高荧光Nitrogen-Doped石墨烯量子点的合成及其应用铁(III)离子传感器

文摘

Nitrogen-doped石墨烯量子点(N-GQDs)强烈的蓝色荧光,高量子产率的88.9%是通过灵巧的锅水热合成治疗与柠檬酸(CA)和乙二胺(EDA)为碳和氮的来源,分别。蓝色的荧光发射的激发波长无关。这些N-GQDs分散在水和酒精,表现出高度的选择性而敏感的检测有害和有毒的铁^{3 +}在1600年的范围μ摩尔/升到6000μ通过荧光猝灭过程mol / L的检测极限2.37μmol / L。基于良好的灵敏度和选择性N-GQDs重金属离子,喷墨打印纸质传感器可以捏造,快速而低成本。重金属离子的视觉即时现场识别将会在未来实现。

1。介绍

石墨烯量子点(GQDs)碳纳米颗粒直径小于10纳米和发光性质1,2]。制备成本低,光稳定性好,毒性低,生物相容性好,和独特的电子性质(3- - - - - -6]。它可以作为电子受体或捐赠。具有良好的研究和应用价值在细胞成像(7,8),光电设备(9,10)、生物传播(11],荧光anticounterfeiting [12,13),和分析和检测14- - - - - -19]。Nitrogen-doped石墨烯量子点(N-GQDs)有高量子产率和漂白性能优异的荧光材料20.,21]。N-GQDs广泛应用于新的荧光传感器来检测金属离子22- - - - - -25],非金属离子[26)、有机小分子(27),和生物大分子(28]。

荧光传感器的实验很简单,不需要复杂的预处理(29日),但目标的定量和半定量的分析还需要好的荧光仪器的帮助下,如荧光光谱仪或共焦显微镜(29日]。因此,它具有重要意义发展一种快速、敏感、低成本、便携式视觉检测设备。检测机制Fe3 +通过添加N-GQDs应该进一步讨论(30.- - - - - -32]。

摘要N-GQDs量子收益率(QY)的88.9%和蓝光准备通过一步水热方法使用柠檬酸作为碳源和乙二胺为氮源。合成以TEM, ir、PL和紫外可见探索N-GQDs的特点。如图1,准备N-GQDs被用作高效荧光探针检测铁离子定性和定量。便携式、微型和可视化荧光纸质传感器是由固定碳探针设计的解决方案在纸上的媒介。的场合要求现场及时发现,特别是对于资源贫乏的国家和偏远地区,试纸检测技术是非常重要的,所以建立固相荧光检测系统具有重要的研究价值和开发系统中一个光明的前景。

2。实验

2.1。材料和实验仪器

使用的材料是柠檬酸(CA)、乙二胺(EDA)、酒精、去离子水、磷酸缓冲盐,和债券。

使用的仪器是dzf - 6020真空干燥器(上海Xinmiao有限公司),al - 204集成电路电子分析天平(梅特勒-托利多),惠普打印机2050(中国惠普有限公司),kq - 300 de超声波清洁(昆山仪器有限公司),H1650-W离心机(黎有限公司),fp - 6500荧光光谱仪(Jiashike(第一部分)海贸易有限公司有限公司,uv - 3600紫外-可见光谱仪(日本岛津公司仪器和设备有限公司),tem - 2100透射电子显微镜(日本电子公司)和ft - ir - 5700(热公司,美国)。

2.2。制备N-GQDs

据的摩尔比例1:3,0.21 g(1)更易与CA和0.18 g(3)更易与EDA被机械搅拌溶解在5毫升蒸馏水清晰和透明的解决方案。解决方案被转移到20毫升反应釜和放置在烤箱。温度设定到160°C 4 h。产品是用大量的乙醇和离心机5000 rpm 5分钟。分离和纯化后,24小时冷冻和干。

2.3。基于喷墨纸传感器

在这篇文章中,铁的荧光猝灭传感器^{3 +}可视化检测进行了研究,和淬火纸质传感器捏造了喷墨打印技术。荧光纸传感器是由2050年惠普喷墨打印机。墨盒的墨水是清洁。白手起家的N-GQDs探测解决方案是用于喷墨墨水和注入空墨盒。在线喷墨打印后,开始在电脑上预先设计模式。最好的纸质传感器获得的荧光强度是探索墨水的组成方案,墨水浓度,和打印时间。打印模式观察和拍摄在365 nm紫外线灯下,荧光强度的纸被荧光光谱仪扫描。

2.4。检测铁^{3 +}

2.4.1。检测铁^{3 +}在溶剂中

50更易与L铁^{3 +}解决方案是稀释0-50mmol / L样本。准备2 g / LN-GQDs与PBS缓冲溶液被稀释的中性溶液,和它的1毫升为标准溶液的荧光探针。然后,一定体积的铁^{3 +}用不同浓度添加到解决方案,其荧光光谱测量恒定体积的5毫升。

2.4.2。菲³⁺在纸质传感器检测

观察淬火效应在365 nm紫外线灯使用显微注射器中提取一定数量的铁离子溶液和不同浓度下降纸质传感器。铁的浓度^{3 +}0.05 0更易/ L,更易与L, 0.15更易/ L, 0.25更易/ L, 0.3更易/ L, 0.5更易/ L, 0.6更易/ L, 1.0更易/ L和2.0更易/ L。

2.4.3。铁的选择性N-GQDs荧光探针³⁺

为了测试荧光探针的特异性有限元的解决方案^{3 +}检测1毫升10更易与L铁^{3 +}和其他常见金属离子(铜^{2 +}、银⁺、有限公司^{2 +},英航^{2 +},艾尔。^{3 +}、锰^{2 +}、铁^{2 +}K⁺,Na⁺,锌^{2 +})被添加到N-GQDs解决方案。30分钟的反应后,探针的荧光强度的解决方案是扫描研究N-GQDs和其他金属离子之间的相互作用。针对荧光猝灭纸质传感器的选择性,相同的金属离子浓度高于0.5毫升滴在纸质传感器,等待纸质干燥、紫外线灯下观察实验结果,研究了干扰实验。

3所示。结果与讨论

3.1。N-GQDs的最佳制备条件

3.1.1。N-GQDs的形态和化学成分

从图可以看出2N-GQDs是球形;平均尺寸小于4.05纳米,在水溶液中分散均匀,无结块。典型的晶格间距是0.290海里,这显示了一个石墨结构适用于N-GQDs [33]。

如图3,3436厘米⁻¹显示了ch键的伸缩振动,这表明碳量子点包含饱和烷基组,3342厘米⁻¹显示了强大的-哦键的伸缩振动,达到3010厘米⁻¹可以振动- NH₂债券,1562厘米⁻¹可以推断的伸缩振动- c = O-NH(肽)键,和1396/1072cm吗⁻¹的伸缩振动。债券。的伸缩振动峰1265厘米⁻¹是切断键的伸缩振动峰(34,35]。与标准红外光谱的特征峰的位置,氮氢键的特征峰和C = O键的傅立叶变换红外光谱属于酰胺键特征峰,这表明碳量子点准备在这项研究中含有酰胺键。

作为显示在图3黑色实线,当铁^{3 +}债券的碳量子点,达到1820厘米⁻¹分裂成两个弱峰,1830和1770厘米⁻¹分别达到1704厘米⁻¹削弱了。这表明菲^{3 +}债券羧基。

图4显示了典型的峰值284.9 ev, 286.5 ev, 288.2 ev deconvoluted c1 XPS谱(图4 (b))是由于石墨(C(双键,长度为米)C和碳碳),切断,和C双键,长度为米冲刺啊,分别。典型的山峰在n1 XPS谱(图400.4 ev4 (c))显示三种不同类型的氮化物:pyridinic类型,pyrrolic类型和N - h . XPS分析符合上面的傅立叶变换红外光谱结果(36]。

表1表明碳量子点是由四种元素,C, N, H和O,包含饱和烷基组,酰胺键,和其他官能团。根据元素分析表,CA的条件下:EDA = 1:3(摩尔比),量子点含有更多的C、N和H元素,它间接地表明,1:3的比例使CA和EDA充分反映,形成更多的烷基酰胺组。N-GQDs准备的荧光量子产率的比例1:3 (CA和EDA)达到88.9%。以上分析表明,N-GQDs包含酰胺组,可以形成分子间氢键与水分子,提高水溶性的碳量子点。因此,做好准备N-GQDs分散在水-乙醇混合溶液。

3.1.2。N-GQDs的荧光性质

为了研究不同的乙二胺含量的影响,反应时间,和反应温度对N-GQDs的光学特性,产品的紫外吸收光谱和荧光光谱三个反应条件下测量。如图5图(一个)显示了石墨烯量子点的紫外可见吸收光谱准备不同的乙二胺的内容。从图可以看出5碳量子点的吸收峰的解决方案在260 nm和350 nm的紫外可见光谱在不同反应时间是显而易见的。吸收峰在260 nm主要是由于π- - - - - -C = C双键的过渡,吸收峰在350 nm将n -的过渡碳氧双键的37,38]。这两个吸收峰也证明有一定的吸收峰在碳量子点。共轭结构:通过比较不同反应时间的紫外线曲线,发现吸收强度增加,然后减少与乙二胺含量的增加,这表明形态学,碳量子点的数量和大小,将直接影响其光学性质。图6 (b)是N-GQDs溶液的荧光发射光谱在350 nm激发。它可以发现N-GQDs荧光强度的增加,然后随乙二胺含量的增加而减小。乙二胺的含量增加时,反应充分,但是一旦反应时间超过了完成时间,会发生碳化,因为碳量子点之间的距离很小,团聚会随着时间的增加,这将影响到荧光发射强度。图5 (c)碳量子点的荧光发射光谱的解决方案在350 nm激发。它可以发现N-GQDs荧光强度的增加,然后随反应温度和时间的增加而减小。

如图6,蓝色的荧光发射的激发波长无关。此外,很稳定的在一个中立的解决方案。基于上述结果,N-GQDs粒子均匀大小和分散性好可以通过混合柠檬酸水溶液:乙二胺在1:3摩尔比率在160°C和加热4 h。的激发波长下350海里(最大吸收峰的紫外-可见光谱),N-GQDs水溶液发出456海里强烈的蓝色荧光。

3.2。检测铁³⁺通过N-GQDs探测解决方案

为了确定Fe N-GQDs的检测能力^{3 +}不同浓度的铁^{3 +}(1600 ~ 10000μmol / L)添加到2 g / L PBS稀释的中性N-GQDs解决方案,在350 nm激发波长和荧光光谱测定线性回归,如图7。N方程:结果表明,N-GQDs溶液的荧光强度是铁时最高^{3 +}不存在,峰值为456 nm。如图7(一)在456纳米的荧光N-GQDs随铁的增加而减小^{3 +}浓度。当铁的浓度^{3 +}达到1600μmol / L,荧光强度开始削弱线性。当铁的浓度^{3 +}达到10000μmol / L,溶液的荧光几乎消失,表明N-GQDs基本上都是灭的。在图7 (b)的N-GQDs荧光散射地图在不同铁456海里^{3 +}浓度绘制。结果表明,荧光强度N-GQDs具有良好的线性关系铁的浓度^{3 +}在1600 ~ 6000的范围μmol / L更易与L。图中的红色实线是一个线性拟合曲线,线性方程是(F / F₀-0.00164 = 0.09356铁^{3 +},R²= 0.99501),F / F₀之间的比率是探针的荧光强度和初始N-GQDs的荧光强度。探针的荧光强度可以得到合适的解决方案。检测极限是2.37μmol / L,这符合欧盟(EC)要求的最大容许浓度铁^{3 +}饮用水中是3.57μmol / L。

3.3。荧光猝灭纸质传感器视觉检测铁³⁺

如图8的荧光测试纸可以改变从强到弱不同浓度的铁^{3 +}。当铁的浓度^{3 +}达到0.5更易/ L,几乎没有荧光纸基地。浓度较高时,荧光的荧光纸基地几乎完全熄灭,从而实现铁的视觉检测^{3 +}。

3.3.1。选择性的探针的解决方案

照片和荧光光谱N-GQDs添加金属离子之后如图所示9。F₀代表空白N-GQDs的荧光强度,F代表添加金属离子后的荧光强度。照片和谱图表明,铁^{3 +}可以解渴N-GQDs暴力,其次是公司吗²也有一个明显的淬火效果和铜^{2 +}有一个轻微的淬火效果。当这些离子与铁共存^{3 +}的影响消除。其他金属离子对N-GQDs几乎没有影响。结果表明,N-GQDs荧光探针可以有选择地确定Fe^{3 +}离子。

如图9,它是观察到的荧光猝灭菲时纸质传感器是显而易见的^{3 +}添加,而其他金属离子的淬火效果不明显。它表明,荧光猝灭类型纸质传感器检测铁具有良好的选择性^{3 +}。

4所示。结论

总之,我们已经成功地合成了一种N-GQDs使用CA和EDA锅水热碳和氮源的方法。N-GQDs有强烈的蓝色荧光4小时的160°C。的QY N-GQDs高达88.9%。荧光发射激发波长无关。此外,这些好N-GQDs可以分散在水和乙醇溶剂。基于N-GQDs溶液的荧光探针具有良好的识别为Fe和敏感^{3 +}线性范围为1600 ~ 6000μmol / L和2.37的检出限μmol / L。此外,荧光猝灭纸质传感器是由固定N-GQDs纸质的解决方案,实现了铁的视觉检测^{3 +}。此外,肉眼观察到浓度最低的是10000μmol / L,取得了更好的选择性。相信纸质传感器基于N-GQDs将更广泛应用于视觉荧光检测,这将使物质的检测更加高效,环保,经济。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认金融支持湖北省自然科学基金(2017 cfc888)。

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