水中痕量重金属离子的碳量子点荧光传感器检测法研究新进展

谭 琰, 贺李琼, 李 乐, 廖力夫, 肖锡林,*

(1.南华大学 衡阳医学院公共卫生学院,湖南 衡阳 421001;2.南华大学 化学化工学院,湖南 衡阳 421001)

0 引 言

随着工业化和城市化进程的加速，水体重金属污染已经成为威胁生态系统和人类健康的严重问题[1]。重金属具有毒性、难降解性等特点，容易在生物体内积累[2]，当这些有毒金属在细胞内的含量超过允许水平时，会导致中毒、癌症和其他疾病[3]。目前金属离子的检测方法有紫外可见分光光度法[4]、原子吸收法[5]、原子荧光法[6]、电感耦合等离子体法[7]、电化学法[8]等。但是这些方法前处理过程复杂，所用仪器设备昂贵，检测耗时较长，不利于推广运用。荧光传感器[9]具有检测灵敏度高、选择性好、仪器设备易于操作等特点，已被广泛地应用于环境监测、生化分析等领域。

碳量子点(carbon quantum dots，CQDs)是2004年用电弧放电法制备单壁碳纳米管的过程中首次发现的[10]。碳量子点是一种粒径小于10 nm、表面带有大量含氧基团、具有荧光性质的准球形碳纳米颗粒，具有低毒性、化学惰性、较好的生物相容性、光诱导的电子转移和高度可调的光致发光特性[11]。碳量子点具有很强的荧光性质和生物相容性，经过表面钝化、功能化或掺杂后，金属离子对碳量子点的荧光有增强或猝灭作用。与传统的荧光物质相比，碳量子点作为荧光传感器具有较好的水溶性、稳定的光学性质、较好的抗光漂白能力以及易于功能化等特点，在金属离子检测、生物成像、光催化等领域具有广泛的应用前景。

本文对碳量子点的制备方法以及碳量子点荧光传感器检测水体中痕量重金属离子的应用进展进行综述，以期为碳量子点荧光传感器的进一步深入发展提供思路和方向。

1 碳量子点的合成方法

目前碳量子点的合成方法主要有两类：自上而下(top-down)法和自下而上(bottom-up)法[12]。自上而下法是将尺寸较大的碳源切割成尺寸较小的碳量子点，主要包括电化学法[11]、激光刻蚀法[13]、电弧放电法[10]等，其碳源主要有碳纳米管[14]、活性炭[15]、氧化石墨[16]等。自上而下法合成的碳量子点杂质多、碳量子点产率低且成本较高。而自下而上法是将小分子的前驱体通过碳化处理合成更大分子量的碳量子点，主要包括热解法[17]、微波法[18]、水热法[19]、燃烧法[20]等，其碳源主要有柠檬酸[21]、葡萄糖[22]、氨基酸[23]等。自下而上法操作比较简单、碳量子点产率相对较高，应用广泛。下面将具体介绍这两种方法。

1.1 自上而下法

1.1.1 电化学法

电化学法以石墨棒、碳纳米管等碳源作为工作电极，利用电化学法进行处理，从碳工作电极上剥离得到碳量子点。M.L.Liu等[11]以石墨为工作电极，铂箔为对电极，Ag/AgCl为参比电极，碱性乙醇溶液为电解质，在5 V电压下制备了碳量子点(CQDs)，其粒径大小为(4.0±0.2) nm，结晶度高。初形成的CQDs是无色的，但在室温条件下表面物质氧化，CQDs逐渐变为亮黄色。CQDs可用于检测自来水中的Fe3+，也可应用于细胞成像。李腾飞等[24]通过在碱性条件下将石墨棒电解制备碳量子点，其粒径约为19 nm。碳量子点在400 nm和525 nm处有两个荧光发射峰，这可归因于碳量子点的π-π共轭体系和含氧官能团的n-π共轭体系。电化学法制备的碳量子点比较均匀，但后续分离纯化步骤繁琐，且量子产率低，不适合大规模生产，目前应用较少。

1.1.2 激光刻蚀法

激光刻蚀法是利用激光作为能源来烧蚀目标材料以合成碳量子点。S.Kang等[25]以多壁碳纳米管为碳源，以高纯度乙醇为溶剂，采用波长分别为355 nm和532 nm的Nd：YAG激光制备两种碳量子点(GQD和GOQD)，其粒径大小范围为1～5 nm。原子力显微镜结果显示制备的碳量子点厚度为0.5～1.5 nm，表明其具有单层或几层结构。实验表明，改变激光波长可以制备出含氧官能团可控的GQD和GOQD。当采用较短波长的激光脉冲时，富氧官能团更容易从溶剂(即乙醇)中衍生出来。因此，可以通过该方法选择性地制备GQD和GOQD，这在光学器件和生物成像等光电应用中具有潜在的应用价值。激光烧蚀法很难控制纳米粒子的粒径大小、团聚和晶体结构[10]，而且对设备要求高，不适合工业化生产。

1.1.3 电弧放电法

电弧放电法是制备碳量子点的传统方法，但该方法很难获得高产量的碳量子点。Y.J.Su等[26]利用电弧合成单壁碳纳米管中的碳副产物制备碳量子点。制备的碳量子点的粒径大小范围为3.2～8.0 nm，平均粒径为5.6 nm，荧光量子产率为3.31%。合成的碳量子点水分散性较好，在365 nm波长照射下有明显的绿色发光。荧光图谱表明，当激发波长为360 nm时，其最大发射波长为502 nm。而与其他大多数碳量子点不同的是，该方法合成的碳量子点表现出与激发无关的荧光发射性质，这可能是碳量子点的少量官能团相对均匀地分布在其表面所致。

1.2 自下而上法

1.2.1 热解法

1.2.2 微波法

微波法通过微波加热的方式使碳源脱水、聚合、碳化形成碳量子点。高量子产率以及合成快速是微波法制备碳点的主要优势。

X.Y.Wang等[29]以柠檬酸三钠为碳源，尿素为氮源，将其超声溶解在水中形成透明溶液后微波加热制备氮掺杂碳点(CDUN)，其平均粒径为30 nm。当激发波长为370 nm时，CDUN在450 nm处有一个荧光峰，在375 nm处有一个共振瑞利散射(resonance rayleigh scattering,RRS)峰。其原理可能是氮原子是给电子原子，它将适量的电子对引入碳源，掺杂氮后，碳点表面上的电子增加。当CDUN被入射光激发时，有更多的表面电子跃迁到激发态，并跃迁到能隙态从而产生更强的荧光，而且氮掺杂碳点具有高稳定性。将核酸适配体(Apt)加入体系后，CDUN被Apt包裹，其荧光强度和RRS强度降低。加入K+后，K+与Apt反应形成稳定的G-四链体和游离的CDUN。随着K+浓度的增加，游离的CDUN越多，其荧光强度和RRS强度呈线性增强(图1)。微波法对设备的要求低，操作简单，合成时间短，但产物粒径大小分布不均匀，需要进行进一步分离纯化。

1.2.3 水热法

目前大多数碳量子点通过水热法合成。水热法是将碳源与水均匀混合，在反应釜内密闭恒温加热后，碳源脱水碳化为碳量子点。水热法的碳源来源丰富，H.Eskalen等[30]以废棉绒为碳源，在石英管中将其与水混合，在150 ℃条件下于衬有聚四氟乙烯的反应釜中加热制备荧光碳量子点(CDs)，其粒径大小范围为1.8～22 nm，平均粒径为10.14 nm。当激发波长为376 nm时，CDs在420 nm处有一个荧光发射峰。CDs可应用于细胞成像。S.Karami等[31]以葡萄糖和3-硝基苯胺为原料，采用水热法合成双发射碳量子点(CDs)，其平均粒径为5 nm。所制备的CDs在300 nm激发波长下，在400 nm和610 nm分别有一荧光发射峰，其发射强度基本相等。Cu2+可以选择性地猝灭400 nm的荧光，而天冬氨酸可以恢复CDs-Cu2+体系的荧光。该体系可应用于河水中Cu2+的检测以及人血清样品中天冬氨酸氨基转移酶的检测。水热法量子产率相对较高，粒径分布均匀，碳源来源丰富，应用广泛。

1.2.4 燃烧法

燃烧法通过高温燃烧碳前驱体，再经过分离提纯后制备碳量子点。M.C.Rong等[32]将氨基苯基硼酸加入到乙醇中，将混合溶液倒入酒精燃烧器中，将玻璃烧杯倒置在酒精燃烧器上方，点燃酒精燃烧器后形成的黑烟会附着在玻璃烧杯的内壁上。刮取玻璃烧杯内壁的附着物后将其加入混合酸，80 ℃回流12 h后透析过夜得到碳量子点(B，N-CD)溶液，其产率为18.7%。B，N-CD的粒径大小范围为1.5～40 nm，平均粒径为2.5 nm。荧光图谱表明，B，N-CD最大荧光激发和发射波长分别为310 nm和520 nm。该体系可用于检测天然水样中的Cu2+，其检测范围为1～25 mmol/L，检测限为0.3 mmol/L。燃烧法操作比较简单，但是碳量子点的粒径难以控制。

图1 荧光/RRS双模式分析检测痕量K+[29]Fig.1 Analysis principle of detecting trace K+ by fluorescence/RRS dual-mode analysis method

2 碳量子点荧光传感器在检测重金属离子中的应用

重金属不可降解，容易沿着食物链通过富集作用在生物体中累积，在人体中累积达到一定程度后会对脏器和神经系统产生毒性，损害人体健康。碳量子点具有较好的水溶性，其荧光可在与金属离子相互作用时被猝灭或增强。这一特性使碳量子点可成为荧光传感器用于检测水体中痕量重金属离子(表1)。目前对金属离子猝灭碳量子点荧光的机制尚无统一的说法，主要的猝灭机制有聚集猝灭、内滤效应、光诱导电子转移等。基于这些主要猝灭机制，下面将介绍一下碳量子点荧光传感器在检测重金属离子中的应用。

2.1 铁离子荧光传感器

铁离子可与碳量子点表面的氨基、羧基、羟基等基团配位，引起碳量子点聚集，从而猝灭其荧光。F.J.Liu等[33]以三聚氰胺为原料，采用中和热反应一步法合成了水溶性的氮掺杂碳量子点(N-Cdots)。Fe3+和Fe2+能特异地猝灭N-Cdots的亮蓝绿荧光，同时使溶液颜色改变。荧光猝灭机制可能是Fe3+和Fe2+与N-Cdots的氨基和酰胺基之间的配位相互作用引起N-Cdots聚集。除了铁离子引起碳量子点聚集造成其荧光猝灭外，铁离子也可通过与碳量子点表面的含氧基团配位从而猝灭其荧光。该体系对自来水中Fe3+的检测线性范围为0.025～10.0 μmol/L，检出限约为15 nmol/L。H.Shah等[34]以N-(2-羟乙基)乙二胺三乙酸(HEDTA)为碳源和氮源，采用水热法制备了蓝色荧光的碳量子点(N-CDs)。与其他金属离子相比，N-CDs对Fe3+的选择性较高，这是因为Fe3+与其他金属离子相比具有缺电子特性。当N-CDs的表面官能团(如羧基、氨基、羟基等)的氧原子和碳原子之间自由转移电子时，N-CDs有较高的荧光强度。当N-CDs的氧原子与Fe3+之间形成配位键时抑制了N-CDs上的表面官能团的电荷转移，导致N-CDs的荧光猝灭。其中N-CDs是电子对的供体，而Fe3+是电子对的受体。N-CDs的检测线性范围为0.76～400 μmol/L，检测限为0.16 μmol/L。

内滤效应也是铁离子猝灭碳量子点荧光的常见机制。X.B.Sun等[35]研究了比色/荧光双模式检测Fe2+的方法，以间苯二胺和聚乙二醇1500为原料制备相对量子产率为74.13%的绿色荧光碳点(mPD-CDs)。以绿色发光mPD-CDs为荧光传感器，1，10-邻菲咯啉为显色剂，实现了Fe2+的比色和荧光双模式检测。在mPD-CDs存在下，Fe2+与1，10-邻菲咯啉形成络合物(Fe(Ⅱ)-菲咯啉)，其吸收峰位于512 nm，在过量邻菲咯啉存在下，其吸光度对Fe2+的浓度很敏感，且不受mPD-CDs的干扰，据此建立了检测Fe2+的比色分析方法，检出限为2.98 μmol/L。Fe(Ⅱ)-邻菲咯啉配合物的吸收光谱与mPD-CDs的激发光谱和发射光谱有重叠，猝灭机制为内滤效应，由此建立了检测Fe2+的荧光分析方法，检出限低至0.59 μmol/L，实现了碳量子点/邻菲咯啉体系对水中Fe2+的比色和荧光双模式检测。

表1 碳量子点荧光传感器对不同重金属离子的检测方法比较Table 1 Comparison of detection methods for various heavy metal ions by fluorescent carbon quantum dots

2.2 铜离子荧光传感器

碳量子点检测铜离子的机制主要是铜离子与碳量子点表面的氨基形成配位络合物，引起碳量子点聚集，发生荧光猝灭现象。N.Chaudhary等[50]以香蕉为碳源，采用水热法制备了氮、硫掺杂的碳量子点(NS-CQDs)。加入Cu2+后NS-CQDs的发射峰出现明显的红移，表明NS-CQDs与Cu2+相互作用并发生聚集。同时，Cu2+可以猝灭NS-CQDs的荧光，其猝灭机理可能是带负电荷的NS-CQDs及其表面活跃的官能团(如羟基、羧基、羰基等)与Cu2+通过配位键形成络合物，使得NS-CQDs在Cu2+周围聚集，同时NS-CQDs与Cu2+之间发生电荷转移，这二者都为非辐射复合，其共同作用导致NS-CQDs发生荧光猝灭。与其他离子相比，Cu2+可极大地猝灭NS-CQDs的荧光，并且可以消除其他金属离子的影响。X.Y.Wang等[51]以雏菊叶为碳源制备了氮掺杂碳量子点(N-CD)，其具有丰富的表面官能团，如羟基、羧基和氨基。Cu2+对N-CD的荧光猝灭机制可能是Cu2+与N-CD表面的羧基和氨基之间的络合作用。络合作用影响了N-CD的芳环结构和非辐射复合，所形成的Cu-N-CD络合物使N-CD聚集，从而猝灭其荧光。实验表明，不含氮掺杂剂的碳量子点对Cu2+等金属离子没有明显的荧光猝灭作用。因此，N-CD中的氮在Cu2+的检测中发挥了重要作用。N-CD对Cu2+的浓度检测线性范围为10.0～120.0 nmol/L，检测限为1.0 nmol/L。R.Bisauriya等[39]采用水热法制备氮和硫共掺杂碳点(NS-CDs)，在溶液中加入Cu2+会在660 nm处产生明显的吸收带，这可能是由于Cu2+与NS-CDs氨基官能团配位形成铜氨络合物。在1～100 μmol/L范围内，体系吸光度随Cu2+浓度增高而线性增加，检测限为200 nmol/L。由于氨基与Cu2+的亲和力强，且碳量子点富含氨基，因此碳量子点检测Cu2+大多基于氨基与Cu2+形成铜氨络合物的原理。

2.3 汞离子荧光传感器

碳量子点表面的羧基、羟基、氨基等基团可通过与汞离子形成非荧光络合物猝灭碳量子点的荧光。Q.Q.Duan等[37]以焦磷酸盐修饰碳量子点(PP-CDs)用于Hg2+检测(图2)。荧光图谱显示，Hg2+使PP-CDs在513 nm处的荧光发生猝灭，其猝灭机制可能是Hg2+与PP-CDs表面的焦磷酸基团反应形成非荧光络合物使PP-CDs荧光猝灭。而在PP-CDs-Hg2+体系中加入谷胱甘肽后，紫外图谱显示在212 nm处出现新的吸收峰，其余吸收峰与PP-CDs的吸收峰一致。这可能是由于谷胱甘肽具有强还原性，与Hg2+反应后形成复合物，恢复了PP-CDs的荧光。PP-CDs的检测线性范围为0.1～1.4 μmol/L，检测限为2 nmol/L。S.M.Du等[52]以氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)为发光剂，谷胱甘肽为掩蔽剂，用于检测自来水中的Hg2+。氮掺杂有利于GQD的发光红移和发光强度的提高。随着Hg2+的加入，N-GQDs的荧光强度降低，归因于N-GQDs与Hg2+之间的络合。FTIR和XPS表征表明，N-GQDs为氮掺杂，表面富含羟基、羰基、羧基等含氧官能团，这些官能团都能与金属离子发生络合反应，诱导N-GQDs聚集，导致相应荧光强度降低。XPS结果表明所制备的N-GQDs上含有丰富的含氧基团和嘧啶结构，说明N-GQDs表面存在胸腺嘧啶(T)衍生物，而Hg2+能够与T碱基特异性结合，形成稳定的T-Hg2+-T络合物。这些结果表明，所构建的N-GQDs/谷胱甘肽体系对Hg2+具有较好的选择性，其检测线性范围为0.5～110 nmol/L，检测下限为0.08 nmol/L。

图2 PP-CDs的检测机理[37]Fig.2 Schematic illustration of detection of PP-CDs

2.4 铅离子荧光传感器

Z.S.Sun等[53]以盐酸甜菜碱和磺胺嘧啶分别作为碳源和氮源，通过水热法合成了绿色发射碳点(G-CDs)。Pb2+对G-CDs有较好的荧光猝灭作用，其猝灭机理可能是Pb2+与G-CDs表面的基团配位形成非荧光络合物，从而猝灭G-CDs的荧光。G-CDs的检测线性范围为0～200 μmol/L，检测限为3.017 4 μmol/L。而R.Bandi等[54]以马缨丹果为碳源制备氮掺杂碳量子点(NCDs)，通过研究其猝灭机制发现其猝灭常数与温度成正比，而碰撞频率随温度而增加，这说明Pb2+与NCDs之间的碰撞次数增加。因此，猝灭常数随温度升高而增加可归因于其碰撞/动力学性质。在添加Pb2+之后NCDs的吸收峰位置没有明显变化，这表明在NCDs和Pb2+之间没有形成静态中间产物。因此，Pb2+对NCDs的猝灭机制可能是NCDs表面官能团的高亲和力使其可选择性地与Pb2+相互作用，促进非辐射电子从NCDs的激发态转移到Pb2+从而导致NCDs荧光猝灭。NCDs量子产率为33.15%，在0～200 nmol/L浓度范围内对Pb2+有较好的线性响应，检测限为9.64 nmol/L。H.Q.Wang等[55]开发了一种比色荧光检测水中Pb2+的方法，并通过荧光纸条和智能手机应用程序实现了可视化、实时和半定量检测。由蓝色碳点(BCDs)和红色碳点(RCDs)以固定的荧光强度比混合制备比色荧光传感器。BCDs的蓝色荧光可以被Pb2+猝灭，RCDs的红色荧光作为背景值Pb2+对其无影响。随着Pb2+含量的增加，蓝色荧光强度的降低使得溶液颜色从蓝色变为红色，在紫外灯下使用智能手机可以进行区分，检测限分别为2.89 nmol/L和35.26 nmol/L。该体系可应用于自来水、湖水等实际样品的目视检测。

2.5 铬离子荧光传感器

对于铬离子猝灭碳量子点荧光的机制探讨较为丰富，其中内滤效应是荧光猝灭的主要机制。

Y.Y.Ji等[56]制备硫、氮共掺杂碳点(S，N-CDs)用于铬(VI)和抗坏血酸(ascorbic acid，AA)的检测。铬(VI)通过内滤效应猝灭S，N-CDs在445 nm处的荧光。加入抗坏血酸后体系的荧光恢复，这可能是由于抗坏血酸与铬(VI)螯合从而恢复S，N-CDs的荧光，其次，抗坏血酸将铬(VI)还原成低价态，消除铬(VI)对S，N-CDs的内滤效应，恢复体系的荧光。铬(VI)对S，N-CDs的检测范围为0.03～50 μmol/L，检测限为21.14 nmol/L。Y.Y.Wang等[57]采用水热法制备了硼氮共掺杂碳量子点(B，N-CDs)，荧光量子产率达59.01%。B，N-CDs可以作为荧光传感器检测Cr(VI)，其荧光猝灭机制为静态猝灭和内滤效应。该体系检测线性范围为0.3～500 μmol/L，检出限为0.24 μmol/L，该体系可应用于实际水样中的Cr(VI)检测。F.P.Mutuyimana等[58]以4-乙酰氨基苯甲醛和4-氨基乙酰苯胺盐酸盐为原料，采用水热法制备碳量子点(CD)，Cr(VI)对其有较好的荧光猝灭作用。荧光图谱显示Cr(VI)的吸收光谱和CD的激发和发射光谱之间没有重叠，故可以排除内滤效应导致CD荧光猝灭这一原因。在添加各种浓度的Cr(VI)前后，CD的荧光寿命几乎保持不变，这表明Cr(VI)对CD的荧光猝灭是由静态猝灭引起。CD可用于检测水中Cr(VI)，其线性检测范围为1～400 μmol/L，检出限为0.13 μmol/L。

2.6 放射性金属离子荧光传感器

放射性重金属是指可以放射出α、β和γ射线的天然金属和合成金属。天然放射性重金属包括钚(Po)、钫(Fr)、镭(Ra)、锕(Ac)、钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)。放射性重金属元素通过生物富集作用进入人体后可引起内照射放射病，严重危害人体健康。因此对环境中放射性重金属的检测尤为重要。目前碳量子点作为放射性重金属离子荧光传感器方面的研究主要用于对铀离子的检测，猝灭机制主要有非荧光络合物的形成、聚集、内滤效应等。

2.7 其他离子荧光传感器

图3 基于智能手机快速检测铀酰离子设备的结构[59]Fig.3 Photograph and structure of smartphone based platform device for uranyl detection[59]

碳量子点同时检测多种金属离子的研究较少。P.Chauhan等[61]以废椰壳为碳源制备碳量子点(C-dots)，具有“开-关”荧光效应，可用于检测水中的Cd2+和Cu2+，其检测限分别为0.18 nmol/L和0.28 nmol/L。在Cu2+存在的情况下会引起C-dots荧光猝灭，其原因主要是Cu2+与C-dots表面上的羟基、羧基和氨基的配位导致C-dots聚集。Cd2+存在的情况下会引起C-dots荧光增强，其一可能是由于Cd2+的存在使得C-dots的激发速率增加，其二可能是C-dots表面的局部表面等离子共振与Cd2+之间的相互作用导致C-dots的发射峰增强。

3 总结与展望

综上，碳量子点具有粒径小、比表面积大、水溶性好、化学结构稳定、易于制备、无毒无害等优点，在金属离子检测和生化分析等领域展现出较好的应用前景。虽然对碳量子点的研究在近几年来取得了较大的进展，但还存在以下问题需要进一步解决：

1)目前对于碳量子点的荧光发光机理仍没有统一的说法，在很大程度上限制了碳量子点的应用与发展。

2)虽然制备碳量子点的方法有很多，但不同原料和制备方法所得到的碳量子点在物理化学等性质方面存在很大差异，给定量分析带来了困难。因此需要实现碳量子点的标准化，进一步拓展其应用。

3)碳量子点检测重金属离子大多基于络合作用，可以引入对重金属离子敏感的特异性官能团来加强其对重金属离子的选择性。

4)目前碳量子点主要是检测单一的重金属离子，缺少碳量子点对多种重金属离子同时检测的方法，需要进一步探索。

5)目前碳量子点对放射性金属离子的检测研究较少，主要是对铀酰离子的检测，缺少对其他放射性金属离子的检测研究，需要进一步探索。

6)相信随着对碳量子点荧光传感器的不断探索和研究，上述问题能够得到较好解决。同时，碳量子点的新性质将不断被开发，有望更广泛地应用于各个领域。