氮掺杂橙色荧光碳点的制备及其对Cu2+的检测

刘 洋， 刘 竞， 孙 宁， 魏 娜， 董 川， 宋胜梅*

(山西大学环境科学研究所，化学化工学院，山西太原 030006)

铜是除Fe2+和Zn2+以外人体所必需的第三种微量元素，也是机体还原酶的重要组成元素，参与人体内各项氧化还原反应，对人体有重要的生理功能[1]。适量的Cu2+可以促进血红蛋白的生成，促进机体造血功能，维持骨骼、血管、皮肤的正常生理功能，促进新陈代谢和提高细胞免疫力等。Cu2+缺乏会导致贫血等症状，过量的Cu2+则会导致肝脏、神经系统功能紊乱[2]。我国《地下水环境质量标准》(GB/T14848-2017)规定Ⅰ类水Cu2+含量不得超过0.01 mg/L，Ⅱ～Ⅴ类不得超过1.0 mg/L，饮用水中Cu2+的含量不得高于20 μmol/L。因此，对Cu2+的快速准确检测是非常必要的。Cu2+常用的检测方法有半导体量子点[3]、原子吸收光谱法[4]、质谱法[5]、电感耦合等离子体质谱法[6]、电化学分析法[7]、分光光度法[8]、液相色谱法[9]等。以碳点(Carbon Dots，CDs)作为荧光探针的荧光分析方法因CDs良好的荧光稳定性和荧光分析方法的简便性而受到关注，对环境水样中Cu2+的检测有重要意义。

目前，已经有不少CDs荧光探针成功应用到环境水样中Cu2+的测定，如三色比率荧光探针试纸对尿液中Cu2+的可视化检测[10]、N-CDs基于荧光猝灭法检测水样铜离子[11]、以高温裂解法合成CDs并成功地用于Cu2+检测[12]。本文以对苯二异氰酸酯为碳源，N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，采用溶剂热法，在200 ℃的高温下炭化8 h，制备了一种对Cu2+有响应的氮掺杂橙红色荧光碳量子点(N-CDs)。并对其结构和性能进行了详细的表征，该N-CDs的最佳激发和发射波长分别为483 nm和586 nm，具有良好的水溶性和对Cu2+的选择性。Cu2+可以特异性地猝灭N-CDs的荧光，所建立分析方法的检出限为68 nmol/L，可用于实际水样中微量Cu2+的检测。

1 实验方法

1.1 主要仪器与试剂

JEM-2100高分辨率透射电子显微镜(日本电子株式会社JEOL)；AXIS ULTRA DLD X射线光电子能谱仪(日本Kratos公司)；TensorⅡ傅立叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司)；vario ELCUBE元素分析仪(德国Elementar公司)；FP-8300 FDP荧光分光光度计(日本分光株式会社JASCO)；Lambda365紫外-可见吸收光谱仪(美国PerKinElmer公司)；ZF-6紫外观察灯(上海嘉鹏科技有限公司)；1820c超纯水机(上海摩勒科学仪器有限公司)。

分析纯对苯二异氰酸酯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、金属氯盐和氨水均购自上海阿拉丁试剂公司；阿奇霉素(AZM)、克拉霉素(CLA)、卡那霉素(Kana)、万古霉素(VAN)、甲砜霉素(THI)、庆大霉素(GEN)、四环素(TCY)、头孢拉定(CH)、青霉素G(PG)、氟加喹(UB)、奥硝唑(ORN)、奥索利酸(OA)、替硝唑(TIN)、甲氧西林(MET)，以及丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、蛋氨酸(Met)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)、半胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)、组氨酸(His)、赖氨酸(Lys、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glutamic Glu)，均购自美国Aldrich化学试剂公司；其余试剂均为分析纯，实验所用超纯水为实验室自制(≥18.25 MΩ·cm)。

1.2 N-CDs制备方法

采用一步溶剂热法制备N-CDs。准确称量0.16 g对苯二异氰酸酯溶于20 mL中，加入1 mL氨水调节溶液pH为碱性，于超声仪中超声20 min直至固体小颗粒完全分散溶解，将该溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜内衬中，于200 ℃高温下碳化8 h，待溶液冷却后，将其通过0.45 μm滤膜过滤，再将滤液转移至500～1 000 Da的透析袋中透析8 h，最后将透析后的橙红色液体冷冻干燥，得棕色固体粉末，即为所制备N-CDs。

1.3 N-CDs对于Cu2+的荧光检测

准确称取100 mg N-CDs粉末溶解于10 mL超纯水中，配制浓度为10 mg/mL N-CDs储备液。所制备的N-CDs的最佳激发和发射波长的λex=483 nm，λem=587 nm。通过调节10 mm比色皿中N-CDs溶液的浓度，确定其最佳浓度为5 mg/mL。在该浓度下，N-CDs溶液的荧光强度最大。

2 结果与讨论

2.1 N-CDs的结构表征

所制备N-CDs由C、H、N和O组成，各个元素分别占总质量的60.34%、6.19%、21.63%和11.84%(计算)，计算的碳点的经验式为C20H25O3N6。

以透射电子显微镜(TEM)观察N-CDs的形貌和粒径，如图1A所示，N-CDs呈均匀分散的类球形颗粒，粒径大致分布在6～11.00 nm范围内，平均粒径约为8.77 nm(图1B)。在2 nm的高分辨视野下可以清楚地看到N-CDs的晶格间距大致为0.22 nm，对应于石墨烯结构的(100)面。

图1 N-CDs的(A)透射电镜图像(插图显示高分辨率透射电镜图像);(B)粒径分布图Fig.1 (A) TEM image(Inset showing the HR-TEM image) of N-CDs;(B) Size distribution histogram of N-CDs

图2 FT-IR光谱图对N-CDs进行官能团表征Fig.2 Functional groups characterization of N-CDs with FT-IR spectroscopy

以傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)进一步表征N-CDs的化学组成与结构。由图2的FT-IR图可知，在3 405～3 210 cm-1的宽吸收峰属于O-H/N-H的伸展振动[13]；3 100～3 000 cm-1的宽吸收峰是由于不饱合=C-H的伸展振动引起的；1 650 cm-1处的尖锐吸收峰归因于C=O伸展振动[14]；1511cm-1和1392cm-1处的吸收峰为碳点六元环C-C的骨架振动；1 253～1 260 cm-1的宽吸收峰和1 134 cm-1的尖峰分别是C-O的不对称和对称伸展振动[15]；820 cm-1和700 cm-1的峰均属于不饱合=C-H的弯曲振动[16]。从FT-IR谱图中可以发现，N-CDs 表面含有一些氨基、羧基等亲水性的官能团，这些亲水官能团的存在，赋予N-CDs 良好的水溶性。图3A是N-CDs的XPS总谱，总谱中285.0 eV、399.5 eV和531.9 eV处的峰分别对应于C1s，N1s和O1s[17]，表明N-CDs由C、H、O和N四种元素组成，这与元素分析结果一致。图3B的高分辨率C1s谱可拟合为4个峰，284.4 eV、285.1 eV、285.8 eV和288.8 eV的峰分别对应于-C-N、C=C、C-C和C=O[18]。高分辨率N1s谱(图3C)的峰在398.8 eV(C-N，pyridinic N)、399.4 eV(C-N，pyridinic N)、400.1(C-N，pyridone N)和400.6 eV(N-H)[19]。高分辨率O1s谱(图3D)表现出4个特征峰，分别是530.9 eV(O-H)、531.6 eV(C=O)、532.2(C-O)和532.3 eV(N-O)[20]。

图3 (A)N-CDs的XPS全谱；(B)碳谱;(C)氮谱；(D)氧谱Fig.3 (A) XPS survey scan of N-CDs;(B) C1s XPS;(C) N1s XPS;(D) O1s XPS

2.2 N-CDs的光谱性能研究

N-CDs的紫外-可见吸收光谱(图4A)有3个吸收峰，分别位于245、280和525 nm处。245 nm处的紫外吸收峰是由于N-CDs碳核内C=C键的π→π*跃迁引起的，N-CDs在280 nm附近的吸收峰主要是由于C=O键的n-π*跃迁引起的[21,22]。N-CDs在500～550 nm之间的较宽吸收峰可能是由于N-CDs表面的化学官能团产生的[23]。所制备N-CDs的最佳激发和发射峰分别位于483和587 nm处。N-CDs在365 nm紫外灯照射下呈现橙红色荧光(图4A插图)。当激发波长从483 nm增大到533 nm时，发射波长红移；而当激发波长从483 nm减小到433 nm时，发射波蓝移，结果如图4B所示。表明该N-CDs具有激发波长依赖性。

图4 (A) N-CDs的紫外可见吸收(a)，荧光激发(b)和发射(c)光谱。插图：N-CDs在自然光(左)和紫外线(右)下的拍摄图。(B) N-CDs在不同激发波长(433～533nm)下的发射光谱图。Fig.4 (A) UV-Vis absorption(a),fluorescence excitation(b) and emission(c) of the N-CDs.Inset:shooting figures of the N-CDs under natural light(lef) and ultraviolet light(right).(B) Emission spectra of the N-CDs at different excitation wavelengths(433 - 533 nm).

2.3 N-CDs对Cu2+的特异性检测及干扰性能

图5 N-CDs响应图谱：(A)金属离子响应；(B)阴离子响应；(C)氨基酸响应和(D)药物响应Fig.5 N-CDs response to different substances:(A) metal response;(B) anion response;(C) amino acid response and(D) drugs response

考察了N-CDs的抗干扰能力。在N-CDs溶液中加入10倍于Cu2+浓度(0.5 mmol/L)的其他离子时，N-CDs的荧光强度没有发现明显改变，表明N-CDs对其它离子没有荧光响应；再加入0.5 mmol/L Cu2+时仍然可以猝灭N-CDs约60%的荧光强度，表明N-CDs具有优异的抗干扰能力(图6)。

图6 N-CDs对(A)金属离子和(B)阴离子的抗干扰性能Fig.6 Anti-interference performance to (A) metal ions and(B) anions of N-CDs

2.4 方法的分析性能

配制系列含有不同浓度(0～544 μmol/L)的Cu2+和5 mg/mL的N-CDs的溶液，充分摇匀并记录荧光强度，确定分析方法的线性范围并绘制工作曲线，结果如图7所示。由图7A可知，当Cu2+浓度从0到544 μmol/L依次递加时，N-CDs荧光强度逐渐减小。由图7B可见，当Cu2+浓度从20 μmol/L到250 μmol/L依次递加时，N-CDs的F0/F值呈线性递增，以F0/F为纵坐标(Y),Cu2+浓度为横坐标(X)进行线性拟合，线性方程为Y= 0.0028X+0.9511(R2=0.998)(图7C)。Cu2+的检出限以3倍空白值的标准偏差除以斜率(3σ/k)计算，结果为68 nmol/L。

图7 (A)不同浓度(0～544 μmol/L)的Cu2+对N-CDs的荧光光谱的影响；(B)F0/F与Cu2+浓度的关系图；(C)N-CDs 与Cu2+之间的线性关系在20～250μmol/L范围内Fig.7 (A)The effect of different concentrations of Cu2+(0 - 544 μmol/L) on the fluorescence spectra of N-CDs.(B) The relation ship of F0/F and Cu2+.(C) The linear relation between F0/F and Cu2+ in the range of 20 - 250 μmol/L

2.5 Cu2+检测方法的性能比较

将所构建的Cu2+荧光探针N-CDs与其他CDs探针进行检测限及荧光性能等方面的比较，结果如表1所示。所制备具有橙红色荧光的N-CDs比文献报道的CDs发射波长更长，长波长发射可以有效减少很多短波长发射物质的干扰；具有较宽的线性范围(20～250 μmol/L)；且检出限(68 nmol/L)远低于GB/T14848-2017所规定的饮用水中Cu2+的安全限度0.01 mg/L(即156 nmol/L)。

表1 基于CDs荧光探针检测Cu2+的方法比较

2.6 检测机理的研究

为了进一步探究Cu2+对N-CDs的荧光猝灭机理，对N-CDs进行了紫外-可见吸收滴定试验(图8A)。在吸收光谱中，随着Cu2+的增加，220～280 nm之间紫外吸收峰显著升高，220～700 nm之间没有新的吸收峰出现，说明没有新的化合物生成。对比图8B与图4A可见，Cu2+的紫外-可见吸收光谱从500 nm开始吸收增强，与N-CDs在587 nm的发射峰有重合，所以Cu2+可以吸收N-CDs的发射，导致荧光降低，因此二者之间存在内滤效应。另由红外和XPS的表征可知，N-CDs表面具有丰富的N元素，N上含有孤对电子，Cu2+具有空的d轨道，可能是Cu2+与N-CDs表面氨基的孤对电子之间发生电子转移，d→d跃迁吸收了荧光激发和发射的能量，阻碍了N-CDs的荧光发射，导致N-CDs的荧光强度减弱[28 - 33]。且随着Cu2+浓度的升高，这种抑制作用越来越强，导致了N-CDs荧光猝灭。

图8 (A)在不同浓度Cu2+(0～244.8 μmol/L)存在下N-CDs的紫外吸收光谱。插图；加入244.8 μmol/L Cu2+的N-CDs溶液(左上)与N-CDs(左下)在日光和紫外灯下的拍摄图以及200～300 nm范围内放大的UV-Vis吸收图(右)。(B)Cu2+的紫外-可见吸收光谱Fig.8 (A) The UV-Vis absorption spectra of N-CDs in the presence of various concentrations Cu2+from bottom to top (0～224.8 μmol/L).Inset:the figures of the N-CDs solution with 244.8 μmol/L Cr6+(upper left) and the N-CDs(lower left) in natural light and ultraviolet light and the enlarged UV-Vis absorption spectra in the range of 200 nm and 300 nm(right).(B) UV-Vis Absorption Spectra of Cu2+

2.7 实际样品中Cu2+的检测

通过测定实验室自来水和令德湖水中的Cu2+验证方法检测实际水样的准确性。两种水样均未测出Cu2+，以加标回收率实验确定分析方法的可信度，测定结果见表2。由表2可知，实际水样中Cu2+的加标回收率为96.4%～104.6%，标准偏差RSD≤8.08%。所合成的新型荧光探针N-CDs可以实现环境水样中Cu2+的免标记检测。

表2 实际水样中的Cu2+测定RSD(n=5)

3 结论

以对苯二异氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺为原料，通过一步溶剂热法，在200 ℃的高温下碳化8 h，制备了一种对Cu2+有响应的橙红色荧光N-CDs。N-CDs的最佳激发和发射波长分别为483 nm和586 nm，N-CDs具有较好的水溶性和对Cu2+的荧光选择性，基于Cu2+与N-CDs之间的内滤效应建立了免标记测定Cu2+的荧光分析方法。该分析方法在药物、食品及环境分析领域具有潜在应用。