李家耀，韓維杰，楊周平，施揚范，盧世平，劉新梅

(廣西科技大學生物與化學工程學院，柳州 545006)

0 引 言

銀雖是人體所需微量元素，但接觸過多的Ag+會對人體器官和免疫系統(tǒng)造成損害。銀離子不但是日常殺菌消毒的常用殺菌劑，其在電子、影像和制藥工業(yè)的廣泛使用也導致了大量含Ag+廢水的排放，威脅到食品和農業(yè)安全，對人類健康和環(huán)境造成潛在危害[1-2]。因此，開發(fā)水介質中Ag+的簡單、快速、高靈敏度檢測方法具有重要意義。傳統(tǒng)Ag+的檢測方法有電感耦合等離子體質譜法、溶出伏安法、原子吸收光譜法等[3-5]，但這些方法耗時、價貴、分析過程復雜。

碳量子點(CQDs)是直徑小于10 nm的碳基零維材料，具有低毒、光穩(wěn)定性和生物兼容性好、水溶性突出等特點，被廣泛應用于藥物釋放、生物成像、金屬離子檢測和光催化領域[6-8]。相比于傳統(tǒng)的有機熒光分子和半導體量子點，CQDs作為熒光探針，因具有響應快、選擇性高、靈敏度好、容易操作、成本低和環(huán)境友好等特點而更被青睞[9-10]。CQDs檢測金屬離子的原理是基于其表面的羥基、羧基、氨基、巰基等功能基團可與特定的金屬離子發(fā)生強的相互作用，誘導電子轉移，從而淬滅CQDs的熒光[9]。以花、草、瓜果、蔬菜等生物質碳源制備CQDs，因成本低、環(huán)境友好、可再生而被廣泛采用[6,11-12]。因不同生物質具有不同的植物成分，以不同生物質為碳源制備的CQDs具有不同的表面功能團，從而使它們在金屬離子檢測中表現出對不同金屬離子的選擇性和靈敏度。Atchudan等[13]以紫玉蘭為碳源采用水熱法制備的CQDs對Fe3+的檢測有很好的選擇性和靈敏度，線性關系范圍為1～1 000 μmol/L，檢測限為1.2 μmol/L；Praneerad等[14]采用水熱法以白蘿卜為碳源制備的CQDs，對Cu2+檢測較靈敏，檢測限為0.16 μmol/L；Arumugam等[15]采用水熱法以西藍花為碳源制備的CQDs，Ag+對其有較好的淬滅效應，檢測限為0.5 umol/L；Zhao等[16]用紫蘇為碳源制備的CQDs，在0～10 nmol/L和10～3 000 nmol/L范圍對Ag+的檢測具有較好的線性關系，檢測限為1.4 nmol/L。土豆種植范圍廣，產量大，富含碳水化合物、蛋白質、脂肪、纖維素和礦物質，是制備碳量子點的理想碳源。以土豆為碳源采用水熱法制備的CQDs，曾報道應用于檢測Fe3+，檢測限為0.025 mmol/L[17]。

摻雜元素是控制CQDs光學和電子傳輸的最常用方法[18-19]。摻雜非金屬N、P、B、S等元素中的一種或多種，可提高CQDs的光學性質，改善其對金屬離子檢測選擇性和靈敏度[20-21]。Sun等[22]以檸檬酸和二乙烯三胺為原料，利用微波法制備了氮摻雜碳點(N-CQDs)，對Hg2+的檢測具有很高的選擇性。摻雜金屬雜元素Zn、Mn、Cu等[23-25]，可利用摻雜原子的價帶電子促進電荷轉移，改善CQDs表面限域電子和空穴的輻射復合，提高CQDs的量子產率，改善其作為熒光探針的應用性能，但相關報道較少。以檸檬酸鈉、檸檬酸和碳酸錳為原料制備得到的Mn-CQDs，在檢測水介質中的Hg2+時，檢測限達到nmol/L級[25]；以檸檬酸鈉和氯化銅為原料水熱反應制備的Cu-CQDs可在0.001～200 μmol/L范圍快速檢測Fe3+，檢測限達nmol/L級[24]。

本文以土豆為碳源采用水熱法制備CQDs，通過摻雜金屬錳提高其熒光性能，考察了CQDs和Mn-CQDs對檢測Ag+的選擇性和靈敏度，結果對水介質中Ag+的痕量檢測和污染防治具有重要意義。

1 實 驗

1.1 原料與試劑

土豆購于當地，碳酸錳(MnCO3, 純度99.9%)，氫氧化鈉(NaOH)、硼酸(H3BO3)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、氯化鋅(ZnCl2)、二水氯化銅(CuCl2·2H2O)、硝酸鋁(Al(NO3)3)、硝酸銀(AgNO3)、九水合硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、六水合硝酸鎂(Mg(NO3)2·6H2O)、硝酸鉛(Pb(NO3)2)、硝酸鋇(Ba(NO3)2)、硝酸鈷(Co(NO3)3)、磷酸(H3PO4)、冰乙酸(CH3COOH)、氯化鎘(CdCl2)、氯化亞錫(SnCl2)等CQDs熒光穩(wěn)定性檢測試劑均為分析純，水為去離子水。

1.2 CQDs和Mn-CQDs的合成

將新鮮土豆清洗，切片，稱取3.0 g，加入40 mL去離子水，攪拌磨成漿液，轉入50 mL聚四氟乙烯反應釜內襯中，放入恒溫鼓風干燥箱中于一定溫度下反應設定時間，反應結束后，自然冷卻至室溫，取出反應液，抽濾，8 000 r/min離心20 min，得CQDs原液。改變水熱溫度和水熱時間，優(yōu)化CQDs制備條件。

往40 mL土豆?jié){液中加入1.725 g MnCO3，攪拌至MnCO3完全溶解，在CQDs優(yōu)化的制備條件下按相同步驟合成Mn-CQDs原液。

1.3 pH值對CQDs和Mn-CQDs熒光性能的影響

將1.355 mL 85% 的磷酸、1.18 mL冰乙酸、1.235 g硼酸混合，加去離子水稀釋至500 mL，得B-R溶液。用0.02 mol/L氫氧化鈉溶液調節(jié)B-R溶液pH值，獲得不同pH值的緩沖溶液。取不同pH值的緩沖溶液與CQDs或Mn-CQDs原液1∶1(體積比)混合，測其熒光強度。

1.4 離子強度對CQDs和Mn-CQDs熒光性能的影響

取不同濃度(0.10 mol/L、0.20 mol/L、0.40 mol/L、0.60 mol/L、0.80 mol/L、1.0 mol/L)的NaCl溶液與CQDs原液按體積比1∶1混合，測其熒光強度。

1.5 CQDs和Mn-CQD對不同金屬離子的檢測

將3.0 mL CQDs或Mn-CQD原液和1.0 mL 去離子水充分混合，1 min后測其在405 nm激發(fā)波長下的熒光強度，即為CQDs或Mn-CQD的初始熒光強度值，設為I0。把去離子水換成濃度為1.2 mmol/L的不同金屬離子(Ag+、Al3+、Ba2+、Cd2+、Co3+、Cu2+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Pb2+、Sn2+、Zn2+)溶液，靜置1 min，測其在405 nm激發(fā)波長下的最大熒光發(fā)射值I，研究濃度為400 μmol/L不同金屬離子對CQDs或Mn-CQD的熒光淬滅情況。

1.6 CQDs和Mn-CQD對Ag+的檢測及干擾研究

分別取1 mL不同濃度的Ag+(90～1 500 μmol/L)加入到3 mL的CQDs或Mn-CQD原液中，測其在405 nm激發(fā)波長下的最大熒光發(fā)射值I，研究Ag+檢測范圍和檢出限。

取1 mL濃度為400 μmol/L的 Ag+和1 mL濃度為400 μmol/L的不同金屬離子，加入到2 mL的CQDs或Mn-CQD原液中混合，靜置1 min，測不同金屬離子對Ag+淬滅CQDs或Mn-CQD熒光的影響。

1.7 樣品表征

CQDs或Mn-CQDs原液用0.22 μm針頭過濾膜過濾后透析8 h，樣品滴涂到銅網用于透射電鏡分析，樣品冷凍干燥后得CQDs或Mn-CQD粉末，用于紅外光譜(FT-IR)、X射線光電子能譜(XPS)和X射線衍射(XRD)的表征。

X射線衍射(XRD)分析是在Bruker-AXS D8 Advanced X射線衍射儀上進行的，采用Cu靶Kα射線為激發(fā)源，掃描速度10(°)/min，掃描范圍10°～80°，管壓40 kV，管流40 mA。采用JEOL JEM-2100Plus 六硼化鑭透射電子顯微鏡(TEM，工作電壓200 kV)對樣品進行形貌表征。采用單色Al靶Kα射線為激發(fā)源，在Thermo VG Scientific ESCALAB 250 X射線光電子能譜(XPS)上分析了樣品的表面元素化學狀態(tài)。采用Perkin Elmer-Frontier紅外光譜儀對樣品基團進行表征。采用美國海洋光學的maya pro 2000(帶積分球)測樣品的紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)。采用島津公司的RF-5301PC熒光光譜分析儀測定樣品的激發(fā)和熒光光譜。

2 結果與討論

圖1反映了水熱反應時間和反應溫度對CQDs熒光強度的影響。由圖1(a)可知，160 ℃下隨著反應時間的延長，CQDs最大發(fā)射波長略有紅移，其熒光強度先增強后降低，9 h熒光強度最高。由圖1(b)可知，當反應時間為9 h時，隨著反應溫度從120 ℃升為180 ℃，CQDs最大發(fā)射波長從496 nm紅移到了527 nm，紅移明顯，其熒光強度先增強后降低，160 ℃時熒光強度最高。可見，原料反應充分需要一定的溫度和時間，但

圖1 (a)反應溫度為160 ℃時，不同反應時間合成的CQDs的熒光發(fā)射光譜;(b)反應時間為9 h時，不同反應溫度下 合成的CQDs的熒光發(fā)射光譜Fig.1 PL emission spectra of CQDs prepared under (a) different hydrothermal reaction time at 160 ℃, and (b) at different hydrothermal temperatures for 9 h

過高的溫度和過長的時間會使量子點顆粒增大，熒光發(fā)射峰紅移，熒光強度減弱。后續(xù)檢測所用CQDs采用160 ℃反應9 h制備。

圖2(a)和2(b)分別為160 ℃下反應9 h合成的CQDs和Mn-CQDs的熒光發(fā)射光譜和紫外-可見吸收光譜。在405 nm波長激發(fā)下，CQDs和Mn-CQDs的最大熒光發(fā)射峰位于518 nm，且Mn-CQDs的熒光強度明顯高于CQDs。Xu等[25]以檸檬酸為碳源，碳酸錳為摻雜劑制備了熒光性能大幅提高的Mn-CQDs，并用各種表征輔助模擬計算研究得出，可能是Mn2+與碳酸根之間的電子傳遞促進了CQDs表面的電子轉移，導致熒光強度增高。CQDs和Mn-CQDs在250～550 nm較寬的范圍均有吸收，CQDs的吸收帶邊約在420 nm處，Mn摻雜后，Mn-CQDs在紫外和可見光區(qū)的吸收強度增加，其吸收帶邊紅移到了約460 nm。CQDs和Mn-CQDs在紫外處的吸收是由含氧碳量子點中的羰基(C=O)的n-π*躍遷引起[17]。Mn元素摻雜后體系中π-π*躍遷增加，增強了CQDs在紫外與可見光區(qū)域的吸收[25]。

圖2 CQDs和Mn-CQDs的(a)熒光發(fā)射光譜,(b)紫外-可見吸收光譜，(c)XRD圖譜，(d)紅外光譜圖, (e)XPS全譜圖; (f)Mn-CQDs中Mn2p的高分辨率XPS譜圖Fig.2 (a) PL emission spectra (Ex=405 nm), (b) UV-Vis absorption spectra， (c) XRD patterns， (d) FT-IR spectra, and (e) XPS survey spectra of CQDs and Mn-CQDs; (f) high resolution XPS spectra of Mn2p of Mn-CQDs

圖2(c)所示為CQDs和Mn-CQDs的XRD圖譜。從圖中可以看出，土豆碳量子點呈現彌散的XRD譜峰，表明制備的碳量子點為無定形碳結構，其最大吸收峰在2θ=19.0°左右，對應石墨碳的(002)晶面。Mn摻雜后的XRD譜峰未發(fā)生變化，沒有出現Mn單質或Mn化合物的相關衍射峰，表明Mn摻雜量少且以摻雜元素形式存在于CQDs中。圖2(d)圖表明，CQDs和Mn-CQDs的紅外光譜沒有明顯區(qū)別。CQDs在3 200～3 500 cm-1范圍寬而強的峰是O—H的伸縮振動，表明量子點表面存在較多的吸附水。2 935 cm-1是C—H的伸縮振動，在1 645 cm-1是C=O的伸縮振動，1 421 cm-1是—CH2伸縮振動。1 160 cm-1為C—N的伸縮振動，1 030 cm-1為C—O的伸縮振動，這些基團賦予了碳量子點優(yōu)異的水溶特性[17,26-27]。

圖2(e)為CQDs和Mn-CQDs的XPS譜圖。CQDs的XPS譜圖在 284.1 eV、400.4 eV和 530.5 eV處出現了C1s、N1s、O1s的峰，表明CQDs中的主要成分為C、O和少量的N。Mn-CQDs除了有C1s、N1s、O1s的峰外，在642.1 eV處出現了Mn2p的譜峰，表明Mn的存在。Mn2p的XPS圖在652.6 eV和640.3 eV有兩個突出的峰，分別對應于Mn2p1/2、Mn2p3/2結合能，結合能的位置與MnO中的Mn2+(Mn2p3/2∶640.7 eV)接近，略向低能方向移動，表明Mn2+的氧化態(tài)有所降低，可能是Mn2+與CQDs表面的C=O或C—N鍵發(fā)生了相互作用導致[25]。

圖3為CQDs和Mn-CQDs的TEM照片。CQDs和Mn-CQDs呈黑色的點，分散性好，粒徑為3～5 nm。插圖中的高分辨透射電鏡像(HRTEM)顯示出量子點清晰的晶格條紋，晶面間距為0.21 nm，與石墨碳的(010)晶面間距相近，進一步說明CQDs和Mn-CQDs為類石墨結構。

圖3 (a)CQDs和(b)Mn-CQDs的TEM照片。插圖：單個量子點的HRTEM照片Fig.3 TEM images of (a) CQDs and (b) Mn-CQDs. Corresponding inset: HRTEM images of individual CQDs and Mn-CQDs, respectively

圖4(a)、(b)表明，CQDs和 Mn-CQDs均具有激發(fā)波長依賴的發(fā)射特征，這是含碳材料突出的特征，是其表面結構中具有多種發(fā)射位導致[18]。當激發(fā)波長從355 nm增大到515 nm，CQDs最大發(fā)射峰位從465 nm紅移到565 nm，激發(fā)波長為435 nm時，熒光發(fā)射峰最強，對應的發(fā)射波長為525 nm。當激發(fā)波長從335 nm增大到475 nm，Mn-CQDs最大發(fā)射峰位置從435 nm紅移到530 nm，激發(fā)波長為395 nm時，熒光發(fā)射峰最強,對應的發(fā)射波長為465 nm。圖4(c)、(d)是CQDs和Mn-CQDs分散液典型的紫外-可見吸收光譜、熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，兩者在365 nm激光照射下均顯示藍色熒光。

圖5(a)、(b)考察了CQDs和 Mn-CQDs溶液儲存在4 ℃冰箱中的熒光穩(wěn)定性。由圖可知，CQDs具有一定的穩(wěn)定性，放置1周后熒光強度下降5.3%，2周后下降21.0%，放置時間達7周后，其熒光淬滅了近90%，已基本失去熒光。Mn修飾后，Mn-CQDs熒光儲存穩(wěn)定性大幅提升，放置1周下降3.5%，3周下降8.6%，8周也只下降32.8%，放置近16周其熒光才基本消失。

圖4 (a)CQDs和(b)Mn-CQDs不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜;(c)CQDs和(d)Mn-CQDs的紫外-可見吸收光譜、 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜圖,對應插圖為CQDs和Mn-CQDs分散液在365 nm紫外光照下的發(fā)光照片Fig.4 PL emission spectra of (a) CQDs and (b) Mn-CQDs excitated by varying wavelengths; UV-Vis absorption, PL excitation and emission spectra of (c) CQDs and (d) Mn-CQDs, corresponding inset: the digital photos of CQDs and Mn-CQDs excitated with 365 nm

圖5 (a)CQDs和(b)Mn-CQDs溶液的熒光穩(wěn)定性Fig.5 Fluorescence stability of (a) CQDs and (b) Mn-CQDs

圖6(a)考察了CQDs和 Mn-CQDs水溶液pH值對其熒光強度的影響。在pH=1～11考察范圍內：pH=3～7時，CQDs的熒光強度相對穩(wěn)定, 下降幅度不超過5%; pH=1～6時，Mn-CQDs的熒光強度相對穩(wěn)定, 下降幅度不超過5%。圖6(b)是分別往CQDs和Mn-CQDs分散液中添加不同量的NaCl時，它們熒光強度的變化情況。由圖6(b)可知，NaCl對CQDs和Mn-CQDs的熒光強度影響不明顯，當NaCl的濃度從0.1 mol/L增加到1.0 mol/L，CQDs和Mn-CQDs的熒光強度下降都不到1%，說明CQDs和Mn-CQDs在強電解質存在下具有較好的熒光穩(wěn)定性，在傳感和成像領域具有較好的應用前景。

圖6 (a)pH值和(b)NaCl濃度對CQDs和Mn-CQDs熒光強度的影響Fig.6 Effect of (a) pH values and (b) NaCl concentrations on PL intensity of the CQDs and Mn-CQDs, respectively. (I0 and I are the initial and resulted PL intensity values of CQDs or Mn-CQDs dispersions before and after adjusting pH values or NaCl concentrations)

圖7 (a)不同金屬離子(400 μmol/L)對CQDs熒光的淬滅效果;(b)不同金屬離子對Ag+淬滅CQDs熒光的影響; (c)Ag+濃度對CQDs熒光強度的影響;(d)I/I0與Ag+濃度的關系圖Fig.7 (a) I/I0 values of CQDs dispersion in the presence of 400 μmol/L of vavious metal ions; (b) I/I0 values of CQDs dispersion in the presence of 400 μmol/L of Ag+ ion together with 400 μmol/L of vavious other metal ions; (c) PL emission spectra of CQDs dispersion upon addition of different concentration of Ag+(Ex=405 nm); (d) the curve of I/I0 value versus the concentration of Ag+

圖7(a)考察了不同金屬離子(Al3+、Ba2+、Cd2+、Co3+、Cu2+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Pb2+、Sn2+、Zn2+、Ag+)對CQDs熒光強度的影響。由圖7(a)可知，Cu2+、Fe3+、Ag+的添加導致CQDs的熒光有不同程度下降，其中，Ag+對CQDs熒光淬滅效果最顯著，其他金屬離子對CQDs的熒光強度的影響很小。金屬離子能淬滅CQDs的主要原因是金屬離子與CQDs的表面功能基團如羥基、氨基、羰基產生了強的相互作用，這種相互作用阻礙了碳量子點中電子的輻射躍遷，從而抑制了其熒光發(fā)射。圖7(a)表明，相對于其他離子，CQDs對Ag+有更強的親和力和選擇性。圖7(b)考察了同時添加Ag+和其他金屬離子時CQDs熒光強度的變化。圖7(b)表明，添加其他金屬離子對Ag+淬滅CQDs的熒光效果影響較小，表明其他離子存在對CQDs檢測Ag+的干擾較小?；贏g+對CQDs的熒光淬滅效應，圖7(c)考察了Ag+濃度與CQDs熒光強度的關系，結果表明，Ag+濃度在30～500 μmol/L范圍，CQDs熒光強度隨著Ag+濃度的增加不斷淬滅。把熒光強度數據代入Stern-Volmer公式中：(I0-I)/I0=Ksvc。式中：I0為CQDs原液的熒光強度；I為在CQDs原液中添加不同濃度Ag+時CQDs的熒光強度；c為Ag+濃度；Ksv為Stern-Volmer淬滅系數。Stern-Volmer擬合見圖7(d)，表明在30～500 μmol/L濃度范圍內，Ag+對CQDs熒光強度淬滅具有很好的線性關系，其相關系數R2為0.994 66，檢測靈敏限為0.064 μmol/L，表明用土豆基碳量子點對水介質中的Ag+檢測具有較好的靈敏度。

不同金屬離子對Mn-CQDs熒光強度呈現出與對CQDs熒光相似的影響(見圖8(a)和8(b))，Ag+對Mn-CQDs的淬滅效果最顯著。以Mn-CQDs作熒光探針檢測水介質中的Ag+，Cu2+、Fe3+存在時對Ag+的檢測有一定干擾。當水介質中沒有干擾離子時，Mn-CQDs熒光強度隨著Ag+離子濃度的增加不斷淬滅，并在Ag+濃度為10～100 μmol/L和100～600 μmol/L線性關系良好，相關系數分別為1.0和0.993，檢測限為0.027 μmol/L,低于國際要求的Ag+廢水標準排放5.0×10-8。對比不摻雜的CQDs，Mn-CQDs檢測Ag+濃度范圍更寬，檢測靈敏度更高，檢測限更低。

圖8 (a)不同金屬離子(400 μmol/L)對Mn-CQDs熒光的淬滅效果;(b)不同金屬離子對Ag+淬滅Mn-CQDs熒光的影響; (c)不同濃度的Ag+對Mn-CQDs熒光強度的影響 (0～600 μmol/L);(d)I/I0與Ag+濃度的關系曲線Fig.8 (a) I/I0 values of Mn-CQDs dispersion in the presence of 400 μmol/L of vavious metal ions; (b) I/I0 values of Mn-CQDs dispersion with in the presence of 400 μmol/L of Ag+ ion together with 400 μmol/L of vavious other metal ions; (c) PL emission spectra of Mn-CQDs dispersion upon addition of different concentration of Ag+(Ex=405 nm); (d) curve of I/I0 value versus the concentration of Ag+

3 結 論

以土豆為碳源采用水熱法合成了發(fā)藍光的CQDs和Mn-CQDs，當水熱溫度160 ℃，水熱時間 9 h，制備的CQDs和Mn-CQD具有無定形結構，粒徑分布較寬，在250～550 nm范圍有吸收，具有激發(fā)波長依賴的發(fā)射特性，Mn摻雜提高了CQDs的熒光強度和儲存穩(wěn)定性。在水介質中Ag+的檢測應用中，CQDs和Mn-CQD均具有很好的選擇性和靈敏度，但Mn-CQD的靈敏度更高，檢測限更低。

本研究在不添加任何化學試劑條件下，采用綠色環(huán)保的水熱法，以廉價的可再生生物質碳源制備CQDs，用金屬元素摻雜方法改善其熒光性能，方法簡單，成本低?；贏g+對CQDs和Mn-CQD的淬滅效應，發(fā)展一種檢測水介質中Ag+含量的熒光分析法。該檢測技術操作簡單、快速、靈敏度高，有望取代傳統(tǒng)的Ag+檢測技術，用于污染水中Ag+的痕量檢測。