氮、磷掺杂碳点的合成及在Pd2+传感中的应用

鲁诗言， 于淑娟， 陈国全， 朱永飞

(南宁师范大学 化学与材料学院， 广西天然高分子化学与物理重点实验室， 广西 南宁 530001)

1 引 言

钯(Pb)是第五周期Ⅷ 族铂系元素，广泛应用于癌症治疗、珠宝业、牙科材料和电子产品等领域[1]。然而，钯盐对人体和自然界是有害的，Pd2+具有潜在的毒性，若在人体发育阶段暴露于Pd2+环境中，可能会干扰能量代谢、酸碱和电解质平衡以及骨代谢等。工人职业接触钯盐，会引起严重的原发性皮肤和眼睛刺激等症状[2-3]。因此，对环境中Pd2+的识别和选择性检测需要引起人们的足够重视。

荧光探针被认为是一种有效、快速、经济的离子检测方法[4]。目前常用的Pd2+荧光探针有猝灭型(ON-OFF)、增强型和比率型[5]。Wang等[6]报道了一种比率型荧光探针(cy202)，Song等[7]报道了一种增强型(OFF-ON)荧光探针。两者虽然都能有效地检测Pd2+，但均为有机化合物，其合成步骤相对复杂。碳点(CDs)具有毒性低、光稳定性好、生物相容性好、水分散性好、合成路线简单、廉价等优点，被认为是传统荧光探针的良好替代品[8]。CDs广泛应用于金属离子检测、指纹识别、生物成像、药物传递、光催化等诸多领域[9]。在以往的研究中，各种工作都集中在氮掺杂CDs的制备上。由于杂原子掺杂具有易操作性，已成为提高CDs的物理化学和光化学性质并拓展其潜在应用的有力策略[10]。近年来，已经合成了一些氮、磷共掺杂CDs应用于不同的场合。例如，Chen等[11]以对苯二胺和磷酸为原料合成了红色荧光CDs，应用于指纹识别，有良好的应用效果。Song等[12]以邻苯二胺和磷酸为原料，采用一锅水热法制备了功能性双发射碳点(dCDs)，并将其用于赖氨酸的检测，检测限为94 nmol/L。Shangguan等[13]也合成了N,P共掺杂CDs用于Fe3+的高选择性和高灵敏检测。然而，上述N,P共掺杂CDs存在量子产率低的问题，影响了它的应用效果。我们以间苯二胺和磷酸为原料，合成了一种高荧光量子产率的N,P-掺杂碳点(N,P-CDs)，并系统考察了反应条件对其荧光性能的影响。将合成的最佳N,P-CDs应用于金属离子检测中，结果发现该N,P-CDs对Pd2+有良好的选择性，可用于Pd2+的痕量检测。

2 实 验

2.1 实验原料及主要仪器

间苯二胺、磷酸、Mn2+、Cr3+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Pb2+标准溶液(500 mg/L)和Fe3+、Hg2+、Cu2+、Pd2+标准溶液(1 000 μg/mL)购买于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。Cd(NO3)2·4H2O、Al(NO3)3·9H2O、MgSO4、KCl、NaCl、FeSO4·7H2O购自中国广东光华科技股份有限公司。所有试剂均为分析级，未经处理直接使用。

采用日本JEM-2100F型透射电子显微镜观察了N,P-CDs的微观结构；采用美国Nicolet iS5型红外光谱仪测试了N,P-CDs样品的红外光谱；采用美国赛默飞世尔科技有限公司ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱测试了N,P-CDs的元素组成；通过日本日立F-4600型荧光分光光度计获得了N,P-CDs的荧光光谱；采用日本岛津UV-2600型紫外分光光度计测定了N,P-CDs的紫外吸收光谱；采用法国FL3-P-TCSPC型时间分辨荧光衰减器测量了N,P-CDs的荧光寿命。

2.2 N,P-CDs的合成

参考文献[12]以一锅水热法合成了N,P-CDs，即将0.3 g 间苯二胺与15 mL磷酸在聚四氟乙烯高压釜中混合均匀，然后在马弗炉中于不同条件(180 ℃下反应6，12，24，36，48 h；200，220，240 ℃下反应24 h)下反应。结束后，自然冷却至室温，将N,P-CDs溶液以10 000 r/min的速度离心10 min，去除大颗粒杂质，收集上清液备用。

2.3 N,P-CDs荧光量子产率的测定

根据文献[14]采用参比法测定了N,P-CDs的相对荧光量子产率，以荧光素为标准样，荧光素的乙醇溶液在496 nm激发下的量子产率为95%。N,P-CDs的相对荧光量子产率通过下列公式计算得出：

(1)

其中，φ、φR分别为N,P-CDs和荧光素的荧光量子产率；下标R为参照样数据；I为发射光谱的积分面积；A为吸光度；η为溶剂的折射率。

2.4 离子选择性及对 Pd2+离子检出限的测定

将200 μL稀释了30倍的最佳N,P-CDs溶液与2 mL 100 μmol/L的不同金属离子溶液混合，摇匀后静置15 min，记录442 nm激发波长下的发射峰，研究不同金属离子对N,P-CDs的猝灭情况。将不同浓度的Pd2+(0～500 μmol/L)加入到被稀释了30倍的N,P-CDs溶液中200 μL，测定Pd2+离子检出限。

3 结果与讨论

3.1 N,P-CDs的最佳合成条件

考察了不同反应时间和温度对N,P-CDs荧光强度的影响，如图1所示。可以看出，随着反应时间的延长与反应温度的升高，N,P-CDs的荧光强度均呈现先增强后趋于平稳的现象。分析原因是原料在高温及长时间条件下反应更加充分，使 N,P-CDs的含量增加，所以荧光强度增大。我们将反应温度为180 ℃(大部分文献常用的水热反应温度)、不同反应时间下获得的N,P-CDs与反应时间为24 h、不同反应温度下获得的N,P-CDs溶液置于365 nm紫外光灯下，其数码照片分别如图2(a)中样品1～6与样品7～9所示。可以直观地筛选出N,P-CDs最佳反应条件为：220 ℃下反应24 h。本文后续所用的N,P-CDs均为该条件下获得的碳点。此外，为了进一步研究不同条件下9个N,P-CDs样品的发光情况，用色坐标(CIE图)进行了分析，如图2(b)所示。可以看出，随着反应时间的延长，N,P-CDs的颜色由蓝色逐渐移动到绿色区域，而反应温度对其颜色变化影响不大，说明反应时间是合成碳点的最大影响因素。

图1 不同反应时间和温度下，N,P-CDs的荧光强度柱状图。

图2 不同反应时间和温度下，N,P-CDs在365 nm紫外光灯下的数码照片(a)以及对应的CIE图(b)。

3.2 N,P-CDs的形貌与结构组成

采用透射电镜研究了N,P-CDs的微观形貌和尺寸特征，如图3所示，图3(a)表明N,P-CDs呈规则的球形。高斯分布曲线拟合结果(图3(b))显示N,P-CDs的尺寸范围在6.0～9.0 nm之间，平均粒径约为7.5 nm，平均粒径大于先前文献报道的氮，磷掺杂碳点[13]，分析可能是反应时间延长所致[15]。此外，从图3(c)中HR-TEM图像可以清晰地看到N,P-CDs的内部为晶格网状结构，其晶格间距约为0.26 nm，表明N,P-CDs的内核由石墨和无定型碳结构组成[16]。

图3 N,P-CDs的TEM图像(a)，插图:N,P-CDs的粒度分布曲线(b)和HR-TEM图像(c)。

图4 (a)N,P-CDs的红外光谱；N,P-CDs的XPS(b)、C 1s(c)、O 1s(d)、N 1s(e)和P 2p(f)分峰图。

3.3 N,P-CDs的紫外光吸收与荧光性能

图5 (a)N,P-CDs的紫外吸收光谱、荧光激发和发射光谱；(b)N,P-CDs在390～480 nm不同激发波长下的荧光发射光谱。

3.4 N,P-CDs对Pd2+的传感性能

将合成的N,P-CDs用于金属离子检测中，N,P-CDs对Pd2+的选择性测定结果如图6(a)所示。可以明显看出Pd2+对N,P-CDs的荧光猝灭最强(猝灭程度达56%)，而其他金属离子对N,P-CDs几乎没有猝灭作用。因此，说明N,P-CDs可以特异性地识别Pd2+。pH环境是离子检测系统中一个非常重要的影响因素，为此，研究了Pd2+存在与不存在的情况下，不同pH值对N,P-CDs荧光强度的影响，结果如图6(b)所示。当无Pd2+存在时，N,P-CDs在pH=7～8范围内荧光强度最大，这说明N,P-CDs在中性环境下具有良好的光学性质。在pH值为5～8时，Pd2+的加入使N,P-CDs发生了严重的猝灭现象；而在强酸(pH<4)和强碱(pH>9)环境中，N,P-CDs荧光猝灭程度较小。这可能是因为N,P-CDs表面的胺基很好地被质子化[23]，影响了胺基与Pd2+络合物的形成。综上，N,P-CDs在中性环境下对Pd2+可以进行灵敏检测。

图6 (a)N,P-CDs对Pd2+的选择性；(b)N,P-CDs在Pd2+存在(蓝色)和不存在(红色)情况下，于不同pH值下的荧光强度。所有金属离子浓度为100 μmol/L。

在最佳实验条件下，我们测试了N,P-CDs传感系统的线性响应范围、检测限，分别如图7(a)、(b)所示。从图7(a)可以看出，随着Pd2+浓度的增加，荧光强度逐渐降低。Pd2+浓度在40～100 μmol/L范围内与N,P-CDs的荧光强度值(F0/F-1)呈良好的线性关系(相关系数R2=0.973 9)，如图7(b)所示，符合Stern-Volmer方程，通过线性拟合获得回归方程为y=0.00214x+17.02367。根据公式3σ/k(其中σ是仪器的信噪比，k是线性回归方程的斜率[17])计算N,P-CDs对Pd2+的检测限为0.995 μmol/L(σ=0.000 71，k=0.002 14 μL/mol)。此外，我们还与最近报道的其他荧光传感器进行了对比分析，相关信息如表1所示。可以看出，我们合成的N,P-CDs对Pd2+的检测限低于大多数其他传感器，说明N,P-CDs是一类性能优异的Pd2+传感材料。

图7 (a)不同Pd2+浓度下的N,P-CDs的荧光光谱；(b)(F0/F-1)与Pd2+浓度在0～500 μmol/L范围内的关系。

表1 不同分析方法检测Pd2+的性能比较

采用紫外吸收光谱和荧光寿命变化研究了Pd2+对N,P-CDs的荧光猝灭机理。一般静态猝灭会影响荧光物质的紫外吸收光谱，而动态猝灭几乎对荧光物质的紫外吸收光谱没有影响[29]。根据这一理论说明Pd2+对N,P-CDs荧光猝灭机制属于静态猝灭，因为添加Pd2+前后N,P-CDs溶液的紫外光谱并不重合(图8(a))。N,P-CDs与Pd2+相互作用前后的荧光寿命曲线如图8(b)所示，荧光寿命数据列于表2中。从中可以看出，N,P-CDs与Pd2+复合前后的荧光寿命分别为3.03 ns和2.96 ns，两者之间的差别很小，由此可以判断Pd2+对N,P-CDs的猝灭机理为静态猝灭。分析原因是Pd2+与N,P-CDs表面的胺基形成了络合物(图9)而导致N,P-CDs的荧光猝灭[4]。

图8 N,P-CDs与Pd2+作用前后的紫外-吸收光谱(a)和荧光寿命曲线(b)

表2 N,P-CDs 和 N,P-CDs+Pd2+的光致发光衰减数据

图9 N,P-CDs与Pd2+的结合方式

4 结 论

本文合成了一种氮、磷掺杂的碳点(N,P-CDs)，在442 nm波长光激发下呈亮绿色荧光，通过条件优化得出最佳的N,P-CDs合成条件为220 ℃下反应24 h。采用FT-IR、UV-Vis、XPS以及TEM对N,P-CDs进行了表征。将N,P-CDs应用于金属离子检测中，发现N,P-CDs对Pd2+有较高的选择性，其检测线性范围为40～150 μmol/L，检测极限为0.995 μmol/L。通过紫外光谱与荧光寿命测试研究了Pd2+对N,P-CDs的猝灭机制，结果证明该猝灭机制为静态猝灭。本研究中N,P-CDs可以对Pd2+进行痕量检测，对Pd2+污染物的监测具有重要意义。