掺氮高荧光碳点的一步法制备及对痕量Hg离子的选择性检测

张筱喆 张文君 张祖星 肖长河 王万华 潘 乐 沈玉华

(安徽大学化学化工学院，安徽大学清洁能源与绿色催化创新实验室，合肥230601)

张筱喆 张文君 张祖星 肖长河 王万华 潘 乐 沈玉华＊

(安徽大学化学化工学院，安徽大学清洁能源与绿色催化创新实验室，合肥230601)

采用一步水热法制备了一种水溶性的、具有良好荧光性能的掺氮碳量子点(N-碳点)，其尺寸大小均匀，约为7 nm。N-碳点的荧光强度随N的掺杂量、水热反应温度、溶液的pH值而改变。在最佳反应条件下所制备的N-碳点的荧光量子产率高达24.4%。该N-碳点作为一种简单、低成本的荧光探针用于检测痕量Hg2+，具有高选择性和高灵敏度的特点，其最低检测极限可达到0.02 μmol·L-1(4.012 ng)。

N-碳点；荧光性能；荧光探针；检测；汞离子

0 引言

二价汞离子属于高毒性重金属离子，被公认为最危险且普遍存在的污染物之一[1]，其可以轻易地穿透人体皮肤、呼吸道、消化道进入人体内，并且破坏人体中枢神经及内分泌系统，对人体健康造成严重威胁[2]。据联合国环境规划署估计，全球每年二价汞的排放量达到4 400～7 500吨。因此，研究人员花了大量的精力去开发高效、灵敏、有选择性地检测Hg2+的方法。与原子吸收发射光谱、原子荧光光谱、电感耦合等离子体质谱和极谱法[3]相比，荧光探针技术[4]具有高灵敏度、高效率的优点[5]，因而更加引起了研究人员的广泛关注。这些荧光探针包括有机分子[6]、金属纳米团簇[7]、半导体量子点等。然而，以上这些荧光材料有的合成方法复杂、有的含有毒有害物质、有的价格昂贵。因此，寻找一种简单、无毒、经济的新型荧光探针材料十分必要[8]。

近年来，一种具有荧光的新型碳基纳米材料碳点(CDs)引起了研究者的广泛兴趣，作为碳基纳米材料家族的新成员，碳点具有激发波长与发射波长可调谐，发射稳定，良好的耐光漂泊等优异的荧光性能[9]。此外，荧光碳点较其他无机纳米材料还具有制备成本低、生物安全性高，绿色环保等特性，使其已开始应用于荧光探针[10]、细胞显影[11]、生物标记[12]等领域。合成碳点的碳源包括无机和有机两种，无机碳源主要为石墨、活性碳、蜡烛燃烧灰、单/多壁碳纳米管和油烟等。制备方法包括电化学法、普通酸氧化法，超声辅助酸氧化法及激光辅助法制备等[13]。但上述方法制备所得碳点荧光量子产率较低，基本不超过10%。有机碳源主要为碳水化合物、柠檬酸及柠檬酸铵盐和其他含碳化合物等，制备方法包括直接有机物碳化法、热分解法、微波辅助制备法[14]等，然而制得的荧光碳点稳定性和均匀性难以得到保证，也存在荧光量子产率低等缺点。

本文利用尿素为氮源、柠檬酸为碳源，采用简单的一步水热方法成功地制备了一种氮掺杂的具有高荧光量子点产率、良好荧光稳定性和水溶性的蓝色荧光碳点。更为重要的是，制备的荧光N-碳点在痕量Hg2+离子存在下，能够选择性的发生荧光猝灭。其对Hg2+离子的检出限低达0.02 μmol·L-1，是一种极为有效的Hg2+离子荧光检测剂。

1 实验部分

1.1 试剂

柠檬酸(C6H8O7，分析纯)，尿素(CH4N2O，分析纯)，二氯化汞(HgCl2，分析纯)，硝酸银、硝酸镉、硝酸铅、硝酸钡、硝酸铜、硝酸亚铁、硝酸镍、硝酸钙、硝酸钠、硝酸钾、硝酸铝、硝酸锌、硝酸铵、氯化钠、硫酸钠、硫化钠、硝酸。以上所有的化学药品均购买于国药集团试剂公司，未进一步纯化。实验室所用的水为超纯水，Milli Q所制得。

1.2 仪器及表征

丹东浩元仪器有限公司生产的DX-2700型X射线衍射仪，采取Cu Kα射线(波长为0.1540 56 nm)。扫描速度为6°·min-1，测试电压为35 kV，电流为25 mA。NEXUS-870型傅里叶变换红外光谱仪红外表征，采用溴化钾压片，分辨率4 cm-1，扫描范围400～4 000 cm-1。UV3600紫外可见分光光度计(日本岛津公司)，扫描范围：200～800 nm；采样间隔：1 nm；扫描速度：中速；光度模式：Abs。F-4600荧光光谱仪。ESCALAB-MKII光谱仪(VG Co.U.K.)，Via-Reflex英国雷尼绍公司激光共聚焦拉曼光谱,原子力显微镜AFM(Veeco Multimode 8)。Zetasizer ZS90纳米激光粒径仪测量。

1.3 荧光N-碳点的合成

将1 g柠檬酸和0.7g尿素超声溶解于30 mL去离子水中(有机混合物总含氮量即掺N元素WN= 9.61wt%)，形成透明溶液，然后转入聚四氟乙烯为衬底的高压釜内，密封后分别于120、130、140、150、160、180、200℃水热反应5 h。反应结束后，自然冷却到室温即得到棕黄色澄清溶液，再用截留分子量为3500Da的透析袋透析一晚，冷冻干燥后即得到掺氮的碳点(以下简称N-碳点)，根据所得固体粉末质量和所用反应物质量计算得N-碳点产率为38%。N-碳点的实际使用浓度为质量百分比浓度，是将冷冻干燥后的量子点粉末经计算而配制成水溶液的。除特指外，N-碳点溶液的浓度均为0.01 mg·mL-1。

为了探讨掺N量对N-碳点荧光强度的影响，分别加入0，0.2，0.4，0.5，1.0 g尿素水热制备了另5种掺N分别为0.00wt%，3.89wt%，6.66wt%，7.77wt%和11.6wt%的碳点，温度为180℃，pH=7，反应5 h，分别测试其荧光强度。

为了探讨pH对所制备N-碳点的荧光强度的影响，将在温度为180℃，掺N质量分数WN= 9.61wt%，反应5 h后得到的荧光碳点溶液，分别通过调节酸碱度配制了9种pH值分别为1、2、3、4、5、7、8、10、11的碳点溶液，测试其荧光强度。

1.4 量子产率的测定

将碳点配制成溶液后测试其紫外可见吸收光谱及荧光光谱(λex=350 nm)。将荧光峰的积分面积F及相应的吸收值A(λem=430 nm)代入如下公式：

Φx为测试样品的荧光量子效率，ΦS表示标准物质的荧光量子效率，n表示溶剂的折光指数。实验中采用的标准物为罗丹明B(荧光量子效率为90%)。计算得到的荧光量子点产率为24.4%。

1.5 荧光N-碳点对Hg2+的检测

取在最适宜条件下制备好的WN=9.61wt%的荧光碳点粉末0.075 mg，分散于1 mL去离子水中配制成实际浓度为0.075 mg·mL-1的荧光碳点溶液，然后调节pH=7.0，加入1mL不同浓度的Hg2+溶液，混合均匀后测定其荧光发射光谱强度(λex=350 nm)。实验平行测定3次。

2 结果与讨论

2.1 荧光N-碳点形貌、组成、物相及微观结构

由图1a可以看出，水热反应温度为180℃，掺N质量分数为9.67%制备的N-碳点分散均匀,没有聚集现象，其尺寸大小较均一，约为7 nm。图1b为N-碳点的Raman光谱。可以看到，在1 352 cm-1，1 597 cm-1位置有2个碳的特征峰，分别对应于其源于碳点中石墨碳的结构D带和归因于碳点中无定型碳G带。D带峰弱于G带峰，说明所制备的N-碳点中无定型碳较石墨碳成分稍多。图1c为N-碳点的XRD图。可以发现，在2θ为10°～70°范围内出现一宽衍射锋，说明N-碳点主要是无定型碳。在2θ= 27.2°处的1个稍尖的小峰，对应于石墨碳的(002)晶面，说明制备的N-碳点是无定型碳和石墨碳的复合体。N-碳点的傅里叶红外光谱如图1d所示。在3 430 cm-1附近的宽峰为C-OH和N-H的伸缩振动峰；在1 128 cm-1处为C-NH-C的不对称伸缩振动峰；1 572 cm-1处为N-H的弯曲振动峰；1 635 cm-1处为C=O的振动特征峰。1 082 cm-1处为环氧基的弯曲振动峰。从以上的分析中我们可以知道碳点表面含有：-OH、环氧基、C=O、C-N(C=N)、-NH等极性基团，有利于与金属离子配位结合而进行检测。

图1 N-碳点的(a)AFM图;(b)拉曼光谱图;(c)XRD图;(d)FTIR光谱(反应温度为180℃，WN=9.61wt%，pH=7)Fig.1 AFM image(a),Raman spectrum(b),XRD pattern(c)and FTIR spectrum(d)of N-CDs prepared at 180℃(WN=9.61wt%and pH=7)

图2 a为N-碳点的X射线光电子能谱。可以发现，碳点主要由碳元素、氧元素、氮元素组成。从图2 (b)中C1s分峰可知，碳点表面的碳元素主要形成了sp2杂化的C=C/C-C(284.75 eV)，以及C=O(286.15 eV)和287.1 eV的C-N。X射线光电子能谱分析说明碳点掺杂N,并且表面富含羟基、羧基等基团，与红外光谱分析相吻合。

2.2 荧光N-碳点的紫外可见与荧光光谱

当我们分别用290、310、330、350、370、390、410、430 nm的激发波长激发N-碳点，发现其最大发射波长随着激发波长的变化而变化(图3a)，最大荧光发射峰在430 nm左右，且对应最大激发峰在350 nm左右，与其紫外吸收位于346 nm的峰(图3b，典型的芳香族π系统吸收)相符。

图2 N-碳点的XPS总谱(a)和C1s的XPS谱图(b)Fig.2 XPS survey spectrum of the score(a)and C1s of N-CDs(b)

图3 (a)N-碳点溶液在不同激发波长激发的荧光光谱图;(b)N-碳点溶液的紫外-可见光谱和荧光激发光谱图Fig.3 (a)Emission spectra of the CDs with excitation of different wavelength;(b)UV-Vis absorption and Fluorescence excitation spectra of the CDs

2.3 N含量、水热温度和溶液pH对N-碳点荧光性能的影响

图4a为不同掺N量所制备的6种N-碳点的荧光光谱(λex=350 nm)。从图上可以观察到N含量对波长影响不大，但对其荧光强度有明显影响。N-碳点的荧光强度开始随着N含量的增加而增强，当掺N量为9.61wt%时，所得N-碳点荧光强度达到最大。再继续增大N含量时，N-碳点荧光强度又降低。可见，掺N量的不同对N-碳点的荧光强度有非常大的影响，但并非N含量越多越好。在该实验条件下，掺杂N的量为WN=9.61wt%时是最佳条件。

图4b反映了不同制备温度对N-碳点荧光强度的影响(λex=350 nm)，我们发现N-碳点的尺寸随着温度改变而发生变化，对应温度下所得N-碳点的颗粒分布见图4b插图。当水热温度低于140℃或者达到200℃，荧光强度均较低，在该温度范围内的N-碳点尺寸小于2 nm。160和180℃水热温度所制备的N-碳点粒径较大为6～9 nm，与原子力显微镜测量的数据相符合，荧光强度也相对较大。其中180℃时N-碳点的荧光强度最高，因此180℃水热温度为最佳反应温度。由结果可以看出，在本实验所讨论的N-碳点粒径范围(1～9 nm)内，随着粒径的增大，其荧光强度也增大。

不同pH值溶液中N-碳点的荧光光谱见图4c。我们发现了一个有趣的现象，所制备的N-碳点的荧光强度受溶液pH值的影响较大。当pH=7时，碳点溶液的荧光最强。将各不同pH值条件下N-碳点荧光强度对溶液pH=7时最佳荧光强度作的归一化处理如图4d，可以看出碳点的荧光强度先随着pH值的增加而增强，当pH=7时荧光最强，随后荧光强度又急剧降低。因此，荧光N-碳点的最适pH值为7。

2.4 N-碳点用于荧光探针检测痕量Hg2+

选择合适的荧光N-碳点浓度用于定量地检测Hg2+是至关重要的，当pH=7时，碳点荧光强度与其浓度的关系如图5a所示(λex=350 nm)。发现当碳点浓度较低时(0.01～0.075 mg·mL-1)，其荧光强度与浓度呈线性关系，碳点浓度继续增大，其荧光强度反而呈现出降低趋势。其线性回归方程如方程(2)所示。

图4 不同掺N量(a)、不同水热反应温度(b)和溶液pH值(c)对N-碳点荧光强度的影响;(d)不同pH值下荧光强度的归一化处理Fig.4 Influence of different N-doped amount(a),different reaction temperatures(b)and different pH values(c)on the FL intensity of N-CDs;(d)Normalized FL intensity of N-CDs at different pH values

图5 (a)N-碳点的荧光强度随浓度的变化;(b)低浓度时荧光强度与浓度的线性关系(pH=7)Fig.5 (a)Concentration-dependent FL response of N-CDs;(b)Linear response range of N-CDs with lower concentrations(pH=7)

因此，我们选择最大碳点浓度为0.075 mg·mL-1用于Hg2+定量检测[15]。

为了研究N-碳点检测Hg2+的灵敏度，在室温下，以0.075 mg·mL-1N-碳点溶液在pH=7的条件下作为荧光探针检测不同浓度的Hg2+离子，见图6a。结果表明，虽然Hg2+浓度逐渐增大，混合液荧光发射光谱最大波长仍为430 nm；即使在0.02 μmol·L-1时仍然可以看出明显的荧光淬灭现象，所以我们认为Hg2+检测极限可以达到0.02 μmol·L-1(4.012 ng)。

从发射光谱图我们得到线性回归方程(3)：

方程3中，F0和F分别代表未加入和加入Hg2+时N-CDs溶液的荧光强度。C为待测样中Hg2+浓度。

图6 (a)加入不同浓度的Hg2+的N-碳点溶液(0.075 mg·mL-1,pH=7)荧光发射光谱;(b)N-碳点对Hg2+的荧光选择性检测Fig.6 (a)FL response of CDs(0.075 mg·mL-1)upon addition of Hg2+with various concentrations in a pH=7 solution; (b)Selectivity of the N-CDs-based sensor for Hg2+detection over other ions in pH=7 solution

为了解本实验中所制备的荧光碳点对Hg2+是否具有选择性，我们选取了其他多种重金属离子例如：Ag+、Cd2+、Pb2+、Ba2+、Cu2+、Fe2+、Ni2+、Zn2+以及其他常见阴阳离子例如：Ca2+、Na+、K+、Al3+、NH4+、Cl-、NO3-、SO42-、S2-等进行荧光检测选择性实验。用于实验的荧光碳点的浓度为0.075 mg·mL-1，重金属离子的浓度均为100 μmol·L-1，Hg2+浓度为10 μmol·L-1，其他阴阳离子的浓度均为1 mmol·L-1，溶液pH值均为7。如图6b所示，只有Hg2+离子能使荧光碳点猝灭度(F0-F)/F0=99.2%接近100%。其猝灭效果如图6b插图所示，未加入Hg2+之前，如左图发出强烈的蓝色荧光，当加入Hg2+后，如右图蓝色荧光几乎完全猝灭。我们将样品用于实验室废水，得到了与插图相同的实验效果。由此可知，我们制备的N-碳点是一种高效的具有单一选择性的Hg2+检测探针。其作用机理可能是：由于在N-碳点表面富含OH、环氧基、C=O、C-N(C=N)、NH基团，其均可通过孤对电子与金属离子配位，而Hg2+相对其他金属离子而言有较大的原子半径，更容易与碳点表面的极性基团的O和N原子配位结合，而且配位时更容易发生极化和变形，从而导致N-Hg等键的共价键成分增大，键也更稳定，使Hg2+与碳点作用而发生荧光猝灭现象，这与文献报道一致[16]。

3 结论

本实验以廉价的柠檬酸、尿素为原料，简单的水热法一步合成了具有良好荧光性质的氮掺杂的荧光碳点，并获得了最佳水热反应温度(180℃)、最佳掺N量WN=9.61wt%和最佳pH值(7)。在最佳条件下所合成的碳点尺寸均匀，大小约为7 nm，其表面富含-OH、环氧基、C=O、C-N(C=N)、NH等官能团，使N-碳点具有良好的水溶性。N-碳点在紫外光照射下发蓝色荧光，其荧光量子产率高达24.4%。作为荧光探针，N-碳点对Hg2+检测具有高选择性和高灵敏性，检测极限达0.02 μmol·L-1(4.012 ng)。

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One Step Preparation of N-doped Carbon Dots with High Fluorescence Yield for Selective Detection of MercuryIon

ZHANG Xiao-ZheZHANG Wen-JunZHANG Zu-XingXIAO Chang-He WANG Wan-HuaPAN LeSHEN Yu-Hua*
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Lab for Clean Energy&Green Catalysis,Anhui University,Hefei 230601,China)

The water soluble and nitrogen doped carbon quantum dots(N-CDs)with excellent fluorescence performance were fabricated by one step hydrothermal method.The size of N-CDs is homogeneous and about 7 nm.The fluorescent intensity of N-CDs changed with the content of N,reaction temperature and pH value.In the optimal condition,the fluorescence quantum yield of N-CDs reached 24.4%.The N-CDs was found to be a simple，lowcost,high selective and sensitive fluorescent probe for the detection of Hg2+ions with a detection limit as low as 0.02 μmol·L-1(4.012 ng).

N-doped carbon quantum dot;fluorescence performance;fluorescent probe;detection;mercury ion

O614.24+1

A

1001-4861(2015)01-0001-06

10.11862/CJIC.2015.027

2014-07-28。收修改稿日期：2014-10-12。国家自然科学基金(No.21173001，21371003)

＊通讯联系人。E-mail：yhshen@ahu.edu.cn