铁掺杂碳量子点的水热法合成及在H2O2和多巴胺检测中的应用
(闽南师范大学a. 化学化工与环境学院，b. 福建省现代分离分析科学与技术重点实验室，福建漳州 363000)
摘要
为了开发一种灵敏度高无标记、快速和特定的多巴胺比色检测法，通过一步水热法以β-环糊精、尿素、三氯化铁为原料制备了铁掺杂碳量子点（Fe-CDs），该Fe-CDs显示出理想的类过氧化物酶活性，可催化H2O2氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）并显色，而强还原性的多巴胺抑制其催化氧化，从而使反应体系褪色。当Fe-CDs浓度为30 µg/mL、TMB浓度为500 µmol/L、H2O2浓度为0.1 mmol/L、pH 3.0、反应温度为35℃、反应时间为20 min时，多巴胺浓度在0～100 µmol/L范围内与体系吸光度呈良好的线性关系，检出限可达55.1 nmol/L。表明Fe-CDs作为类过氧化物酶具备检测多巴胺性能。
引言
过氧化氢（H2O2）是最重要的活性氧之一，在调节分子信号和维持细胞稳态方面起着重要作用[1]。但是，过量的H2O2会引起多种疾病的出现，如心血管疾病和糖尿病等[2,3]。多巴胺（DA）是哺乳动物大脑中一种重要的神经递质，许多生物的中枢神经系统都会被它调整，影响感知，情绪以及神经内分泌等[4,5]，近年来发现多巴胺可改善精神分裂症和帕金森病等几种疾病的指标而引起了人们更大的关注[6-8]。因此，过氧化氢和多巴胺浓度的检测至关重要。人们已开发了多种检测过氧化氢和多巴胺的方法，如荧光光谱法、电化学分析法和色谱法等[9-12]。开发简单、有效、实时的过氧化氢和多巴胺检测方法十分必要。
近十多年来，碳量子点（CDs）因具有细胞毒性低、生物相容性好、水溶性好、化学稳定性高和易于修饰等优点，在生物成像、生物传感、离子检测、催化和光电材料等诸多领域得到了广泛的关注和应用[13-16]。如钟青梅等[17]以烟炱为原料制备水溶性碳量子点并应用于H2O2及葡萄糖的测定。文辉忠等[18]以荔枝皮为原料制备碳量子点并应用于半胱氨酸的比色测定，随着科学研究的进步，掺杂碳量子点应用也更加广泛[19-24]。如孟铁宏等[25]用微波一步法制备氮掺杂碳量子点及其对蛇莓中Cu2+的检测。Wang等[26]以鸭血为原料，制备多元素掺杂的碳量子点（CQDs）并应用于葡萄糖的比色测定中。
本研究以β-环糊精、尿素、三氯化铁为原料通过简便的一步水热法制备了Fe掺杂碳量子点，该碳点显示出理想的类过氧化物酶活性，可催化H2O2氧化TMB产生显色反应；而强还原性的多巴胺能抑制TMB氧化产物的生成并使其褪色。基于上述原理，建立了一种基于抑制作用间接检测多巴胺的方法。与其它来源的类过氧化物酶相比，本文制得的类过氧化物酶具有成本低、催化活性强和稳定性高等特点。
结论
本文以β-环糊精、尿素及三氯化铁为原料通过简便的一步水热法合成了铁掺杂碳量子点，并对其进行了表征，相比于其它合成方法，此法原料易得，合成过程简便省时。从目前的报道看，掺杂碳量子点大部分以掺杂非金属杂原子为主，并应用于金属离子检测、生物成像等。本研究则采用一步水热法合成了金属铁掺杂的碳量子点，并利用其模拟过氧化物酶的活性通过比色法检测双氧水及多巴胺，方法选择性好，灵敏度高，多巴胺的检测限可达55.1 nmol/L，具有潜在的应用前景。本研究提供了一种合成具有类酶催化活性的Fe-CDs的制备方法，同时也进一步拓展了掺杂碳量子点的制备及应用。
目录
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.2.1 Fe-CDs合成
1.2.2 H2O2和多巴胺的测定
2 结果与讨论
2.1 Fe-CDs的表征
图1a是制备Fe-CDs的TEM图，由图可见，制备的材料分散性较好，颗粒呈球状，粒度分布较均匀，主要分布在1～6 nm范围内，平均直径为3.3 nm（见图1a插图）。图1b为Fe-CDs的FTIR图，3041和1361cm-1处的吸收峰分别归属于O-H的伸缩和弯曲振动，1155、1620 cm-1处的吸收峰分别归属于C-O和C=O的伸缩振动[28]，表明Fe-CDs含有亲水基团-COOH和-OH，从而保证了Fe-CDs良好的水溶性。
2.2 Fe-CDs的类过氧化物酶活性研究
实验探讨了合成材料Fe-CDs的类过氧化物酶催化特性。在pH 3.0的醋酸盐缓冲溶液中，以3,3᾽,5,5᾽-四甲基联苯胺（TMB）为显色底物，在H2O2存在下，Fe-CDs可催化氧化TMB并生成深蓝色的氧化产物。图3对比了不同条件下TMB的氧化变色情况。
2.3 催化动力学分析和催化机理探讨
为了深入探讨Fe-CDs的催化性质，在优化条件下，通过固定一种底物（TMB或H2O2）的浓度同时改变另外一种底物（H2O2或TMB）的浓度的方法获取该催化体系的动力学参数。实验数据表明，在合适的底物浓度范围内，该催化反应遵循Michaelis-Menten动力学模型（见图5a和5b），结合Lineweaver-Burk方程（式（1））可求出体系的最大反应速率（vmax）和米氏常数（Km），并与辣根过氧化物酶（HRP）的对应参数进行了对比，列于表1。对底物H2O2，这两个数值分别为7.18×10-8mol/(L·s)和0.019 mmol/L，而对于TMB，两个数值分别为1.14×10-8mol/(L·s)和0.41 mmol/L。
2.4 H2O2和多巴胺的分析检测
基于材料的类过氧化物酶性质，催化H2O2氧化TMB并使溶液颜色发生变化，建立了一种简便且灵敏的比色法检测H2O2和多巴胺浓度的方法。当Fe-CDs浓度为30 µg/mL、TMB浓度取500 µmol/L、pH 3.0、反应温度为35℃、反应时间为20 min时，从图7a可以看出，体系在658 nm处的吸光度随着H2O2的浓度增加而逐渐增大并趋于稳定。
2.5 方法的选择性
选择葡萄糖、酪氨酸、尿酸、抗坏血酸和对乙酰氨基苯酚探讨了方法对多巴胺测定的选择性。如图9所示，当葡萄糖、酪氨酸、尿酸和对乙酰氨基苯酚的浓度是多巴胺浓度的10倍，体系在658 nm处的吸光度和空白组对比变化不大，而加入多巴胺时吸光度变化明显，抗坏血酸浓度是多巴胺浓度的4倍时，体系在658 nm处的吸光度和空白组对比变化较为明显，肉眼可观察到颜色的变化，表明反应体系对多巴胺具有高的选择性。另外检测了多巴胺的干扰实验，试验表明抗干扰能力较强。
3 结论
引用本文：李䶮，郭汉涛，薛梅花，等. 铁掺杂碳量子点的水热法合成及在H2O2和多巴胺检测中的应用[J]. 化学试剂, 2020, 42(8): 893-900.
