以碳点为探针荧光猝灭法测定水中痕量镍

罗道成，罗 铸

(湖南科技大学 化学化工学院 煤炭清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

镍(Ni)是人体必需的生命元素，但镍过量会对人体造成危害，损害人的肝脏和心肺功能，可引起过敏性皮炎、系统紊乱，且具有致癌性。镍也是一种重要的环境污染物，对水生生物具有明显的危害。因此对镍离子的识别和检测，具有重要的现实意义。目前镍离子的检测方法有滴定法［1］、分光光度法［2－5］、电化学法［6］、原子吸收光谱法［7］、荧光光谱法［8］、ICP － AES 法［9］等。

纳米材料应用于镍离子的测定，主要包括以下两方面:①使用纳米材料对镍离子进行分离富集，这类纳米材料多采用纳米金属氧化物和碳纳米管。如Hang等［10］利用ICP－AES法研究了纳米TiO2材料对Ni(Ⅱ)的吸附性能，并应用于环境样品中Ni(Ⅱ)的分析，检出限为0.32 ng/L;Hu等［11］将纳米介孔Al2O3涂覆在熔融石英毛细管微柱内壁用于Ni(Ⅱ)，Co(Ⅱ)，Pd(Ⅱ)的同时分离富集，经ICPMS法测得Ni(Ⅱ)的检出限为1.5 ng/L;Suleiman等［12］用纳米ZrO2固相微柱分离富集、ICP－OES法测定了环境和生物样品中的Ni(Ⅱ)，其检出限为7 ng/L;明亮等［13］以多壁碳纳米管－CdTe量子点复合修饰电极，采用电化学分析法测定了实际水样中的痕量镍，检出限为1.0×10－8mol/L。②以纳米材料作为荧光探针，直接用于镍离子的测定。如周华健等［14］以合成的3-巯基丙酸修饰的CdTe量子点为荧光探针，采用荧光光度法测定了水样中痕量镍，其检测范围为1～1 000 μmol/L。碳点(Carbon dots，CDs)作为一种新型的荧光纳米材料，与量子点等其他荧光纳米材料相比，具有荧光稳定、无光闪烁、激发波长和发射波长可调控、无光漂白现象、水溶性好、廉价、低毒等优点［15－16］。这些性质决定了碳点在生物成像［17］与生物探针领域有更大的应用前景。碳点的荧光可以有效地被电子受体或者电子给体所猝灭，这说明碳点既是电子受体，也是给体［18］。这种光引发电子转移的性质使其广泛应用于光能量的转换、光伏设备和相关领域，也可作为Cu2+，Hg2+，Ag+等金属离子的检测探针［19－20］和用于药物分析［21］。由于碳点具有比量子点等其他荧光纳米材料更优异的性能，在科学界引起了极大关注。

本文以葡萄糖为碳源，以聚乙二醇-200(PEG-200)为分散剂和表面修饰剂，在水溶液中合成了水溶性的荧光纳米碳点(CDs)，以其作为荧光探针，在pH 5.72的Britton－Robinson(B－R)缓冲溶液中，基于镍离子对CDs荧光的显著猝灭作用，建立了一种测定镍离子的荧光光度法。本法具有操作简便、快速、灵敏、选择性好、应用范围宽、分析成本较低等特点，已成功应用于环境水样中痕量镍的测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

RF－5301型荧光分光光度计、UV－2550型紫外分光光度计(日本岛津公司);pHS－3C型酸度计(上海第三分析仪器厂);78－磁力加热搅拌器(江苏金坛金城国盛实验仪器厂);循环水式真空泵(巩义予华仪器有限责任公司);HH－S2型数显恒温水浴锅(金坛大地自动化仪器厂);UP型纯水仪(上海优普实业有限公司);202－00A型台式电热恒温干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)。葡萄糖、聚乙二醇(PEG-200)、己二胺、硝酸镍(分析纯，国药集团化学试剂有限公司);硼酸、乙酸、磷酸(分析纯，上海化学试剂总厂)。实验用水为超纯水(电阻率18.2 MΩ·cm)。

1.0 mmol/L Ni2+标准溶液:准确称取0.0121 g硝酸镍，用水溶解并定容于100 mL容量瓶中，摇匀，使用时用水稀释成不同浓度的工作溶液;Britton－Robinson(B－R)缓冲溶液:pH 5.72，在100 mL三酸混合液(磷酸、乙酸、硼酸，浓度均为0.04 mol/L)中，加入0.2 mol/L NaOH溶液40.0 mL。

1.2 实验方法

1.2.1 荧光碳点的制备 准确称取0.540 0 g葡萄糖，将其溶于25 mL聚乙二醇－水(体积比1∶1)溶液中，并转移至反应釜中，在180℃下反应3 h，取出冷却至室温后，加入一定量己二胺粉末于上述反应液中，于120℃电热恒温干燥箱中反应12 h进行钝化，即得到棕红色的荧光碳点溶液，用水定容至25 mL，该荧光碳点的浓度为0.72 mol/L(以碳计)。将制备的碳点溶液用水稀释至0.003 6 mol/L，作为碳点储备液于4℃保存备用。

1.2.2 镍离子的测定方法 在5 mL比色管中，依次加入0.5 mL碳点储备液、1.0 mL B－R缓冲溶液(pH 5.72)和适量Ni2+工作溶液，用水定容，摇匀。室温下反应10 min后，以350 nm为激发波长，测定体系的荧光强度F;按同样的方法测定试剂空白的荧光强度F0，计算相对荧光强度ΔF=F0/F。仪器激发和发射狭缝宽度均为10 nm。

2 结果与讨论

2.1 荧光碳点的光谱性质

测试了荧光碳点的紫外吸收光谱和荧光光谱，结果显示，碳点的最大吸收峰位于350 nm;在350 nm激发波长下，荧光碳点在435 nm处有一很强的发射峰，这与其在紫外灯下发射的明亮青色荧光相一致。该荧光碳点的激发光谱连续，同时具有很宽的荧光激发波长范围;荧光发射峰峰形对称，半峰宽较窄，荧光强度高，表明所合成的荧光碳点光学性质稳定，具有良好的发光性能。

2.2 荧光碳点在不同激发波长的发射光谱

将制备的荧光碳点储备液依次稀释后，增大激发波长，考察其荧光发射波长变化。荧光碳点在不同激发波长(340～450 nm)下的荧光发射光谱如图1所示。由图1可见，随着激发波长的增大，荧光发射峰发生红移，荧光强度先增大后减小，其中，激发波长为350 nm时，荧光碳点的荧光发射强度最大。这种呈多元激发、多元发射的光谱特性，可能是由于碳点表面发光位点不同，以及制备过程中不均匀纳米粒径的量子尺寸效应等所引起［22］。因此，选择350 nm作为实验中荧光碳点的激发波长。在此激发波长下，荧光碳点的发射波长为435 nm。

图1 碳点在不同激发波长下的荧光发射光谱Fig.1 Fluorescence emission spectra of CDs from microwave way at different excitation wavelengths excitation wavelength(1－12):350，360，370，340，380，390，400，410，420，430，440，450 nm

2.3 Ni2+对荧光碳点的猝灭

室温下，在荧光碳点中加入不同浓度的Ni2+工作溶液以及pH 5.72的B－R缓冲溶液1.0 mL，用水定容后测定，不同浓度的Ni2+对碳点荧光强度的影响如图2所示。由图2可知，当激发波长为350 nm时，随着Ni2+浓度的不断增大，碳点的荧光强度逐渐下降，荧光峰形变宽，而其荧光发射波长仍在435 nm处。说明加入Ni2+后体系发生变化，导致碳点的荧光猝灭。这是因为，碳点表面的部分羟基发生电离形成氧负离子，呈现一定的负电性，由于静电排斥力作用，使得碳点呈分散状态，具有较强的荧光;随着Ni2+的加入，碳点表面的负电荷逐渐减小，减弱了碳点之间的静电排斥力，拉近了碳点之间的距离，使得碳点逐渐发生聚集，碳点的水合粒径增大，导致碳点荧光猝灭［23］。

图2 不同浓度Ni2+存在时碳点的荧光光谱Fig.2 Fluoresence spectra of CDs in the presence of different concentrations of Ni2+

2.4 pH值的影响

考察了不同pH值的Britton－Robinson(B－R)缓冲溶液中，Ni2+对碳点的荧光猝灭情况。结果表明，体系的荧光光谱峰位不随B－R缓冲液pH值的改变而发生位移，但其相对荧光强度ΔF发生变化。当pH值在4.50～8.50范围时，ΔF先增强再减弱，在pH 5.72时，ΔF达到最大值，表明此时Ni2+对碳点的猝灭作用最强。因此实验选择B－R缓冲溶液的最佳pH值为5.72。

2.5 反应时间的影响

考察了反应时间对碳点荧光强度的影响。结果表明，未加Ni2+离子时，碳点的荧光强度不随时间发生变化，加入Ni2+后，猝灭作用非常迅速，碳点溶液的荧光强度明显降低，但不稳定。10 min后，体系的荧光强度趋于稳定，且至少可保持2 h以上。因此实验选择反应时间为10 min。

2.6 碳点浓度及用量的影响

考察了碳点浓度对体系荧光强度的影响。实验结果表明，碳点的浓度较低时荧光猝灭作用不明显，且线性范围窄，而碳点浓度过高时，分析灵敏度较低。当碳点的浓度在2.0×10－4～5.0×10－4mol/L范围时，荧光猝灭程度达到最大，本实验选择碳点的最佳浓度为3.6×10－4mol/L。在此浓度下，随着碳点用量的增加，碳点与Ni2+的作用增强，荧光强度的猝灭值增大。进一步考察了此浓度下碳点用量的影响，结果显示，当3.6×10－4mol/L碳点的用量达0.5 mL时，荧光猝灭程度趋于平缓且达到最大。因此实验选择3.6×10－4mol/L碳点的用量为0.5 mL。

2.7 工作曲线与检出限

在最佳实验条件下，分别取不同浓度的Ni2+加入到一定浓度的碳点溶液中，按实验方法进行测定，以Ni2+浓度(c，μmol/L)为横坐标，以相对荧光强度值(ΔF)为纵坐标，绘制工作曲线。结果表明，Ni2+浓度在3.0～80 μmol/L范围与碳点的荧光强度呈线性关系，其线性方程为ΔF=1.009+0.031 0 c，r=0.998 3。进行11次空白实验，按3δ/k计算(δ为11次空白溶液的标准偏差，k为线性方程的斜率)得检出限为0.13 μmol/L。平行配制11组量子点加入6.0 μmol/L Ni2+溶液，测定其荧光强度，相对标准偏差(RSD)为2.7%。

2.8 共存离子的影响

2.9 实际样品分析

取50 mL资江水样，过滤除去不溶物，然后移入50 mL容量瓶中，用H2O定容，摇匀，作为待测液。准确移取2.0 mL待测溶液加入5 mL比色管中，按本实验方法测定，并与原子吸收光谱法［7］的结果进行对照，结果如表1所示。由表1可见，本法与原子吸收光谱法的测定结果相符。进一步对实际样品进行加标回收实验，测得回收率为98.1%～103.5%，RSD为1.5%。

表1 实际水样中镍(Ⅱ)的分析结果Table 1 Analytical results of nickel(Ⅱ)in the actual water samples

3 结论

本文利用葡萄糖为碳源，以聚乙二醇-200(PEG-200)为分散剂和表面修饰剂，在水溶液中合成了水溶性的荧光纳米碳点(CDs)，利用Ni2+对CDs的猝灭作用，建立了CDs荧光猝灭法测定痕量镍的方法。该方法具有灵敏度高、选择性好等特点，用于环境水样中痕量镍的测定，结果满意。

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