陳寬，何瑜，宋功武

(湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

碳點(diǎn)(CDs)是一類新型熒光納米材料，因其優(yōu)異的發(fā)光性質(zhì)、成本低廉的制備方法以及良好的生物相容性而受到越來越多的關(guān)注[1].這些顯著的優(yōu)點(diǎn)，讓CDs在各個方面尤其是在熒光傳感方面得到了廣泛的應(yīng)用[2].到目前為止，大多數(shù)CDs的發(fā)光集中在藍(lán)綠色，只有少數(shù)CDs具有長波長發(fā)射[3].這可能是由于缺乏足夠的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來幫助我們了解CDs的光致發(fā)光機(jī)制，導(dǎo)致合理地設(shè)計具有更加優(yōu)異發(fā)光性能的CDs仍具有挑戰(zhàn)性.盡管如此，越來越多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓我們找到了修飾CDs的方法，如在合成CDs的過程中引入雜原子，雜原子會參與碳核的形成，可以改善CDs的發(fā)光，進(jìn)一步擴(kuò)展CDs的應(yīng)用[4].如Galal等人利用檸檬酸和胺基硫脲合成高熒光氮、硫共摻雜CDs(N,S-CDs)，作為熒光納米傳感器，首次在不進(jìn)行衍生化的情況下，直接進(jìn)行鹽霉素和馬杜拉霉素的靈敏熒光光譜測試，有效地應(yīng)用于6種原料中分析物的測定[5].Shen等報道了葡萄糖和間苯二胺一步水熱合成高效藍(lán)光氮碳量子點(diǎn)(N-CQDs)的方法,并建立了熒光傳感來檢測鐵離子和鉻酸鹽[6].Ren等以酒石酸和三乙基四胺為原料通過微波輔助法合成高效藍(lán)色熒光氮摻雜CDs，并通過內(nèi)濾效應(yīng)檢測甲硝銼[7].由此可見，合成新的摻雜CDs應(yīng)用在熒光檢測上仍然很有前景.

2,4,6-三硝基苯酚(TNP)俗名苦味酸，是一種硝基芳烴類碳?xì)浠衔?它被廣泛用于合成煙花、炸藥、燃料、藥品的前體[8].但TNP具有高毒性、良好的水溶性且不易降解，過度的使用會對環(huán)境，特別是地下水和土壤造成嚴(yán)重的污染.高濃度的TNP會腐蝕人的粘膜和皮膚，抑制人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)，損害肝腎功能[9].因此，快速、靈敏地檢測TNP有重要意義.目前為止，已通過質(zhì)譜法[10]、高效液相色譜法[11]、氣相色譜法[12]、表面增強(qiáng)拉曼光譜法[13]、電化學(xué)法[14]和比色法[15]檢測TNP.這些方法復(fù)雜或耗時，涉及昂貴儀器的復(fù)雜操作，阻礙了它們的廣泛應(yīng)用.然而基于熒光的化學(xué)傳感因其儀器成本低、響應(yīng)時間短、靈敏度高和選擇性高等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注.

據(jù)報道，在多共軛體系中引入吸電子的氟原子可以引起熒光紅移[16]，受此啟發(fā)，本研究以4-氟鄰苯二胺和多巴胺為原料，水熱一步法合成氮、氟共摻雜CDs(N,F-CDs).該碳點(diǎn)具有570 nm處的橙色熒光，然后對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行表征，證明氟元素成功地?fù)诫s到CDs中.由于N,F-CDs的激發(fā)光譜和TNP的紫外吸收光譜有很大重疊，TNP可以通過內(nèi)濾效應(yīng)的機(jī)制猝滅N,F-CDs的熒光.基于此，我們設(shè)計快速、靈敏地檢測TNP的熒光探針，并成功應(yīng)用于實(shí)際水樣的檢測.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器主要儀器：Spectrum One傅里葉紅外光譜儀(Thermo Scientific)、Tecnai G20 透射電子顯微鏡(美國FEI公司)，JEM-2100 UHR高分辨透射電子顯微鏡(日本電子JEOL)、LS55熒光分光光度計(美國Perkin-Elmer公司)、Lambda 35紫外-可見光分光光度計(美國Perkin-Elmer公司)、VGEscalab 200 X線光電子能譜儀(美國賽默飛公司).

主要試劑：4-F鄰苯二胺和多巴胺購于上海麥克林生化科技有限公司，羅丹明B購于上海阿拉丁試劑有限公司，乙醇、2,4,6-三硝基苯酚(TNP)、硝基苯(NB)、4-硝基苯酚(NP)、4-硝基甲苯(NT)、2,4-二硝基甲苯(DNT)、2,4-二硝基苯酚(DNP)、三硝基甲苯(TNT)、苯酚(PHE)等均購于上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.以上試劑的純度為分析純，實(shí)驗(yàn)室用水均為超純水.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 N,F-CDs的制備 采用水熱法一步合成N,F-CDs.取4-氟鄰苯二胺0.252 g、多巴胺0.153 g、5 mL超純水充分混合后轉(zhuǎn)移到50 mL的聚四氟乙烯襯里的高壓反應(yīng)釜中，在150 ℃下反應(yīng)6 h.冷卻至室溫后，得到棕紅色懸浮液，離心(8 000 r/min)10 min，取上清液微孔膜(0.22 μm)過濾，透析6 h后干燥，得到純化的N,F-CDs固體，配制成溶液(2 mg/mL)備用.

1.2.2 相對熒光量子產(chǎn)率的測定 以羅丹明B作熒光標(biāo)準(zhǔn)物，用相對測量法測定N,F-CDs的相對熒光量子產(chǎn)率.移取所需濃度的N,F-CDs溶液和羅丹明B的乙醇溶液，配置好合適的濃度(在該濃度下后續(xù)測量的吸光度的值小于0.05)，在紫外-可見光分光光度計上測定其吸收光譜曲線，分別測定它們在410 nm處的吸光度.移取上述相同溶液至熒光比色皿，分別測定它們激發(fā)波長為410 nm時的熒光發(fā)射光譜.

結(jié)果處理：(1)記錄上述吸光度；(2)計算上述熒光發(fā)射光譜的相對積分面積；(3)根據(jù)公式(1)計算相對量子產(chǎn)率

(1)

其中YU、YS分別為N,F-CDs溶液和羅丹明B的乙醇溶液的熒光量子產(chǎn)率(這里YS=0.89)，F(xiàn)U、FS分別為待測物質(zhì)和參比物質(zhì)的積分熒光強(qiáng)度，AU、AS分別為N,F-CDs溶液和羅丹明B的乙醇溶液的吸光度，ηu、ηs分別為溶劑的折射率.

1.2.3 TNP的檢測 在檢測TNP的過程中，取上述N,F-CDs溶液50 μL和不同濃度的TNP 10 μL分別配成3 mL溶液(TNP最終濃度為0～50 μmol/L)，在熒光分光光度計上測定各溶液在410 nm激發(fā)波長下的熒光光譜并記錄570 nm處的熒光強(qiáng)度.

1.2.4 實(shí)際水樣中TNP的檢測 為了測試N,F-CDs傳感器的實(shí)用性，采用標(biāo)準(zhǔn)添加法測定3種水樣(東湖水，沙湖水和自來水)中TNP的濃度.水樣在使用之前，先將水樣離心(10 000 r/min)10 min，然后取上清液用微孔膜(0.22 μm)過濾，再分別添加標(biāo)準(zhǔn)量的TNP，每個樣測3個平行數(shù)據(jù)，計算加標(biāo)回收率.

2 結(jié)果與討論

2.1 N,F-CDs合成條件優(yōu)化通過水熱法合成N,F-CDs，研究反應(yīng)物比例、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對其熒光性能的影響.如圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成N,F-CDs的最佳條件為4-氟鄰苯二胺與多巴胺的物質(zhì)的量之比為2∶1，反應(yīng)溫度為150 ℃，反應(yīng)時間為6 h.

圖1 N,F-CDs合成條件優(yōu)化(a) 4-氟鄰苯二胺與多巴胺物質(zhì)的量之比；(b)反應(yīng)溫度；(c)反應(yīng)時間

圖2 N,F-CDs的光學(xué)性質(zhì)表征(a)熒光圖譜; (b)紫外-可見光吸收圖譜

圖3 N,F-CDs的結(jié)構(gòu)表征(a)透射電鏡圖；(b)粒徑分布圖；(c)紅外圖譜；(d)XPS總譜；(e)C1s譜；(f)N1s譜；(g)O1s譜；(h)F1s譜

2.3 N,F-CDs作為熒光探針檢測TNP

2.3.1 N,F-CDs檢測TNP的可行性 為了探究N,F-CDs的熒光能否被TNP猝滅從而實(shí)現(xiàn)檢測TNP的目的，我們進(jìn)行可行性實(shí)驗(yàn).如圖4所示,在加入一定量的TNP后，N,F-CDs在570 nm處的熒光強(qiáng)度有明顯下降，證明用N,F-CDs來檢測TNP是可行的.

圖4 N,F-CDs檢測TNP的可行性

2.3.2 N,F-CDs檢測TNP的線性范圍 如圖5所示，隨著TNP的濃度逐漸上升，N,F-CDs在570 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸下降，且在TNP的濃度在13.3～50 μmol/L范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，通過擬合得到的工作曲線為F0/F=0.082[C]+0.22(其中F0/F為加入TNP前后N,F-CDs的熒光強(qiáng)度比值，[C]為TNP的濃度，單位μmol/L),線性相關(guān)系數(shù)為0.98.根據(jù)3σ/k原則，計算出檢測限(LOD)為37 nmol/L.

圖5 N,F-CDs檢測TNP的熒光圖及對應(yīng)的線性關(guān)系圖

2.3.3 N,F-CDs檢測TNP的選擇性 為了探究N,F-CDs的選擇性，我們對比了同濃度(50 μmol/L)下，TNP的類似物(PHE、DNP、TNT、DNT、NB、NT)和一些常見無機(jī)離子(K+、CO32-、Cl-、Br-、SO42-、Co22+、S2O32-、Cu2+、Zn2+、Ca2+、Ba2+、Mn2+、Mg2+、Al3+、Hg2+、Cr2+)對于N,F-CDs熒光強(qiáng)度的影響，從圖6中我們可以看出，同濃度下只有TNP對N,F-CDs的熒光有顯著影響，說明N,F-CDs檢測TNP的選擇性良好.

圖6 N,F-CDs對TNP的選擇性(a) N,F-CDs的熒光對50 μmol/L TNP類似物的響應(yīng)； (b)N,F-CDs的熒光對50 μmol/L無機(jī)離子的響應(yīng)

2.4 N,F-CDs檢測TNP的機(jī)理探究我們對TNP猝滅N,F-CDs的機(jī)理進(jìn)行了探究.如圖7所示，TNP的紫外吸收和N,F-CDs激發(fā)光譜有很大重疊，因此考慮該猝滅機(jī)理可能為內(nèi)濾效應(yīng)或熒光共振能量轉(zhuǎn)移.隨后又測試了Zeta電位，N,F-CDs和TNP的表面電荷分別為-1.55 mV和-3.05 mV，這意味著N,F-CDs和TNP之間存在靜電斥力，導(dǎo)致N,F-CDs和TNP之間的距離超過10 nm，難以發(fā)生有效的熒光共振能量轉(zhuǎn)移過程.因此我們判斷TNP猝滅N,F-CDs的機(jī)理主要是內(nèi)濾效應(yīng).

圖7 (a) N,F-CDs的激發(fā)與發(fā)射光譜和TNP的紫外-可見光吸收光譜和(b)N,F-CDs與TNP的Zeta電位

2.5 N,F-CDs檢測實(shí)際水樣中的TNP對于實(shí)際水樣中TNP的檢測，結(jié)果如表所示，TNP的回收率在95%到104%之間，RSD值小于5.1%，表明了該方法具有在實(shí)際水樣中定量檢測TNP的應(yīng)用潛力.

表1 N,F-CDs對實(shí)際水樣中TNP的檢測

3 結(jié)論

通過一步水熱法成功合成了具有橙色熒光的N,F-CDs，并通過TEM、FT IR、XPS 等檢測手段對制得的N,F-CDs進(jìn)行了表征；TNP可以通過IFE猝滅N,F-CDs的熒光，從而實(shí)現(xiàn)N,F-CDs對TNP的檢測，且選擇性良好，線性范圍為13.3 ～50 μmol/L，檢測限37 nmol/L；該檢測方法可用于實(shí)際水樣中TNP的檢測，并有望在水質(zhì)檢測中得到應(yīng)用.