氮掺杂碳量子点荧光猝灭法检测水中Hg2+

陈志燕， 孟冬玲， 华建豪， 杨亚玲*

(1.广西中烟工业有限责任公司技术中心，广西南宁 530001;2.昆明理工大学生命科学与技术学院，云南昆明 650500)

Hg2 +是毒性较高的重金属离子之一，被公认为最危险且普遍存在的污染物之一[1]，它能够通过食物链产生富集效果，最终在人体内累积，破坏人体中枢神经及内分泌系统，对人类的健康和生命造成严重威胁[2]。Hg2+的检测方法有比色法[3]、电化学法[4]、荧光光谱法[5]及原子发射光谱法[6]等。目前，国内检测Hg2+常用的方法为原子荧光光谱法，相比于其它几种分析方法，荧光探针技术[7]因具有高灵敏度、高效率的优点[8]而成为研究的热点。

荧光碳量子点(CQDs) 是一种尺寸在10 nm 以内且单分散性的准球形荧光碳纳米材料[9 - 10]，它是继富勒烯、碳纳米管及石墨烯之后最热门的碳纳米材料之一。CQDs凭借其优异的生物安全性，绿色环保性，光致发光性，亲水性，化学及光稳定性，易于功能化及电子学特性等，使其已开始应用于荧光探针[11]、细胞显影[12]、生物标记[13]等领域。合成CQDs的碳源包括无机和有机两种，无机碳源主要为石墨、活性碳、单/多壁碳纳米管和油烟等；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。制备的方法包括电弧放电法[9]、激光刻蚀法[14]、化学氧化法[15]、水热法[16]、超声处理[17]和微波辐射法[18]。其中，水热法被认为是一种简单、高效制备荧光CQDs点的方法。

本文以乙二胺为氮源、柠檬酸为碳源，采用一步水热法制备了一种氮掺杂的，具有高荧光量子产率、良好荧光稳定性和水溶性的蓝色氮掺杂碳量子点(N-CQDs)。研究了N-CQDs对Hg2+的识别效果，在痕量Hg2+存在下，能够选择性的发生荧光猝灭。猝灭率(F/F0)与Hg2+浓度在0.01～1.0 mg/L之间存在良好的线性关系，检出限达8.6 μg/L，是一种极为有效的Hg2+的荧光检测剂。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

G9800A荧光分光光度计(美国，安捷伦公司)；Tecnai G2 TF30场发射透射电子显微镜(荷兰，FEI公司)；TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪(德国，BRUKER公司)；X-射线光电子能谱仪(赛默飞世尔科技)；SK-1型快速混匀器(金坛市国旺实验仪器厂)；HC-3018R型高速离心机(安徽中科中佳科学仪器有限公司)；120 mL聚四氟乙烯内衬水热反应釜(上海-凯实验仪器有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)。

甘氨酸(阿拉丁试剂)，柠檬酸、乙二胺、NaH2PO4、NaOH、MgCl2、AlCl3·6H2O、Pb(NO3)2、CuCl2、ZnCl2、SnCl2·2H2O、FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、AgNO3、HgCl2、CdCl2、CoCl2·6H2O，均为分析纯(天津市化学试剂三厂)。实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1N-CQDs的制备准确称取0.5 g柠檬酸，溶于100 mL超纯水，超声10 min后，再加入3 mL乙二胺，室温下搅拌10 min，将溶液倒入聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，于180 ℃恒温加热5 h，反应完成后自然冷却至室温，得深蓝色溶液。将所得溶液过0.22 μm滤膜以除去大颗粒杂质，再经10 000 r/min高速离心15 min，得到N-CQDs，并于4 ℃下储存，备用。

1.2.2量子产率的测定N-CQDs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=440 nm)代入如下公式：

Φx=ΦS(nx/nS)2(AS/Ax)(Fx/FS)

(1)

式中，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硫酸奎宁(荧光量子效率为84%)。计算得到的荧光量子产率为20.03%。

1.2.3测定方法取适量储存溶液，用甘氨酸-NaOH缓冲溶液(pH=7.0)稀释5 000倍得到无色透明的N-CQSs点溶液，于激发波长λex=350 nm，发射波长λem=440 nm处测定荧光强度。室温下加入不同量的Hg2+，涡旋使充分混匀，静置反应10 min后，测定相应的荧光强度。实验过程如图1所示。

图1 氮掺杂碳量子点(N-CQDs)的制备及检测Hg2+的原理示意图Fig.1 Schematic illustration showing the preparation of nitrogen doped carbon quantum dots(N-CQDs) and their application for Hg2+ detection

2 结果与讨论

2.1 N-CQDs的表征及性质研究

图2(A)为N-CQDs的透射电镜(TEM)图。从图中可以看出，所制备的N-CQDs呈圆球形，分散性好，且尺寸均一，平均尺寸3 nm左右。图2(B)为N-CQDs的傅里叶变换红外(FI-IR)光谱图。如图2(B)所示，在1 669、3 181 cm-1处分别为N-H的伸缩振动和弯曲振动[19]。在1 047、1 175、1 402 cm-1处分别为C-H、C-C和C=C的伸缩振动，3 181、1 669 cm-1处分别是O-H和C=O的伸缩振动[20]。说明N-CQDs表面有氨基、羧基和其他含氧官能团的存在。

采用X-射线衍射仪(XRD)对N-CQDs进行分析，图2(C)为所得谱图，扫描范围为5°～90°，N-CQDs具有一定的晶型结构，其衍射峰在2θ= 25.98°处出现宽峰，为碳的特征衍射峰。采用X-射线光电子能谱(XPS)对N-CQDs的组成和结构进行了分析，图2(D)为N-CQDs的XPS全谱图，在533.6、283.3 eV处有两个峰，分别为O ls和C ls。图2(E)为N-CQDs的C ls谱图，图2(F)为N-CQDs的O ls谱图，可以发现283.3、401.0、533.6 eV的三个强特征峰分别为C ls、N ls和O ls，N-CQDs主要由碳元素、氧元素、氮元素组成。从图2(E)中C ls 分峰可知，N-CQDs表面的碳元素主要形成了sp2杂化的C=C/C-C(283.3 eV)，C-N(285.1 eV)以及C=O(287.15 eV)。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。

图2 N-CQDs的透射电镜(TEM)图(A)，红外(IR)光谱图(B)，X-射线衍射(XRD)谱图(C)，XPS谱图(D)，C ls高分辨率XPS谱图(E)和O ls高分辨率XPS谱图(F)Fig.2 TEM image of the N-CQDs(A),IR spectrum of N-CQDs(B),XRD pattern of the N-CQDs(C),XPS spectrum of N-CQDs(D),C ls high-resolution XPS spectrum(E) and O ls high-resolution XPS spectrum(F)

图3为N-CQDs的荧光光谱(A)和不同激发波长下的发射光谱(B)，(Ex/Em=350/440 nm)。这与365 nm紫外灯下N-CQDs发出明亮的蓝色荧光一致(图3(A)插图)。图3(B)是N-CQDs在不同激发波长下的荧光发射光谱图。随着激发波长的增大，N-CQDs的荧光发射峰出现红移，证明其具有荧光转换性质。

图3 N-CQDs的荧光光谱(A)和不同激发波长下的发射光谱(B)(插图：碳量子点溶液在自然光(a)和紫外灯(b)下的图片)Fig.3 Fluorescence spectra (A) and emission spectra (B) of the N-CQDs with excitation of different wavelength(Insets:the photographs of the N-CQDs in aqueous solution under visible light(a) and UV light(b))

2.2 反应条件的优化

2.2.1pH值不同pH值溶液中N-CQDs的荧光强度见图4(A)，在酸性和碱性条件下荧光强度有明显差异。N-CQDs体系随着pH的增加，荧光强度逐渐增强，在pH值为9.0时达到最大，随后荧光强度逐渐减弱。在酸性条件下，N-CQDs易发生质子化，导致荧光强度降低；在碱性条件下，N-CQDs易发生去质子化，也导致荧光强度降低。

2.2.2反应时间研究了反应时间对体系荧光强度的影响。测试间从1 min到60 min，每隔5 min测定一次体系荧光强度，体系荧光强度随着时间的延长而减弱，10 min后达到稳定。

2.2.3N-CQDs对Hg2+的选择性研究了N-CQDs对Hg2+的选择性。如图4(B)所示，在相同实验条件下，50 μg/L的Al3+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Sn2+、Cd2+、Ag+、Pb2+、Fe2+等对N-CQDs的荧光强度几乎无影响。在其它金属离子(浓度为100 μg/L)存在时，Cu2+和Fe3+对Hg2+测定有微弱影响，而其余离子几乎无干扰。这些结果表明，N-CQDs作为Hg2+探针具有较好的选择性。与其它金属离子相比，这可能是由于Hg2+与N-CQDs表面的羧基、羟基之间作用力更强。

图4 pH(A)和金属离子(B)对N-CQDs体系的荧光强度影响Fig.4 Effect of pH (A)and metal ions(B) on the fluorescence intensity of N-CQDs

2.2.4N-CQDs对Hg2+的响应图5(A)是不同浓度Hg2+对N-CQDs体系荧光强度的影响。Hg2+浓度在0.01～1.0 mg/L时与N-CQDs荧光猝灭率呈线性关系:F/F0=-0.3239+0.4064，R=0.9984。检出限(S/N=3)达到8.6 μg/L。图5(B)是不同浓度Hg2+对N-CQDs荧光光谱的影响。

图5 (A)F/F0值与Hg2+的浓度关系曲线；(B)不同Hg2+浓度对N-CQDs荧光强度的影响(插图：不同浓度的Hg2+在N-CQDs溶液中自然光(a)和紫外灯(b)下的图片)Fig.5 (A)A correlation of F/F0 values with the concentration of Hg2+；(B)Fluorescence response of the N-CQDs upon the addition of different concentrations of Hg2+(Inset:The photographs of the different concentration of Hg2+ in N-CQDs aqueous solution under visible light (a) and UV light (b))

2.3 水样的检测

考察了此方法在水样(湖水、自来水和实验室废水)中Hg2+含量测定的可行性。用0.22 μm微孔滤膜将水样过滤，在15 000 r/min下离心15 min，除去水样中悬浮的大颗粒物质，每个样品平行测定5次，水样中没有检测到Hg2+。加标回收率在95.1%～104.9% 之间，相对标准偏差(RSD)小于4.0%。同时，采用原子荧光光谱法对照测试(国家环境保护标准HJ694-2014)，结果表明两种方法没有显著差异(表1)。因此，此方法可用于水样中Hg2+的测定。

表1 水样中Hg2+的测定(n=5)

3 结论

本研究以柠檬酸和乙二胺为碳源，通过一步水热法合成了具有高稳定性、高荧光量子产率的水溶性氮掺杂碳量子点(N-CQDs)，所合成的N-CQDs尺寸均匀，大小约为3 nm，其表面富含-OH、-COOH、-NH2、-CO等官能团，使N-CQDs具有良好的水溶性。N-CQDs在紫外光照射下发蓝色荧光，其荧光量子产率高达20.03%。作为荧光探针，N-CQDs对Hg2+检测具有高选择性和高灵敏性，检测限达8.6 μg/L。

参考文献：

[1] Clarkson T W,Magos L.Crit Rev Toxicol,2006,36(8):609.

[2] Wu D,Huang X,Deng X,et al.Anal Methods,2013,5(12):3023.

[3] Li T,Dong S J,Wang E K.Anal Chem,2009,81(6):2144.

[4] Liu S J,Nie H G,Jiang J H,et al.Anal Chem,2009,81(14):5724.

[5] Li H L,Zhai J F,Tian J Q,et al.Biosens Bioelectron,2011,26(12):4656.

[6] Han F X,Patterson W D,Xia Y J,et al.Water Air Soil Pollut,2006,170(4):161.

[7] Quang D T,Kim J S.Chem Rev,2010,110(10):6280.

[8] Gong Y J,Zhang X B,Chen Z,et al.Analyst,2012,137(4):932.

[9] Xu X Y,Ray R,Gu Y L,et al.J Am Chem Soc,2004,126(40):12736.

[10] Bourlinos A B,Stassinopoulos A,Anglos D,et al.Chem Mater,2008,20(14):4539.

[11] DENG X Y,LI J Y,TAN K J.Chinese Journal of Analytical Chemistry(邓小燕,李佳渝,谭克俊.分析化学),2014,4(42):542.

[12] HUANG L L,WANG Y N,REN G,et al.Journal of Analytical Science(黄莉莉,王艳妮,任岗,等.分析科学学报),2016,32(5):693．

[13] Zhu S,Zhang J,Qiao C,et al.Chem Commun,2011,47(24):6858.

[14] Hu S L,Niu K Y,Sun J,et al.Mater Chem,2009,19(4):484.

[15] Dong Y Q,Zhou N N,Lin X M,et al.Chem Mater,2010,22(21):5895.

[16] Sahu S,Behera B,Maiti T K,et al.Chem Commun,2012,8(70):8835.

[17] Zhuo S J,Shao M W,Lee S T.ACS Nano,2012,6(2):1059.

[18] Wang X,Qu K,Xu B,et al.J Mater Chem,2011,21(8):2445.

[19] Zhu C,Zhai J F,Dong S.Chem Commun,2012,8(75):9367.

[20] Liu H P,Ye T,Mao C D.Angew Chem Int Ed,2007,46(34):6473.