基于碳纳米点荧光增强检测铝离子

康倩文 张国 柴瑞涛 朱维晃 冯建军 陈利君

摘 要 以抗坏血酸（AA）为碳源，通过一步水热法合成水溶性绿色荧光碳纳米点（Carbon nanodots，CDs）。采用透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱对其形貌和性质进行了研究。基于此碳纳米点与Al3+结合产生的荧光增强现象，建立了检测Al3+的荧光分析方法，在50～500 nmol/L（R2=0.9988）和500～2000 nmol/L（R2=0.9976）范围内呈良好的线性关系，检出限为10.23 nmol/L （S/N=3），并用于对瓶装饮用水样品中Al3+的检测。

关键词 碳纳米点; 抗坏血酸; 荧光增强; 铝离子; 检测

1 引 言

金属元素在自然界中含量丰富，在人体健康和日常生活应用方面扮演着重要的角色[1，2]。铝作为含量最丰富的金属，是现代生活和工业生产中应用最广的金属之一，如包装器具、医药、水处理等[3，4]。同时，铝的广泛应用也导致其对环境的污染和对人体的危害。高浓度的离子态铝具有毒性，人体吸收过量的铝，会在体内累积富集，影响肠道对钙的吸收，阻碍血液对铁的吸收，导致多种疾病，如帕金森症、阿尔茨海默症、肾脏疾病，甚至癌症[5～8]。我国《生活饮用水卫生标准》（GB/5749-2006） [9]及美国环境保护署[10]规定饮用水中Al3+的含量不超过0.2 mg/L（7.4 μmol/L）。 因此，建立高灵敏度、高选择性的Al3+浓度检测方法具有重要的意义。

目前，Al3+的检测方法包括电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[11]、石墨原子吸收法（GF-AAS）[12]、电化学法[13]等，这些方法多使用昂贵的仪器，且操作繁琐，样品制备复杂[14]。荧光检测法具有低检出限、高灵敏度、高选择性和可视化检测等优点，已广泛用于金属离子的检测[15～17]。其中，一些荧光探针已被用于Al3+的检测。席夫碱类荧光探针对Al3+具有良好的检测效果，检出限低，且选择性高 [18～20]。李静等[21]利用荧光素（Fluorescein）修饰罗丹明6G （R6G），合成R6G-Flu荧光探针，实现了Al3+高选择性检测，检出限为10.4 nmol/L; Debal等[22]合成了有机金属骨架（MOF）荧光探针，实现Al3+的检测，检出限为57.5 μg/L。但是，以上方法合成探针时均需使用多种有机物和有机溶剂，且合成过程繁琐。因此，寻求一种制备简单，且可实现对Al3+高选择性、高灵敏检测的探针具有重要意义。

荧光碳纳米点（Carbon nanodots，CDs） [23]具有毒性低[24]、水溶性好[25]、生物相容性好[26]、荧光稳定性好[27]等特性，已广泛应用于生物医学[28]、环境污染物检测[29]、光学传感[30]等领域。目前，已建立了多种制备CDs的方法，如电弧放电法[31]、激光刻蚀法[32]、电化学法[33] 、化学氧化法[34]、水热法[35]和微波辐射法[36]等。其中，水热法是一种过程简单的高效制备CDs的方法[37]。

近年来，有关CDs检测Al3+的报道较少。方静美等[38]利用蜡烛灰制备CDs，通过荧光猝灭效应检测Al3+，检出限为26 nmol/L，检测效果令人满意; Tripathi等[39]利用热解法从亚麻籽油提取出表面带有羟基和羧基的绿色CDs，通过荧光猝灭效应，实现了Al3+的高选择性检测，检出限为0.77 μmol/L。上述研究均基于荧光猝灭原理检测Al3+，但猝灭型荧光探针灵敏度低，会产生假阳性现象，且抗干扰能力差，易受重金属离子、氧原子和重原子效应等因素的影响，而增强型荧光探针具有灵敏度高、能减少假阳性信号的产生并降低背景的干扰等优势，因此对金属离子的检测更灵敏准确[40，41]。目前，大多数CDs发射蓝色荧光，而几乎所有生物组织会产生蓝色自荧光，会限制CDs的应用[42]。因此，开发一种荧光增强型的长波长CDs探针至关重要。本研究以抗坏血酸（AA）为碳源，通过一步水热法制备出水溶性的绿色荧光CDs，制备过程绿色环保，反应条件温和，合成时间短，成本低。 基于此CDs的荧光增强效应，建立了检测水中Al3+的高灵敏度、高选择性的方法。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

F-7000荧光分光光度计（日本日立公司）; UV-1780紫外可见分光光度计（日本岛津公司）; ZF-5手提式紫外分析仪（上海嘉鹏科技有限公司）; Tecnai G2透射电子显微镜（美国FEI公司）; Nicolet-iS50傅里叶红外光谱仪、ESCALAB 250Xi X射线光电子能谱仪（美国赛默飞世尔科技公司）; 1810b细胞型摩尔纯水器（重庆摩尔水处理设备有限公司）。

抗坏血酸（AA）、乙醇（国药集团化学试剂有限公司）; 其它试剂均为国产分析纯; 实验用水为超纯水。

2.2 CDs的合成

参照文献[43]的方法合成CDs，并用乙醇代替乙二醇。乙二醇有毒性，与水混合后凝固点降低，不利于样品冷冻干燥，而乙醇无毒性、易挥发。称取1.0 g抗坏血酸（AA）溶于21 mL超纯水中，在磁力搅拌下缓慢滴入9 mL乙醇，超声处理10 min得到无色透明溶液，将其转移到50 mL聚四氟乙烯反应釜中，在160℃下水热反应1 h。冷却至室温，得到浅棕黄色溶液，即CDs。将得到的CDs溶液10000 r/min离心10 min，以除去較大的颗粒，再用0.22 μm的微孔滤膜过滤，得到纯化CDs，于4℃下避光保存，备用。

此外，考察了另外3个不同的合成体系：纯水-AA，纯乙醇-AA和纯乙醇体系，并与上述纯水-乙醇-AA体系制备的碳点的性能进行对比。

2.3 荧光法检测Al3+

将CDs原液稀释100倍，至仅有微弱荧光，荧光强度约为35 a.u.，得到CDs稀释液，用于荧光增强检测Al3+。配制0.01 mol/L Al3+储备液，逐级稀释至所需浓度。在4.5 mL CDs稀释液中加入0.5 mL不同浓度的Al3+溶液，使Al3+终浓度分别为0、50、60、70、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900 nmol/L和1、2、10、100、200、1000 μmol/L，孵育反应6 min后，在365 nm激发波长下测定溶液的荧光光谱，激发和发射狭缝均为10 nm，电压为500 V。

2.4 检测饮用水样中Al3+

取0.5 mL市售某瓶装饮用水水样与4.5 mL CDs稀释液混合，按照2.3节中方法测定荧光强度，计算Al3+浓度。 在水样中添加不同浓度Al3+，加入到CDs稀释液中，Al3+终浓度为0.1、0.3、0.5、1.0和1.5 μmol/L，孵育反应6 min，在365 nm激发波长下测定体系的荧光光谱。

3 结果与讨论

3.1 CDs的合成

以AA为碳源，水和乙醇为溶剂，通过一步水热法合成CDs（图1）。考察了体系中各组分对绿色荧光CDs合成的影响。如图2A所示，水-AA、乙醇-AA及乙醇体系合成的CDs均发射蓝色荧光，只有水-乙醇-AA体系合成的CDs发射绿色荧光。说明在水-乙醇-AA体系中，小分子碳源AA通过碳化和表面钝化作用，使表面官能团偶联，实现小分子间聚合，形成绿色荧光CDs[23]。采用水-乙醇-AA体系制备了4批CDs，荧光光谱实验表明，4批样品的荧光强度基本相同，表明此合成体系具有良好的重复性（图2B）。

3.2 CDs的表征

透射电镜表征结果显示，所制备的CDs呈近似球形，分散性好，且分布均匀（图3A），插图为CDs的高分辨透射电镜（HRTEM）图，晶格间距为0.20 nm，与石墨（102）晶面相似[44]。粒径大小在2～6 nm间，平均粒径为（3.8±0.6） nm（图3B）。傅里叶变换红外光谱（图3C）显示，CDs分别在3309和1642 cm1处有明显的吸收峰，为OH键和CO键的伸缩振动; 在2982和2907 cm1处的峰分别对应CH键的对称和非对称伸缩振动; 在1085和1044 cm1处的峰对应CO伸缩振动[45，46]，表明CDs表面可能含有羟基和羧基类亲水性官能团，因此CDs具有良好的水溶性。X-射线光电子能谱（XPS）显示，在532.32和286.07 eV处分别为O1s和C1s峰，说明CDs主要由C和O两种元素组成，C和O占比分别为55.09%和44.91%（图3D）。图3E为C1s的高分辨谱图，包含284.83，286.45、288.37和291.7 eV处的4个峰，分别对应CC/CC、COC/COH、CO、OCO官能团; 图3F为O1s的高分辨谱图，531.97 eV和533.07 eV分别对应CO和CO官能团[46，47]。FTIR和XPS两者结果一致，表明CDs表面含有丰富的含氧基团，这些官能团的存在使得CDs具有良好的水溶性。

3.3 CDs的光学性质研究

在355～455 nm波长范围内测定CDs的激发光谱，发现随着激发波长增大，荧光强度先增大后降低，在365 nm激发下荧光发射强度最大，并且发射波长位置从525 nm逐渐红移至534 nm（图4A）。此现象与CDs发射位置随激发波长增大而红移的性质相符，CDs的这种激发波长依赖性质与其粒径或发射陷阱位点的多样性有关[48]。CDs的紫外可见吸收光谱（图4B，曲线a）表明，CDs在260 nm处有较强的吸收峰，这是由于CDs中不饱和键CC受激发形成的π-π跃迁[49]; 在350～370 nm范围内有微弱的宽吸收带，由于CO键受到激发，引起的n-π跃迁[50]。CDs在自然光和紫外灯（365 nm）照射下，分别呈现黄棕色和黄绿色（图4B，曲线d和e）。这与CDs在最大激发波长365 nm激发下，于525 nm出现发射峰的现象相符（图4B，曲线b和c）。此外，考察了CDs的光稳定性。用氙灯连续照射120 min，CDs的荧光强度基本未发生变化（图4C）。将此CDs在4℃下放置4个月，荧光强度稳定（图4D），表明此CDs的荧光稳定性良好。

3.4 CDs对Al3+的响应

将不同浓度Al3+分别加入到CDs原液和稀释液中，使Al3+终浓度分别为0、10、100和1000 μmol/L，在365 nm激发波长下测定荧光光谱。如图5A和5B所示，随着Al3+的加入，荧光强度均逐渐增强，并伴随着荧光蓝移现象，结果表明，在相同Al3+浓度下的CDs稀释液对Al3+的响应更显著，增强倍数更高。CDs原液（图5C，a）及稀释液（图5C，b以及图5D）的发射峰位置基本一致，原液显示出亮黄绿色荧光，稀释液显示出微弱的黄绿色荧光（图5C插图）。向稀释液中加入1000 μmol/L Al3+，结果如图5E所示，在6 min时，体系的荧光强度基本稳定。荧光光谱图如图5F所示，此时可观察到明显蓝色荧光（图5F插图）。因此，选择CDs稀释液用于荧光增强检测Al3+。

将不同浓度的Al3+加入到CDs稀释液中，反应6 min，测试其荧光光谱。如图5G所示，随着Al3+浓度的增加（0～1000 μmol/L），荧光强度逐渐增强，并伴随着荧光蓝移的现象，发射峰由最初的525 nm蓝移至485 nm（图5G），与所观察到的荧光现象一致，

即紫外灯下由黄绿色变为蓝色（图5G插图）。其中，荧光强度与Al3+浓度在50～500 nmol/L和500～2000 nmol/L范围内分别呈良好的线性关系（图5H），线性方程分别为F=31.11+72.72C （R2=0.9988）和F=51.53+34.16C （R2=0.9976），檢出限为10.23 nmol/L，低于美国环保署和中国《生活饮用水卫生标准》对饮用水中Al3+的限量值（7.4 μmol/L）。与文献报道的检测Al3+的方法相比（表1），本方法具有较低的检出限。

3.5 CDs傳感体系的选择性

在CDs稀释液中分别加入1.0 mmol/L的阳离子Al3+、Ba2+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+、Na+、Ag+、Fe3+、K+、Ni2+、Cu2+、Co2+、Mn2+、Cd2+，以及阴离子NO3、Br、SO24、C6H5O36、F、Cl、HCOO、H2PO4、CH3COO2、I、CO23和C2O24溶液，离子终浓度均为100 μmol/L，在365 nm激发波长下测定荧光光谱。选择了16种常见的金属离子和12种阴离子，考察体系的选择性，各离子终浓度为100 μmol/L。如图6所示，Al3+的荧光强度增强现象最为明显，Ag+与Fe3+对CDs有微弱的猝灭作用，其余离子对CDs的荧光强度几乎没有影响，表明此CDs对Al3+具有良好的选择性。

3.6 实际饮用水样中Al3+的检测

选取市售某瓶装饮用水进行检测。CDs传感体系对饮用水样品无明显响应，即未检出Al3+。向待测水样中加入不同浓度Al3+，检测各样品的荧光强度，加标回收实验结果如表2所示，Al3+的回收率为97.7%～105.7% （RSD<1.9%），表明本方法可用于实际饮用水中Al3+的检测。

4 结 论

以抗坏血酸为碳源，经过一步水热法合成了绿色荧光CDs，粒径分布均匀，表面包含大量的羧基及羟基亲水性基团，具有良好的水溶性和荧光稳定性。基于CDs的荧光增强效应实现对Al3+的检测。本方法检出限低、灵敏度高、选择性好，适用于饮用水中Al3+含量的检测。

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