碳量子点/银复合材料的制备及其在溴氰菊酯检测中的应用

李满秀* 任光明 胡文欣 刘莉莉 王苗苗

(忻州师范学院化学系山西忻州 034000)

碳量子点(CQDs)是一种分散的、尺寸小于10 nm的类球形纳米颗粒[1]，它可作为荧光探针应用于相关物质的检测。碳量子点/银(CQDs/Ag)复合材料[2，3]是用NaBH4还原CQDs表面的Ag+，在其表面直接原位生成纳米银，制备的稳定性良好的复合纳米材料。该复合材料具有生物相容性、低毒性和高的电催化活性等特点，在生物和表面增强拉曼光谱等方面有很好的应用。

溴氰菊酯(DM)是一种含有α-氰基的Ⅱ型拟除虫菊酯类仿生杀虫剂，具有用量小,对光稳定，对哺乳动物安全和广谱、低残留的特点，主要用在防治棉田、蔬菜、果树和茶叶等作物害虫，以及杀灭鱼类寄生虫及绵羊体外寄生虫等方面。目前,测定溴氰菊酯多采用气相色谱法[4,5]、液相色谱法[6,7]、电化学分析法[8]等。这些方法具有检出限低、准确性好等优点,但也有其局限性。本研究制备了CQDs/Ag复合材料，探究CQDs/Ag在分析测试方面的应用，通过溴氰菊酯与该复合材料作用，增强其荧光强度，根据荧光增强程度与溴氰菊酯的浓度成正比关系，建立了溴氰菊酯残留测定的新方法，可对蔬菜样品中溴氰菊酯残留实现快速检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV-2550型紫外-可见分光光度计(日本，岛津公司)；F-4500型荧光分光光度计(日本，日立公司)；IRAffinity-1S型傅立叶变换红外光谱仪(日本，岛津公司)；85-2型恒温磁力搅拌器(上海司乐仪器厂)；DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱(上海-恒科技有限公司)；Scientz-10N型冷冻干燥机(宁波新芝生物科技股份有限公司)；pHS-3B型酸度计(上海精密科学仪器有限公司),AL204型电子分析天平(梅特勒托利多仪器(上海)公司)。

葡萄糖(天津市风船化学试剂科技有限公司)；溴氰菊酯(100 μg/mL，上海市农药研究所)；硫酸奎宁(国药集团化学试剂有限公司)；H3BO3、H3PO4(天津市福晨化学试剂厂)；HAc(西陇化工股份有限公司);NaOH(天津市风船化学试剂科技有限公司);AgNO3、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(国药集团化学试剂有限公司)；柠檬酸钠(北京化工厂)；NaBH4(天津傲然精细化工研究所)，不同pH的B-R缓冲溶液。试剂级别为分析纯。实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1 CQDs的合成称取1.44 g葡萄糖，用适量超纯水溶解并定容至50 mL容量瓶中，然后转移至100 mL单口圆底烧瓶中，在室温下用磁力搅拌器搅拌10 min，然后放入电热恒温鼓风干燥箱中，在200 ℃下保温8 h。反应结束后，得到浅黄色粘稠液体，自然冷却至室温，定容至50 mL容量瓶中，过滤离心后，得到均一的CQDs水溶液。

1.2.2 CQDs/Ag复合材料的合成使用原位复合法[9]，在烧杯中加入10 mL CQDs溶液，再加入AgNO3溶液(0.05 mol/L，50 μL)，柠檬酸钠溶液(75 mmol/L，0.5 mL)，PVP溶液(17.5 mmol/L，0.1 mL)，使之混合，最后加入超纯水(总体积控制在25 mL)，在室温下强力搅拌10 min，再将NaBH4溶液(100 mmol/L，250 μL)快速注入混合溶液中，继续搅拌45 min,制备出CQDs/Ag复合溶液。用1 000 Da的透析袋透析24 h，将透析袋内的溶液冷冻干燥约12 h，得到微黄色粉末。

1.2.3 CQDs和CQDs/Ag的光谱表征对制备得到的CQDs/Ag与CQDs进行表征，将两种材料分别与干燥的KBr固体混合压片，使用傅立叶红外光谱仪测量其红外吸收。取两支10 mL比色管，分别加入0.2 mL CQDs溶液和0.2 mL CQDs/Ag溶液，1 mL pH=9.15的B-R缓冲溶液，最后用超纯水定容至5 mL，分别测定其荧光光谱和紫外-可见吸收光谱。

1.2.4 溴氰菊酯的定量检测取10 mL比色管，先后加入0.2 mL CQDs/Ag溶液，0.8 mL 6 μg/mL溴氰菊酯标准液，1 mL pH=9.15的B-R缓冲溶液，用超纯水定容至5 mL，混合均匀后，在室温下反应30 min，以激发/发射波长为341/429 nm测定其荧光强度，激发和发射光谱通带均为10 nm。

2 结果与讨论

2.1 CQDs和CQDs/Ag的光谱表征

图1 CQDs和CQDs/Ag的红外(IR)光谱图Fig.1 IR spectra of CQDs and CQDs/Ag

2.1.1 CQDs和CQDs/Ag的红外光谱图1为CQDs和CQDs/Ag的傅立叶变换红外光谱图。从图中可知，在3 417 cm-1处出现明显的-OH峰，在2 929 cm-1处出现明显的C-H峰；在1 600 cm-1、1 400 cm-1、1 029 cm-1处出现明显的C=O、C-O-C、C-O伸缩振动峰。不同之处在于：在CQDs/Ag图谱中-OH峰、C-H峰、C=O、C-O-C、C-O伸缩振动峰的相对强度明显降低[7]。强度降低可能是因为在CQDs芳环上的部分酚羟基被氧化，导致合成的CQDs/Ag的特征吸收峰的相对强度降低。

2.1.2 CQDs和CQDs/Ag的紫外-可见及荧光光谱表征CQDs和CQDs/Ag的紫外-可见吸收光谱如图2所示，CQDs/Ag的最大吸收峰在403 nm处;CQDs最大吸收峰为284 nm。CQDs和CQDs/Ag的荧光光谱如图3所示，CQDs的最佳激发和发射波长为349 nm和436 nm，CQDs/Ag的最佳激发和发射波长为341 nm和429 nm。两者比较：制备出的CQDs/Ag的激发和发射波长蓝移且强度明显降低。荧光强度降低的原因可能是：Ag+通过静电引力作用吸附在CQDs的表面，加入还原剂NaBH4后Ag+被还原成纳米银，逐渐沉积在CQDs的表面，随着晶粒慢慢长大，形成Ag包覆CQDs的复合材料，导致荧光强度降低。根据文献报道[10,11]，选用硫酸奎宁作参照样品，测得CQDs/Ag的荧光量子产率为0.448。

2.2 CQDs/Ag与溴氰菊酯作用效果与机理探讨

CQDs/Ag与溴氰菊酯作用的荧光光谱如图4所示。以荧光强度F对溴氰菊酯的浓度进行数据拟合，发现溴氰菊酯浓度在4.8～16.8 μg/mL范围内与荧光强度呈现出良好的线性关系。CQDs/Ag溶液中加入溴氰菊酯溶液，荧光强度明显增强。此现象可能与加入溴氰菊酯后CQDs/Ag颗粒变小的结果相关，在一定浓度溴氰菊酯存在时，引起CQDs/Ag聚集，发生明显表面键合、腐蚀作用，颗粒尺寸减小，表现出明显量子尺寸效应，导致体系荧光信号显著增强。

图2 CQDs(a)和CQDs/Ag(b)的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱图Fig.2 UV-Vis absorption spectra of CQDs(a)and CQDs/Ag(b)

图3 CQDs(1，1′)和CQDs/Ag(2,2′)的荧光激发及发射光谱图Fig.3 Fluorescence excitation/emission spectra of CQDs(1，1′) and CQDs/Ag(2,2′)

2.3 实验条件优化

2.3.1 缓冲体系pH的选择在适量的CQDs/Ag溶液中加入溴氰菊酯，再分别加入H3BO3、H3PO4、B-R 缓冲溶液，发现H3BO3、H3PO4缓冲溶液使之荧光强度减弱，B-R缓冲溶液使之荧光强度增强。分别配制pH为2.09、2.56、3.29、4.10、5.02、6.09、7.00、8.35、9.15、10.30、11.20的B-R缓冲溶液。取11支10 mL比色管，分别加入0.2 mL CQDs/Ag溶液，1 mL不同pH的B-R缓冲溶液，加入0.8 mL 6 μg/mL的溴氰菊酯，定容到5 mL，测定其荧光强度。由图5可知，在pH为9.15时，体系的相对荧光强度ΔF(ΔF=F-F0)较大且体系较为稳定，所以选择pH=9.15的B-R缓冲溶液。

图4 不同浓度溴氰菊酯对CQDs/Ag的荧光增强作用Fig.4 The fluorescence enhancement effect of different concentration of deltamethrin1-10:0,4.8,6.0,7.2,8.4,9.6,10.8,12.0,14.4,16.8 μg/mL,respectively.

图5 pH对CQDs/Ag相对荧光强度的影响Fig.5 Effect of pH on the relative fluorescence intensity of CQD/Ag

2.3.2 反应时间的选择在10 mL比色管中，分别加入0.2 mL CQDs/Ag溶液，1 mL pH为9.15的B-R缓冲溶液，0.8 mL 6 μg/mL的溴氰菊酯，定容到5 mL，分别测定反应15、30、45、60、75、90 min时体系的荧光强度，并与未加入溴氰菊酯的体系对比，发现30 min时，溴氰菊酯对CQDs/Ag的荧光增强作用最大。实验选择反应时间为30 min。

2.3.3 温度的选择分别取0.2 mL CQDs/Ag溶液和1 mL pH=9.15的B-R缓冲溶液于2支比色管中，其中一支再加入0.8 mL 6 μg/mL溴氰菊酯溶液，均定容至5 mL。分别在不同温度(15、25、35、45、55 ℃)下反应30 min后，测定体系荧光强度。当温度为25 ℃时，ΔF最大，所以选择实验在25 ℃进行。

2.4 干扰试验

固定溴氰菊酯的浓度为4.8 μg/mL，研究不同离子、有机物以及其它农药对体系的干扰(控制相对误差在5%范围内)，结果如表1所示。

2.5 标准曲线及检出限和精密度

在最佳实验条件下，CQDs/Ag体系的荧光强度F与溴氰菊酯在4.8～16.8 μg/mL范围内具有良好的线性关系，其线性回归方程为：F=99.50c+273.12，相关系数r=0.9941。平行测定10组4.8 μg/mL溴氰菊酯标准溶液，其相对标准偏差(RSD)为1.0%。根据IUPIC的推荐标准(3S/k),方法检出限为0.44 μg/mL。

表1 干扰物质的影响Table 1 Effects of interfering substances

2.6 样品测定

称取市售的油菜、黄瓜、油麦菜各10 g，分别切成碎段，放入小烧杯中，加入50 mL丙酮浸泡12 h后，过滤，取滤液定容到50 mL容量瓶中。在最佳实验条件下，测定了油菜、黄瓜、油麦菜中溴氰菊酯的残留量。每个样品平行测定5次，同时进行4.8、7.2、9.6 μg/mL 3个添加水平的加标回收实验，结果见表2。不同样品测定平均回收率在95.8%～109.7%之间。

表2 样品及回收率测定(n=5)Table 2 Determination of samples and recoveries(n=5)

3 结论

CQDs/Ag是一种新型复合荧光纳米粒子，本文根据溴氰菊酯对CQDs/Ag的荧光增强作用，建立了简单、快速的定量检测溴氰菊酯的荧光分析新方法，可用于蔬菜样品中溴氰菊酯残留的测定。