水热法一步合成氮掺杂碳点及其在Cu(Ⅱ)离子检测中的应用

引用本文: 周希, 刘美红, 王春鹏, 储富祥. 水热法一步合成氮掺杂碳点及其在Cu(Ⅱ)离子检测中的应用[J]. 化学通报, 2018, 81(1): 65-69. shu

Citation: Zhou Xi, Liu Meihong, Wang Chunpeng, Chu Fuxiang. One-Step Hydrothermal Synthesis of Nitrogen Doped Carbon Dots and Their Application in Cu(Ⅱ) Ion Detection[J]. Chemistry, 2018, 81(1): 65-69. shu

水热法一步合成氮掺杂碳点及其在Cu(Ⅱ)离子检测中的应用

1.
中国林业科学研究院林产化学工业研究所南京 210042
2.
中国林业科学研究院林业新技术研究所北京 100091

通讯作者: 储富祥男, 研究员, 54岁, E-mail:chufxg@163.com

基金项目:
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（CAFYBB2017ZX003）和中国林科院林业新技术研究所基本科研业务费专项（CAFYBB2017SY033）资助

摘要: 采用水热法以聚乙烯亚胺为原料一步制备氮掺杂荧光碳量子点。紫外-可见吸收光谱、荧光光谱以及透射电镜显示，所制备的碳点荧光性能优异、分散性好、且无团聚现象。在0.1mol/L PBS溶液中，荧光碳点的荧光强度随着Cu（Ⅱ）浓度的增加逐渐减弱。该方法对Cu（Ⅱ）检测的线性范围为50~150 μmol/L，检出限为10μmol/L。细胞毒性测试结果表明，不同浓度的碳点对细胞活性影响均较小，其细胞毒性低。以上结果说明该碳点能成功检测Cu（Ⅱ）且细胞毒性低，在生物传感方面有潜在应用价值。

关键词:

碳材料
/ 荧光
/ 猝灭
/ 细胞毒性

English

One-Step Hydrothermal Synthesis of Nitrogen Doped Carbon Dots and Their Application in Cu(Ⅱ) Ion Detection

1.
Institute of Chemical Industry of Forestry Products, Chinese Academy of Forestry, Nanjing 210042
2.
Research Institute of Forest New Technology, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091

Corresponding author: Chu Fuxiang, chufxg@163.com

Received Date: 29 July 2017
Accepted Date: 12 September 2017
Available Online: 01 January 2018

Abstract: The nitrogen doped carbon dots based on polyethyleneimine were prepared by one-step hydrothermal method. Ultraviolet-visible absorption, fluorescence spectra and transmission electron microscopy show that the carbon dots have excellent fluorescence performance and good dispersion. In 0.1 mol/L PBS solution, the fluorescence intensity of carbon dots reduces as Cu(Ⅱ) concentration increases gradually. The detection linear range of Cu(Ⅱ) is 50~150 μmol/L with the detection limit of 10 μmol/L. Cytotoxicity test results show that different concentrations of the carbon dots all have low toxicity. The above results show that the carbon dots can successfully detect Cu(Ⅱ) with low cytotoxicity, showing potential application in biological sensing.

Key words:

荧光纳米材料(如半导体量子点、贵金属纳米簇等)因其独特电子和光学特性，已引起了科研工作者的广泛兴趣。然而，环境毒害性(如CdSe和CdTe量子点)、成本昂贵和制备条件苛刻(如金纳米簇和银纳米簇)等缺点在很大程度上限制了它们的进一步开发与应用^[1]。因此，研究者致力于寻求更廉价、毒性更低的绿色纳米材料来替代上述荧光物质。碳纳米材料是绿色纳米技术中最具有发展潜力和研究活力的一类纳米材料。目前以富勒烯、碳纳米管和石墨烯为代表的碳纳米材料在生命科学、材料科学、制造业等领域已取得了瞩目成就，然而它们都不具有发光性，极大地限制了其在诸多电子及光电子领域中的应用^[2]。

作为荧光纳米材料的新秀，碳量子点(CDs)不仅具有类似于传统半导体量子点的小尺寸和发光特性，还拥有细胞毒性低、生物相容性和水溶性高的优点，在光催化、生物传感和生物成像以及发光二极管等方面有着诱人的应用前景^[3]。但目前所得到的CDs存在调控手段缺乏、选择性较差、活性位点少和荧光量子产率偏低等问题，这些缺陷严重制约了CDs的广泛应用^[4]。

另一方面，研究人员发现CDs内部结构经化学掺杂异原子后，其能隙和电荷密度得到有效调节，进而达到提升其理化性能(光学和催化性能、荧光量子产率和反应活性)的目的^[5]。其中，氮掺杂是目前研究最多的异原子掺杂形式，并报道了多种合成途径。例如，Cai等^[6]通过直接水热处理氨水和柠檬酸得到氮掺杂CDs(NCDs)；Tang等^[7]利用微波处理葡萄糖和氨气制备蓝色荧光NCDs；Li等^[8]在乙腈溶液中电化学氧化石墨烯薄膜制得粒径均一的NCDs。

铜离子是人体内含量最丰富的过渡金属离子之一。生物体内铜离子的失衡会导致很多疾病的产生。基于CDs的荧光探针因其独特的优势，在铜离子检测领域逐渐被开发利用。Lin等^[9]将NCDs封装在有机金属框架化合物中，得到复合纳米材料探针，其对Cu²⁺的检测限达到80pmol/L。Liu等^[10]报道了赖氨酸修饰的NCDs用于选择性检测自来水中的Cu²⁺。他们利用Cu²⁺与有机官能团的配位效应达到较高的灵敏度。

聚乙烯亚胺(PEI)是一种有机前驱体，它含有多种不同的氨基官能团(-NH₂R、-NHR₂和-NR₃)，是理想的碳源和氮源。本文通过水热法以PEI为碳源和氮源成功制备了NCDs，并对其结构进行表征。结果表明，所制备的NCDs尺寸均一、荧光量子产率高，细胞毒性低，并对Cu(Ⅱ)有较明显的荧光响应，有成为细胞内生物传感器的潜在可能。

1   实验部分

1.1   仪器与试剂

聚乙烯亚胺(化学纯，上海沃凯化学试剂有限公司)；乙醇、硫酸和盐酸(分析纯，南京化学试剂有限公司)；氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化钠、氯化铁、氯化亚铁和氯仿(分析纯，国药集团化学试剂公司)；氯化锌、氯化铜、硝酸银、氯化镍、氯化钴和氯化锰(分析纯，阿拉丁试剂有限公司)；实验用水为去离子水。

PHI 5000型电子能谱测试仪(XPS，日本UIVAC-PHI公司)，Nicolet NEXUS870型红外光谱仪(美国Thermo公司)，BI-200SM型光散射仪(美国Brookhaven公司)，JEM-2100型透射电镜(TEM，日本JEOL公司)，Lambda 35型紫外吸收光谱仪和LS SS型荧光光谱仪(美国Perkin-Elmer公司)。

1.2   NCDs的合成

将0.5g PEI溶于50mL混酸(浓H₂SO₄/HCl，体积比1：1)中，超声15min后再置于水热反应釜中180℃反应6h；反应结束后将得到的棕褐色溶液在10000r/min下离心0.5h，除去颗粒团聚体；上层清液用透析袋(截留分子量1kDa)透析72h，再用乙醇和氯仿清洗3遍除去杂质，最后冷冻干燥得到纯净的NCDs。

1.3   荧光性能测定

1.3.1   荧光量子产率的测定

荧光量子产率(QY)采用参比法测定。以硫酸喹啉为参比标准物，在相同激发条件下，分别测定NCDs和已知量子产率的参比荧光标准物质两种溶液的积分荧光强度及同一激发波长下入射光的吸光度。NCDs的QY根据以下公式得到：

Y_s=Y_R*[(I_s*A_R)/(I_R*A_s)] [(n_s)²/(n_R)²]

其中，Y_s、Y_R表示NCDs和参比标准物质的QY；I_s、I_R为NCDs和参比物质的积分荧光强度；A_s、A_R代表NCDs和参比物质在该激发波长的入射光的吸光度；n_s、n_R是NCDs和参比物质所用溶剂的折光率。

1.3.2   NCDs对金属离子的荧光检测

本实验首先配制0.05mg/mL荧光NCDs溶液，用0.1mol/L PBS溶液调节pH至中性。加入1mL不同浓度的金属离子溶液，混合均匀后测定其荧光发射光谱强度(λ_ex=350nm)。实验平行测定3次。

1.4   细胞毒性测试

以不同浓度的NCDs溶液为介质，研究其对细胞的毒性情况。本实验采用MTT(四唑盐)比色法检测细胞存活和生长情况。首先，将子宫癌细胞Hela(10⁴ cells/150μL)培养在含有细胞培养基(DMEM)的保温箱(37℃，5% CO₂)中。24h后将培养液变为100μL含有NCDs的DMEM培养基，且连续培养24h。再将20μL MTT溶液(5mg/mL)注入细胞培养液中培养4h，用二甲基亚砜(DMSO)替换MTT溶液室温震荡5min。检测细胞培养液在490nm处吸光度(OD)，细胞活性(Cell viability)代入如下公式：

Cell viability (%)=(OD_NCDs/OD_control) ×100%

其中，OD_NCDs代表含有NCDs的细胞培养液的吸光度，OD_control代表不含NCDs的细胞培养液的吸光度。

2   结果与讨论

由TEM观察NCDs的形貌。从图 1(A)可知，所制备的NCDs颗粒大小均匀，平均直径为8±0.45 nm，没有明显的聚集。从红外光谱(FT-IR，图 1(B))结果可见，在3416cm^-1处出现了明显的特征峰，对应于NCDs结构中C-OH和N-H的伸缩振动峰。1635cm^-1处对应于C=O的特征吸收峰。1085和1432 cm^-1处分别为环氧基和N-H的弯曲振动峰。1128cm^-1处为C-NH-C的不对称伸缩振动峰^[11]。X-射线电子能谱(图 1(C))中C1s(284eV)、N1s(400eV)和O1s(528eV)以及C1s高分辨电子能谱(图 1(D))中C=C(283.33eV)、C-O-C(284.27eV)、C-N(284.81eV)和C=O(286.01eV)的出现，进一步印证了NCDs表面含有-OH、C=O、-NH、C-N和环氧基等极性官能团，有助于与金属阳离子形成配位进而识别^[12]。

图1 (A) NCDs的TEM图，(B)NCDs的FT-IR图谱，(C)NCDs的XPS图谱和(D)NCDs中C1s的XPS高分辨图谱 Figure1. TEM image(A), FT-IR spectrum(B), and XPS spectrum(C) of NCDs; (D) high resolution XPS spectrum of C 1s in NCDs

图选项

下载全尺寸图像

下载幻灯片

为了考察NCDs的光学性质，利用紫外光谱仪和荧光光谱仪对样品进行扫描。如图 2所示，PEI在扫描区间未见明显的紫外吸收，而NCDs在361nm附近出现较明显的紫外特征吸收。当在365nm激发光下，所制备的NCDs表现出最强荧光发射光谱(位于468nm处)。采用硫酸喹啉为参比标准物，在相同激发条件下测得NCDs的QY为14.2%。相比于纯碳材料制备的CDs所测得的QY(9%)，NCDs的QY有明显地提升。相比于碳原子，氮原子电子亲和力更强，有利于提高电子俘获和辐射复合效率，同时抑制非辐射复合^[13]。不完全碳化的PEI对NCDs表面钝化也有利于QY的增加。以上结果表明氮掺杂能够一定程度上提升CDs的荧光性能。此外，NCDs荧光强度表现出明显的pH依赖性(如图 3所示)，即NCDs荧光强度先随pH的增加而增强，当pH=6时达到最强，随后荧光强度又逐渐降低。

图2 NCDs的紫外-可见吸收光谱图和荧光激发/发射光谱 Figure2. UV-Vis absorption, fluorescence and excitation spectra of NCDs

图选项

下载全尺寸图像

下载幻灯片

图3 不同pH条件下的NCDs荧光强度 Figure3. Fluorescence intensity of NCDs at different pH values

图选项

下载全尺寸图像

下载幻灯片

采用荧光光谱考察NCDs对不同金属离子的荧光响应情况(如图 4(A)所示)。检测了在相同离子浓度下NCDs对常见金属离子的荧光响应。发现在相同离子浓度下K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Ag⁺、Ni²⁺、Mn²⁺和Co²⁺对NCDs的荧光强度几乎没有影响，而Cu²⁺的猝灭效应十分明显，表明NCDs对Cu²⁺具有较好识别性。

图4 (A) NCDs的离子选择性测试；(B)在不同浓度Cu²⁺添加下的NCDs的荧光图谱 Figure4. (A) Selectivity test of the NCDs, (B) Fluorescence spectra of NCDs with addition of different concentrations of Cu²⁺

图选项

下载全尺寸图像

下载幻灯片

为了进一步分析NCDs对Cu²⁺的荧光响应，考察了不同离子浓度的Cu²⁺对NCDs的猝灭效应，结果见图 4(B)。

图 4结果表明，随着Cu²⁺的离子浓度的增加，NCDs溶液的荧光发生猝灭，猝灭效率F₀/F与Cu²⁺的离子浓度符合线性回归方程：

其中，F₀和F分别表示加入Cu²⁺前后NCDs溶液的荧光强度，c表示待测样中Cu²⁺浓度^[14]。符合上述方程的Cu²⁺的线性浓度区间为50~150μmol/L(相关系数R²=0.9989)且检测限为10μmol/L。导致NCDs溶液荧光发生猝灭的原因可能是Cu²⁺与NCDs的含氧和含氮官能基团之间发生了多位点的配位作用，破坏了NCDs表面官能团稳定性，导致NCDs发生聚集和荧光猝灭^[15]。

细胞低毒性是纳米碳点的重要性质之一，也是其相比于半导体量子点最重要的优势。细胞低毒性是深入细胞研究的关键指标，也是材料在细胞内发挥作用的前提^[14]。MTT细胞毒性试验因其操作简便、快速，结果客观、精确等优点，常常被用来测试生物材料对细胞的破坏情况^[7]。从图 5可以发现，不同浓度NCDs对Hela细胞活性的影响均较小，说明NCDs的细胞毒性较低。

图5 不同浓度的NCDs细胞毒性测试 Figure5. Cell toxicity test of NCDs with different concentrations

图选项

下载全尺寸图像

下载幻灯片

3   结论

采用PEI在水热条件下制备了荧光NCDs。Cu²⁺能使得NCDs的荧光发生特异性猝灭，并在50~150 μmol/L浓度区间内与NCDs荧光强度呈线性相关，检测限为10μmol/L。此外，用MTT试验证明所制备的NCDs还具有细胞毒性低的特点，有望成为新型生物传感材料。
1. [1]
  F Arcudi, L Dordevic, M Prato. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(6):2107~2112. doi: 10.1002/anie.201510158
2. [2]
  D Y Pan, J C Zhang, Z Li et al. Adv. Mater., 2010, 22(6):734~738. doi: 10.1002/adma.v22:6
3. [3]
  X M Li, M C Rui, J Z Song et al. Adv. Funct. Mater., 2015, 25(31):4929~4947. doi: 10.1002/adfm.v25.31
4. [4]
  P L Zuo, X H Lu, Z G Sun et al. Microchim. Acta, 2017, 183(2):519~542. doi: 10.1007/s00604-015-1705-3
5. [5]
  S J Bradley, K Kroon, G Laufersky et al. Microchim. Acta, 2017, 184(3):871~878. doi: 10.1007/s00604-017-2075-9
6. [6]
  F Cai, X Liu, S Liu et al. RSC Adv., 2014, 4(94):52016~52022. doi: 10.1039/C4RA09320H
7. [7]
  L B Tang, R B Ji, X M Li et al. ACS Nano, 2014, 8(6):6312~6320. doi: 10.1021/nn501796r
8. [8]
  Y Li, Y Zhao, H H Cheng et al. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(1):15~18. doi: 10.1021/ja206030c
9. [9]
  X Lin, G Gao, L Zheng et al. Anal. Chem., 2013, 86(2):1223~1228.
10. [10]
  J M Liu, L P Lin, X X Wang et al. Analyst, 2012, 137(11):2637~2642. doi: 10.1039/c2an35130g
11. [11]
  J Zong, X L Yang, A Trinchi et al. Biosens. Bioelectron., 2014, 51:330~335. doi: 10.1016/j.bios.2013.07.042
12. [12]
  Y B Wang, Q Wang, S L Hu. Sens. Actuat. B, 2017, 253:928~933. doi: 10.1016/j.snb.2017.07.031
13. [13]
  F X Wang, Z Y Gu, W Lei et al. Sens. Actuat. B, 2014, 190:516~522. doi: 10.1016/j.snb.2013.09.009
14. [14]
  A D Zhang, C Q Zhao, M Li et al. Anal. Chim. Acta, 2014, 809:128~133. doi: 10.1016/j.aca.2013.10.046
15. [15]
  S R Zhang, Q Wang, G H Tian et al. Mater. Lett., 2014, 115:233~236. doi: 10.1016/j.matlet.2013.10.086
图 1 (A) NCDs的TEM图，(B)NCDs的FT-IR图谱，(C)NCDs的XPS图谱和(D)NCDs中C1s的XPS高分辨图谱

Figure 1 TEM image(A), FT-IR spectrum(B), and XPS spectrum(C) of NCDs; (D) high resolution XPS spectrum of C 1s in NCDs

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 NCDs的紫外-可见吸收光谱图和荧光激发/发射光谱

Figure 2 UV-Vis absorption, fluorescence and excitation spectra of NCDs

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 不同pH条件下的NCDs荧光强度

Figure 3 Fluorescence intensity of NCDs at different pH values

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 (A) NCDs的离子选择性测试；(B)在不同浓度Cu²⁺添加下的NCDs的荧光图谱

Figure 4 (A) Selectivity test of the NCDs, (B) Fluorescence spectra of NCDs with addition of different concentrations of Cu²⁺

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 不同浓度的NCDs细胞毒性测试

Figure 5 Cell toxicity test of NCDs with different concentrations

A：空白样，B：0.01mg/mL，C：0.05mg/mL，D：0.1mg/mL，E：0.5mg/mL，F：1.0mg/mL，G：1.5mg/mL)

下载: 全尺寸图片幻灯片