，加标回收率在98.7%～104.5%之间。该体系对Fe 3+检测灵敏性好、选择性高以及抗干扰性强，在离子分析检测方面有潜在的应用前景。 关键词：氮掺杂碳量子点；荧光探针；荧光微球；Fe 3+检测
中图分类号：O661；O635.2 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）10–3936–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-2017
Preparation of fluorescent microspheres and their detection of Fe 3+ based
on nitrogen doped carbon quantum dots
LIU Qinghao 1, HE Yanfei 1, LIANG Lina 1, NIAN Jipeng 1, HU Zhiyong 1, GUO Jinchun 2,
LIANG Dong 1, LIU Hongyan 3
（1School of Chemical Engineering and Technology, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China; 2School of Environmental and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China; 3Institute of Plant
Protection ，Henan Academy of Agriculture Sciences, Zhengzhou 450002, Henan, China ）
Abstract: A hydrothermal decomposition method was developed for the synthesis of blue fluorescence nitrogen doped carbon dots (NCDs) by using cabbage juice as the carbon source and using urea ， ammonia ， diethylenetriamine and poly ethylene polyamine (PP) separately as the nitrogen source. T
he obtained fluorescence quantum yield of polyethylene polyamine doped carbon quantum dots (NCDs) was 53.3%. NCDs were used as fluorescent probes for the preparation of fluorescent microspheres and the detection of Fe 3+. Melamine formaldehyde (MF) fluorescent microspheres with amino groups were synthesized with MF as the carrier. Due to the fluorescence quenching of NCDs by Fe 3+，a method based on sensitive and selective fluorescent probe was developed for detecting Fe 3+. The structure and properties of NCDs and the MF fluorescent microspheres were characterized. The results show that the fluorescence properties of the NCDs were significantly improved compared with CDs ，and MF fluorescent microspheres have good dispersity and stability and high fluorescence intensity ，and therefore
第一作者及通讯作者：刘清浩（1979—），女，副教授，主要从事新型磁性荧光功能材料合成、性能和生物应用的研究。E-mail ：**********************。
收稿日期：2017-09-27；修改稿日期：2017-11-25。
基金项目：2017山西省青年科技研究基金（201701D221196）及2015国家自然科学基金（21406211）项目。
第10期刘清浩等：基于氮掺杂碳量子点的荧光微球制备和Fe3+检测·3937·
it has important application value in the field of biomedicine；NCDs have single selectivity to iron ions，and the fluorescence quenching ratio of NCDs shows a good linear relationship with the concentration of Fe3+ in the range from 0 to 2×10–6mol/L (R2 =0.9945). The detection limit is
0.035×10–6mol / L. The NCDs may be applied to the measurement of Fe3+ in water samples，and the
relative standard deviation (RSD，n=6) is within 1.42%—3.02% with the recovery rate between
98.7%—104.5%. The system has good sensitivity, high selectivity and strong anti-interference for the
detection of Fe3+，thus it has potential application prospects in the field of ion analysis and detection.
Key words: nitrogen doped carbon dots; fluorescent probes; fluorescent microspheres; Fe3+ detection
碳量子点（CDs）作为一种新型的荧光探针，相比传统的半导体量子点和有机染料，具备宽而连续的激发光谱、窄而对称的发射光谱、良好的生物相容性[1]和低毒性[2]，在生物医学[3]、标记[4]、重金属检测[5-6]等领域有良好的应用前景。但CDs荧光量子产率相对较低，研究表明在碳量子点表面进行氮掺杂可钝化表面缺陷且促进高产辐射复合[7]，从而改善其荧光性能及水溶性[8]。本文以白菜为碳源、多乙烯多胺为氮源，制备了绿无毒的氮掺杂碳量子点（NCDs），将NCDs作为荧光探针应用于荧光微球制备和
Fe3+检测方面。
无机材料三聚氰胺甲醛具有耐热、耐老化及生物相容性好、易溶于诸多有机溶剂等优良性能。此外，三聚氰胺甲醛聚合物的末端含有—NH2、—NH、—OH等基团，可与生物基团键合实现进一步的应用。因此，本文以三聚氰胺、甲醛为原料，NCDs 为荧光探针，采用分散聚合法制备了一种包埋式三聚氰胺甲醛（MF）荧光微球。众所周知，铁是人体必需的微量元素之一，铁含量不足或过量都会引起身体疾病，如智力下降[9]、贫血[10]、癌症[11]等。因此，建立高灵敏性测定Fe3+方法具有重要意义。目前，已经建立了多种检测Fe3+的方法，如电位溶出法[12]、原子吸收法[13]、分光光度法等，然而这些方法存在操作过程繁琐、设备昂贵、费时耗力等缺陷限制了Fe3+的检测[14]，而荧光探针法检测金属离子具有选择性好、灵敏度高、操作简单等优势[15]，研究表明Fe3+对制备的NCDs有良好的猝灭作用。因此本文以NCDs作为一种荧光探针定量检测Fe3+，同时应用于实际水样中Fe3+的快速检测。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
三聚氰胺，甲醛，冰乙酸，聚乙烯吡咯烷酮（PVP，相对分子质量1300000），多乙烯多胺（PP），AlCl3，CuCl2，FeCl3，NaCl，MgCl2，KNO3，Zn(NO3)2，Pb(NO3)2，Ni(NO3)2。所有试剂均购于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。水为二次蒸馏水。
SU-500型扫描电子显微镜，日本电子公司；DM6000-B荧光显微镜，德国Leica公司；Cary Eclipse型荧光分光光度计，美国Varian公司；岛津8400S FTIR光谱仪、UV2450紫外-可见分光光度计，日本岛津公司。
1.2 NCDs的制备
量取35mL白菜汁并转移至高压反应釜中，置于烘箱中200℃加热5h。反应结束后，自然冷却至室温。采用孔径0.22µm的微孔滤膜过滤产物，将滤液在12000r/min转速下离心，去除大颗粒杂质。在纯化后的溶液中加入一定量氨水、尿素、二乙烯三胺、多乙烯多胺（PP），继续在200℃的烘箱中反应5h。反应后将反应釜自然冷却至室温，得到棕溶液，处理方法同上。用1000分子量的透析袋透析所得NCDs溶液2d（6h换一次水），最后用冷冻干燥法处理得纯净的NCDs固体粉末。合成过程如图1所示。
1.3 NCDs的应用
1.3.1 MF荧光微球的制备
将1.4g三聚氰胺和2.7mL甲醛加入到100mL 三口烧瓶中，机械搅拌混合均匀。水浴加热到60℃，反应30min后得到均匀的预聚物羟甲基三聚氰胺。
量取45mL蒸馏水和一定量的NCDs，称取1.3g PVP作分散剂，混合加入到250mL三口烧瓶中。用冰乙酸
调节溶液的pH为4.5～4.6，机械搅拌下水浴加热到60℃。将预聚物迅速加入，使用冰乙酸迅速微调pH到4.5～4.6。当出现白浑浊物后，每隔10min在显微镜下观察微球的形貌，反应30min后加入大量冰水停止反应。依次用蒸馏水、无水乙醇反复洗涤后，50℃真空干燥，即得MF荧光微球，制备过程如图2所示。
1.3.2 NCDs对Fe3+的检测
将反应釜中的NCDs原液稀释80倍，测定其
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图1 NCDs 的合成示意图
reaction between pvp and amino荧光强度F 0。然后把不同浓度的Fe 3+加入到3mL NCDs 溶液中，在室温下反应16min 后测量其在350nm 激发下的荧光光谱F 。荧光淬灭机理如图3所示。
2 结果与讨论
2.1 CDs 与NCDs 的表征 2.1.1 CDs 与NCDs 的光谱
图4(a)为在相同浓度下CDs （a ）、在CDs 中加入尿素（b ）、氨水（c ）、二乙烯三胺（d ）、多乙烯多胺（e ）的紫外-可见吸收光谱。由图4(a)可知，CDs 的最大吸收峰由280nm 红移至350nm ，这是因为经钝化剂尿素、氨水、二乙烯三胺、多乙烯多胺修饰后，其吸收波长会相应增加[16]。图4(b)为在相
同浓度下CDs （a ）、在CDs 中加入尿素（b ）、氨水（c ）、二乙烯三胺（d ）、多乙烯多胺（e ）的荧光发
射光谱，激发波长为相应紫外的最大吸收波长。由
图4(b)可知，氮掺杂碳量子点荧光强度逐渐增强，且发射波长发生了红移，这是由于有机溶剂钝化，使CDs 表面产生能量势阱，且随着氨基含量的增加而增加，从而导致NCDs 的荧光强度增强[17]。CDs 和NCDs 溶液在自然光下均呈现淡黄透明状；在365nm 紫外灯激发下，NCDs 比CDs 有更高的荧光强度且呈现亮蓝。这与发射波长433～470nm 一致，进一步揭示了CDs 和NCDs 具有强烈的蓝荧光。故选多乙烯多胺氮掺杂碳量子点（NCDs ）为荧光探针应用于荧光微球制备和Fe 3+检测方面。以硫酸奎宁（0.1mol/L H 2SO 4，54% [18]）为标准参照物，测得CDs 的荧光量子产率为26.2%，NCDs 的荧光量子产率为53.3%。
2.1.2 CDs 与NCDs 的红外光谱图
图5为CDs 和 NCDs 的红外光谱图。CDs 在3394cm –1处为羟基特征吸收峰；1638cm –1处为
C =O 伸缩振动峰；
1386cm –1和1097cm –1处为—OH 和C —H 的弯曲振动峰。NCDs 在3455cm –1处为 O —H 的伸缩振
动或在多乙烯多胺条件下水热产生
的N-H 伸缩振动；在2932cm –1、
1712cm –1、1397cm –1和1184cm –1处的吸收峰分别对应C —H 、C =O 、 C —N 和C —O —C 的伸缩振动。结果表明，所制得的NCDs 表面富含—NH 2、—C =O 、—OH 等含氧官能团，使NCDs 的亲水性和稳定性得到提高，且
图2 MF 荧光微球的合成示意图
图3 Fe 3+与NCDs 作用的机理
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图4 CDs和氨基CDs的紫外-可见吸收光谱和
荧光发射光谱
[插图为在自然光下（上）和365nm紫外灯下（下）的NCDs（1、2）
和CDs（3、4）的照片]
图5 CDs和NCDs的红外光谱图
在水溶液中表现出电负性[19]。
2.2 MF荧光微球的表征
2.2.1 形貌
图6(a)、(b)和(c)、(d)分别为MF荧光微球的扫描电镜照片和荧光照片。由图6可知，MF荧光微球单分散性良好（3µm左右），NCDs在微球中分布均匀，使得微球发光效率高且很稳定，这与NCDs 与MF微球形成的作用力密切相关。首先三聚氰胺经羟甲基化形成预聚物，然后通过羟甲基之间或羟甲基与氨基、亚胺基之间发生缩聚反应形成醚键或亚甲基，同时NCDs中的羟基、氨基和羰基基团与
图6 MF荧光微球的扫描电镜和荧光显微镜图
预聚物中的亚氨基和羟甲基形成牢固的氢键（图2），最后逐渐成核与长大生成交联网状的MF荧光微球，致使NCDs不易从MF荧光微球中泄露出来，从而使MF荧光微球荧光强度高，稳定性好。
2.2.2 红外光谱图
图7是MF微球和MF荧光微球的红外光谱图。曲线a为MF微球的红外光谱图，3410cm–1处较强的吸收带为N—H伸缩振动峰；1552cm–1与1492cm–1处为三嗪环上C=N伸缩振动及N—H 剪切弯曲振动峰；2940cm–1和1348cm–1处分别为C—H和环内C—N的伸缩振动峰；1158cm–1和1004cm–1处是醚键C—O—C和醇类的C—O伸缩振动峰；815cm–1处是三聚氰胺骨架的面外弯曲振动吸收峰。结果表明成功制备了MF微球。曲线b 是MF荧光微球的红外光谱图，其峰形和官能团的归属基本与MF微球一致。这是由于NCDs在MF 荧光微球中含量极少，红外光谱不能表征出NCDs 的特征峰。
图7 MF和NCDs-MF的红外光谱图
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2.2.3 荧光光谱
图8是MF荧光微球和NCDs的荧光发射光谱图。由图8可知，MF荧光微球的最大发射波长相对于NCDs发生了一定的红移。这是由于当碳量子点包埋在微球中，其荧光光谱会发生一定的变化。
图8 MF荧光微球和NCDs的荧光光谱图
2.3 NCDs对Fe3+的选择
2.3.1 反应条件的优化
如图9(a)所示，当NCDs溶液稀释80倍时，Fe3+对其荧光猝灭程度最大。不同pH时，Fe3+对NCDs 体系的荧光强度几乎没影响[见图9(b)]，表明NCDs 具有良好的pH稳定性，为后续测试提供了有利条件，在测试中无需调节pH。如图9(c)所示，在10min 内，Fe3+对NCDs体系猝灭程度明显，15min后趋于稳定，说明NCDs与Fe3+之间反应灵敏，故在测试中反应时间为15min。
2.3.2 不同金属离子对NCDs的荧光响应
图10(a)显示了不同金属离子Cu2+、Fe3+、Al3+、Mg2+、Pb2+、Zn2+、Na+、K+、Ni2+、Fe2+与NCDs 的相互作用，各金属离子浓度均为1×10−6mol/L。NCDs对Fe3+荧光猝灭程度最大[见图10(b)]，对其他金属离子几乎无影响，表明NCDs作为荧光探针对Fe3+具有良好的单一选择性。猝灭机理是由于NCDs表面的钝化基团—NH2和—OH与Fe3+发生配合作用[20]，增加了NCDs的表面缺陷，抑制了非辐射跃迁，最终导致NCDs的荧光猝灭。
2.3.3 NCDs对Fe3+的检测
图11(a)为不同浓度Fe3+与NCDs荧光猝灭度的光谱图，随着Fe3+浓度增加，NCDs荧光强度不断减弱，
NCDs荧光猝灭率[见图11(b)]与Fe3+浓度在0～2µmol/L内存在良好线性关系[见图10(c)]，F0/F=0.9022+1.1779C，相关系数R2=0.9945，检出
图9 反应条件的优化
限为0.035µmol/L，与其他荧光纳米材料对Fe3+检测进行比较[4, 21-22]，说明NCDs作为荧光探针对Fe3+具有检出限低和灵敏度较高等优点。
2.3.4 实际水样的检测
考察了该方法在实际水样（汾河水、娃哈哈矿泉水和自来水）中测定Fe3+含量的可行性。采集水样在塑料瓶中静置3d，取上层清液过滤，离心以除去水样中悬浮的大颗粒物质。按照1.3.2节实验方法对实际水样中的Fe3+进行加标回收实验。结果如表1所示，相对标准偏差（RSD，n=6）在1.42%～3.02%内，加标回收率在98.7%～104.5%之间，说明水样中的矿物质、有机物等对Fe3+的测定影响不大，故此荧光探针法可应用于实际水样中Fe3+的检测。
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