周葉紅， 劉 競， 劉 洋， 宋勝梅， 董 川

（山西大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，太原 030006）

0 引言

鉻（Cr）是第四周期第VIB族金屬元素，是人體必需的微量元素［1］。Cr的毒性受價(jià)態(tài)的影響，Cr3+對(duì)人體的身體健康有益；Cr6+是重金屬毒物，由于其強(qiáng)氧化性、致癌性和誘變性，可以將血紅蛋白中的二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵，使血紅蛋白喪失攜帶氧的能力，同理，Cr6+也可使機(jī)體還原酶失去活性。鉻中毒會(huì)引起皮膚紅疹、水腫，鼻腔過敏以及胃炎、胃潰瘍等癥狀［2］。鉻污染主要來源于金屬冶煉、皮革加工、染料生產(chǎn)等行業(yè)排放的含鉻廢水、廢氣及鉻渣［3］。這些含鉻污染物隨著自然活動(dòng)進(jìn)入土壤、地下水、河流等，污染飲用水源和魚類等海鮮制品。世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定飲用水中的Cr6+的最大允許濃度為0.96 μmol/L［4-5］，因此，為了保障人類健康，預(yù)防人類免受Cr6+的污染，環(huán)境中Cr6+的檢測任務(wù)刻不容緩。目前Cr6+的國標(biāo)法為高錳酸鉀氧化-二苯碳酰二肼光度法，該方法有些預(yù)處理步驟繁瑣、耗時(shí)長。因此，需要開發(fā)一種簡單且經(jīng)濟(jì)高效的方法來有效測定Cr6+。

碳點(diǎn)（Carbon Dots，CDs）是一種新型的具有球形結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)零維碳納米材料，其表面具有豐富的官能團(tuán)，這使得CDs具有出色的傳感性能、易于功能化和良好的水溶性，利用碳點(diǎn)制備熒光探針具有高效、靈敏、快速檢測實(shí)際水樣中Cr6+的特點(diǎn)。目前已經(jīng)有很多雜原子摻雜的碳點(diǎn)成功應(yīng)用于水樣中Cr6+的測定，如CDs/C3N4復(fù)合納米探針［6］、Co-CDs［7］、D-甘露糖碳點(diǎn)［8］等。

本文開發(fā)了一種高靈敏測量和高線性范圍的Cr6+的新型熒光探針，該探針可用于實(shí)際水樣中Cr6+的檢測，具有較好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：分析純亞硝基-2-萘酚-3，6-二磺酸鈉，乙二胺，氫氧化鈉，磷酸氫二鈉，磷酸二氫鈉，重鉻酸鉀，乙醇和金屬氯鹽購自上海阿拉丁試劑公司；分析純濃磷酸，抗生素和氨基酸購自美國Aldrich化學(xué)試劑公司；超純水為實(shí)驗(yàn)室自制（≥18.25 MΩ）。

儀器：JEM-2100高分辨率透射電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社JEOL），AXIS ULTRA DLDX射線光電子能譜儀（日本Kratos公司），TensorII傅里葉變換紅外光譜儀（德國Bruker公司），vario ELCUBE元素分析儀（德國Elementar公司），F(xiàn)P-8300 FDP熒光分光光度計(jì)（日本分光株式會(huì)社JASCO），Lambda365紫外-可見吸收光譜儀（美國PerKinElmer公司），Eppendorf 5804離心機(jī)（德國Eppendorf公司），ZF-6紫外觀察燈（上海嘉鵬科技有限公司），KQ-100E超聲清洗器（江蘇省昆山儀器有限公司），BGZ-76電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司），Scientz-18ND真空冷凍干燥機(jī)（上海博迅醫(yī)療生物公司）和1820c超純水機(jī)（上海摩勒科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 N，S-CDs的制備

取0.037 g 1-亞硝基-2-萘酚-3，6-二磺酸鈉溶于20 mL超純水中，加入500 μL乙二胺，將該混合物超聲細(xì)散均勻后轉(zhuǎn)入高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)襯中，在200℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中反應(yīng)8 h。待水熱反應(yīng)結(jié)束后，所得溶液過濾、離心（8000 r/min，8 min），將上層清液轉(zhuǎn)移至500～1000 Da的透析袋中透析8 h，再將透析后的淡黃色溶液冷凍干燥獲得固體粉末，該固體粉末即所制得的N，S-CDs。

1.3 N，S-CDs的表征

通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察測定產(chǎn)物的形貌；通過元素分析儀器對(duì)所制備N，S-CDs進(jìn)行元素分析；利用X-射線光電子能譜（XPS）和傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）分析N，S-CDs化學(xué)結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)組成；最后通過紫外可見吸收光譜和熒光光譜對(duì)N，S-CDs的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

1.4 N，S-CDs的熒光量子產(chǎn)率測定

分別配制2 mL N，S-CDs溶液和2 mL硫酸奎寧溶液，將其轉(zhuǎn)移至10 mm熒光比色皿中，然后上機(jī)測試。設(shè)置激發(fā)波長Ex為378 nm，通過控制加入熒光比色皿中樣品溶液的濃度，控制紫外可見分光光度計(jì)的吸光度在0.01～0.1區(qū)間內(nèi)，并使用紫外可見分光光度計(jì)測量溶液的吸光度。將熒光分光光度計(jì)的熒光積分區(qū)間設(shè)置為398～800 nm，用熒光分光光度計(jì)計(jì)算熒光積分面積。

熒光量子產(chǎn)率是衡量物質(zhì)發(fā)射熒光能力的一個(gè)基本參數(shù)，其通常小于1。熒光量子產(chǎn)率越高，該物質(zhì)的熒光越強(qiáng)，否則熒光越弱。相對(duì)熒光量子產(chǎn)率的計(jì)算公式如下［9］：

式中：Φ指量子產(chǎn)率；n指熒光發(fā)射峰的積分面積；A代表吸光度；η指溶劑的折射率；下標(biāo)S和R分別指N，S-CDs溶液和硫酸奎寧溶液。硫酸奎寧的熒光量子產(chǎn)率為54%，在相同溶液中，ηS2/ηR2=1。

1.5 N，S-CDs對(duì)于Cr6+的熒光檢測

取30 mg N，S-CDs粉末溶解于10 mL超純水中，配置成濃度為3 mg/mL N，S-CDs儲(chǔ)備液。

為了評(píng)估N，S-CDs的最佳濃度，在裝有2 mL超純水的10 mm比色皿中依次滴加10 μL N，S-CDs儲(chǔ)備液，并測量其熒光強(qiáng)度。當(dāng)加入320 μL N，S-CDs儲(chǔ)備液時(shí)，熒光強(qiáng)度最大。再遞加5 μL N，S-CDs儲(chǔ)備液后，熒光強(qiáng)度逐漸降低。所以N，S-CDs溶液的最佳濃度為0.414 mg/mL。

為了評(píng)估N，S-CDs的pH穩(wěn)定性，選擇緩沖pH范圍廣的磷酸緩沖溶液（Phosphate Buffer，PBS）為本試驗(yàn)的緩沖溶液。測量并記錄N，S-CDs在pH值為2～13磷酸緩沖溶液中熒光強(qiáng)度的變化，考察pH值對(duì)N，S-CDs溶液穩(wěn)定性的影響。為了獲得N，S-CDs的選擇性，需要將21種終濃度為0.43 mmol/L的金屬離子（Na+、Mg2+、Al3+、K+、Ca2+、Ti3+、Mn2+、Ba2+、Fe2+、Cr6+、Fe3+、Cd2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Ag+、Cd2+、Hg2+、Sn2+、Zn2+、Pb2+），14種終濃度為0.43 mmol/L的陰離、Cl-、Br-、I-），17種終濃度為0.043 mmol/L氨基酸（天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、蘇氨酸（Thr）、纈氨酸（Val）、酪氨酸（Tyr）、脯氨酸（Pro）、苯丙氨酸（Phe）、半胱氨酸（Cys）、丙氨酸（Ala）、異亮氨酸（Ile）、甘氨酸（Gly）、色氨酸（Trp）、蛋氨酸（Met）、組氨酸（His）、亮氨酸（Leu）、絲氨酸（Ser）、賴氨酸（Lys））和14種終濃度為0.043 mmol/L抗生素（阿奇霉素（AZM）、克拉霉素（CLA）、卡那霉素（Kana）、萬古霉素（VAN）、甲砜霉素（THI）、慶大霉素（GEN）、四環(huán)素（TCY）、頭孢拉定（CH）、青霉素G鈉（PG）、熊果酸（UA）、奧硝唑（ORN）、齊墩果酸（OA）、替硝唑（TIN）、甲硝唑（MET）），加入到2 mL N，S-CDs溶液中，充分搖勻，記錄其熒光強(qiáng)度。

為了獲得N，S-CDs的抗干擾性能，將響應(yīng)離子10倍濃度的干擾離子加入2 mL N，S-CDs溶液，充分搖勻，記錄其熒光強(qiáng)度。再將響應(yīng)離子加入干擾離子與N，S-CDs的混合溶液中，充分搖勻并記錄其熒光強(qiáng)度。

對(duì)于Cr6+的檢測，配制一系列不同濃度（0～336 μmol/L）的Cr6+溶液，并加入到2 mL N，S-CDs溶液（4.14 mg/mL）中，充分搖勻60 s，設(shè)置熒光分光光度計(jì)的工作條件為λEx=378 nm，λEm=467 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫分別為10 nm，上機(jī)測量并記錄其熒光強(qiáng)度，得到一系列的熒光猝滅譜圖，然后進(jìn)行線性范圍和檢測限的計(jì)算。

1.6 N，S-CDs用于環(huán)境水樣中Cr6+檢測

取實(shí)驗(yàn)室自來水和太原市令德湖水為實(shí)際水樣。將實(shí)際水樣離心過濾煮沸備用。通過熒光光譜法測試實(shí)際水樣中Cr6+的含量，然后做Cr6+的加標(biāo)回收試驗(yàn)，測試Cr6+的加標(biāo)回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 N，S-CDs的結(jié)構(gòu)表征

從TEM透射電鏡圖（圖1（a））可以看到，N，SCDs為均勻分散的球形碳納米顆粒，尺寸均勻分布在8～12 nm之間，通過100個(gè)粒子的統(tǒng)計(jì)測量，計(jì)算其平均粒徑為10.31 nm（圖1（b））。然后分析N，S-CDs的元素含量。N，S-CDs由C、H、N、O和S組成，各元素分別占總質(zhì)量的37.67%、6.5%、21.36%、27.49%和6.98%（計(jì)算值），經(jīng)計(jì)算所制備N，S-CDs的經(jīng)驗(yàn)式為C31H65O17N15S2。

圖1 N，S-CDs的TEM圖像和尺寸分布

利用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）和X射線光電子能譜儀分析N，S-CDs化學(xué)結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)組成。FTIR光譜見圖2（a），N，S-CDs在3480～3314 cm-1及1500 cm-1處的吸收峰是N—H的伸展振動(dòng)的特征；3015～3019 cm-1處的寬吸收峰屬于不飽合C—H伸展振動(dòng)；3000～2800 cm-1處的寬吸收峰屬于飽合C—H伸展振動(dòng)；2548 cm-1為雜環(huán)中C—S的典型伸展振動(dòng)；2193 cm-1處的吸收峰屬于N N的伸展振動(dòng)；3000 cm-1為中心寬峰，屬于—COOH的—OH伸展振動(dòng)；1636 cm-1處的吸收峰屬于—COOH的C O伸展振動(dòng)；1580和1490 cm-1處的吸收峰屬于碳點(diǎn)六元環(huán)C—C骨架振動(dòng)；1350 cm-1處的寬吸收峰屬于NO2的伸縮振動(dòng)；1160和1037 cm-1處的寬吸收峰分別屬于羥基C—O不對(duì)稱伸展振動(dòng)和對(duì)稱伸展振動(dòng)；820和680 cm-1處的尖銳吸收峰為碳點(diǎn)骨架上C—H彎曲振動(dòng)。這些FTIR吸收峰說明N，S-CDs已被N—H、N N、C—S、C O等官能團(tuán)功能化了，從而賦予N，S-CDs良好的水溶性、光學(xué)性能和優(yōu)異的傳感性能。

XPS全譜在161.45、281.72、396.33、529.89 eV處有4處特征峰，分別對(duì)應(yīng)于S2p、C1s、N1s、O1s（圖2（b））。圖2（c）為高分辨的C1s譜圖，高分辨的C1s可分解為3個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)于285.1 eV（C—C）、286.4 eV（C O、C—O）、288.6 eV（C—N、C—S）。N1s的XPS譜圖有兩個(gè)含氮官能團(tuán)，包括吡啶氮（399.4 eV）和氧化氮（401.3 eV）（圖2（d））。O1s譜可分解為2個(gè)特征峰，分別對(duì)應(yīng)于531.5 eV（O—H、S O、N—O）和533.2 eV（C—O、C O）（圖2（e））。S2p可分解為2個(gè)峰，分別是168.0 eV、169.0 eV（圖2（f））。N，S-CDs表面含有豐富的、N—H、—COOH，大大增強(qiáng)了N，S-CDs的水溶性、光穩(wěn)定性和選擇性?；谏鲜鲈胤治觥TIR和XPS數(shù)據(jù)，表明N、S原子已被摻雜到N，S-CDs中。

圖2 FTIR和XPS對(duì)N，S-CDs進(jìn)行官能團(tuán)表征

2.2 N，S-CDs的光譜性能

如圖3（a）的紫外吸收光譜所示，N，S-CDs在240和250 nm處具有明顯的吸收峰，這可能是C C鍵的π-π*躍遷引起的，276 nm處的吸收峰可能是由于C O鍵n-π*躍遷引起的，380 nm處的吸收帶可能是由于CDs外部的官能團(tuán)吸收引起的。

圖3（a）插圖說明碳點(diǎn)溶液在可見光下為透明淡黃色溶液，紫外燈下發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光。熒光光譜中，在激發(fā)和發(fā)射狹縫分別為10 nm的工作條件下，測得N，S-CDs的最佳激發(fā)波長λEx為378 nm，而最佳發(fā)射波長λEm=468 nm（圖3（a））。由于N，S-CDs的最佳激發(fā)波長（λEx=378 nm）與硫酸奎寧的最佳激發(fā)波長（λEx=360 nm）相近，故選擇利用硫酸奎寧溶液為參比測定N，S-CDs的熒光量子產(chǎn)率。通過量子產(chǎn)率公式計(jì)算出N，S-CDs的相對(duì)熒光量子產(chǎn)率約為3.0%。通過調(diào)節(jié)N，S-CDs激發(fā)波長（328～428 nm），N，S-CDs的發(fā)射峰位置改變，說明N，S-CDs具有激發(fā)波長依賴性（圖3（b））。

圖3 （a）N，S-CDs的紫外可見吸收光譜（黑線），熒光激發(fā)（藍(lán)線）和發(fā)射（紅線）。插圖：N，S-CDs在自然光（左）和紫外線（右）下的拍攝圖。（b）N，S-CDs在不同激發(fā)波長（328～428 nm）下的發(fā)射光譜圖

2.3 N，S-CDs對(duì)于Cr6+的熒光檢測

為了評(píng)估N，S-CDs探針的選擇性，在N，S-CDs溶液中分別加入了21種金屬離子、14種陰離子、17種氨基酸和14種抗生素，結(jié)果如圖4所示。

圖4 N，S-CDs響應(yīng)圖譜

N，S-CDs的熒光強(qiáng)度在Cr6+溶液中明顯降低了，Cr6+可以顯著猝滅N，S-CDs的熒光強(qiáng)度，且抗生素、氨基酸、陰離子和其他金屬離子對(duì)N，S-CDs熒光強(qiáng)度的影響甚微，可忽略不計(jì)。所以N，S-CDs對(duì)Cr6+有專一的選擇性，可以將N，S-CDs作為Cr6+的無標(biāo)記“開-關(guān)”熒光傳感探針。

N，S-CDs檢測Cr6+的抗干擾實(shí)驗(yàn)如圖5所示，原N，S-CDs溶液（藍(lán)）的相對(duì)熒光強(qiáng)度為1，加入4.3 mmol/L金屬離子和陰離子后（紅），N，S-CDs溶液的熒光強(qiáng)度減弱了10%左右，再添加0.43 mmol/L Cr6+后（綠），熒光強(qiáng)度明顯猝滅了80%左右，與單獨(dú)加入Cr6+時(shí)的熒光猝滅強(qiáng)度基本一致，證明了Cr6+與其他離子共存時(shí)不會(huì)對(duì)熒光產(chǎn)生明顯的干擾，為N，S-CDs在復(fù)雜體系實(shí)現(xiàn)對(duì)Cr6+的檢測奠定了理論基礎(chǔ)。

圖5 不同金屬離子和陰離子對(duì)N，S-CDs的熒光強(qiáng)度的影響

由圖6可知，N，S-CDs在超純水體系中穩(wěn)定，且熒光猝滅效果好，故選擇超純水體系為N，S-CDs的檢測體系。

圖7（a）為滴定不同濃度的Cr6+時(shí)N，S-CDs熒光猝滅圖。由圖7（a）可知，N，S-CDs的熒光強(qiáng)度隨著Cr6+的不斷加入而降低。從7（b）可以看出，Cr6+對(duì)N，S-CDs的熒光猝滅可以用兩段線性范圍來擬合。在2～100 μmol/L范圍內(nèi)，Cr6+對(duì)N，S-CDs熒光強(qiáng)度猝滅呈線性，線性擬合方程為：

檢出限為68.23 nmol/L（圖6（c））；在100～330 μmol/L范圍內(nèi)，線性擬合方程為：F0/F=0.04733c（Cr6+）-2.08657，R2=0.991（圖7（d）），檢出限為206 nmol/L，F(xiàn)0和F分別為猝滅前后N，S-CDs的熒光強(qiáng)度。

圖6 添加Cr6+對(duì)N，S-CDs熒光強(qiáng)度的影響

圖7 （a）不同濃度Cr6+對(duì)N，S-CDs熒光光譜的影響；（b）、（c）、（d）F0/F與Cr6+濃度（0～350 μmol/L）的關(guān)系圖

2.4 Cr6+檢測方法的性能比較

將本試驗(yàn)所構(gòu)建的Cr6+熒光探針N，S-CDs與其他CDs探針進(jìn)行檢測極限及熒光性能等方面的比較，結(jié)果如表1所示。本試驗(yàn)合成了藍(lán)色熒光碳量子點(diǎn)（N，S-CDs），確定了兩條Cr6+檢測的線性范圍，分別是2～100 μmol/L和100～330 μmol/L，最低檢出限分別為68.23 nmol/L和206 nmol/L，遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定飲用水中的Cr6+的最大允許濃度（960 nmol/L），可以應(yīng)用于環(huán)境水樣中Cr6+的檢測。

表1 基于CDs熒光探針檢測Cr6+的方法比較

2.5 N，S-CDs測定Cr6+的檢測機(jī)理

圖8顯示了N，S-CDs與不同濃度Cr6+（0～216.5 μmol/L）的紫外吸收光譜圖，N，S-CDs的n-π*躍遷和π-π*躍遷沒有吸收峰位置的變化，說明N，S-CDs與Cr6+之間沒有形成新的化合物。在340～380 nm之間紫外吸收峰顯著升高，而N，S-CDs的激發(fā)波長也位于這一范圍，所以可能是Cr6+吸收了N，S-CDs的激發(fā)光能量，基于Cr6+的內(nèi)濾效應(yīng)［13-15］，導(dǎo)致了N，S-CDs的熒光猝滅。

圖8 不同濃度Cr6+（0～216.5 μmol/L）存在下N，S-CDs的紫外吸收光譜（插圖；加入216.5 μmol/L Cr6+的N，S-CDs溶液（上）和N，S-CDs（下）在日光和紫外燈下的拍攝圖）

2.6 實(shí)際樣品中Cr6+的檢測

實(shí)際水樣中Cr6+檢測分析如表2所示，實(shí)際水樣中Cr6+的加標(biāo)回收率為95.3%～103.8%，RSD≤4.38%。這些數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)所合成的新型熒光碳量子點(diǎn)N，S-CDs可以作為一種高效靈敏的“開-關(guān)”型熒光探針，應(yīng)用于Cr6+的檢測。

表2 實(shí)際水樣中Cr6+的測定

3 結(jié)語

通過一步水熱法，以乙二胺和1-亞硝基-2-萘酚-3，6-二磺酸鈉為原料，制備了具有藍(lán)色熒光的新型氮硫摻雜碳點(diǎn)（N，S-CDs）。該N，S-CDs具有優(yōu)良的熒光性能和選擇性，并可作為Cr6+的免標(biāo)記的熒光傳感探針，線性范圍為2～100 μmol/L和100～330 μmol/L，最低檢出限為68.23 nmol/L。該N，S-CDs可以快速、準(zhǔn)確的檢測水樣中的Cr6+，可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測。