氮掺杂碳量子点的制备及其在Pb2+检测中的应用

姜 丽，付英凤，鲍林春，吴 韵，王兴益，梁峻毅，王 艳，周 沁

（1.兴义民族师范学院生物与化学学院，贵州 兴义 562400；2.黔西南州人民医院检验科，贵州 兴义 562400）

铅因其熔点低以及独特的柔软性、可塑性、耐腐蚀性等，在不同行业领域得到了广泛应用。例如，化妆品、油漆、塑料和汽车行业等［1］。由于铅能阻止黑色素形成而达到美白功效，因而在化妆品中备受青睐［2］，然而，铅易于在身体中累积，从而干扰身体的各项机能，如造成中枢神经系统、肝和肾功能等障碍，甚至引发严重疾病［1］。因此，发展一种操作简单、快速且选择性好的检测技术来检测铅含量具有重要意义。

碳量子点（Carbon quantum dots，CQDs）因其独特的发光性能受到越来越广泛的关注。与传统的半导体碳量子点相比，CQDs具有许多优越性。例如，稳定性好、低毒、制备成本低和良好生物相容性等［3，4］。基于这些优良特性，CQDs在重金属检测、生物成像和荧光油墨等领域具有潜在的应用价值［5，6］。通常，使用化学、电化学或物理等技术，通过“自上而下”和“自下而上”的方法来合成碳量子点，使用诸如水热、溶剂热和化学处理等，与其他方法相比，水热处理是一种强大、快捷、可持续的合成技术［7］。近年来，越来越多的研究人员采用水热法合成了碳量子点，并用于金属离子的检测。例如：Hoan等［5］人以柠檬汁作为前驱体，合成了用于检测Mo6+的碳点；Atchudan等［6］人以西印度醋栗和氨水为碳源和氮源，合成了用于检测Fe3+的荧光氮掺杂碳点；Zhang等［8］人用叶酸作为碳源和氮源，合成了用于检测Hg2+的高荧光氮掺杂碳量子点。

本文以L-瓜氨酸为前驱体，采用一步水热法制备了氮掺杂碳量子点，以此建立了一种新型荧光探针，并探究了其用于Pb2+检测的可行性，通过研究发现该N-CQDs对Pb2+具有良好的选择性猝灭现象，进而探究了Pb2+浓度与N-CQDs荧光强度间的关系，发现二者具有良好的线性关联，表明该探针可用于实际样品中Pb2+的检测，从而开发了一种简单、快速且对Pb2+具有良好选择性的方法来检测样品中的Pb2+。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

RF-6000荧光分光光度计（日本岛津），TGL-20LM-B高速冷冻离心机（湖南星科），AL104电子天平（梅特勒-托利多），ZF-1三用紫外线分析仪（上海精密），KQ5200DE数控超声波清洗器（中国昆山），SevenCompact pH计（S210，梅特勒-托利多），电热鼓风干燥箱（GZX-9140MBE，上海博迅），UV-4501S紫外-可见分光光度计（UVVis，天津港东）。

L-瓜氨 酸、Cr（NO3）3、Hg（NO3）2、Cd（NO3）2、Co（NO3）2、Pb（NO3）2、MgCl2、CuSO4、AlCl3、NaOH、NaCl、MnSO4、SrCl2和 CaCl2购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，浓盐酸购于重庆川东化工有限公司；实验所用试剂均为分析纯，实验用水为超纯水，化妆水购自某品牌。

1.2 氮掺杂碳量子点的制备

根据先前报道的方法制备了N-CQDs［3］，步骤如下：称取1.00 g L-瓜氨酸，溶解于50 mL超纯水中，超声震荡20 min使其完全分散，然后，将溶液转移至100 mL特氟龙不锈钢高压反应釜中，并于220℃反应12 h，自然冷却至室温后，将反应液以17000 r/min高速离心40 min，然后用0.22μm的滤膜进行过滤，得到N-CQDs溶液，存储于4℃冰箱中备用。

1.3 Pb2+的检测

首先，将用于检测的化妆水在14000 r/min条件下高速离心25 min，用0.22μm的滤膜进行过滤，得到待检溶液；然后，向该待检液中加入浓度为50 mmol/L的N-CQDs溶液，测定经处理后的化妆水中Pb2+的平均含量。

2 结果与讨论

2.1 氮掺杂碳量子点的光学特性

采用UV-Vis和荧光分光光度计考察了所制备的N-CQDs的光学吸收特征，如图1A所示。该N-CQDs在242 nm处有一个宽的紫外吸收峰（紫线），这归因于 sp2结构域的 π-π*跃迁所致［9］，而最佳的激发（红线）和发射（绿线）波长分别为382 nm和438 nm。图1A插图显示，制备的N-CQDs溶液在日光下呈淡黄色，在365 nm紫外灯下发出强蓝色荧光。图1B为N-CQDs的荧光发射光谱，该图谱显示出典型的激发波长依赖性，图1B中所示，荧光强度随波长的增加而增大，380 nm时达到最大值，随后减弱且出现红移，这可能是由于N-CQDs的粒径不同或表面存在不同的发射位点所致［4］。

图1 A）N-CQDs的UV-Vis吸收和荧光光谱，插图：N-CQDs在日光（左）和365 nm紫外光下（右）的图片；（B）N-CQDs不同激发波长的荧光谱图Figure 1（A）UV-vis absorption and fluorescence spectra of N-CQDs，Inset shows images of N-CQDs under daylight（left）and UV light at365 nm（right）.（B）Fluorescence emission spectra of N-CQDs at different excitation wavelengths.

2.2 pH对氮掺杂碳量子点荧光强度的影响

根据国家轻工行业标准QB/T 2660-2004中要求，化妆水的pH须在4.0～8.5范围内［10］。鉴于此，实验考察了pH对所制备的N-CQDs荧光强度的影响。采用HCl和NaOH将溶液pH调节为2.0，4.0，6.0，8.0，10.0和12.0的测试体系，并测定其在不同pH条件下的荧光强度；如图2所示，当pH在2.0～6.0范围内，该N-CQDs的荧光强度随着pH的增加而增大，当pH在6.0～8.0范围内时，该N-CQDs的荧光强度较稳定，当pH大于8.0时，N-CQDs荧光强度急剧下降；因此，可选择pH在6～8范围内进行Pb2+的检测，本实验选择pH为7.4时进行Pb2+的检测。

图2 不同pH下N-CQDs荧光强度的变化Figure 2 The changes of fluorescence intensity of N-CQDs at different pH

2.3 氮掺杂碳量子点对于检测Pb2+的可行性分析

通过选取多种常见的重金属离子Hg2+、Cr3+、Na+、 Co2+、 Mn2+、 Cd2+、 Sr2+、 Al3+、 Mg2+、Ca2+、Cu2+检测所建立的N-CQDs荧光体系对Pb2+的选择性。结果如图3所示（F和F0分别代表加入金属离子和未加入金属离子的N-CQDs溶液的荧光强度）。在相同条件下，当检测对象为Pb2+时，N-CQDs溶液的荧光猝灭效果明显，而其他金属离子影响较小，说明该N-CQDs荧光体系对Pb2+具有良好的选择性，可以建立基于N-CQDs荧光淬灭检测Pb2+的方法。

图3 不同离子对N-CQDs荧光的影响Figure 3 Effect of different ions on the fluorescence of N-CQDs.

2.4 氮掺杂碳量子点荧光淬灭法检测Pb2+含量

2.4.1 分析方法的建立

图4是不同浓度Pb2+对N-CQDs荧光强度的影响。将配制浓度为 10、50、100、500、1000、1500、2000、2500和3000μmol/L的Pb2+溶液，分别与50 mmol/L的 N-CQDs溶液进行荧光淬灭，图4中显示，荧光强度随Pb2+浓度的增加而逐渐降低，发生不同程度的荧光猝灭。图4插图所示，N-CQDs的荧光猝灭程度与 Pb2+浓度在10.00～2500μmol/L范围内具有良好的线性关联（F0/F＝0.00127C+1.028，R2＝0.99779），检出限为 3.3 μmol/L。随后，采用浓度为 500μmol/L的 Pb2+溶液考察该方法的精密度，RSD为2.1%，这些结果表明该N-CQDs可用作检测Pb2+的荧光探针。

图4 N-CQDs与不同浓度Pb2+作用的荧光谱图，（插图：F0/F与Pb2+浓度在10至2500μmol/L范围内的线性关系）Figure 4 Fluorescence spectra of N-CQDs with different concentrations of Pb2+，Inset：The linear relation of F0/Fwith concentrations of Pb2+in the range of10 to 2500μmol/L.

2.4.2 实际样品分析

为了考察制备的N-CQDs及分析方法的实际应用效果，通过使用某品牌化妆水，经过14000 r/min转速离心后，用0.22μm滤膜进行过滤去除杂质，然后，采用本方法进行检测，测得该品牌化妆水中Pb2+的含量为25.6μmol/L，低于国家对化妆品中铅的限值标准10mg/kg［11］，结果见表2，加标回收率为96.0%～106%，RSD小于3.6%；上述结果表明，该方法可用于化妆水样品中Pb2+的检测。

表2 化妆水中Pb2+含量的测定 （n＝3）Table 2 Detection of Pb2+in toning lotion samples（n＝3）

3 结论

本研究以L-瓜氨酸为前驱体，通过水热法一步合成了N-CQDs，实验表明该N-CQDs对Pb2+具有荧光猝灭现象，且猝灭程度明显，荧光猝灭程度在Pb2+浓度为10.00～2500μmol/L范围内，呈良好的线性关联（R2＝0.99779），检出限为3.3 μmol/L（S/N＝3），将建立的N-CQDs荧光探针用于化妆水样品中 Pb2+的测定，加标回收率为96.0%～106%，RSD小于3.6%，表明该方法可用于化妆水样品中Pb2+的检测，且操作简单、快速。