石墨烯量子点荧光探针的合成及其对TNT痕量检测的应用

席小倩; 漆天瑶; 周杨群; 张慧慧; 陈倩云; 刘辰辰; 黄宸; 高大明; 陈红

doi:10.12030/j.cjee.201709104

石墨烯量子点荧光探针的合成及其对TNT痕量检测的应用

1.
合肥学院生物与环境工程系，合肥 230601
2.
合肥学院化学与材料工程系，合肥 230601
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(21606066，21075026)

安徽省自然科学基金资助项目(1708085QB46)

安徽省大学生创新创业项目(201611059098)

Synthesis of graphene quantum dots (GQDs) fluorescence probe and its application of trace detection towards TNT

1.
Department of Biology and Environmental Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China
2.
Department of Chemistry and Materials Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China
Fund Project:

摘要: 采用石墨制备出氧化石墨稀（GO），利用水合肼还原GO，将还原的GO与二甲基甲酰胺（DMF）反应，制备出绿色发射波长的石墨烯量子点（graphene quantum dots，GQDs）荧光探针，分别用拉曼、UV-vis、FT-IR、SEM和Zeta电位仪等对其性质进行表征和研究。由于GQDs荧光探针表面富电子，而目标分析物TNT分子的3个缺电子硝基是吸电子基团，二者空间相互接近时，发生荧光共振能量转移，导致GQDs荧光探针的荧光强度发生改变，实现对痕量目标分子TNT的检测。结果表明，所制备GQDs荧光探针实现对TNT分子的高选择性识别，高敏感性检测，检出限为1.0×10-9 mol·L-1，猝灭常数为7 965 L·mol-1。基于荧光共振能量转移原理合成GQDs荧光探针实现对痕量TNT爆炸物的选择性识别和敏感性检测。
- GQDs /
- 荧光探针 /
- TNT /
- 痕量检测
Abstract: Firstly, graphene oxide was obtained by graphite through the improved Hummers method. Graphene was prepared through reduction reaction of the aforementioned GO with hydrazine hydrate. Subsequently, GQDs fluorescence probe with emission green wavelengths was achieved by the resultant graphene dissolved the N, N-dimethylformamide (DMF) solution using the hydrothermal method. Moreover, the physical properties for GQDs fluorescence probe were characterized with Raman spectroscopy, UV-vis, FT-IR, SEM and Zeta potential analysis, respectively. Meanwhile, GQDs fluorescence probe with the rich-electron surface approached to TNT molecule with deficient-electron three nitro groups at spatial position to suppress the fluorescence intensity of probe based on fluorescence resonance energy transfer (FRET). The results demonstrated that the synthesized GQDs fluorescence probe synthesized has the high selective recognition and sensible detection to TNT molecule, and the trace detection limit and quenching constant to TNT is 1.0×10-9 mol·L-1 and 7 965 L·mol-1, respectively. The synthesized GQDs fluorescence probe was carried out to selectively recognize and sensibly detect the trace TNT explosive based on FRET.
- GQDs /
- fluorescence probe /
- TNT /
- trace detection
硝基芳香族爆炸物，因其威力巨大，破坏性极强，成本较低，在军事上及工程上应用越来越广泛，但其对环境的污染，对公众安全的威胁也使各国加大了对爆炸物的监管力度^[1-5]。因此，硝基芳香族爆炸物，如TNT等的精准的探测是全球研究的热点，研究者们对于TNT检测的手段层出不穷。通过双苯胺交联金纳米粒子复合材料^[6]、SERS探针^[7]、碳纳米管复合材料^[8]、聚苯胺基光热纸传感器^[9]、质谱法^[10]、荧光免疫分析法^[11]、表面增强拉曼散射硅芯片^[12]和分子印记技术^[13]等实现对TNT的检测，但此类检测无法满足现场监测；因此，当代社会急需一种既可以快速准确，也可以实时实地检测痕量TNT的方法。荧光探针技术^[14-17]正是解决此类问题不可多得的技术，其基于荧光共振能量转移原理^[18-20]对目标分子TNT进行检测，准确快速便捷。
本研究采用改进的Hummers法以石墨为原料制备氧化石墨稀（graphene oxide, GO），然后利用水合肼还原GO，最后将还原的GO与二甲基甲酰胺（DMF）反应，制备出绿色发射波长的石墨烯量子点（graphene quantum dots, GQDs）荧光探针，其对目标分析物TNT具有识别的选择性、检测的敏感性，通过荧光强度的改变，实现对目标分子TNT的痕量检测。
1 实验部分
1.1 实验原料
98%H₂SO₄、KMnO₄购自无锡市佳妮化工有限公司，分析纯。30%H₂O₂购自上海沃凯生物有限公司，分析纯。石墨粉、36%HCl、水合肼、硝酸钠、二氯甲烷、甲醇、乙醇、TNT、DNT、苦味酸（trinitrophenol，TNP）和DMF均购自国药集团化学有限公司，除DMF是化学纯外，其他均为分析纯。
1.2 实验仪器
电子天平（Sartorius，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；SEM（SU8010，日本Hitachi公司）；UV-vis（TU-1901，北京普析通用仪器有限责任公司）；荧光/磷光/化学发光分光光度计（LS55，美国Perkin Elmer公司）；FT-IR（Nicolet iS50，美国Thermo Fisher公司）；粒度分析-Zeta电位仪（ZS90，英国Malvern公司）；激光共聚焦显微拉曼光谱仪（DXR，美国Thermo Fisher公司）。
1.3 GQDs荧光探针的制备
1.3.1 GO的制备
取23 mL的98%H₂SO₄加入100 mL三口圆底烧瓶中，将上述烧瓶置于水浴槽中，用冰块调节水温保持在0~5 ℃左右；用精度为万分之一的电子天平称取0.984 5 g的石墨，加入到上述烧瓶中，以500 r·min⁻¹转速搅拌反应30 min后，再称取2.975 6 g的KMnO₄，1 h内连续缓慢地加入上述烧瓶中；接着继续搅拌反应1 h，将水浴温度升温至35 ℃继续搅拌30 min后，再向上述烧瓶中缓慢滴加入10 mL去离子水，用硅油液封此水浴槽液面，将三口圆底烧瓶接回流装置；再继续升温至95 ℃左右，并加入50 mL去离子水；再加入15 mL的30%H₂O₂以除去多余的KMnO₄，反应15 min后，冷却至室温，均分在2只50 mL离心管内，以8 000 r·min⁻¹转速进行离心；去除上层清液后，先用5%HCl溶液超声分散和离心清洗3次，再用去离子水超声分散和离心清洗3次；去除上层清液后，将离心分离后所得到的固体产物转移至表面皿内，放置于60 ℃真空干燥箱内，干燥6 h，得到GO。
1.3.2 还原GO的制备
称取上述制得的GO 25 mg置于250 mL圆底烧瓶中，再向此烧瓶中加入100 mL去离子水，超声30 min，使其完全分散；取50 mL上述超声后的氧化石墨悬浮液置于另一只250 mL圆底烧瓶中；加入50 mL水合肼，再加入硝酸钠将此混合溶液pH值调节至12，搅拌5 min，使溶液混合均匀；再将上述混合溶液的烧瓶置于硅油液封的水浴槽中，接上回流装置，在90 ℃水浴中反应1 h；反应过程中溶液颜色由棕褐色慢慢变为黑色，待反应后的混合溶液冷却至室温时，用纳米滤膜进行抽滤；将滤得的沉淀物放置于真空干燥箱内，在50 ℃下干燥7 h，得到还原GO。
1.3.3 GQDs荧光探针制备
取上述所得还原GO 10 mg作为前驱体，将其置于盛有50 mL DMF的100 mL烧瓶中，超声分散30 min，使其形成均一的悬浮液；将上述悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，密闭后放置于烘箱内，升温至200 ℃，反应5 h，冷却至室温，得到棕色透明悬浮液和黑色沉淀物；离心去除黑色沉淀物，再旋转蒸发去除溶剂，得到GQDs；将上述所得的GQDs，进行两步的梯度柱层析分离，固定相为硅胶，第一相展开剂为二氯甲烷与乙醇混合液，其体积比为2∶1，第二相展开剂为去离子水，洗脱后可得到对TNT痕量检测具有绿色荧光的GQDs荧光探针。
2 结果与讨论
2.1 GO、还原GO以及GQDs的表征
2.1.1 GO的UV-vis和GQDs的UV-vis和荧光光谱
由图1（a）可知，位于230 nm左右的吸收峰是氧化石墨平面多环芳烃的n-π跃迁的位置。由于跃迁，摩尔消光系数很大，而一般在浓度较低时才能够观察出来，稍高就不容易看到或n-π跃迁造成其他溶剂的吸收，导致其他干扰。羧基上的氧所带的孤对电子向反键轨道的跃迁的对应位置为300 nm左右的吸收峰，称为π-π跃迁，这个跃迁反映了石墨表面被氧化的情况。图1（b）插图是原来为棕色的GQDs水溶液在波长为365 nm紫外光照射下发出绿色的荧光。图1（a）氧化石墨紫外可见吸收光谱在230~300 nm处，当其被还原为石墨烯量子点时，其吸收峰在290~320 nm处，发生红移。如图1（b）所示，在320 nm处有一吸收峰，当320 nm激发光激发石墨烯量子点时，其荧光发射光谱在427 nm处出现一个很强的发射峰。当使用370 nm激发光时，在525 nm处出现很强的光发射，可以推断这一发射峰是由于表面效应引起的。因此，可以将紫外吸收光谱图1（b）中320 nm和370 nm作为激发波长得出427 nm和525 nm荧光发射光谱，可以断定石墨烯量子点中存在2个发射峰。

图1 GO的紫外-可见吸收光谱图和GQDs紫外-可见吸收光谱图以及荧光发射光谱图
Fig. 1 UV-vis spectrum of GO and UV-vis and fluorescence emission spectra of GQDs

图1 GO的紫外-可见吸收光谱图和GQDs紫外-可见吸收光谱图以及荧光发射光谱图
Fig. 1 UV-vis spectrum of GO and UV-vis and fluorescence emission spectra of GQDs

2.1.2 GO和还原GO的 FT-IR光谱
由图2（a）可以看出，GO在3 400 cm⁻¹和1 630 cm⁻¹处均有1个很强的吸收峰，分别对应羟基的伸缩振动、弯曲振动吸收峰。此外，在中频区，1 700 cm⁻¹处的吸收峰则属于羧基、羰基的C=O的伸缩振动，而在1 390 cm⁻¹处的峰对应羧基的C—O的伸缩振动吸收峰，在1 040 cm⁻¹处的吸收峰则对应环氧基的伸缩振动。由图2（b）可以看出，在3 435 cm⁻¹附近有1个较强的吸收峰，对应于羟基中的C—O的伸缩振动；在2 950 cm⁻¹附近有2个吸收峰，对应于亚甲基中C—H的伸缩振动；在2 100 cm⁻¹附近的吸收峰是多个C=C累积伸缩振动峰；在1 633 cm⁻¹附近也有1个吸收峰，这个吸收峰对应的是C=C骨架的振动；在1 390 cm⁻¹附近有1个吸收峰，对应于C—H的变形振动峰；在1 110 cm⁻¹和1 234 cm⁻¹附近有1个很弱的吸收峰，对应于环氧基中C—O的伸缩振动峰。如果存在羧基等含氧官能团，则在1 720 cm⁻¹附近会有1个吸收峰对应于C=O振动峰。由图2可知，羧基等含氧官能团的振动峰几乎没有，说明对硝基苯肼还原氧化石墨后，大部分的含氧官能团被消除，不过还有少部分含氧官能团的残余。

图2 GO和还原GO的FT-IR光谱图
Fig. 2 FT-IR spectrum for GO and graphene from GO reduced

图2 GO和还原GO的FT-IR光谱图
Fig. 2 FT-IR spectrum for GO and graphene from GO reduced

2.1.3 GO的SEM
由图3可知GO的表面形貌，其表面皱褶，且有一定的规律性，边缘卷起，具有非常大的比表面积。因为经过氧化处理后，含有大量官能团，所以使层片之间的作用力减弱。

图3 GO的SEM图
Fig. 3 SEM image for GO

图3 GO的SEM图
Fig. 3 SEM image for GO

2.2 GQDs荧光探针的性质表征
2.2.1 FT-IR光谱分析和拉曼光谱分析
由图4（a）可知，石墨烯量子点在1 635 cm⁻¹和3 890 cm⁻¹处有明显的吸收峰，可将其分别归因于羰基的伸缩振动和羧基的对称振动，3 444 cm⁻¹和1 022 cm⁻¹处的峰则对应于羟基和不饱和羧基中C—O的伸缩振动，说明石墨烯量子点的表面存在羧基和羰基。此外，2 931 cm⁻¹和2 858 cm⁻¹处的吸收峰对应烷烃中C—H或C=O伸缩振动，表明在合成过程中，富勒烯中sp²杂化的碳有部分变成了sp³杂化，也就说明在得到石墨烯量子点的过程中富勒烯结构已经被破坏。由图4（b）可知，有2个明显的特征峰，一个峰位在1 580 cm⁻¹处，即G峰，G峰是石墨烯的主要特征峰，是由sp²碳原子的面内震动引起的。另一个在2 700 cm⁻¹处，称之为2D峰或G'峰，峰相对比较宽，所以GQDs不是单层，且可以看出绿色GQDs拉曼谱图出现相应的sp³与sp²杂化。除了上述2个峰以外，还会发现位于1 350 cm⁻¹左右的位置处的1个峰，即D峰。这个峰是缺陷峰，它的强度大小意味着这个石墨烯层片无序性程度的好坏。在入射光集中照在石墨层片的边界时，一般会出现D峰。石墨的D峰和石墨烯的D峰是不一样的。石墨的D峰是由2个峰叠加而成的，而石墨烯的D峰却是单峰。

图4 发射光谱为绿色GQDs荧光探针的FT-IR光谱图和拉曼光谱图
Fig. 4 FT-IR and Raman spectra of emission green GQDs fluorescence probe

图4 发射光谱为绿色GQDs荧光探针的FT-IR光谱图和拉曼光谱图
Fig. 4 FT-IR and Raman spectra of emission green GQDs fluorescence probe

2.2.2 粒度分析和Zeta电位仪分析
GQDs荧光探针的粒径分布一般在1~10 nm之间。由图5（a）可知，绿色GQDs荧光探针主要粒径在4 nm左右。由图5（b）可知，绿色GQDs荧光探针呈电负性，可作为电子给体，与上文中所述的荧光共振能量转移原理相吻合，从而为构建探测缺电子的硝基化合物TNT的GQDs荧光探针提供了理论基础。

图5 发射光谱为绿色的GQDs荧光探针粒度分析和Zeta电位
Fig. 5 Particle size analysis chart and Zeta potential of emission green GQDs fluorescence probe

图5 发射光谱为绿色的GQDs荧光探针粒度分析和Zeta电位
Fig. 5 Particle size analysis chart and Zeta potential of emission green GQDs fluorescence probe

2.3 GQDs荧光探针性能表征
2.3.1 UV-vis分析
图6中插图（c）是TNT溶液在自然光下的图片，插图（d）是在波长为365 nm的紫外灯下的发射光谱为绿色荧光的GQDs荧光探针图片。图6（a）为TNT溶液归一化的紫外可见光谱图，图6（b）为绿色GQDs荧光探针的发射光谱。图6（a）和（b）归一化峰相互重合，当两者在空间上相互接近时，GQDs荧光探针的发射绿色光谱带荧光能够被TNT分子所吸收，导致GQDs荧光探针的荧光强度下降，从而实现对痕量TNT的检测。

图6 TNT溶液归一化的紫外可见光谱图和绿色GQDs荧光探针的发射光谱图
Fig. 6 Normalized UV-Vis spectrum of TNT solution and emission spectrum of green GQDs fluorescence probe

图6 TNT溶液归一化的紫外可见光谱图和绿色GQDs荧光探针的发射光谱图
Fig. 6 Normalized UV-Vis spectrum of TNT solution and emission spectrum of green GQDs fluorescence probe

2.3.2 GQDs荧光探针对目标分析物探测
在2 mL的GQDs荧光探针溶液中分别加入浓度为1×10⁻⁵、2×10⁻⁵、3×10⁻⁵、4×10⁻⁵、5×10⁻⁵、6×10⁻⁵、7×10⁻⁵、8×10⁻⁵、9×10⁻⁵和10×10⁻⁵ mol·L⁻¹的TNP溶液、DNT溶液和TNT溶液，其荧光强度的变化如图7所示。由图7（a）和（b）可知，随着TNP溶液、DNT溶液浓度的不断增加，绿色GQDs荧光探针的荧光强度变化并不明显。由图7（c）可知，随着目标分析物TNT浓度的增加，绿色GQDs荧光探针的荧光强度下降非常明显。这是因为GQDs荧光探针与TNT分子之间在空间上相互接近时，发生荧光共振能量转移，从而使GQDs荧光探针的荧光强度下降。而TNP、DNT与GQDs荧光探针之间不发生荧光共振能量转移，所以GQDs荧光探针的荧光强度下降不明显，这说明TNT对制备的石墨烯量子点荧光探针传感器具有选择性的荧光猝灭作用。通过不断尝试，在2 mL的GQDs荧光探针溶液中添加最低浓度目标分析物TNT时，依然有GQDs荧光探针的荧光强度的下降。此时对应的TNT浓度即为目标分析物TNT的检测限，检测限达到了1.0×10⁻⁹ mol·L⁻¹。因此，合成的GQDs荧光探针实现了对痕量TNT选择性检测。

图7 不同浓度TNP、DNT和TNT荧光强度的演变过程
Fig. 7 Fluorescence intensity evolutions of different concentration of TNP，DNT and TNT

图7 不同浓度TNP、DNT和TNT荧光强度的演变过程
Fig. 7 Fluorescence intensity evolutions of different concentration of TNP，DNT and TNT

2.3.3 荧光猝灭常数
图8是根据Stern-Volmer方程拟合的TNT对GQDs荧光探针的荧光猝灭标准曲线，方程为：(I₀/I)-1=K_sv·C，其中I₀、I分别为没有目标分析物和存在目标分析物的GQDs荧光探针的稳态荧光强度，C为加入的目标分析物TNT的浓度，回归方程为 (I/I₀)-1=0.079 65C，可求得TNT对石墨烯量子点的猝灭常数为7 965 L·mol⁻¹，线性相关系数R=0.99。

图8 发射绿色光谱GQDs荧光探针的荧光猝灭常数图
Fig. 8 Fluorescence quenching constant of emission green GQDs fluorescence probe

图8 发射绿色光谱GQDs荧光探针的荧光猝灭常数图
Fig. 8 Fluorescence quenching constant of emission green GQDs fluorescence probe

3 结论
1）基于荧光共振能量转移原理，利用合成石墨烯量子点荧光探针成功实现对爆炸物TNT的选择性痕量检测，猝灭常数为7 965 L·mol⁻¹，拟合方程的相关系数为0.99。
2）制备的GQDs荧光探针对目标分子具有高敏感性、高选择性和快速响应等优点，其检出限为1.0×10⁻⁹ mol·L⁻¹。
3）与传统的荧光探针比较，GQDs荧光探针的荧光效率高，成本低廉，对环境友好，有望在环境检测和生物标记成像领域的应用。

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硝基芳香族爆炸物，因其威力巨大，破坏性极强，成本较低，在军事上及工程上应用越来越广泛，但其对环境的污染，对公众安全的威胁也使各国加大了对爆炸物的监管力度^[1-5]。因此，硝基芳香族爆炸物，如TNT等的精准的探测是全球研究的热点，研究者们对于TNT检测的手段层出不穷。通过双苯胺交联金纳米粒子复合材料^[6]、SERS探针^[7]、碳纳米管复合材料^[8]、聚苯胺基光热纸传感器^[9]、质谱法^[10]、荧光免疫分析法^[11]、表面增强拉曼散射硅芯片^[12]和分子印记技术^[13]等实现对TNT的检测，但此类检测无法满足现场监测；因此，当代社会急需一种既可以快速准确，也可以实时实地检测痕量TNT的方法。荧光探针技术^[14-17]正是解决此类问题不可多得的技术，其基于荧光共振能量转移原理^[18-20]对目标分子TNT进行检测，准确快速便捷。

本研究采用改进的Hummers法以石墨为原料制备氧化石墨稀（graphene oxide, GO），然后利用水合肼还原GO，最后将还原的GO与二甲基甲酰胺（DMF）反应，制备出绿色发射波长的石墨烯量子点（graphene quantum dots, GQDs）荧光探针，其对目标分析物TNT具有识别的选择性、检测的敏感性，通过荧光强度的改变，实现对目标分子TNT的痕量检测。

1 实验部分

1.1 实验原料

98%H₂SO₄、KMnO₄购自无锡市佳妮化工有限公司，分析纯。30%H₂O₂购自上海沃凯生物有限公司，分析纯。石墨粉、36%HCl、水合肼、硝酸钠、二氯甲烷、甲醇、乙醇、TNT、DNT、苦味酸（trinitrophenol，TNP）和DMF均购自国药集团化学有限公司，除DMF是化学纯外，其他均为分析纯。

1.2 实验仪器

电子天平（Sartorius，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；SEM（SU8010，日本Hitachi公司）；UV-vis（TU-1901，北京普析通用仪器有限责任公司）；荧光/磷光/化学发光分光光度计（LS55，美国Perkin Elmer公司）；FT-IR（Nicolet iS50，美国Thermo Fisher公司）；粒度分析-Zeta电位仪（ZS90，英国Malvern公司）；激光共聚焦显微拉曼光谱仪（DXR，美国Thermo Fisher公司）。

1.3 GQDs荧光探针的制备

1.3.1 GO的制备

取23 mL的98%H₂SO₄加入100 mL三口圆底烧瓶中，将上述烧瓶置于水浴槽中，用冰块调节水温保持在0~5 ℃左右；用精度为万分之一的电子天平称取0.984 5 g的石墨，加入到上述烧瓶中，以500 r·min⁻¹转速搅拌反应30 min后，再称取2.975 6 g的KMnO₄，1 h内连续缓慢地加入上述烧瓶中；接着继续搅拌反应1 h，将水浴温度升温至35 ℃继续搅拌30 min后，再向上述烧瓶中缓慢滴加入10 mL去离子水，用硅油液封此水浴槽液面，将三口圆底烧瓶接回流装置；再继续升温至95 ℃左右，并加入50 mL去离子水；再加入15 mL的30%H₂O₂以除去多余的KMnO₄，反应15 min后，冷却至室温，均分在2只50 mL离心管内，以8 000 r·min⁻¹转速进行离心；去除上层清液后，先用5%HCl溶液超声分散和离心清洗3次，再用去离子水超声分散和离心清洗3次；去除上层清液后，将离心分离后所得到的固体产物转移至表面皿内，放置于60 ℃真空干燥箱内，干燥6 h，得到GO。

1.3.2 还原GO的制备

称取上述制得的GO 25 mg置于250 mL圆底烧瓶中，再向此烧瓶中加入100 mL去离子水，超声30 min，使其完全分散；取50 mL上述超声后的氧化石墨悬浮液置于另一只250 mL圆底烧瓶中；加入50 mL水合肼，再加入硝酸钠将此混合溶液pH值调节至12，搅拌5 min，使溶液混合均匀；再将上述混合溶液的烧瓶置于硅油液封的水浴槽中，接上回流装置，在90 ℃水浴中反应1 h；反应过程中溶液颜色由棕褐色慢慢变为黑色，待反应后的混合溶液冷却至室温时，用纳米滤膜进行抽滤；将滤得的沉淀物放置于真空干燥箱内，在50 ℃下干燥7 h，得到还原GO。

1.3.3 GQDs荧光探针制备

取上述所得还原GO 10 mg作为前驱体，将其置于盛有50 mL DMF的100 mL烧瓶中，超声分散30 min，使其形成均一的悬浮液；将上述悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，密闭后放置于烘箱内，升温至200 ℃，反应5 h，冷却至室温，得到棕色透明悬浮液和黑色沉淀物；离心去除黑色沉淀物，再旋转蒸发去除溶剂，得到GQDs；将上述所得的GQDs，进行两步的梯度柱层析分离，固定相为硅胶，第一相展开剂为二氯甲烷与乙醇混合液，其体积比为2∶1，第二相展开剂为去离子水，洗脱后可得到对TNT痕量检测具有绿色荧光的GQDs荧光探针。

2 结果与讨论

2.1 GO、还原GO以及GQDs的表征

2.1.1 GO的UV-vis和GQDs的UV-vis和荧光光谱

由图1（a）可知，位于230 nm左右的吸收峰是氧化石墨平面多环芳烃的n-π跃迁的位置。由于跃迁，摩尔消光系数很大，而一般在浓度较低时才能够观察出来，稍高就不容易看到或n-π跃迁造成其他溶剂的吸收，导致其他干扰。羧基上的氧所带的孤对电子向反键轨道的跃迁的对应位置为300 nm左右的吸收峰，称为π-π跃迁，这个跃迁反映了石墨表面被氧化的情况。图1（b）插图是原来为棕色的GQDs水溶液在波长为365 nm紫外光照射下发出绿色的荧光。图1（a）氧化石墨紫外可见吸收光谱在230~300 nm处，当其被还原为石墨烯量子点时，其吸收峰在290~320 nm处，发生红移。如图1（b）所示，在320 nm处有一吸收峰，当320 nm激发光激发石墨烯量子点时，其荧光发射光谱在427 nm处出现一个很强的发射峰。当使用370 nm激发光时，在525 nm处出现很强的光发射，可以推断这一发射峰是由于表面效应引起的。因此，可以将紫外吸收光谱图1（b）中320 nm和370 nm作为激发波长得出427 nm和525 nm荧光发射光谱，可以断定石墨烯量子点中存在2个发射峰。

图1 GO的紫外-可见吸收光谱图和GQDs紫外-可见吸收光谱图以及荧光发射光谱图
Fig. 1 UV-vis spectrum of GO and UV-vis and fluorescence emission spectra of GQDs

2.1.2 GO和还原GO的 FT-IR光谱

由图2（a）可以看出，GO在3 400 cm⁻¹和1 630 cm⁻¹处均有1个很强的吸收峰，分别对应羟基的伸缩振动、弯曲振动吸收峰。此外，在中频区，1 700 cm⁻¹处的吸收峰则属于羧基、羰基的C=O的伸缩振动，而在1 390 cm⁻¹处的峰对应羧基的C—O的伸缩振动吸收峰，在1 040 cm⁻¹处的吸收峰则对应环氧基的伸缩振动。由图2（b）可以看出，在3 435 cm⁻¹附近有1个较强的吸收峰，对应于羟基中的C—O的伸缩振动；在2 950 cm⁻¹附近有2个吸收峰，对应于亚甲基中C—H的伸缩振动；在2 100 cm⁻¹附近的吸收峰是多个C=C累积伸缩振动峰；在1 633 cm⁻¹附近也有1个吸收峰，这个吸收峰对应的是C=C骨架的振动；在1 390 cm⁻¹附近有1个吸收峰，对应于C—H的变形振动峰；在1 110 cm⁻¹和1 234 cm⁻¹附近有1个很弱的吸收峰，对应于环氧基中C—O的伸缩振动峰。如果存在羧基等含氧官能团，则在1 720 cm⁻¹附近会有1个吸收峰对应于C=O振动峰。由图2可知，羧基等含氧官能团的振动峰几乎没有，说明对硝基苯肼还原氧化石墨后，大部分的含氧官能团被消除，不过还有少部分含氧官能团的残余。

图2 GO和还原GO的FT-IR光谱图
Fig. 2 FT-IR spectrum for GO and graphene from GO reduced

2.1.3 GO的SEM

由图3可知GO的表面形貌，其表面皱褶，且有一定的规律性，边缘卷起，具有非常大的比表面积。因为经过氧化处理后，含有大量官能团，所以使层片之间的作用力减弱。

图3 GO的SEM图
Fig. 3 SEM image for GO

2.2 GQDs荧光探针的性质表征

2.2.1 FT-IR光谱分析和拉曼光谱分析

由图4（a）可知，石墨烯量子点在1 635 cm⁻¹和3 890 cm⁻¹处有明显的吸收峰，可将其分别归因于羰基的伸缩振动和羧基的对称振动，3 444 cm⁻¹和1 022 cm⁻¹处的峰则对应于羟基和不饱和羧基中C—O的伸缩振动，说明石墨烯量子点的表面存在羧基和羰基。此外，2 931 cm⁻¹和2 858 cm⁻¹处的吸收峰对应烷烃中C—H或C=O伸缩振动，表明在合成过程中，富勒烯中sp²杂化的碳有部分变成了sp³杂化，也就说明在得到石墨烯量子点的过程中富勒烯结构已经被破坏。由图4（b）可知，有2个明显的特征峰，一个峰位在1 580 cm⁻¹处，即G峰，G峰是石墨烯的主要特征峰，是由sp²碳原子的面内震动引起的。另一个在2 700 cm⁻¹处，称之为2D峰或G'峰，峰相对比较宽，所以GQDs不是单层，且可以看出绿色GQDs拉曼谱图出现相应的sp³与sp²杂化。除了上述2个峰以外，还会发现位于1 350 cm⁻¹左右的位置处的1个峰，即D峰。这个峰是缺陷峰，它的强度大小意味着这个石墨烯层片无序性程度的好坏。在入射光集中照在石墨层片的边界时，一般会出现D峰。石墨的D峰和石墨烯的D峰是不一样的。石墨的D峰是由2个峰叠加而成的，而石墨烯的D峰却是单峰。

图4 发射光谱为绿色GQDs荧光探针的FT-IR光谱图和拉曼光谱图
Fig. 4 FT-IR and Raman spectra of emission green GQDs fluorescence probe

2.2.2 粒度分析和Zeta电位仪分析

GQDs荧光探针的粒径分布一般在1~10 nm之间。由图5（a）可知，绿色GQDs荧光探针主要粒径在4 nm左右。由图5（b）可知，绿色GQDs荧光探针呈电负性，可作为电子给体，与上文中所述的荧光共振能量转移原理相吻合，从而为构建探测缺电子的硝基化合物TNT的GQDs荧光探针提供了理论基础。

图5 发射光谱为绿色的GQDs荧光探针粒度分析和Zeta电位
Fig. 5 Particle size analysis chart and Zeta potential of emission green GQDs fluorescence probe

2.3 GQDs荧光探针性能表征

2.3.1 UV-vis分析

图6中插图（c）是TNT溶液在自然光下的图片，插图（d）是在波长为365 nm的紫外灯下的发射光谱为绿色荧光的GQDs荧光探针图片。图6（a）为TNT溶液归一化的紫外可见光谱图，图6（b）为绿色GQDs荧光探针的发射光谱。图6（a）和（b）归一化峰相互重合，当两者在空间上相互接近时，GQDs荧光探针的发射绿色光谱带荧光能够被TNT分子所吸收，导致GQDs荧光探针的荧光强度下降，从而实现对痕量TNT的检测。

图6 TNT溶液归一化的紫外可见光谱图和绿色GQDs荧光探针的发射光谱图
Fig. 6 Normalized UV-Vis spectrum of TNT solution and emission spectrum of green GQDs fluorescence probe

2.3.2 GQDs荧光探针对目标分析物探测

在2 mL的GQDs荧光探针溶液中分别加入浓度为1×10⁻⁵、2×10⁻⁵、3×10⁻⁵、4×10⁻⁵、5×10⁻⁵、6×10⁻⁵、7×10⁻⁵、8×10⁻⁵、9×10⁻⁵和10×10⁻⁵ mol·L⁻¹的TNP溶液、DNT溶液和TNT溶液，其荧光强度的变化如图7所示。由图7（a）和（b）可知，随着TNP溶液、DNT溶液浓度的不断增加，绿色GQDs荧光探针的荧光强度变化并不明显。由图7（c）可知，随着目标分析物TNT浓度的增加，绿色GQDs荧光探针的荧光强度下降非常明显。这是因为GQDs荧光探针与TNT分子之间在空间上相互接近时，发生荧光共振能量转移，从而使GQDs荧光探针的荧光强度下降。而TNP、DNT与GQDs荧光探针之间不发生荧光共振能量转移，所以GQDs荧光探针的荧光强度下降不明显，这说明TNT对制备的石墨烯量子点荧光探针传感器具有选择性的荧光猝灭作用。通过不断尝试，在2 mL的GQDs荧光探针溶液中添加最低浓度目标分析物TNT时，依然有GQDs荧光探针的荧光强度的下降。此时对应的TNT浓度即为目标分析物TNT的检测限，检测限达到了1.0×10⁻⁹ mol·L⁻¹。因此，合成的GQDs荧光探针实现了对痕量TNT选择性检测。

图7 不同浓度TNP、DNT和TNT荧光强度的演变过程
Fig. 7 Fluorescence intensity evolutions of different concentration of TNP，DNT and TNT

2.3.3 荧光猝灭常数

图8是根据Stern-Volmer方程拟合的TNT对GQDs荧光探针的荧光猝灭标准曲线，方程为：(I₀/I)-1=K_sv·C，其中I₀、I分别为没有目标分析物和存在目标分析物的GQDs荧光探针的稳态荧光强度，C为加入的目标分析物TNT的浓度，回归方程为 (I/I₀)-1=0.079 65C，可求得TNT对石墨烯量子点的猝灭常数为7 965 L·mol⁻¹，线性相关系数R=0.99。

图8 发射绿色光谱GQDs荧光探针的荧光猝灭常数图
Fig. 8 Fluorescence quenching constant of emission green GQDs fluorescence probe

3 结论

1）基于荧光共振能量转移原理，利用合成石墨烯量子点荧光探针成功实现对爆炸物TNT的选择性痕量检测，猝灭常数为7 965 L·mol⁻¹，拟合方程的相关系数为0.99。

2）制备的GQDs荧光探针对目标分子具有高敏感性、高选择性和快速响应等优点，其检出限为1.0×10⁻⁹ mol·L⁻¹。

3）与传统的荧光探针比较，GQDs荧光探针的荧光效率高，成本低廉，对环境友好，有望在环境检测和生物标记成像领域的应用。

参考文献 (20)

参考文献

石墨烯量子点荧光探针的合成及其对TNT痕量检测的应用

Synthesis of graphene quantum dots (GQDs) fluorescence probe and its application of trace detection towards TNT

1 实验部分

1.1 实验原料

1.2 实验仪器

1.3 GQDs荧光探针的制备

1.3.1 GO的制备

1.3.2 还原GO的制备

1.3.3 GQDs荧光探针制备

2 结果与讨论

2.1 GO、还原GO以及GQDs的表征

2.1.1 GO的UV-vis和GQDs的UV-vis和荧光光谱

2.1.2 GO和还原GO的 FT-IR光谱

2.1.3 GO的SEM

2.2 GQDs荧光探针的性质表征

2.2.1 FT-IR光谱分析和拉曼光谱分析

2.2.2 粒度分析和Zeta电位仪分析

2.3 GQDs荧光探针性能表征

2.3.1 UV-vis分析

2.3.2 GQDs荧光探针对目标分析物探测

2.3.3 荧光猝灭常数

3 结论

计量

出版历程

石墨烯量子点荧光探针的合成及其对TNT痕量检测的应用

English Abstract

Synthesis of graphene quantum dots (GQDs) fluorescence probe and its application of trace detection towards TNT

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1 实验部分

1.1 实验原料

1.2 实验仪器

1.3 GQDs荧光探针的制备

1.3.1 GO的制备

1.3.2 还原GO的制备

1.3.3 GQDs荧光探针制备

2 结果与讨论

2.1 GO、还原GO以及GQDs的表征

2.1.1 GO的UV-vis和GQDs的UV-vis和荧光光谱

2.1.2 GO和还原GO的 FT-IR光谱

2.1.3 GO的SEM

2.2 GQDs荧光探针的性质表征

2.2.1 FT-IR光谱分析和拉曼光谱分析

2.2.2 粒度分析和Zeta电位仪分析

2.3 GQDs荧光探针性能表征

2.3.1 UV-vis分析

2.3.2 GQDs荧光探针对目标分析物探测

2.3.3 荧光猝灭常数

3 结论

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