碳量子点荧光技术在化学实验教学中的应用

王坤杰, 高 翔, 李红霞, 李明亮, 张德懿, 崔锦峰

(兰州理工大学 石油化工学院, 甘肃 兰州 730050)

在现行的本科实验教学中,关于荧光光谱法实验主要是对罗丹明B和1-萘酚进行荧光光谱测试,从而让学生了解荧光光度计的基本原理和使用[1]。为了突出素质教育和培养学生的绿色环保观念,将碳量子点荧光技术加到荧光光谱法实验中,让学生在掌握本科阶段的要求知识之外,还能了解科学前沿的热点,建立绿色环保观念,真正做到科研和教学相融合的效果。

碳量子点(CQDS)作为荧光纳米材料家族的新成员,除了具有与传统量子点相似的荧光性能之外,还极易和周围的碳原子形成共价键,存在多种形式的电子成键轨道杂化,形成自身的独特的光化学特征,成为生命科学、材料科学、化学和物理科学等领域中的研究课题[2]，加之毒性低、生物相容性好、制备成本低廉、方法简单、节能环保、绿色友好型等优点成为了研究的热点之一[3-9]。

Hg2+是危害生命体和自然环境的重金属离子,即使非常低的浓度水平都能对植物、人体造成严重的伤害,对人体的伤害和损失是不可估量的[10]。本文在本实验中首先采用新型绿色碳源水相合成的方法制备碳量子点，并将其应用在水体中汞离子的测量中[11-14],在学生掌握荧光光度计的基本原理、了解荧光分光光度计的构造、学会运用分子荧光光谱法对物质进行定性和定量分析[1]的同时,还可以了解科学前沿的热点,建立节能、绿色环保的观念,做到科研与教学相结合,拓展学生的视野,从而提高学生的综合能力。

1 实验

1.1 CQDs的制备

碳量子点是利用绿色环保的生物质原料——马铃薯为碳源,采用水热合成的方法制得。将2 g的马铃薯切块后加入30 mL去离子水,在反应釜中110 ℃保持120 min,冷却,低速离心(3 000 r/min)10 min,渗透膜透析48 h,干燥渗出液体,收集褐色物质得到碳量子点。利用TEM、FT-IR、XRD、UV、XPS等对制备的碳量子点进行表征。

1.2 检测汞离子实验

利用LS-55 (PerkinElmer, 日本)荧光光谱仪对Hg2+进行检测。首先制备PBS (0.2 mol/L, pH 7.0)缓冲溶液,将碳点溶液 (0.172 g/L) 3μL加入至1 mL 的 PBS缓冲溶液中,再分别加入不同浓度的Hg2+,摇匀,3 min后进行测量;然后在相同条件下测试加入相同浓度的Hg2+和不加Hg2+时混合金属离子(混合离子为Ca2+, Mg2+, Ba2+, Co2+, Zn2+, Cd2+, Al3+, Mn2+, Fe3+和Ag+)的混合离子浓度([cn+]=2×10-6mol/L)对碳量子点(0.2 g/L)荧光强度的影响。

2 结果与分析

2.1 碳量子点的表征

碳点的TEM图、FT-IR谱图、XRD谱图和光谱见图1。

图1 碳点的TEM图、FT-IR谱图、XRD谱图和荧光光谱

由TEM图可见,碳量子点呈球形、粒径均匀、分散性良好,平均粒径为2.7 nm。 在FT-IR图中，1 396 cm-1和 3 425 cm-1处分别为羟基(—OH)的面内弯曲振动和伸缩振动,在1 652 cm-1出现的吸收峰表示羰基(CO)的存在,在3 421 cm-1处的强峰表示有氢键存在。2 919 cm-1处为C—H的伸缩振动峰。这证实碳量子点表面已经功能化,具有丰富的羰基和羧基。由XRD图可见,峰型单一规整,2θ为23.8°处的特征峰对应为碳量子点衍射峰晶面结构为(002)点阵面。从荧光发射光谱(d1)、荧光激发光谱(d2)和紫外吸收光谱(d3)图中，可观察到紫外吸收峰出现在278 nm处,这也表明通过马铃薯合成的碳点紫外可见区域吸收现象与文献报道中的情况相符合,在特征峰278 nm处属于CC和CO 带轨道共轭的π-π* 和 n-π*的电子跃迁产生。荧光光谱中可看到在350 nm处的激发峰产生的荧光发射峰在440 nm处,也证实了产物是具备优异荧光性能的量子点。

2.2 Hg2+检测

图2为加入不同Hg2+浓度(0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 nmol/L )后碳点荧光强度F变化曲线,随着Hg2+浓度c(Hg2+)的增加,CQDs的荧光强度明显降低。同时,F0/F与 Hg2+浓度呈现出良好的线性关系(图3)。其线性方程为y=0.003 004x+0.040 78,相关系数R2=0.995 25,F与F0分别为存在及不存在Hg2+时的荧光强度)。Hg2+最低浓度范围是(10～50 nmol/L),这一实验结果接近检测水平(10 nmol/L, 2 ppb),证实了汞离子对于碳点高的淬灭作用。由该方法计算得出的检出限为3.4 nmol/L。

图2 不同浓度的Hg2+存在下CQDs的荧光强度的变化

图3 F0/F与Hg2+浓度的拟合曲线

2.3 混合金属离子对碳点溶液的荧光强度影响

图4为碳点在混合金属离子影响下的强度变化,从图中可以看出Ca2+、Mg2+、Ba2+、Co2+、Zn2+、Cd2+、Al3+、Mn2+、Fe3+和Ag+离子(每种离子至少含有10-6mol/L)在没有加入汞离子的混合溶液中荧光强度保持稳定,无明显变化,但是当加入汞离子过后变化明显。说明加入汞离子对荧光发射强度有很明显的影响。

图4 混合金属离子对碳量子点荧光强度的影响(荧光最大激发波长λex=330 nm,λem=440 nm,pH=7.0,混合离子浓度[cn+]=2×10-6mol/L)

3 教学探讨

3.1 碳量子点的制备与表征的实施过程

碳量子点是利用绿色环保的生物质原料马铃薯为碳源,采用水热合成的方法制得。制备过程时间较长,表征手段较多。本实验的最基本目的是让学生掌握荧光光度计的基本原理、了解荧光分光光度计的构造、学会运用分子荧光光谱法对物质进行定性和定量分析,因此碳点的制备与表征可以在课前一星期的课余时间让学生提前做准备,制备和表征过程也可以在本科生参与的前提下研究生辅助来完成。这样不仅为本实验的正常进行打好基础,更为重要的是能让学生提前参与科研,提前了解先进的合成和表征手法,让学生建立节能、绿色环保的观念,提高学生的科研能力和综合素质。

3.2 混合金属离子对碳点溶液的荧光强度影响

混合金属离子对碳点溶液的荧光强度影响主要是进行加入Hg2+和不加Hg2+时混合金属离子对碳量子点荧光强度的影响的实验,主要目的首先是让学生了解加入Hg2+时对碳量子点荧光强度的影响情况,从而为后续课程中了解荧光强度的增强和猝灭的机理打下基础。其次是让学生了解科学研究的严谨性,培养学生的科研意识和科研态度。

3.3 数据分析

在实验中的数据处理主要是利用Origin和Excel等软件完成,不但可以巩固前期课程“计算机在化学化工中的应用”的内容,而且也可以提高学生的数据处理能力,拓展学生的视野,从而提高学生的科研能力和综合能力。

4 结论

在荧光光谱法实验中,利用碳量子点荧光技术检测溶液中汞离子含量的实验,可以使学生在掌握荧光光度计的基本原理、了解荧光分光光度计的构造、学会运用分子荧光光谱法对物质进行定性和定量分析的同时,了解科学前沿的热点,建立节能、绿色环保的观念,实现科研和教学相结合,拓展学生的视野,提高学生的科研素养、科研能力和综合能力。