曾　強(qiáng)，朱浩波，朱紅艷，朱小利，戴昌雄，鄧　淳，何　瑜，張修華，宋功武

(1.武漢紅金龍印務(wù)股份有限公司，湖北 武漢 430056；2.湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062)

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氮摻雜碳點(diǎn)的制備及在六價(jià)鉻檢測(cè)中的應(yīng)用

曾強(qiáng)1，朱浩波1，朱紅艷1，朱小利1，戴昌雄1，鄧淳2，何瑜2，張修華2，宋功武2

(1.武漢紅金龍印務(wù)股份有限公司，湖北 武漢 430056；2.湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062)

摘要：以破壁靈芝孢子粉為碳源、尿素為含氮摻雜劑，采用一步超聲法制備了氮摻雜熒光碳點(diǎn)(N-CDs)，并將其作為熒光探針檢測(cè)Cr(6+)。向碳點(diǎn)溶液中加入Cr(6+)后，碳點(diǎn)熒光發(fā)生了猝滅，表明碳點(diǎn)與Cr(6+)發(fā)生了作用，并在Cr(6+)濃度為0～300 μmol·L(-1)范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度變化值與Cr(6+)濃度表現(xiàn)出良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9818，檢出限為0.3 μmol·L(-1)。在實(shí)際樣品檢測(cè)中，回收率較好，為94%～102%，說(shuō)明所制N-CDs可用于Cr(6+)的檢測(cè)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Cr(6+)；靈芝孢子粉；熒光碳點(diǎn)；氮摻雜；熒光檢測(cè)

鉻是一種重要的金屬元素，廣泛應(yīng)用于電鍍、制革、染料及冶金工業(yè)中[1]。在環(huán)境中主要以Cr3+和Cr6+兩種形式存在[2]。鉻的毒性與其所處化學(xué)價(jià)態(tài)有關(guān)[3]，Cr3+為人體所需微量元素[4]，主要功能為促進(jìn)人體糖類(lèi)[5]、蛋白質(zhì)[6]和脂類(lèi)的新陳代謝及人體生長(zhǎng)發(fā)育[7-8]，而Cr6+對(duì)人體有毒，易穿透細(xì)胞并在細(xì)胞內(nèi)沉積，其強(qiáng)氧化性可引起腎臟、肝臟、神經(jīng)系統(tǒng)和血液的廣泛病變[9]。因此，對(duì)Cr6+的檢測(cè)顯得十分必要。

熒光碳點(diǎn)(fluorescentcarbondots，CDs)[10]是繼量子點(diǎn)之后又一種新型的熒光納米材料，具有良好的發(fā)光性能與小尺寸特性，而且還具有很低的生物毒性和良好的生物相容性[11]，克服了傳統(tǒng)熒光染料的缺點(diǎn)，在細(xì)胞成像[12]、標(biāo)記[13]及檢測(cè)[14]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望代替量子點(diǎn)成為最具應(yīng)用前景的環(huán)保型熒光納米材料。

作者以破壁靈芝孢子粉為碳源、尿素為含氮摻雜劑，采用一步超聲法制備氮摻雜熒光碳點(diǎn)(N-CDs)，并將其作為熒光探針檢測(cè)環(huán)境水樣中Cr6+。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

靈芝孢子粉；尿素，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二次去離子水。

LS55型熒光分光光度計(jì)、Spectrumone型傅立葉變換紅外分光光度計(jì)、Lambda35型紫外分光光度計(jì)，美國(guó)Perkin-Elmer公司；TecnaiG20型透射電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司；DTC-8型超聲波清洗機(jī)，鼎泰(湖北)生化科技設(shè)備制造有限公司。

1.2方法

1.2.1N-CDs的制備及表征

準(zhǔn)確稱取1 g破壁靈芝孢子粉溶于100 mL去離子水，向其中加入1 g尿素，攪拌均勻，超聲反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，離心抽濾，得到淡黃色上清液即為N-CDs溶液，將其稀釋100倍，4 ℃儲(chǔ)存，備用。

通過(guò)熒光光譜、TEM、FTIR、UV-Vis對(duì)制備的N-CDs進(jìn)行表征。

1.2.2N-CDs的穩(wěn)定性

N-CDs在應(yīng)用中會(huì)受到環(huán)境酸堿度及離子強(qiáng)度的影響，測(cè)定N-CDs溶液在pH值2～12、KCl溶液濃度在0～100 mmol·L-1范圍內(nèi)的440 nm處的熒光強(qiáng)度，考察酸堿度和離子強(qiáng)度對(duì)N-CDs熒光性質(zhì)的影響。

1.2.3N-CDs對(duì)Cr6+的檢測(cè)

配制一系列不同濃度(0～300 μmol·L-1)的鉻酸鉀溶液，與N-CDs溶液混合。在900 V電壓、激發(fā)與發(fā)射狹縫分別為15 nm和20 nm的條件下，固定激發(fā)波長(zhǎng)325 nm，測(cè)定體系熒光強(qiáng)度，得到熒光猝滅譜圖。

2結(jié)果與討論

2.1N-CDs的表征(圖1)

圖1　N-CDs的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜(a)、透射電鏡照片(b)、紅外光譜(c)、紫外光譜(d)

由圖1a可知，制備的N-CDs具有良好的熒光特性，激發(fā)峰和發(fā)射峰分別在325 nm和440 nm處，表明N-CDs可以用于熒光方面的應(yīng)用。由圖1b可知，制備的N-CDs粒度均一，分散性好，粒徑為2 nm左右，符合碳點(diǎn)基本特性。由圖1c可知，3 443 cm-1、3 350 cm-1為氨基伸縮振動(dòng)峰，1 671 cm-1為氨基彎曲振動(dòng)峰，表明成功摻雜了氮。由圖1d可知，N-CDs在250 nm處具有紫外吸收。

2.2N-CDs的穩(wěn)定性(圖2)

由圖2a可知，在pH值為2～12時(shí)，N-CDs的熒光強(qiáng)度變化不大，表明N-CDs具有良好的pH值穩(wěn)定性。由圖2b可知，在不同濃度KCl溶液中，N-CDs在440 nm處的熒光強(qiáng)度與未加KCl的熒光強(qiáng)度幾乎一致，表明制備的N-CDs在較高離子強(qiáng)度溶液中具有良好的穩(wěn)定性。

圖2N-CDs在不同pH值(a)和離子強(qiáng)度(b)下的熒光強(qiáng)度

Fig.2The fluorescence intensity of N-CDs at different pH values(a) and ionic strengths(b)

2.3N-CDs檢測(cè)Cr6+的可行性

為探究所制備的N-CDs檢測(cè)溶液中Cr6+的可行性，測(cè)定了加Cr6+前后N-CDs的熒光發(fā)射光譜，見(jiàn)圖3。

圖3　加Cr6+前后N-CDs的熒光發(fā)射光譜

由圖3可知，加Cr6+后N-CDs溶液在440 nm處熒光強(qiáng)度極大降低，發(fā)生了猝滅，表明制備的N-CDs具有檢測(cè)Cr6+的可行性。

環(huán)境酸堿度不僅可能影響N-CDs熒光強(qiáng)度，也可能會(huì)影響N-CDs在檢測(cè)中對(duì)目標(biāo)物的熒光響應(yīng)性，測(cè)試150 μmol·L-1Cr6+在不同pH值環(huán)境中對(duì)N-CDs熒光強(qiáng)度猝滅百分比，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　不同pH值下Cr6+對(duì)N-CDs熒光強(qiáng)度猝滅百分比

由圖4可知，在pH值為2和3的條件下，Cr6+對(duì)N-CDs熒光強(qiáng)度猝滅百分比最大，響應(yīng)最靈敏，故選取溶液pH值為3作為最佳檢測(cè)條件。

在pH值為3的條件下，考察不同濃度Cr6+對(duì)N-CDs熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　不同濃度Cr6+對(duì)N-CDs熒光強(qiáng)度的影響

由圖5可知，N-CDs熒光強(qiáng)度隨著Cr6+濃度的增大而逐漸減弱，說(shuō)明Cr6+與N-CDs發(fā)生了相互作用，并且猝滅十分明顯，表明N-CDs可以應(yīng)用于Cr6+檢測(cè)。

為驗(yàn)證N-CDs對(duì)Cr6+檢測(cè)的靈敏度，測(cè)定440 nm處N-CDs溶液加Cr6+前后的熒光強(qiáng)度(F0、F)，由F0/F對(duì)Cr6+濃度作圖(圖6)，得到檢測(cè)Cr6+的工作曲線，線性擬合方程為F0/F=0.732+0.011cCr6+，相關(guān)系數(shù)R2=0.9818。Cr6+濃度線性范圍為0～300 μmol·L-1，檢出限為0.3 μmol·L-1，表明該檢測(cè)方法可行，并且檢測(cè)靈敏。

2.4離子選擇識(shí)別性

N-CDs在檢測(cè)Cr6+過(guò)程中，可能會(huì)受到環(huán)境中各種金屬離子的干擾，對(duì)N-CDs檢測(cè)Cr6+的靈敏度進(jìn)行了選擇識(shí)別性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在pH值為3、Cr6+濃度為200 μmol·L-1的條件下，測(cè)試了環(huán)境中的其它12種濃度為1 mmol·L-1的金屬離子(Ni2+、Mn2+、Co2+、Fe2+、Fe3+、Ag+、Mg2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+、Hg2+、Cr3+)對(duì)N-CDs熒光強(qiáng)度猝滅百分比，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖6　440 nm處熒光強(qiáng)度與Cr6+濃度關(guān)系

圖7　N-CDs對(duì)Cr6+選擇識(shí)別性

由圖7可知，12種金屬離子對(duì)N-CDs熒光響應(yīng)較小，表明N-CDs對(duì)Cr6+的選擇識(shí)別性較好。

2.5實(shí)際樣品檢測(cè)

分別對(duì)長(zhǎng)江水、東湖水、沙湖水進(jìn)行簡(jiǎn)單過(guò)濾后，進(jìn)行加標(biāo)回收測(cè)試，N-CDs對(duì)3種未稀釋實(shí)際水樣中的Cr6+加標(biāo)回收檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1

實(shí)際樣品檢測(cè)結(jié)果(n=3)

Tab.1The detection results of real samples(n=3)

樣品加入量μmol·L-1測(cè)得值μmol·L-1回收率/%長(zhǎng)江水6058.64±0.3598±0.59東湖水6059.28±1.6099±2.67沙湖水6056.85±0.4595±0.75

由表1可知，N-CDs在實(shí)際樣品檢測(cè)中的結(jié)果達(dá)到期望值，回收率均在94%～102%之間，適合微量分析，說(shuō)明制備的N-CDs在Cr6+檢測(cè)中具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2.6N-CDs熒光檢測(cè)Cr6+的機(jī)理

熒光猝滅機(jī)理通常分為2種：動(dòng)態(tài)猝滅和靜態(tài)猝滅。動(dòng)態(tài)猝滅機(jī)理一般用Stern-Volmer方程(式1)描述；靜態(tài)猝滅機(jī)理則用Lineweaver-Burk方程(式2)解釋。

F0/F=1+KSVcq

(1)

1/(F0-F)=1/F0+KLB/(F0cq)

(2)

式中：F、F0分別是猝滅劑存在與不存在下體系的熒光強(qiáng)度；KSV為動(dòng)態(tài)猝滅常數(shù)(即Stern-Volmer猝滅常數(shù))，KLB為靜態(tài)猝滅常數(shù)(即Lineweaver-Burk猝滅常數(shù))；cq為猝滅劑濃度。

以不同濃度猝滅劑存在下的熒光強(qiáng)度F0/F對(duì)猝滅劑濃度作圖，得到線性方程F0/F=0.732+0.011cCr6+，線性相關(guān)系數(shù)為0.9818，表明Cr6+猝滅N-CDs遵循Stern-Volmer方程，屬于動(dòng)態(tài)猝滅，說(shuō)明熒光猝滅可能是Cr6+與激發(fā)態(tài)的N-CDs發(fā)生相互碰撞而導(dǎo)致的。

為了進(jìn)一步討論Cr6+的檢測(cè)機(jī)理，考察了加Cr6+前后N-CDs的紫外光譜，見(jiàn)圖8。

圖8　N-CDs的熒光猝滅機(jī)理

由圖8可知，Cr6+在350 nm處的紫外吸收峰與N-CDs在325 nm處的熒光激發(fā)峰部分重合，在440 nm處的紫外吸收峰與N-CDs在440 nm處的熒光發(fā)射峰重合，說(shuō)明在檢測(cè)過(guò)程中，Cr6+不僅能吸收N-CDs的激發(fā)能量也能吸收N-CDs的發(fā)射能量，即檢測(cè)過(guò)程中存在能量傳遞行為[15]。

3結(jié)論

以破壁靈芝孢子粉為碳源、尿素為含氮摻雜劑，采用一步超聲法制備了N-CDs。所制備的N-CDs粒徑為2 nm左右，粒度均一，熒光性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)Cr6+選擇識(shí)別性好，可以作為Cr6+熒光探針。在Cr6+濃度為0～300 μmol·L-1范圍內(nèi)N-CDs熒光強(qiáng)度變化值與Cr6+濃度表現(xiàn)出良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9818，檢出限為0.3 μmol·L-1。N-CDs對(duì)Cr6+的檢測(cè)靈敏度較高，并且在實(shí)際樣品檢測(cè)中得到預(yù)期結(jié)果，表明制備的N-CDs可以較好地應(yīng)用于實(shí)際樣品檢測(cè)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該方法簡(jiǎn)單快速，測(cè)定條件溫和，極具推廣價(jià)值。

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Preparation of Nitrogen Doped Carbon Dots and Their Application as Fluorescence Probe for Cr6+Detection

ZENG Qiang1，ZHU Hao-bo1，ZHU Hong-yan1，ZHU Xiao-li1,DAI Chang-xiong1，DENG Chun2，HE Yu2,ZHANG Xiu-hua2,SONG Gong-wu2

(1.WuhanHongjinlongPrintingCo.,Ltd.,Wuhan430056，China；2.CollegeofChemistry&ChemicalEngineering，HubeiUniversity，Wuhan430062，China)

Abstract：In this paper,using the Ganoderma lucidum spores as a carbon source,urea as a nitrogen dopant,nitrogen doped fluorescent carbon dots(N-CDs) were prepared with one-step ultrasound method.The prepared N-CDs were used as a fluorescence probe for Cr(6+) detection.The fluorescence intensity of N-CDs quenched after adding Cr(6+).The fluorescence intensity showed a good linear relationship with the concentration of Cr(6+) range from 0 to 300 μmol·L(-1),the correlation coefficient was 0.9818 and the detection limit was 0.3 μmol·L(-1).The recoveries of real samples were 94%～102%,which indicated a good practical application of N-CDs.

Keywords：chromium(Ⅵ);Ganoderma lucidum spores;fluorescent carbon dots;nitrogen doped;fluorescence detection

中圖分類(lèi)號(hào)：O 613.71

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2016)03-0048-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.03.013

作者簡(jiǎn)介：曾強(qiáng)(1980-)，男，湖北武漢人，工程師，研究方向：環(huán)境分析，E-mail：zengqiang@hjlprint.com。

收稿日期：2015-12-28