臺灣化學教育

奈米/團簇實驗課程設計與應用:以電化學法合成用於銅離子檢測之碳點

林于鈊、林雅玲、林裕軒、張煥宗*

國立臺灣大學化學系

*changht@ntu.edu.tw

前言

碳點（carbon dot; Cdots）一般是指尺寸小於10奈米，形狀近似球型且能穩定發光的一種碳材，已成為一種新型的螢光材料。其具備寬且連續的激發光譜、穩定的螢光性能、良好的生物相容性及低毒性，並可透過化學修飾碳奈米點表面官能基團使其進一步功能化，在傳感器、生物成像、標記和檢測等領域有著良好的應用前景。

除具有類似半導體量子點光致發光特性外，碳點還會有激發放光波長相依放光特性（excitation-wavelength-dependence emission），即碳點在不同波長的激發光照射下，可放出不同波長的螢光^[1]。雖至今還沒有完整的科學證據及理論可解釋此獨特放光性質，但一般相信它的放光性質和其表面及核的組成有關；即它的發光和電子電洞對、量子侷限效應與邊緣效應（edge effect）有關。因此，碳點的吸收和放光性質與碳點的表面缺陷、電荷分布與大小有關。與大部分發光奈米粒子(如金屬團簇和半導體量子點)相較，碳點具有相當高的光和化學穩定度。在紫外光連續照射六小時下，其螢光強度變化小於10%。另外，在pH值4.0-10.0間或者在500 mM NaCl水溶液中，其中分散度和螢光強度的變化幾乎可忽略。

常見碳點合成方法為水熱法，但需使用較昂貴的熱或微波反應爐、耗能且反應時間長，不利於課堂演示或學生操作。本研究團隊開發了低耗能、低成本及快速的電化學合成法，使起始物碳源經過氧化(oxidation)、聚合(polymerization)、碳化(carbonization)與鈍化(passivation)的過程形成碳點^[2]。此反應可利用一個簡易的電化學反應裝置和少量的起始物碳源，進行快速且安全反應，因此方便於教學實驗室教學、課堂上演示、或學生課後自行操作。

透過起始物碳源的選擇，可產生具有光學性質、表面官能基團和水中分散度不同的碳點，有利於針對分析物性質開發靈敏度高且具選擇性的螢光奈米感測器。本文利用組胺酸(histidine)前驅物，與碘化鈉(sodium iodide)、氫氧化鈉配製成水溶液，在室溫、鹼性(約pH
9.0)及10伏特的恆定電壓下，製備碳點水溶液。藉由碳點和銅離子作用會形成Cu^2＋-histidine錯合物及引發電荷轉移，進而使碳點的螢光淬滅的現象，檢測水樣品中的銅離子。

器材與藥品

1.  電化學反應設備，含電化學反應器、反應槽(含2mm碳電極2支)和420-nm LED光源1支，皆購自http://kaishinedu.com。

2.  10和25mL量瓶各一個(若無或僅半定量實驗，可用量筒取代)、10與1mL針筒、0.22小飛碟濾膜各1個，20mL 玻璃樣品瓶8個。

3.  組胺酸反應試劑：秤取組胺酸鹽酸鹽1.34克與碘化鈉1.5克，溶於7 mL的純水中。完全溶解後，再加入0.4克氫氧化鈉，待完全溶解後，再加水至10mL。

4.  磷酸緩衝液(200 mM, pH 3.0)：將0.3mL磷酸與0.075g二水合磷酸二氫鈉依序緩慢加至20mL純水中，完全溶解後，再加水至25mL。

5.  金屬離子溶液：分別準備10 mM 氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、氯化鐵、氯化銅、氯化鋅水溶液(含10 mM 鹽酸)，各10 mL。

 

合成碳點

1.  取7mL組胺酸反應試劑，倒入反應槽中，蓋上反應槽蓋子，接上反應座的連接線與電源線，如圖1。

圖1:電化學反應器

2.  開啟電源進行反應，觀察反應槽內的變化，可發現溶液由無色透明慢慢變成黃色，再漸漸變成深棕色，如圖2所示。20分鐘後關閉電源。(注意：反應過程中會產生少量氣體與高熱，請在通風良好處進行實驗，且小心燙傷)

圖2：反應過程中，溶液顏色變化情形。

3.  靜置10分鐘，待反應槽降溫後，以10mL針筒取碳點溶液，並以小飛碟濾膜過濾溶液，放入乾淨樣品瓶中備用。

4.  取0.1mL 碳點溶液，加入9.9mL 純水，配製成稀釋100倍的碳點稀釋液。

5.  取1個乾淨樣品瓶，瓶外標示control(控制組)，加入4 mL純水後，分別加入0.5mL 磷酸緩衝液與0.5mL碳點稀釋液，搖晃混合均勻後，再以420-nm LED燈照射，可看到溶液發出青綠色的光。

以碳點檢驗水溶液中銅離子

1.  取6個乾淨樣品瓶，分別標示鉀、鎂、鈣、鐵、銅與鋅，每個樣品瓶都加入3.9mL純水、0.5mL 磷酸緩衝液與0.5mL碳點稀釋液，搖晃混合均勻。

2.  取0.1mL氯化鉀水溶液，加入標示「鉀」的樣品瓶；取0.1mL氯化鎂水溶液，加入標示「鎂」的樣品瓶，依此方式，將各種金屬離子溶液，分別加到標示對應金屬的樣品瓶中，搖晃混合均勻，觀察到各溶液顏色相近，如圖3(a)所示。

3.  靜置10分鐘後，再個別使用420-nm LED燈照射，觀察每一瓶溶液（包含control）發出的螢光，觀察到加了銅離子的溶液沒有螢光，其餘金屬離子的溶液與控制組發出顏色相同及強度相近的螢光，如圖3(b)所示。

(a)(b)

圖3：(a)未照光，(b)在420-nmLED燈激發下，溶液放光情形。

4.  若實驗室有螢光儀，我們可以對控制組與含銅離子溶液進行定量檢測，發現以波長420nm 光源激發，最大放光波長為505nm，加入銅離子的溶液，在波長505nm的螢光強度比控制組減少了約80%(圖4)。若對碳點溶液進行透析純化(將5 mL碳點溶液置於RC膜透析袋(MWCO=100-500D)，於水中進行24小時的透析)，更可對不同濃度(0-20mM)銅離子溶液進行定量，其相對螢光強度對於銅離子濃度0.3-3.0μM呈線性關係(R² = 0.99)(圖5)，且此方法之偵測極限為0.1μM。

圖4：控制組與含銅離子溶液之螢光光譜圖，激發波長：420nm。

圖5：相對螢光強度對不同銅離子濃度(0.3-3.0μM)的關係圖。

檢測溶液含有透析純化後的點溶液(稀釋1000倍)，與20mM pH 3.0磷酸緩衝液。及分別為銅離子加入前後，碳點在波長420nm的光激發下，放光波長在505nm之螢光強度。

安全注意與廢棄物處理

1.  產生碳點的過程中會產生熱，故反應完畢後先靜置10分鐘，使反應槽降溫後再拿，也可以使用水浴降溫或戴棉織手套拿反應槽。

2.  含鐵、銅、鋅溶液請回收後交由專業廢棄物清理廠商處理，其餘可直接倒入水槽排放。

3.     實驗完畢後，陽極碳棒會沈積膠狀物質，可以純水清洗與衛生紙擦拭後去除。碳棒可重複使用。 

結論

本實驗利用了簡易的電化學方法合成碳點，藉由溶液顏色和螢光來了解碳點的基本光學特性，最後藉由螢光淬滅來檢測水中的銅離子。實驗過程中不使用任何有毒與有機溶液、所需時間短，實驗結果易觀察、產生的廢液量少等優點，提供各位教師一個奈米課程教學的示範實驗。 

參考文獻

1.     Hsu, P.-C.; Shih, Z.-Y.; Lee, C.-H.; Chang, H.-T.* Green Chem. 2012, 14, 917-920.

2.     Wang, C.-I.; Wu, W.-C.; Periasamy, A. P.; Chang, H.-T.* Green Chem. 2014, 16, 2509-2514.