氮掺杂碳量子点试纸材料的制备及性能研究

刘延锋，邹英杰

(山东省潍坊生态环境监测中心，山东 潍坊 261041)

随着检测材料的发展，如何开发更具灵敏性和高精度的检测材料，成为当前工业化学领域研究的热点。其中，汞作为一种化学性质稳定的重金属元素，被排放到土壤中富积，并通过植物吸收等方式进入人体，进而对人们身体造成严重影响。传统的检测方法通常采用ICPMS、原子荧光法等，如：张飞利用微波消解-原子荧光法对土壤中的汞元素进行检测，试验结果表明，该方法检测土壤中重金属汞在0.066～3.0 ng/mL范围内线性关系良好，检出限为0.01mg/kg，R2为1.89%，表现出较好的检测准确性[1]；韩玉洁则以聚多巴胺包覆的钙钛矿为修饰电极制备了一种重金属检测的电化学传感平台，并研究了该平台的检测性能，试验结果表明，该平台检测检出限为8.68nmol/L，可同时用于多种金属的检测[2]。以上方法虽能有效检测汞含量，但操作复杂，只能用于实验室检测。基于此，本研究参考部分研究者的思路[3-4]，制备一种新型的N-CQDs试纸，并将制备的试纸材料用于土壤中汞的检测。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：汞标液（AR，博易汇科生物）；柠檬酸（AR，优诺康化工）；尼龙滤膜（标准品，莱浦生物科技）；高锰酸钾（AR， 宸鸿生物技术）；尿素（AR，金奥化工）；盐酸羟胺（AR ，金永硕化工）。

主要设备： DHG-9053A型烘箱（习仁科学）；Nolay20型红外光谱仪 （诺雷信达科技）；UV6C18型紫外暗箱（默威生物）；CX23型电子显微镜（欧莱博电子）。

1.2 试验方法

1.2.1 氮掺杂碳量子点制备

（1）在20mL超纯水中依次加入2.1g柠檬酸和1.8g尿素，充分搅拌使其溶解。

（2）在聚四氟乙烯水热反应釜中加入上述混合溶液，然后在DHG-9053A型电热鼓风干燥箱中进行加热，4h后，自然冷却至室温。

（3）用规格为0.22μm的滤膜对步骤（2）的产物过滤，然后用透析袋透析2d，得到N-CQDs溶液。

1.2.2 N-CQDs试纸制备

将试纸基质裁剪成适当大小，然后完全浸入N-CQDs溶液中浸泡7min，取出后自然晾干，得到N-CQDs纸片。

1.2.3 样品前处理

（1）在锥形瓶中加入2g待测土壤样品，用少量去离子水将土壤浸润后，加入10mL硫酸-硝酸混合液，静置使其充分反应。

（2）待反应结束后，依次加入10mL的去离子水和高锰酸钾溶液，然后利用低温电热板进行加热，使其保持在微微沸腾的状态下消解1h，在消解过程中，高锰酸钾用量始终保持为过量状态。

（3）自然冷却后在摇晃的情况下滴加盐酸羟胺溶液，直到消解液完全退色，得到待测液。

1.2.4 汞元素的检测

溶液中检测：用醋酸缓冲液将不同体积N-CQDs原液定容至10mL。将一定体积的N-CQDs溶液与100μL汞标液混合并用氯化钠溶液定容至2mL进行反应，反应一段时间后，在激发、发射波长分别为340nm和440nm的条件下，对溶液的荧光强度进行测试，并计算效率F/F0比值，F0和F分别表示金属离子加入前、后溶液的荧光强度。

试纸检测：在N-CQDs试纸中央部位滴加10μL土壤消解液，在室温条件下静置3min后置于UV6C18型紫外暗箱中进行紫外光照射，观察紫外光照射后纸片荧光颜色变化。

1.3 材料性能测试方法

1.3.1 基团组成测试

通过Nolay20型红外光谱仪对N-CQDs材料的化学基团进行测试。

1.3.2 猝灭效率测试

对汞离子的溶液进行荧光强度测试，以荧光强度比值表征猝灭效率。

1.3.3 选择性与干扰性试验

（1）配制 4.0×10-3mol·L-1的重金属标准溶液，取50μL重金属溶液，用去离子水定容至10mL，得到浓度为2.0×10-4mol·L-1的重金属溶液。

（2）将100μL步骤（1）制作的重金属溶液和超纯水依次放入体积为2mL的离心管中，并对离心管进行标记，其中超纯水为空白管。

（3）将一定体积的NCD探针溶液依次加入装有10μmol·L-1的重金属溶液离心管中，，测定N-CQDs的荧光强度，完成选择性试验。

（4）在装有重金属溶液的离心管内加入一定体积的汞溶液，使溶液中汞离子浓度为2μmol·L-1，测定在此条件下探针溶液的荧光强度。

1.3.4 检测加标回收试验

分别选择自来水和湖水为研究对象进行加标回收试验。

2 结果与讨论

2.1 组成分析

为了对N-CQDs的组成进行分析，通过傅里叶红外光谱对N-CQDs进行表征，结果如图1所示。由图1可知，N-CQDs材料表面存在多种亲水基团，如羧基、氨基和羟基等。这些亲水基团的存在使得N-CQDs材料具备较好的亲水性，为制备氮掺杂碳量子点试纸奠定了基础，同时，这些亲水基团能有效提升N-CQDs的荧光强度[5-6]。

图1 组成表征结果Fig.1 Composition characterization results

2.2 检测条件优化

2.2.1 N-CQDs浓度优化

图2为N-CQDs浓度对猝灭效果的影响。由图2知，当原液体积为5μL时，金属对N-CQDs的猝灭效果最好。即在此浓度条件下，N-CQDs对汞离子的检测灵敏度最高，因此在后续试验中，选择适合的N-CQDs体积为5μL，在该条件下，N-CQDs的浓度为101.67 μg·mL-1。

图2 N-CQDs添加量的影响Fig. 2 Impact of N-CQDs addition

2.2.2 pH值优化

在试验过程中，缓冲液的用量会对测试结果产生影响。对不用pH值条件下材料的荧光强度进行测试，结果如图3所示。由图3知，随反应体系pH值的增加，N-CQDs荧光强度表现出先增加后降低的变化趋势。这个现象说明了在检测过程中，溶液过酸或过碱均会对N-CQDs的荧光效果产生影响[7-8]。这是因为在过酸或过碱的条件下，N-CQDs表面结构会发生一些变化，这对电子转移或跃迁产生一些影响，进而对荧光的猝灭产生影响[9]。当体系pH值为7时，N-CQDs的荧光强度最高，因此选择 pH=7 的 HAc-NaAc 溶液为缓冲液。

图3 pH值优化结果Fig. 3 Optimization results of pH value

2.2.3 反应时间优化

反应时间也是影响N-CQDs猝灭强度的主要因素，对不同反应时间下N-CQDs材料对目标物质的检测效果进行测试，结果如图4所示。由图4可知，在1～15 min范围内，随反应时间的增加，荧光强度表现出先降低后趋于平衡的变化趋势。当反应时间为5min时，N-CQDs的荧光强度达到了最低点，此时N-CQDs基本反应完全，为了避免不必要的浪费，在后续试验中选择反应时间为5min。

图4 反应时间的优化Fig. 4 Optimization of reaction time

2.3 选择性与抗干扰性

在进行土壤中重金属元素测定时，往往受到其他重金属离子的干扰，因此需要进行选择与干扰性试验。图5为选择与抗干扰性试验结果。

图5 选择性和干扰性试验结果Fig. 5 Selective and Interference Test Results

由图5（a）可知，N-CQDs几乎不对其他重金属元素产生响应，只对汞元素产生强烈的猝灭反应，表现出良好的选择性。由图5（b）可知， 加入十倍金属干扰离子后，N-CQDs的荧光强度比值几乎不产生变化，加入汞标液，反应溶液内汞浓度达到2μmol·L-1时，N-CQDs的荧光强度比值开始明显下降，且下降幅度与单独测试汞溶液的下降幅度相同，此时F/F0约为 0.56。这说明N-CQDs测试汞离子不受其他重金属离子的干扰，表现出良好的特异性。

2.4 线性关系与检出限

为探究待测溶液中重金属汞含量与荧光强度比值的关系，将荧光强度比值F/F0作为纵坐标，汞浓度作为横坐标绘图，结果如图6所示。由图6可知，在本试验研究的两个浓度范围内，F/F0与汞离子浓度表现出良好的线性关系，相关系数R2＞0.99，检出限为0.076 μmol·L-1。

图6 荧光强度比值与汞浓度的线性关系Fig. 6 Linear relationship between fluorescence intensity ratio and mercury concentration

2.5 加标回收率

以本底浓度为10μmol·L-1土壤消解液为试验对象，进行加标回收试验，结果见表1。通过表1可知，在0.1、0.5、1 μmol·L-13 个加标浓度条件下，对土壤消解液的加标回收率为84.8%～101.9%，这说明了N-CQDs加标回收率较好，可以用于土壤中汞离子的检测。

表1 加标回收测试Table 1 Labeling recovery test

2.6 N-CQDs试纸测试结果

2.6.1 纸片基质的选择

在制作N-CQDs试纸前，需要提前对纸片基质进行选择。根据检测试纸的要求，检测纸片基底不能在紫外光的照射下存在内源性荧光[10-11]。同时，纸片基质需要能固定住发光材料，避免存在检测空白的现象。最后，纸片基质要有较好吸水性和吸水稳定性，在吸水后保持固定的形状，便于后续的观察[12-13]。普通A4纸在受到紫外光照射时，会出现较强的蓝色背景荧光，这就影响了荧光检测，因此普通A4纸无法作为纸片基质使用[14]。而普通滤纸对材料的固定性不佳和吸水性不佳，在吸水后，纸质材料易变形，也不适合作为纸片基质使用[15]。综合考虑多种纸质材料，尼龙滤膜具有很好固料性，尼龙材料本身在紫外线的作用下不产生荧光效应，在水中浸泡时，具备良好的吸水性，受水浸泡也不会出现变形，是合适的纸片基质。因此在制作N-CQDs试纸时，选择尼龙滤膜作为纸片基质。

2.6.2 N-CQDs试纸检测性能

在上述试验中，已经对N-CQDs溶液检测土壤中汞离子的条件进行了优化，然后确定了最佳条件下材料对汞离子的检测性能。将尼龙滤纸在最佳条件下 N-CQDs溶液中浸泡得到N-CQDs试纸，利用N-CQDs试纸检测不同浓度的汞离子，结果如图7所示。由图7可知，随待测溶液内汞离子浓度的增加，试纸的荧光强度逐渐降低。以上变化就说明了本试验制作的N-CQDs试纸可对土壤中汞离子进行有效检测。

图7 N-CQDs对汞离子的检测效果Fig. 7 Detection effect of N-CQDs on mercury ion

3 结论

（1）N-CQDs为由粒径为2.2nm的球状物质组成，分布均匀，分散性良好。在N-CQDs材料表面存在大量亲水基团，使得材料具备较好的亲水性。

（2）N-CQDs检测条件优化结果为：适合的N-CQDs体积与浓度分别为5μL和101.67μg·mL-1； pH=7 的 HAc-NaAc 溶液为缓冲液；适合的反应时间为5min。

（3）N-CQDs几乎不对其他重金属元素产生响应，且不受其他重金属元素的干扰，只对汞元素产生强烈的猝灭反应。

（4）溶液中重金属汞浓度与荧光强度比值表现出线性关系，其相关系数R2超过0.99，检出限为0.076 μmol·L-1。

（5）在0.1、0.5、1 μmol·L-13 个加标浓度条件下，对土壤消解液的加标回收率为84.8%～101.9%。

（6）选择尼龙滤膜作为纸片基质制作N-CQDs试纸，该N-CQDs试纸随汞离子浓度的增加颜色逐渐变暗，表明N-CQDs试纸对土壤中重金属汞含量有较好的检测性能。