陳志燕， 孟冬玲， 華建豪， 楊亞玲*

(1.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣西南寧 530001;2.昆明理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650500)

Hg2 +是毒性較高的重金屬離子之一，被公認(rèn)為最危險(xiǎn)且普遍存在的污染物之一[1]，它能夠通過食物鏈產(chǎn)生富集效果，最終在人體內(nèi)累積，破壞人體中樞神經(jīng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)，對(duì)人類的健康和生命造成嚴(yán)重威脅[2]。Hg2+的檢測方法有比色法[3]、電化學(xué)法[4]、熒光光譜法[5]及原子發(fā)射光譜法[6]等。目前，國內(nèi)檢測Hg2+常用的方法為原子熒光光譜法，相比于其它幾種分析方法，熒光探針技術(shù)[7]因具有高靈敏度、高效率的優(yōu)點(diǎn)[8]而成為研究的熱點(diǎn)。

熒光碳量子點(diǎn)(CQDs) 是一種尺寸在10 nm 以內(nèi)且單分散性的準(zhǔn)球形熒光碳納米材料[9 - 10]，它是繼富勒烯、碳納米管及石墨烯之后最熱門的碳納米材料之一。CQDs憑借其優(yōu)異的生物安全性，綠色環(huán)保性，光致發(fā)光性，親水性，化學(xué)及光穩(wěn)定性，易于功能化及電子學(xué)特性等，使其已開始應(yīng)用于熒光探針[11]、細(xì)胞顯影[12]、生物標(biāo)記[13]等領(lǐng)域。合成CQDs的碳源包括無機(jī)和有機(jī)兩種，無機(jī)碳源主要為石墨、活性碳、單/多壁碳納米管和油煙等；有機(jī)碳源主要為碳水化合物、檸檬酸及檸檬酸銨鹽和其他含碳化合物等。制備的方法包括電弧放電法[9]、激光刻蝕法[14]、化學(xué)氧化法[15]、水熱法[16]、超聲處理[17]和微波輻射法[18]。其中，水熱法被認(rèn)為是一種簡單、高效制備熒光CQDs點(diǎn)的方法。

本文以乙二胺為氮源、檸檬酸為碳源，采用一步水熱法制備了一種氮摻雜的，具有高熒光量子產(chǎn)率、良好熒光穩(wěn)定性和水溶性的藍(lán)色氮摻雜碳量子點(diǎn)(N-CQDs)。研究了N-CQDs對(duì)Hg2+的識(shí)別效果，在痕量Hg2+存在下，能夠選擇性的發(fā)生熒光猝滅。猝滅率(F/F0)與Hg2+濃度在0.01～1.0 mg/L之間存在良好的線性關(guān)系，檢出限達(dá)8.6 μg/L，是一種極為有效的Hg2+的熒光檢測劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

G9800A熒光分光光度計(jì)(美國，安捷倫公司)；Tecnai G2 TF30場發(fā)射透射電子顯微鏡(荷蘭，F(xiàn)EI公司)；TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀(德國，BRUKER公司)；X-射線光電子能譜儀(賽默飛世爾科技)；SK-1型快速混勻器(金壇市國旺實(shí)驗(yàn)儀器廠)；HC-3018R型高速離心機(jī)(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司)；120 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯水熱反應(yīng)釜(上海-凱實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

甘氨酸(阿拉丁試劑)，檸檬酸、乙二胺、NaH2PO4、NaOH、MgCl2、AlCl3·6H2O、Pb(NO3)2、CuCl2、ZnCl2、SnCl2·2H2O、FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、AgNO3、HgCl2、CdCl2、CoCl2·6H2O，均為分析純(天津市化學(xué)試劑三廠)。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1N-CQDs的制備準(zhǔn)確稱取0.5 g檸檬酸，溶于100 mL超純水，超聲10 min后，再加入3 mL乙二胺，室溫下攪拌10 min，將溶液倒入聚四氟乙烯內(nèi)襯水熱反應(yīng)釜中，于180 ℃恒溫加熱5 h，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，得深藍(lán)色溶液。將所得溶液過0.22 μm濾膜以除去大顆粒雜質(zhì)，再經(jīng)10 000 r/min高速離心15 min，得到N-CQDs，并于4 ℃下儲(chǔ)存，備用。

1.2.2量子產(chǎn)率的測定N-CQDs配制成溶液后，測試其紫外-可見吸收光譜及熒光光譜(λex=350 nm)。將熒光峰的積分面積F及相應(yīng)的吸收值A(chǔ)(λem=440 nm)代入如下公式：

Φx=ΦS(nx/nS)2(AS/Ax)(Fx/FS)

(1)

式中，Φx為測試樣品的熒光量子效率，ΦS表示標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熒光量子效率，n表示溶劑的折光指數(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)物為硫酸奎寧(熒光量子效率為84%)。計(jì)算得到的熒光量子產(chǎn)率為20.03%。

1.2.3測定方法取適量儲(chǔ)存溶液，用甘氨酸-NaOH緩沖溶液(pH=7.0)稀釋5 000倍得到無色透明的N-CQSs點(diǎn)溶液，于激發(fā)波長λex=350 nm，發(fā)射波長λem=440 nm處測定熒光強(qiáng)度。室溫下加入不同量的Hg2+，渦旋使充分混勻，靜置反應(yīng)10 min后，測定相應(yīng)的熒光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示。

圖1 氮摻雜碳量子點(diǎn)(N-CQDs)的制備及檢測Hg2+的原理示意圖Fig.1 Schematic illustration showing the preparation of nitrogen doped carbon quantum dots(N-CQDs) and their application for Hg2+ detection

2 結(jié)果與討論

2.1 N-CQDs的表征及性質(zhì)研究

圖2(A)為N-CQDs的透射電鏡(TEM)圖。從圖中可以看出，所制備的N-CQDs呈圓球形，分散性好，且尺寸均一，平均尺寸3 nm左右。圖2(B)為N-CQDs的傅里葉變換紅外(FI-IR)光譜圖。如圖2(B)所示，在1 669、3 181 cm-1處分別為N-H的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)[19]。在1 047、1 175、1 402 cm-1處分別為C-H、C-C和C=C的伸縮振動(dòng)，3 181、1 669 cm-1處分別是O-H和C=O的伸縮振動(dòng)[20]。說明N-CQDs表面有氨基、羧基和其他含氧官能團(tuán)的存在。

采用X-射線衍射儀(XRD)對(duì)N-CQDs進(jìn)行分析，圖2(C)為所得譜圖，掃描范圍為5°～90°，N-CQDs具有一定的晶型結(jié)構(gòu)，其衍射峰在2θ= 25.98°處出現(xiàn)寬峰，為碳的特征衍射峰。采用X-射線光電子能譜(XPS)對(duì)N-CQDs的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，圖2(D)為N-CQDs的XPS全譜圖，在533.6、283.3 eV處有兩個(gè)峰，分別為O ls和C ls。圖2(E)為N-CQDs的C ls譜圖，圖2(F)為N-CQDs的O ls譜圖，可以發(fā)現(xiàn)283.3、401.0、533.6 eV的三個(gè)強(qiáng)特征峰分別為C ls、N ls和O ls，N-CQDs主要由碳元素、氧元素、氮元素組成。從圖2(E)中C ls 分峰可知，N-CQDs表面的碳元素主要形成了sp2雜化的C=C/C-C(283.3 eV)，C-N(285.1 eV)以及C=O(287.15 eV)。說明碳點(diǎn)摻雜N，并且表面富含羥基、羧基等基團(tuán)，與紅外光譜分析相吻合。

圖2 N-CQDs的透射電鏡(TEM)圖(A)，紅外(IR)光譜圖(B)，X-射線衍射(XRD)譜圖(C)，XPS譜圖(D)，C ls高分辨率XPS譜圖(E)和O ls高分辨率XPS譜圖(F)Fig.2 TEM image of the N-CQDs(A),IR spectrum of N-CQDs(B),XRD pattern of the N-CQDs(C),XPS spectrum of N-CQDs(D),C ls high-resolution XPS spectrum(E) and O ls high-resolution XPS spectrum(F)

圖3為N-CQDs的熒光光譜(A)和不同激發(fā)波長下的發(fā)射光譜(B)，(Ex/Em=350/440 nm)。這與365 nm紫外燈下N-CQDs發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光一致(圖3(A)插圖)。圖3(B)是N-CQDs在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜圖。隨著激發(fā)波長的增大，N-CQDs的熒光發(fā)射峰出現(xiàn)紅移，證明其具有熒光轉(zhuǎn)換性質(zhì)。

圖3 N-CQDs的熒光光譜(A)和不同激發(fā)波長下的發(fā)射光譜(B)(插圖：碳量子點(diǎn)溶液在自然光(a)和紫外燈(b)下的圖片)Fig.3 Fluorescence spectra (A) and emission spectra (B) of the N-CQDs with excitation of different wavelength(Insets:the photographs of the N-CQDs in aqueous solution under visible light(a) and UV light(b))

2.2 反應(yīng)條件的優(yōu)化

2.2.1pH值不同pH值溶液中N-CQDs的熒光強(qiáng)度見圖4(A)，在酸性和堿性條件下熒光強(qiáng)度有明顯差異。N-CQDs體系隨著pH的增加，熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，在pH值為9.0時(shí)達(dá)到最大，隨后熒光強(qiáng)度逐漸減弱。在酸性條件下，N-CQDs易發(fā)生質(zhì)子化，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低；在堿性條件下，N-CQDs易發(fā)生去質(zhì)子化，也導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低。

2.2.2反應(yīng)時(shí)間研究了反應(yīng)時(shí)間對(duì)體系熒光強(qiáng)度的影響。測試間從1 min到60 min，每隔5 min測定一次體系熒光強(qiáng)度，體系熒光強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長而減弱，10 min后達(dá)到穩(wěn)定。

2.2.3N-CQDs對(duì)Hg2+的選擇性研究了N-CQDs對(duì)Hg2+的選擇性。如圖4(B)所示，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，50 μg/L的Al3+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Sn2+、Cd2+、Ag+、Pb2+、Fe2+等對(duì)N-CQDs的熒光強(qiáng)度幾乎無影響。在其它金屬離子(濃度為100 μg/L)存在時(shí)，Cu2+和Fe3+對(duì)Hg2+測定有微弱影響，而其余離子幾乎無干擾。這些結(jié)果表明，N-CQDs作為Hg2+探針具有較好的選擇性。與其它金屬離子相比，這可能是由于Hg2+與N-CQDs表面的羧基、羥基之間作用力更強(qiáng)。

圖4 pH(A)和金屬離子(B)對(duì)N-CQDs體系的熒光強(qiáng)度影響Fig.4 Effect of pH (A)and metal ions(B) on the fluorescence intensity of N-CQDs

2.2.4N-CQDs對(duì)Hg2+的響應(yīng)圖5(A)是不同濃度Hg2+對(duì)N-CQDs體系熒光強(qiáng)度的影響。Hg2+濃度在0.01～1.0 mg/L時(shí)與N-CQDs熒光猝滅率呈線性關(guān)系:F/F0=-0.3239+0.4064，R=0.9984。檢出限(S/N=3)達(dá)到8.6 μg/L。圖5(B)是不同濃度Hg2+對(duì)N-CQDs熒光光譜的影響。

圖5 (A)F/F0值與Hg2+的濃度關(guān)系曲線；(B)不同Hg2+濃度對(duì)N-CQDs熒光強(qiáng)度的影響(插圖：不同濃度的Hg2+在N-CQDs溶液中自然光(a)和紫外燈(b)下的圖片)Fig.5 (A)A correlation of F/F0 values with the concentration of Hg2+；(B)Fluorescence response of the N-CQDs upon the addition of different concentrations of Hg2+(Inset:The photographs of the different concentration of Hg2+ in N-CQDs aqueous solution under visible light (a) and UV light (b))

2.3 水樣的檢測

考察了此方法在水樣(湖水、自來水和實(shí)驗(yàn)室廢水)中Hg2+含量測定的可行性。用0.22 μm微孔濾膜將水樣過濾，在15 000 r/min下離心15 min，除去水樣中懸浮的大顆粒物質(zhì)，每個(gè)樣品平行測定5次，水樣中沒有檢測到Hg2+。加標(biāo)回收率在95.1%～104.9% 之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于4.0%。同時(shí)，采用原子熒光光譜法對(duì)照測試(國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ694-2014)，結(jié)果表明兩種方法沒有顯著差異(表1)。因此，此方法可用于水樣中Hg2+的測定。

表1 水樣中Hg2+的測定(n=5)

3 結(jié)論

本研究以檸檬酸和乙二胺為碳源，通過一步水熱法合成了具有高穩(wěn)定性、高熒光量子產(chǎn)率的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)(N-CQDs)，所合成的N-CQDs尺寸均勻，大小約為3 nm，其表面富含-OH、-COOH、-NH2、-CO等官能團(tuán)，使N-CQDs具有良好的水溶性。N-CQDs在紫外光照射下發(fā)藍(lán)色熒光，其熒光量子產(chǎn)率高達(dá)20.03%。作為熒光探針，N-CQDs對(duì)Hg2+檢測具有高選擇性和高靈敏性，檢測限達(dá)8.6 μg/L。

參考文獻(xiàn)：

[1] Clarkson T W,Magos L.Crit Rev Toxicol,2006,36(8):609.

[2] Wu D,Huang X,Deng X,et al.Anal Methods,2013,5(12):3023.

[3] Li T,Dong S J,Wang E K.Anal Chem,2009,81(6):2144.

[4] Liu S J,Nie H G,Jiang J H,et al.Anal Chem,2009,81(14):5724.

[5] Li H L,Zhai J F,Tian J Q,et al.Biosens Bioelectron,2011,26(12):4656.

[6] Han F X,Patterson W D,Xia Y J,et al.Water Air Soil Pollut,2006,170(4):161.

[7] Quang D T,Kim J S.Chem Rev,2010,110(10):6280.

[8] Gong Y J,Zhang X B,Chen Z,et al.Analyst,2012,137(4):932.

[9] Xu X Y,Ray R,Gu Y L,et al.J Am Chem Soc,2004,126(40):12736.

[10] Bourlinos A B,Stassinopoulos A,Anglos D,et al.Chem Mater,2008,20(14):4539.

[11] DENG X Y,LI J Y,TAN K J.Chinese Journal of Analytical Chemistry(鄧小燕,李佳渝,譚克俊.分析化學(xué)),2014,4(42):542.

[12] HUANG L L,WANG Y N,REN G,et al.Journal of Analytical Science(黃莉莉,王艷妮,任崗,等.分析科學(xué)學(xué)報(bào)),2016,32(5):693．

[13] Zhu S,Zhang J,Qiao C,et al.Chem Commun,2011,47(24):6858.

[14] Hu S L,Niu K Y,Sun J,et al.Mater Chem,2009,19(4):484.

[15] Dong Y Q,Zhou N N,Lin X M,et al.Chem Mater,2010,22(21):5895.

[16] Sahu S,Behera B,Maiti T K,et al.Chem Commun,2012,8(70):8835.

[17] Zhuo S J,Shao M W,Lee S T.ACS Nano,2012,6(2):1059.

[18] Wang X,Qu K,Xu B,et al.J Mater Chem,2011,21(8):2445.

[19] Zhu C,Zhai J F,Dong S.Chem Commun,2012,8(75):9367.

[20] Liu H P,Ye T,Mao C D.Angew Chem Int Ed,2007,46(34):6473.