荧光碳点在环境监测中的应用探究

王恒华，陈 伟

（山东省临沂市生态环境局临沭县分局，山东 临沂 276700）

荧光碳点是荧光碳纳米材料，由Xu等在2004年发现[1]，Sun等有目的制取并命名为荧光碳点[2]。荧光碳点的生物相容性好，在水溶液中不易自聚、荧光发射稳定，低毒性且遇有机物能够表现出很强的反应能力。经过钝化修饰后的碳点，具有更高的化学稳定性、光稳定性和特殊的化学发光性质[3]。荧光碳点的这些特性在环境监测，尤其是在水环境监测中具有非常重要的应用意义。

1 荧光碳点的光学表现

越来越多的研究表明，荧光碳点的制备方法日趋简洁、成熟。荧光碳点的高效荧光性和化学发光性因制备方式不同、钝化修饰不同而受到影响，也造就了碳点应用的广泛性。

2 荧光碳点在环境监测中的应用

钝化修饰后的碳点表面上富集的电子在传递过程中发光的特性、低毒性和良好的生物相容性，备受环境监测工作人员的青睐。荧光碳点的优良性能在环境监测，尤其是水环境监测中得以应用。

2.1 对环境重金属离子的监测

土壤和水中重金属的监测和处理是环境化学研究的重点领域。金属、尤其是重金属对生物个体及群落产生影响，进而对环境表现出明显影响，受影响的环境反作用于生物和人类[4]。这些重金属在土壤和水中基本以离子形式存在。

经过修饰后的碳点能够通过螯合、离子交换和吸附作用与土壤和水中的金属离子组合成不同形式的配合物。经过不同修饰的碳点表面，其化学性能、生物性能不同，对金属离子的选择性不同。不同修饰的碳点选择并结合了符合自身特性的金属离子而改变了自身表面结构，改变了其发光特性及强度。荧光碳点前后发光特性及强度的变化帮助实现金属离子的监测。

碳点用于Hg2+等金属离子的定性、定量监测，表现出更高的灵敏度和监测精准度。以柠檬酸钠为原料制得的碳点证实了这一点[5]。Hg2+与柠檬酸钠为原料制得的碳点相结合并降低其荧光强度，当Hg2+浓度在0～5 ug/L时，监测最经济、方法简单、效果最好。研究也表明：二亚乙基三胺修饰后的碳点在358 nm激发光下，可以有效监测Cr（Ⅵ）。

2.2 对环境中无机阴性离子污染物的监测

无机阴性离子是化学反应中的重要成员，也对环境产生严重影响。例如氟化氢就是一种高毒性污染物，严重影响农作物的生长和人体健康。溶液中的氟离子很容易结合碳点表面的羟基，结合氟离子后碳点的荧光强度发生变化，这种变化与氟离子浓度的线性关系应用于环境监测中，是一种简单高效的监测方法。

随着生产生活的发展，大量的磷元素进入水体，严重影响水环境质量。研究表明结合铕离子的碳点荧光强度下降，但在水溶液中，磷元素与碳点的结合能力强于碳点表面的羧基，从而使碳点脱掉羧基而影响荧光强度。这也是水环境中监测磷元素的一种良好方法。

2.3 对有机物的监测

有机类农药的发明和使用，保障了粮食生产安全，但也带来了严重的环境污染问题。高毒性、剧毒性有机污染物严重污染环境的同时，高残留并且在生态系统中有累加效应，在食物链中累加传递。环境中的有机物监测凸显重要。传统监测有机物，成本高、费时费力。荧光碳点有助于解决传统监测的困境。碳点通过化学反应可以吸附环境中的多环芳烃等有机污染物，碳点荧光强度降低，从而实现定性监测有机污染物的目标。不同的碳点表面修饰，对有机污染物的反应活性不同，实现不同有机污染物的实时监测。

2.4 对微生物的标记

微生物在生态系统中起着至关重要的作用。作为生态系统的分解者，微生物在环境污染物分解和生态平衡保持中起到了清道夫的作用。环境中微生物的生存和数量也是环境监测中的一个重要指标。

传统监测方式需要借助核酸探针和生物传感器等，费用高、操作不便，并且存在选择宽泛等缺点，荧光碳点监测技术可有效解决这些不足。利用柠檬酸胺和甘露糖为原料制得的荧光碳点，对大肠杆菌有非常好的生物相容性。碳点和大肠杆菌的蛋白质结合后，在激光下表现出明亮的荧光。利用这项操作，可对大肠杆菌等微生物进行标记。这种监测手段经济高效，开拓了微生物的监测技术空间。

3 结语

荧光碳点在环境监测中的应用和探究，拓展了环境监测新技术，有望改变因为环境监测而或多或少地破坏环境的尴尬。尽管这一环境监测技术有待大幅度完善，大面积的推广普及还有很大难度，但从长远看，荧光碳点的特性还是值得我们在环境监测中去实践和检验的！