基于硅氮掺杂荧光碳点测定水样中痕量Hg(II)

曹丹,李永生

(四川大学 化学与化工学院，四川 成都 610065)

Hg(II)可与生物体中蛋白质的巯基结合，使酶失活，影响细胞的正常代谢，进而对生物体脏器造成不可逆的损伤[1-3]。因此，高灵敏、快速检测痕量Hg(II)显得尤为重要。

近年来，荧光传感器因其操作简单、易于现场测试等优点受到越来越多的关注。目前，研究者们已研制出不同类型的荧光传感器用于生物和环境中Hg(II)的检测，如贵金属纳米材料[4-5]、荧光分子[6]、碳基纳米材料等[7-8]，但这些方法仍面临有选择性差或检出限高等局限性。因此建立一种灵敏度高、选择性好的测定痕量Hg(II)的方法仍然是一个挑战。本研究基于Hg(II)对Si、N掺杂碳点(SiN-CDs)的猝灭作用，提出荧光法检测痕量Hg(II)的方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTEs)、无水柠檬酸(CA)、各种氯化物(Ca2+、Fe3+、Cu2+、Cd2+等)、醋酸、醋酸钠均为分析纯，使用前不需要进一步纯化。

RF-5301PC荧光光度计；UV-1800 PC紫外可见光度计；JC202型电热恒温干燥箱；AUW型电子天平；25 mL聚四氟乙烯反应釜(上海予华仪器设备有限公司)；HI1290 pH 计；82-5型恒温磁力搅拌器。

1.2 溶液配制

1.2.1 Hg(II)储备液(1 mmol/L) 用超纯水溶解0.027 2 g HgCl2并转移至100 mL容量瓶中定容。

1.2.2 醋酸缓冲液(CBS) 10 mmol/L冰乙酸(30%，v/v)与10 mmol/L醋酸钠按照不同比例稀释混合，配制不同pH的缓冲液。

1.3 实验方法

1.3.1 SiN-CDs的制备 为得到具有较高量子产率的碳点，修改了文献[9]的合成方法，具体步骤如下：称取1.44 g CA溶解于25 mL烧杯中，并定容至50 mL，得到浓度为0.15 mol/L的CA溶液。移取10 mL 0.15 mol/L的CA溶液与4 mL APTEs在室温下25 mL的烧杯中混合后，再转移至25 mL高压反应釜中，于180 ℃下反应6 h。得到的溶液即为SiN-CDs，定义此时该碳点浓度为100%。

1.3.2 Hg(II)的测定 1.5 mL不同浓度的Hg(II)标准液与1.4 mL CBS (pH=7) 混合，再加入0.1 mL 1.2% SiN-CDs荧光探针，在室温下反应30 s；用光程为10 mm的荧光杯，在激发波长(λex)为370 nm时，测定该混合液在发射波长(λem)为455 nm 处的荧光强度(F)。同样的，测定相同浓度的SiN-CDs的荧光强度(F0)。根据荧光猝灭程度(ΔF=F0-F)定量Hg(II)含量。激发和发射光谱狭缝均为5.0 mm。

1.3.3 相对荧光量子产率的计算 通过比较样品的发射波长积分强度和标准硫酸奎宁的积分强度，测定了所有样品的相对量子产率(QY)。为了避免荧光物质自身内滤光效应，吸光度强度保持在0.05以下。使用公式(1)[10]计算所有产物的量子产率：

(1)

其中，I是荧光峰积分强度，A是吸光度，n为溶液折射率；下标s表示已知量子产率的标准物质，以硫酸奎宁为标准物。

2 结果与讨论

2.1 SiN-CDs的分子光谱

由图1可知，SiN-CDs在220～400 nm范围内主要有两个特征吸收峰，其在238 nm处的吸收峰是SiN-CDs碳核π→π*跃迁的结果，在338 nm处的吸收峰归因于SiN-CDs表面态的n→π*跃迁[11]。在320～410 nm的不同激发波长下，记录了SiN-CDs一系列的荧光光谱，在370 nm的激发下在455 nm处获得最大荧光强度。当激发波长为320～370 nm时，其对应的发射峰均位于455 nm处；当激发波长大于380 nm时，发射光谱随激发的增加而发生明显的红移，推测这可能是由于尺寸不均一和Si、N元素掺杂所致。

图1 SiN-CDs的荧光和紫外光谱Fig.1 Fluorescence and UV spectra of SiN-CDs

2.2 Si和N掺杂对碳点发光的影响

为评价Si和N元素掺杂的效果，用与APTEs具有类似结构的正丙胺和正硅酸作为合成的原料之一与CA混合后，按照相同的合成方法(180 ℃/6 h)及浓度进行对照组实验。三个对照组分别简写为正丙胺+CA(N-CDs)、正硅酸乙酯+CA(Si-CDs)、纯CA(O-CDs)。

由图2可知，4种碳点在合成后，在日光下，SiN-CDs呈亮黄色，N-CDs为淡黄色，而Si-CDs和O-CDs表现为透明无色；在365 nm的紫外灯的照射下，SiN-CDs与N-CDs均发出蓝色荧光，而Si-CDs和CDs无明显荧光产生。

图2 不同CDs的荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectra of different CDs插图为不同CDs在日光灯和紫外灯下照射的实物图

为保证各种碳点溶液不发生由浓度导致的荧光自猝灭，将特征吸收峰波长的吸光度均恒定为0.05后再进行荧光检测。相较于SiN-CDs和N-CDs的荧光光谱，Si-CDs和O-CDs在455 nm处没有明显的荧光峰。这表明仅以CA或CA/正硅酸为原料时，在本实验条件下合成的产物内没有发光碳点，即N掺杂对发光碳点的生成起决定性作用。为了更准确地比较CDs的发光效率，测定了四种碳点的荧光量子产率。由表1可知，Si元素的引入能够明显的增强N-CDs的量子产率，表面Si掺杂能有效促进N-CDs发光。

表1 不同物质的相对荧光量子产率Table 1 Fluorescence quantum yields of different substances

2.3 Hg(II)的检测原理

Sterm-Volmer方程F0/F= 1+Kqτ0[Q] =KD[Q]常被用于区分是动态还是静态猝灭。其中，F0和F分别是加入猝灭剂前后荧光物质的荧光强度；Kq是双分子猝灭常数；τ0是未加入猝灭剂时荧光物质的荧光寿命；Q为猝灭剂浓度。

按照实验方法，考察在不同温度下，Hg(II)浓度与F0/F的相关性。由图3可知，随着温度的增加，Hg(II)与F0/F的拟合方程的斜率在减小；这表明：温度增加抑制了Hg(II)与Si/N-CDs的反应。因此，Hg(II)猝灭Si/N-CDs为静态猝灭，两者之间形成了一种不发光的化合物。

图3 Hg(II)浓度与F0/F的关系Fig.3 Relationship between the concentration of Hg(II) and F0/F

2.4 优选检测Hg(II)的条件

2.4.1 反应pH Hg(II)能与磷酸根、柠檬酸根形成配合物，因此选择使用醋酸缓冲液考察pH对Hg(II)测定的影响。按照实验方法评价pH对Hg(II)猝灭SiN-CDS荧光强度的影响，其结果表明：pH为2～8时，体系的ΔF先增大后减小；当pH为7时，ΔF达到最大值。因此，Hg(II)/SiN-CDs反应体系的pH确定为7。

2.4.2 反应时间 连续记录了2 mL 0.1% SiN-CDs溶液的荧光信号；当该碳点的荧光强度稳定后，注入0.01 mL 2 mmol/L Hg(II)，继续监测该混合溶液的动力学曲线；其结果表明，该浓度的Hg(II)能在30 s内猝灭SiN-CDs的荧光，并到达猝灭平衡。因此，该猝灭反应的时间确定为30 s。

2.5 标准曲线及检出限

按照实验方法对Hg(II)标准液进行测定，并绘制相应的标准曲线，其结果见图4。

图4 Hg(II)浓度猝灭程度的关系Fig.4 Relationship between the concentration of Hg(II) and ΔF

由图4可知，Hg(II)的浓度在0.005～0.1 μmol/L 及0.1～6 μmol/L内与SiN-CDs的荧光猝灭程度呈线性关系。线性回归方程分别为ΔF= 872.01c+ 8.52和ΔF= 96.41c+ 103.66，对应的相关系数(r)为0.999和0.997。

按照3倍连续测定空白样品液11次的相对标准偏差(σ)除以标准曲线斜率(k)的方法计算出本方法的检出限(3σ/k)为3.33 nmol/L。

2.6 干扰实验

2.7 环境水中Hg(II)的测定

真实水样取自自来水、沱江河水以及江安湖水。河水和湖水用定性滤纸过滤以除去大颗粒物质，得到的滤液在100 ℃下煮沸10 min以消除微生物的干扰，冷至室温的滤液再通过0.22 μm的过滤器，该滤液即作为检测样。自来水不经过预处理。

按照实验方法进行水样中Hg(II)测定，由于环境水样中未能检出Hg(II)，所以，用标准加入法继续评估本方法的实用性。添加的Hg(II)浓度分别为0.01，0.04，0.06，1.00，2.00 μmol/L，测定结果见表2。

由表2可知，自来水、湖水以及河水3种样品的Hg(II)回收率分别为97%～105%，97%～104%，92%～104%，这表明本方法用于水样中Hg(II)的检测时，其结果是可靠的。

表2 环境水样中Hg(II)的测定分析结果(n=3)Table 2 Analytical results of the determination of Hg(II) in environmental water samples (n=3)

3 结论

本研究证明掺杂Si和N元素能有效提高对碳点荧光强度，且利用该碳点建立了一种检测痕量Hg(II)的方法，再以标准加入实验评估了其实用性。本方法具有灵敏度高、响应速度快、成本低的特点，具有很大的应用潜力。