氨基化碳量子点荧光猝灭法测定焦性没食子酸的研究

李满秀， 李永霞， 张 媛， 贺晨芳

(忻州师范学院 化学系, 山西 忻州 034000)



氨基化碳量子点荧光猝灭法测定焦性没食子酸的研究

李满秀*， 李永霞， 张 媛， 贺晨芳

(忻州师范学院 化学系, 山西 忻州 034000)

以葡萄糖为原料，通过一步水热法合成稳定性高的碳量子点，并用乙二胺使其表面氨基化。焦性没食子酸能使氨基化的碳量子点荧光明显猝灭，由此建立一种简便、高效检测焦性没食子酸的新方法。考察了缓冲体系pH、反应时间、反应温度等对焦性没食子酸测定的影响。结果表明，在pH=11.20的三酸缓冲溶液中，室温反应20 min时，体系的F0/F与焦性没食子酸的浓度呈良好的线性关系，其线性范围为4.0×10-6～9.0×10-5mol·L-1，相关系数r=0.997 4，检出限为3.5×10-6mol·L-1。该方法快速简便，适用于水样中焦性没食子酸的检测。

氨基化碳量子点； 焦性没食子酸； 荧光猝灭

1 引 言

碳量子点(CQDs)是以碳为骨架结构的新型纳米材料，是一种分散的、尺寸小于10 nm的类球形纳米颗粒[1-2]。这种材料不仅继承了半导体量子点的优异光学性能，有高的荧光强度、好的稳定性和耐光漂白性，同时还具备低毒、环境友好及良好的生物相容性等优点，在生物成像、药物传递、光催化和光电领域[3]引起人们的广泛关注。目前制备碳量子点的方法有电化学法[4]、化学氧化法[5]和水热法[6]等。其中水热法是一种较为简单、快速合成碳量子点的方法。与常规碳量子点相比，用乙二胺修饰碳量子点得到的表面氨基化的碳量子点具有更高的荧光强度且性能更稳定。

焦性没食子酸广泛应用于摄影工业、塑料工业、食品加工及保鲜、染料工业、医药工业、农药等领域[7]，对人体和环境有一定的影响，尤其是对水生生物有很大危害，甚至可能对水体环境产生长期不可逆的不良影响。因此，建立一种简便、高效检测焦性没食子酸的方法具有重要意义。

目前，检测焦性没食子酸的方法有高效液相色谱法[8]、循环伏安法[9]、化学发光法[10]、光度法[11]、电化学方法[12]等。本文以葡萄糖为碳源，采用水热法合成碳量子点,再通过乙二胺使之表面氨基化，进而与焦性没食子酸作用，使体系的荧光发生猝灭，且猝灭程度在一定范围内与焦性没食子酸的浓度成正比，从而实现对焦性没食子酸的检测。该方法可用于水样中焦性没食子酸的快速检测。

2 实 验

2.1主要仪器和试剂

UV-2550型紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)；F-4500型荧光分光光度计(日本日立公司)；IRAffinity-1S傅立叶变换红外光谱仪(日本岛津公司)； 85-2型恒温磁力搅拌器(上海司乐仪器厂)；DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

葡萄糖(天津市申泰化学试剂有限公司)；乙二胺(天津市东丽区天大化学试剂厂)；焦性没食子酸(国药集团化学试剂有限公司)；三酸缓冲溶液：在100 mL 三酸混合液(硼酸、磷酸、乙酸浓度均为0.04 mol/L)中，加入一定体积的0.2 mol/L NaOH溶液，得到相应pH值的缓冲溶液。实验用水为超纯水。试剂级别均为分析纯。

2.2实验方法

2.2.1 碳量子点的合成

称取葡萄糖1.44 g，用适量超纯水溶解，定容至50 mL容量瓶中。然后，转移至100 mL单口圆底烧瓶中，在室温下用磁力搅拌器搅拌10 min，放入电热恒温鼓风干燥箱中，于200 ℃下加热8 h。反应结束后，获得浅黄色粘稠液体，自然冷却至室温，定容至原容量瓶中，过滤、离心后，得到均一的碳量子点。

2.2.2 氨基化碳量子点的合成

取制备的碳量子点10 mL于圆底烧瓶中，再加入200 μL乙二胺。充分振荡后，放入电热恒温鼓风干燥箱中，于200 ℃下加热5 h。反应结束后，获得深褐色粘稠液体，自然冷却至室温，稀释至10 mL，过滤，即得到乙二胺修饰的碳量子点(记为N-CQDs)。

2.2.3 焦性没食子酸的定量检测

取系列10 mL比色管，均加入0.3 mL乙二胺修饰的碳量子点，然后按一定体积梯度依次加入1.0×10-3mol·L-1焦性没食子酸标准溶液， 1 mL pH=11.20的三酸缓冲溶液，最后用超纯水定容至10 mL。充分振荡后，在室温下反应20 min，测定其荧光强度F(以481 nm为激发波长扫描发射光谱，激发和发射光谱带通均为10 nm)。

2.2.4 标准曲线的绘制

配制4，6，8，10，35，45，78，90×10-6mol·L-1的焦性没食子酸系列标准溶液，依照上述实验方法测定其荧光强度。然后以浓度C为横坐标，体系的相对荧光强度F0/F为纵坐标绘制标准曲线。

2.2.5 量子点的光谱表征

使用傅立叶变换红外光谱仪对合成的碳量子点及氨基化的碳量子点进行表征。将稀释不同倍数的碳量子点和氨基化碳量子点置于比色皿中，用紫外可见分光光度计在200～800 nm范围内进行检测。

取两支10 mL比色管，分别加入0.3 mL碳量子点和乙二胺修饰的碳量子点，再加入1 mL pH=11.20的三酸缓冲溶液，用超纯水定容至10 mL，用荧光分光光度计进行荧光检测。所有的光学检测均在室温下进行。

3 结果与讨论

3.1碳量子点的光谱表征

3.1.1 红外光谱

图1 碳量子点和氨基化的碳量子点的红外光谱图

3.1.2 紫外-可见吸收光谱

从碳量子点和氨基化碳量子点的紫外-可见吸收光谱(图2)可知，在最优条件下合成的碳量子点的紫外吸收光谱中有两个较为明显的吸收峰，位于225 nm和283 nm。而氨基化的碳量子点较为明显的吸收峰仅有一个，位于260 nm处。

(a) 1～4： C=30，15，6，3×10-3mol·L-1； (b) 1～4： C=7.5，6.7，6.0，5.5×10-4 mol·L-1.

3.1.3 荧光光谱

在图3所示的荧光光谱中，碳量子点在347 nm激发下，最大发射波长为438 nm；氨基化的碳量子点在481 nm激发下，最大发射波长为539 nm，且荧光强度明显增大。这是因为碳量子点表面有环氧基团和羧基基团，它们是非辐射复合中心[13]，氮源可以与之发生亲核反应，从而减少环氧基团和羧基基团，即碳量子点表面的部分C—O—C和—COOH在加热条件下与氮源反应，生成了酰胺和醇类，减少了非辐射复合，从而增强了碳量子点的荧光发射[14]。

图3 碳量子点和氨基化碳量子点(4.4×10-3mol·L-1)的荧光发射光谱

Fig.3 Fluorescence emission spectra of CQDs and N-CQDs

3.2碳量子点合成条件的优化

为了得到性能良好的碳量子点，我们在不同反应温度(160，180，200 ℃)和不同反应时间(6，8，10，15，20，24 h)下制备了荧光碳量子点并检测其激发和发射光谱。结果表明，当反应温度为200 ℃、反应时间为8 h时，得到的碳量子点的荧光强度最大，如图4和图5所示。

图4 反应时间对碳量子点荧光强度的影响

Fig.4 Effect of reaction time on the fluorescence intensity of CQDs

图5 反应时间为8 h时的碳量子点的激发和发射光谱

Fig.5 Excitation and emission spectra of CQDs with the reaction time of 8 h

3.3氨基化碳量子点合成条件的优化

对合成的氨基化碳量子点进行荧光检测，我们发现其荧光强度不够稳定，推测是乙二胺用量的影响。实验选择乙二胺加入量分别为100，200，300，535 μL来合成氨基化碳量子点，并对其进行荧光测定，结果如图6所示。当乙二胺的加入量为300 μL时，氨基化碳量子点的荧光强度最大，但与乙二胺加入量为200 μL时的产物的荧光强度相差较小。考虑到荧光强度的稳定性，我们选择乙二胺加入量为200 μL。

图6 乙二胺加入量对N-CQDs荧光强度的影响

Fig.6 Effect of amount of ethylenediamine on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.4氨基化碳量子点与焦性没食子酸相互作用的条件优化

3.4.1 缓冲体系pH

笔者搜集、查阅了很多资料，关于这一点外国专家也没有太具体的建议。以下是笔者自己的想法，与大家分享交流。

实验考察了pH范围为8.36～11.58的三酸缓冲溶液对体系荧光强度的影响，如图7所示。结果表明，量子点在pH=11.20时的猝灭效果较佳且体系较为稳定，因此，我们选择三酸缓冲体系的最佳pH为11.20(ΔF为未加入与加入1.8×10-5mol·L-1焦性没食子酸的氨基化碳量子点体系的荧光强度之差)。

图7 pH对N-CQDs荧光强度的影响

Fig.7 Effect of pH on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.4.2 反应时间

我们考察了反应时间为10，20，30，40，50，60，90，120 min对体系荧光强度的影响。结果显示，焦性没食子酸对氨基化碳量子点的荧光猝灭作用在20 min左右趋于稳定，延长反应时间，体系不再发生变化。所以，实验选择焦性没食子酸加入20 min后进行测定。

3.4.3 反应温度

我们考察了反应温度为15，25，35，45，55，65 ℃对体系荧光强度的影响。结果表明，焦性没食子酸对氨基化碳量子点的荧光猝灭作用在室温25 ℃时效果最佳，升温或降温均使猝灭效果受到不同程度的影响。

3.5干扰成分对体系荧光强度的影响

将焦性没食子酸浓度定为1.8×10-5mol·L-1，我们在最优实验条件下考察了常见离子、氨基酸和酚类化合物对体系测定的影响，结果如表1所示(相对误差在5%范围内)。实验结果表明，氨基酸、酚类化合物和多数离子对体系干扰很小，故本方法具有较好的选择性。

表1 干扰物质的影响

3.6标准曲线、检出限和精密度

在最佳条件下，体系的相对荧光强度F0/F(F0、F代表未加和加入焦性没食子酸测得体系的荧光强度)与焦性没食子酸在4.0×10-6～9.0×10-5mol·L-1范围内具有良好的线性关系，线性回归方程为：F0/F=0.0048C+0.9871，线性相关系数r=0.997 4。平行测定10组1.8×10-5mol·L-1的焦性没食子酸溶液，相对标准偏差RSD为1.1%。根据IUPIC推荐的标准，测得检出限(三倍标准差法)为3.5×10-6mol·L-1。

图8 焦性没食子酸对氨基化碳量子点的荧光猝灭

Fig.8 Fluorescence quenching of different concentration of pyrogallic acid in N-CQDs

3.7猝灭机理

为了探讨荧光猝灭机理, 我们先用Stern-Volmer方程来区分动态猝灭还是静态猝灭。我们考察了不同温度下焦性没食子酸对氨基化碳量子点的猝灭作用，并用Stern-Volmer方程F0/F=1+KsvC=1 +Kqτ0C处理实验数据。其中：F0、F分别为未加和加入焦性没食子酸氨基化碳量子点的荧光强度；Ksv为Stern-Volmer猝灭常数；C为加入焦性没食子酸的浓度；Kq为荧光猝灭速率常数；τ0为猝灭剂不存在时荧光分子的平均寿命。

不同温度下的焦性没食子酸浓度对氨基化碳量子点的Stern-Volmer曲线如图9所示。由于Ksv为斜率，因此 1/Ksv在数值上等于猝灭效率为50%时猝灭剂的浓度。由式Kqτ0=Ksv可求得双分子猝灭过程的速率常数Kq(单位为L /(mol·s))。由图可得，25 ℃的回归方程为F0/F=0.0048C+ 0.8971，r=0.997 4；35 ℃的回归方程为F0/F=0.0035C+0.9973，r=0.997 0。

已知碳量子点的荧光平均寿命约为2.74×10-9s，可得25 ℃时的Kq=1.74×1012；35 ℃时的Kq=1.29×1012，均大于最大动态猝灭常数Kq=2×1010L /(mol·s)，因此应为静态猝灭过程。

图9 温度对氨基化碳量子点荧光强度的影响

Fig.9 Effect of temperature on the fluorescence intensity of N-CQDs

3.8样品测定

按照实验方法，我们在优化条件下对自来水样中焦性没食子酸的含量进行了测定，并进行了加标回收实验，每个样品平行测定5次，实验结果见表2。结果表明，水样加标测定平均回收率在92.3%～109.4%之间。

表2 水样中焦性没食子酸含量的测定(n=5)

4 结 论

碳量子点是近年来出现的一种新型荧光纳米粒子，目前以氨基化碳量子点为荧光探针，测定焦性没食子酸的研究还较少。本文合成了乙二胺修饰的碳量子点，利用氨基化碳点为荧光探针与焦性没食子酸作用，建立了一种简单、快速定量检测焦性没食子酸的新方法。该方法已成功用于水样检测，具有较好的实用价值。

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李满秀(1955-)，男，山西原平人，教授，1997年本科毕业，主要从事发光分析方面的研究。

E-mail: Lmxxz@sohu.com

Determination of Pyrogallic Acid in Amino-functional Carbon Quantum Dots Fluorescence Quenching

LI Man-xiu*, LI Yong-xia, ZHANG Yuan, HE Chen-fang

(DepartmentofChemistry,XinzhouTeachers’University,Xinzhou034000,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:Lmxxz@sohu.com

With crystal giucose as raw material, the carbon quantum dots were synthesized through one-step hydrothermal method. The surface of the carbon quantum dot was amino modificated using ethylenediamine. Pyrogallic acid can cause the fluorescence quenching effect of the amino-functional carbon quantum dots more obvious, hereby, a simple and efficient method to measure the pyrogallic acid was established. Different influencing factors were studied including pH buffer system, reaction time, reation temperature and so on. The results show thatF0/Fof the system has linear relationship with the concentration of the pyrogallic acid in Britton-Robinson buffer solution with pH=11.20 and the reaction time of 20 min at room temperature. The linear range is 4.0×10-6-9.0×10-5mol·L-1, the correlation coefficientris 0.997 4, and the detection limit is 3.5×10-6mol·L-1, respectively. The method is simple and applicable to the determination of pyrogallic acid in water samples with satisfactory results.

amino-functional carbon quantum dots; pyrogallic acid; fluorescence quenching

2016-07-17；

2016-09-23

山西省重点学科项目(20141010)； 山西省大学生创新创业训练项目(2015381)； 山西省重点实验室基金资助项目 Supported by Key Subject of Shanxi Province(20141010); Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students in Shanxi Province(2015381); Key Laboratary Foudation of Shanxi Province

1000-7032(2017)01-0117-07

O482.31

A

10.3788/fgxb20173801.0117