韓愛霞,王玉環(huán)，謝亞典，謝榮榮，楊 歡，吳瑞鑫，劉興亮

(青海大學化工學院， 青海 西寧 810016)

碳點(Carbon Dots，CDs)以其優(yōu)異的熒光性能、激發(fā)/發(fā)射可調(diào)、細胞毒性低、水溶性好、應用廣泛等優(yōu)點受到越來越多的關注[1]。而在CDs中等效摻雜一些雜原子，并在其結(jié)構(gòu)中引入電子施主或受主，賦予了CDs不同于純CDs的一些新的性能[2]。如Xu等[3]通過水熱法合成N摻雜CDs(NCDs)，然后用于亞硝酸鹽的檢測和多色細胞成像。Zhou等[4]合成了一種P摻雜CDs (P-CDs)，具有量子產(chǎn)率高達25%、細胞毒性低、生物標記能力突出的特點。其中，N摻雜CDs的使用最多，因為N原子與C原子有一定的相似性，且N原子中的孤對電子以及在CDs內(nèi)部結(jié)構(gòu)中引入的缺陷位點，可以改變NCDs的電子環(huán)境，有效提高其熒光性能[5]。

汞離子(Hg2+)是一種有毒的重金屬離子，容易通過食物聚集在人體內(nèi)，會對人體神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、腎臟、肝臟[6]等造成損害。同時，因其不能迅速被生物降解也造成了嚴重的環(huán)境問題。因此，對微量Hg2+的檢測是非常必要的。常用的Hg2+測定分析技術有原子吸收/發(fā)射光譜(AAS/AES)、紫外-可見光譜(UV-Vis)、X射線吸收光譜(XAS)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和極譜等[7-8]。但是，這些方法在準確檢測Hg2+方面都存在一定的缺陷。近年來，各種基于CDs/NCDs的熒光探針被開發(fā)用于測定Hg2+。

本文以生物質(zhì)廢棄物豌豆莢和乙二胺分別作為碳前體和氮前體，通過簡單的水熱合成方法，制備了一種新型的NCDs。對制備的NCDs用多種儀器分析技術進行結(jié)構(gòu)表征和性能測試并將其成功用于Hg2+的測定。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

豌豆莢(購于青海省西寧市小橋農(nóng)貿(mào)市場)使用前先用超純水徹底超聲清洗，榨汁備用。尿素、乙二胺、二乙醇胺、三聚氰胺均購自天津市大茂化學試劑廠，所有試劑均為分析純；實驗全程使用超純水。

Shimadzu UV-2550分光光度計(日本Shimadzu公司)； Perkin Elmer Spectrum Ⅱ光譜儀(美國Perkin Elmer 公司)；Cary Eclipse 熒光分光光度計(美國Agilent公司)；Rigaku D/Max 2500 PC X射線衍射儀(日本Rigaku公司)；JEOL JEM-1200EX透射電鏡(日本電子株式會社JEOL)；Thermo scientific ESCALABTM 250Xi X 射線光電子能譜儀(美國Thermo公司)；Milli-Q Direct 16 超純水系統(tǒng)(德國Merck Millipore公司)；聚四氟乙烯反應釜；101F3-D 恒溫干燥箱(上海申光公司)；冷凍干燥機(上海普若邁德公司)；H2050R-1 型高速離心機(湖南湘儀公司)；MWCO=1 kD的透析袋。

1.2 NCDs的制備與提純

將5 mL豌豆莢汁、1.33 mL乙二胺加到50 mL 的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，再加入超純水至30 mL，攪拌均勻并超聲趕走氣泡。將聚四氟乙烯內(nèi)襯密封進反應釜中，擰緊釜蓋，放入預熱好的200 ℃恒溫干燥箱中，水熱反應20 h后將反應釜自然冷卻至室溫。取上清液離心 (12 000 r/min，20 min)，所得清液用MWCO=1 kD 的透析袋透析(25 ℃，60 r/min攪拌，8 h換水) 24 h，收集透析袋內(nèi)液體，得到純化的碳點溶液。將純化的碳點溶液預冷凍成冰狀，放入預冷好的真空冷凍干燥機中凍干，可得碳點粉末。

1.3 NCDs對重金屬離子的檢測

配制NCDs溶液(0.05 g/L，3.0 mL)；配制0.1 mol/L的金屬離子(Hg2+、Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Mn2+、Pb2+)硝酸鹽溶液作為測試液。

第一組實驗中，將3.0 μL金屬離子硝酸鹽溶液分別添加到NCDs溶液中，混合均勻后在419 nm處檢測NCDs熒光強度的變化。

第二組實驗中，在競爭離子存在的NCDs溶液中加入Hg2+，檢測Hg2+與其他金屬離子的競爭能力，測定NCDs的熒光強度變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 NCDs形貌的表征

通過XRD圖譜和TEM圖像表征NCDs形貌的特征。NCDs的XRD圖譜如圖1a所示，在21.5°附近有一個較寬的衍射峰，由布拉格公式計算可得晶面間距d為0.41 nm，對應為石墨無定形結(jié)構(gòu)[9]。圖1b為NCDs的TEM圖像，其內(nèi)嵌圖為NCDs的粒徑分布，統(tǒng)計520個NCDs的粒徑可知平均粒徑為2.42 nm，粒徑主要分布在1.59～3.96 nm內(nèi)，由此可知以豌豆莢為碳源制備的碳點粒徑很小，很均勻。

圖1 NCDs的XRD圖譜和TEM圖像Fig.1 XRDFigure and TEM image of NCDs

2.2 NCDs元素與官能團的表征

圖2 NCDs元素與官能團的表征Fig.2 Characterization of NCDs elements and functional groups

圖3 NCDs的FTIR光譜 Fig.3 FTIR spectrum of NCDs

2.3 NCDs光學性能的表征及檢測機理

為測試合成的NCDs有無其他碳點具有的激發(fā)波長依賴特性，在不同激發(fā)波長激發(fā)下掃描其發(fā)射光譜，結(jié)果如圖4b所示。NCDs的激發(fā)波長從300 nm增至420 nm時，其最大發(fā)射波長從417 nm紅移至485 nm，熒光強度先升高后降低，在340 nm激發(fā)時熒光強度達到最高，NCDs具有激發(fā)波長依賴性[14]。

圖4 NCDs光學性能的表征Fig.4 Characterization of optical properties of NCDs

2.4 NCDs對重金屬Hg2+的檢測

2.4.1 選擇性和競爭性

如圖5a所示，在Hg2+、Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Mn2+、Pb2+等金屬離子中， Hg2+淬滅NCDs的熒光效果明顯，這表明NCDs 對Hg2+測定的選擇性比較高。

從圖5b可以看出，將Hg2+分別加入競爭金屬離子存在的NCDs溶液中，NCDs的熒光淬滅程度與Hg2+單獨加入NCDs溶液時的熒光淬滅程度幾乎一致，這說明Hg2+與其他金屬離子相比有較強的競爭能力。

圖5 NCDs對不同金屬離子的響應結(jié)果及在其他金屬離子存在時對Hg2+的響應結(jié)果Fig.5 Response of NCDs to different metal ions and Hg2+in the presence of other metal ions

2.4.2 工作曲線及檢測限測定

測定NCDs原溶液的熒光光譜，然后加入Hg2+溶液，并在340 nm激發(fā)波長下掃描每次加入Hg2+溶液后的熒光光譜，如圖6a所示。取其峰值 (419 nm) 處的熒光強度 (FL) 與加入Hg2+溶液的濃度 (c) 作圖并擬合可得工作曲線，結(jié)果顯示Hg2+溶液的濃度(0～300 μmol/L)與熒光強度之間成良好的線性關系(圖6b)，通過擬合及計算可得其線性關系表達式：FL=-8.11×c+421.28。根據(jù)檢出限(LOD)的計算公式LOD=3σ/K(σ是11次空白測定的標準偏差，K是工作曲線的斜率)，計算得到檢出限為2.36 μmol/L。

圖6 NCDs對Hg2+的熒光滴定光譜及工作曲線Fig.6 Fluorescence titration spectrum and working curve of NCDs for Hg2+

3 討論與結(jié)論

本文以豌豆莢和乙二胺為前體，采用水熱法合成了NCDs，通過熒光淬滅可以在0～300 μmol/L線性范圍內(nèi)選擇性檢測重金屬Hg2+，檢出限低至2.36 μmol/L。目前已有一些NCDs用于檢測Hg2+的文獻報道，Li等[15]以橙汁和乙二胺為原料合成NCDs，該NCDs的熒光強度比在4.0～32.0 μg/mL范圍內(nèi)與Hg2+濃度成正比，加標樣品的回收率為102.0%～103.0%。Singh等[16]用檸檬酸和二氨基吡啶為原料合成了一種NCDs，對Hg2+測定的線性范圍在0.2～1.2 μmol/L，檢出限低至 0.08 μmol/L。與以上研究相比，本研究為NCDs的制備提供了新原料，給Hg2+的檢測提供了新材料，實現(xiàn)了對生物質(zhì)廢棄物豌豆莢的高效利用，符合綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的理念。