氮掺杂碳点的制备及在六价铬检测中的应用

曾　强，朱浩波，朱红艳，朱小利，戴昌雄，邓　淳，何　瑜，张修华，宋功武

(1.武汉红金龙印务股份有限公司，湖北 武汉 430056；2.湖北大学化学化工学院，湖北 武汉 430062)



氮掺杂碳点的制备及在六价铬检测中的应用

曾强1，朱浩波1，朱红艳1，朱小利1，戴昌雄1，邓淳2，何瑜2，张修华2，宋功武2

(1.武汉红金龙印务股份有限公司，湖北 武汉 430056；2.湖北大学化学化工学院，湖北 武汉 430062)

摘要：以破壁灵芝孢子粉为碳源、尿素为含氮掺杂剂，采用一步超声法制备了氮掺杂荧光碳点(N-CDs)，并将其作为荧光探针检测Cr(6+)。向碳点溶液中加入Cr(6+)后，碳点荧光发生了猝灭，表明碳点与Cr(6+)发生了作用，并在Cr(6+)浓度为0～300 μmol·L(-1)范围内荧光强度变化值与Cr(6+)浓度表现出良好线性关系，相关系数为0.9818，检出限为0.3 μmol·L(-1)。在实际样品检测中，回收率较好，为94%～102%，说明所制N-CDs可用于Cr(6+)的检测，具有较高的实用价值。

关键词：Cr(6+)；灵芝孢子粉；荧光碳点；氮掺杂；荧光检测

铬是一种重要的金属元素，广泛应用于电镀、制革、染料及冶金工业中[1]。在环境中主要以Cr3+和Cr6+两种形式存在[2]。铬的毒性与其所处化学价态有关[3]，Cr3+为人体所需微量元素[4]，主要功能为促进人体糖类[5]、蛋白质[6]和脂类的新陈代谢及人体生长发育[7-8]，而Cr6+对人体有毒，易穿透细胞并在细胞内沉积，其强氧化性可引起肾脏、肝脏、神经系统和血液的广泛病变[9]。因此，对Cr6+的检测显得十分必要。

荧光碳点(fluorescentcarbondots，CDs)[10]是继量子点之后又一种新型的荧光纳米材料，具有良好的发光性能与小尺寸特性，而且还具有很低的生物毒性和良好的生物相容性[11]，克服了传统荧光染料的缺点，在细胞成像[12]、标记[13]及检测[14]等领域具有广阔的应用前景，有望代替量子点成为最具应用前景的环保型荧光纳米材料。

作者以破壁灵芝孢子粉为碳源、尿素为含氮掺杂剂，采用一步超声法制备氮掺杂荧光碳点(N-CDs)，并将其作为荧光探针检测环境水样中Cr6+。

1实验

1.1试剂与仪器

灵芝孢子粉；尿素，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；二次去离子水。

LS55型荧光分光光度计、Spectrumone型傅立叶变换红外分光光度计、Lambda35型紫外分光光度计，美国Perkin-Elmer公司；TecnaiG20型透射电子显微镜，美国FEI公司；DTC-8型超声波清洗机，鼎泰(湖北)生化科技设备制造有限公司。

1.2方法

1.2.1N-CDs的制备及表征

准确称取1 g破壁灵芝孢子粉溶于100 mL去离子水，向其中加入1 g尿素，搅拌均匀，超声反应4 h。反应结束后冷却至室温，离心抽滤，得到淡黄色上清液即为N-CDs溶液，将其稀释100倍，4 ℃储存，备用。

通过荧光光谱、TEM、FTIR、UV-Vis对制备的N-CDs进行表征。

1.2.2N-CDs的稳定性

N-CDs在应用中会受到环境酸碱度及离子强度的影响，测定N-CDs溶液在pH值2～12、KCl溶液浓度在0～100 mmol·L-1范围内的440 nm处的荧光强度，考察酸碱度和离子强度对N-CDs荧光性质的影响。

1.2.3N-CDs对Cr6+的检测

配制一系列不同浓度(0～300 μmol·L-1)的铬酸钾溶液，与N-CDs溶液混合。在900 V电压、激发与发射狭缝分别为15 nm和20 nm的条件下，固定激发波长325 nm，测定体系荧光强度，得到荧光猝灭谱图。

2结果与讨论

2.1N-CDs的表征(图1)

图1　N-CDs的荧光激发光谱和发射光谱(a)、透射电镜照片(b)、红外光谱(c)、紫外光谱(d)

由图1a可知，制备的N-CDs具有良好的荧光特性，激发峰和发射峰分别在325 nm和440 nm处，表明N-CDs可以用于荧光方面的应用。由图1b可知，制备的N-CDs粒度均一，分散性好，粒径为2 nm左右，符合碳点基本特性。由图1c可知，3 443 cm-1、3 350 cm-1为氨基伸缩振动峰，1 671 cm-1为氨基弯曲振动峰，表明成功掺杂了氮。由图1d可知，N-CDs在250 nm处具有紫外吸收。

2.2N-CDs的稳定性(图2)

由图2a可知，在pH值为2～12时，N-CDs的荧光强度变化不大，表明N-CDs具有良好的pH值稳定性。由图2b可知，在不同浓度KCl溶液中，N-CDs在440 nm处的荧光强度与未加KCl的荧光强度几乎一致，表明制备的N-CDs在较高离子强度溶液中具有良好的稳定性。

图2N-CDs在不同pH值(a)和离子强度(b)下的荧光强度

Fig.2The fluorescence intensity of N-CDs at different pH values(a) and ionic strengths(b)

2.3N-CDs检测Cr6+的可行性

为探究所制备的N-CDs检测溶液中Cr6+的可行性，测定了加Cr6+前后N-CDs的荧光发射光谱，见图3。

图3　加Cr6+前后N-CDs的荧光发射光谱

由图3可知，加Cr6+后N-CDs溶液在440 nm处荧光强度极大降低，发生了猝灭，表明制备的N-CDs具有检测Cr6+的可行性。

环境酸碱度不仅可能影响N-CDs荧光强度，也可能会影响N-CDs在检测中对目标物的荧光响应性，测试150 μmol·L-1Cr6+在不同pH值环境中对N-CDs荧光强度猝灭百分比，结果见图4。

图4　不同pH值下Cr6+对N-CDs荧光强度猝灭百分比

由图4可知，在pH值为2和3的条件下，Cr6+对N-CDs荧光强度猝灭百分比最大，响应最灵敏，故选取溶液pH值为3作为最佳检测条件。

在pH值为3的条件下，考察不同浓度Cr6+对N-CDs荧光强度的影响，结果见图5。

图5　不同浓度Cr6+对N-CDs荧光强度的影响

由图5可知，N-CDs荧光强度随着Cr6+浓度的增大而逐渐减弱，说明Cr6+与N-CDs发生了相互作用，并且猝灭十分明显，表明N-CDs可以应用于Cr6+检测。

为验证N-CDs对Cr6+检测的灵敏度，测定440 nm处N-CDs溶液加Cr6+前后的荧光强度(F0、F)，由F0/F对Cr6+浓度作图(图6)，得到检测Cr6+的工作曲线，线性拟合方程为F0/F=0.732+0.011cCr6+，相关系数R2=0.9818。Cr6+浓度线性范围为0～300 μmol·L-1，检出限为0.3 μmol·L-1，表明该检测方法可行，并且检测灵敏。

2.4离子选择识别性

N-CDs在检测Cr6+过程中，可能会受到环境中各种金属离子的干扰，对N-CDs检测Cr6+的灵敏度进行了选择识别性测试实验。在pH值为3、Cr6+浓度为200 μmol·L-1的条件下，测试了环境中的其它12种浓度为1 mmol·L-1的金属离子(Ni2+、Mn2+、Co2+、Fe2+、Fe3+、Ag+、Mg2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+、Hg2+、Cr3+)对N-CDs荧光强度猝灭百分比，结果见图7。

图6　440 nm处荧光强度与Cr6+浓度关系

图7　N-CDs对Cr6+选择识别性

由图7可知，12种金属离子对N-CDs荧光响应较小，表明N-CDs对Cr6+的选择识别性较好。

2.5实际样品检测

分别对长江水、东湖水、沙湖水进行简单过滤后，进行加标回收测试，N-CDs对3种未稀释实际水样中的Cr6+加标回收检测结果见表1。

表1

实际样品检测结果(n=3)

Tab.1The detection results of real samples(n=3)

样品加入量μmol·L-1测得值μmol·L-1回收率/%长江水6058.64±0.3598±0.59东湖水6059.28±1.6099±2.67沙湖水6056.85±0.4595±0.75

由表1可知，N-CDs在实际样品检测中的结果达到期望值，回收率均在94%～102%之间，适合微量分析，说明制备的N-CDs在Cr6+检测中具有较高的实用价值。

2.6N-CDs荧光检测Cr6+的机理

荧光猝灭机理通常分为2种：动态猝灭和静态猝灭。动态猝灭机理一般用Stern-Volmer方程(式1)描述；静态猝灭机理则用Lineweaver-Burk方程(式2)解释。

F0/F=1+KSVcq

(1)

1/(F0-F)=1/F0+KLB/(F0cq)

(2)

式中：F、F0分别是猝灭剂存在与不存在下体系的荧光强度；KSV为动态猝灭常数(即Stern-Volmer猝灭常数)，KLB为静态猝灭常数(即Lineweaver-Burk猝灭常数)；cq为猝灭剂浓度。

以不同浓度猝灭剂存在下的荧光强度F0/F对猝灭剂浓度作图，得到线性方程F0/F=0.732+0.011cCr6+，线性相关系数为0.9818，表明Cr6+猝灭N-CDs遵循Stern-Volmer方程，属于动态猝灭，说明荧光猝灭可能是Cr6+与激发态的N-CDs发生相互碰撞而导致的。

为了进一步讨论Cr6+的检测机理，考察了加Cr6+前后N-CDs的紫外光谱，见图8。

图8　N-CDs的荧光猝灭机理

由图8可知，Cr6+在350 nm处的紫外吸收峰与N-CDs在325 nm处的荧光激发峰部分重合，在440 nm处的紫外吸收峰与N-CDs在440 nm处的荧光发射峰重合，说明在检测过程中，Cr6+不仅能吸收N-CDs的激发能量也能吸收N-CDs的发射能量，即检测过程中存在能量传递行为[15]。

3结论

以破壁灵芝孢子粉为碳源、尿素为含氮掺杂剂，采用一步超声法制备了N-CDs。所制备的N-CDs粒径为2 nm左右，粒度均一，荧光性质稳定，对Cr6+选择识别性好，可以作为Cr6+荧光探针。在Cr6+浓度为0～300 μmol·L-1范围内N-CDs荧光强度变化值与Cr6+浓度表现出良好线性关系，相关系数为0.9818，检出限为0.3 μmol·L-1。N-CDs对Cr6+的检测灵敏度较高，并且在实际样品检测中得到预期结果，表明制备的N-CDs可以较好地应用于实际样品检测，具有较高的实用价值。该方法简单快速，测定条件温和，极具推广价值。

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Preparation of Nitrogen Doped Carbon Dots and Their Application as Fluorescence Probe for Cr6+Detection

ZENG Qiang1，ZHU Hao-bo1，ZHU Hong-yan1，ZHU Xiao-li1,DAI Chang-xiong1，DENG Chun2，HE Yu2,ZHANG Xiu-hua2,SONG Gong-wu2

(1.WuhanHongjinlongPrintingCo.,Ltd.,Wuhan430056，China；2.CollegeofChemistry&ChemicalEngineering，HubeiUniversity，Wuhan430062，China)

Abstract：In this paper,using the Ganoderma lucidum spores as a carbon source,urea as a nitrogen dopant,nitrogen doped fluorescent carbon dots(N-CDs) were prepared with one-step ultrasound method.The prepared N-CDs were used as a fluorescence probe for Cr(6+) detection.The fluorescence intensity of N-CDs quenched after adding Cr(6+).The fluorescence intensity showed a good linear relationship with the concentration of Cr(6+) range from 0 to 300 μmol·L(-1),the correlation coefficient was 0.9818 and the detection limit was 0.3 μmol·L(-1).The recoveries of real samples were 94%～102%,which indicated a good practical application of N-CDs.

Keywords：chromium(Ⅵ);Ganoderma lucidum spores;fluorescent carbon dots;nitrogen doped;fluorescence detection

中图分类号：O 613.71

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2016)03-0048-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.03.013

作者简介：曾强(1980-)，男，湖北武汉人，工程师，研究方向：环境分析，E-mail：zengqiang@hjlprint.com。

收稿日期：2015-12-28