基于高荧光碳量子点的汞离子荧光探针构建

贺建同，傅政

(1、新乡市妇幼保健院检验科，河南 新乡 453000；2、河南工学院应用化工，河南 新乡 453007)

随着现代工业发展，环境中重金属离子对人体健康的影响引起了关注，如：研究发现，钴、铬离子对人体的成骨细胞均有细胞毒性，可以导致细胞活性下降[1]，而汞作为毒性较强的重金属，每年全球人为释放到大气中的总量高达3000吨[2]，且汞离子不能生物降解和破坏，当它富积于食物、水和环境中，就会被人体吸收，对人体造成危害[3]。因此开发简单、准确检测汞离子的方法意义重大。碳量子点作为一种新型的荧光碳纳米材料，具有极好的光学特性、低细胞毒性和良好的生物相容性[4]，从而被成功用于生物成像与生物传感、疾病诊断、靶向示踪和药物释放/运输、离子检测等领域[5－10]。目前，碳量子点的合成主要有物理方法和化学方法。然而，通过这些方法合成的碳量子点，荧光量子产率较低，而在碳量子点里掺杂杂原子可以有效提高其荧光量子产率[11]。因此，本文使用EDTA作前躯体，用硫脲作掺杂剂，采用水热法一步合成了氮、硫共掺杂的碳量子点。该碳量子点荧光强度强（荧光量子产率：35.2%），且无需化学修饰，其荧光可以有效被汞离子猝灭。实验表明，即使在汞离子浓度很低时，也可将其荧光显著淬灭，这表明一个高选择性和灵敏性的汞离子荧光探针已构建。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂 傅里叶中远红外光谱仪（FT－IR，PerkinElmer， 美国)；X－射线光电子能谱仪（XPS，PHI Quantera，日本）；紫外－可见光谱仪（TU－1810，北京普析仪器有限公司）；荧光光谱仪（VARIAN，美国）。

EDTA、 硫脲 、Mg(NO3)2、Hg(NO3)2、AgNO3、Co(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2、Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、Pb(NO3)2、NaCl、KCl、ZnCl2、AlCl3、BaCl2、MnCl2、FeSO4·7H2O均购自于国药化学试剂有限公司 （上海），硫酸奎宁（98%）购自于阿拉丁试剂公司。实验用水为超纯水。

1.2 高荧光碳量子点的合成 将 3.0g EDTA和1.53g硫脲溶于30ml超纯水里，溶解后倒入聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃反应10h，得到棕黄色产物。离心，上清液过滤，滤液干燥，干燥后的碳量子点溶于超纯水中制得0.01g/L工作液。

1.3 荧光量子产率 将硫酸奎宁溶于0.1M H2SO4中，制得硫酸奎宁溶液（QY=54.0%，360nm），以其作标准物，分别检测碳量子点和硫酸奎宁在相应激发波长下的吸光度（为了使再吸收效应最小化，所测溶液的吸光度值均应小于0.01）；再分别扫描碳量子点和硫酸奎宁的荧光发射峰，根据公式（1）计算荧光量子产率：

Q：荧光量子产率；I：荧光发射峰积分面积；A：激发波长处溶液的吸光度；η：溶剂的折射率；s：标准物；x：待测物。

1.4 样品处理 将采集三个不同部位的人发样分别进行处理。方法：先将发样剪成碎段、混匀，用水漂洗，然后加入中性洗涤剂溶液浸泡1h，弃去洗液，用自来水洗净泡沫，再用蒸馏水、超纯水洗至无泡沫，烘箱中烘干。准确称取0.25g于带盖消化瓶中，加混酸（高氯酸：浓硝酸＝2：5）10ml，加热消化至白色粉末，用去离子水溶解，定容于25ml容量瓶中。

1.5 实验方法 在一系列1.5ml离心管中加入100 μl碳量子点和不同含量的Hg2+，用超纯水定容至1.0ml，混匀，反应10min后于390nm激发波长下扫描溶液的发射光谱 （激发和发射光谱的狭缝宽度均设置为5nm），所有实验均在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 碳量子点的表征 为了了解合成的碳量子点组成及表面基团，对其进行了红外光谱学和X－射线光电子能谱表征。

其红外结果（图 1）显示，3413cm－1和 3177cm－1处分别出现了O－H和N－H的伸缩振动峰。而1631cm－1处为C=O的弯曲振动峰，表明在碳量子点表面含有氨基、羟基和羧基，因此材料具有很好的水溶性。1493cm－1和1398cm－1处则分别为C=C和 C－H、N－H、C－S、C－N 的弯曲振动峰。 C－O 的弯曲振动峰出现在1195cm－1处，C=S的弯曲振动峰和 C－S的伸缩振动峰则出现在 1051cm－1和862cm－1处。红外结果证实，N、S原子成功掺杂到了碳量子点的结构里。

图1 碳量子点的FT-IR光谱

在氮、硫共掺杂碳量子点的XPS全谱图里（图2a），532.0 eV、400.5 eV 和 284.4 eV 处出现的三个峰， 分别对应于 O1s、N1s和C1s。 而 162.8 eV和226.6 eV处的两个峰，则分别对应于S2p和S2s，这也说明成功合成了氮、硫共掺杂碳量子点，且碳量子点中 C，N，O，S四种元素的含量分别为52.9%，19.5%，24.9%和 2.7%。 对 N1s 进行高分辨处理，发现在400.4 eV和399.7 eV处出现二个峰（图 2b），分别对应于 C－N 和 N－H。 S2p分峰（图2c）， 在 168.5 eV，163.2 eV 和 162.0 eV 处出现三个峰，分别对应于－C=S和－C－S的2p1/2和2p3/2[12]。这一结果与红外结果相一致。

图2 （a）碳量子点的XPS全谱图及（b）N1s和（c）S2p高分辨谱图

2.2 碳量子点发光性能研究 像碳基于的其他量子点一样，该碳量子点在激发波长为340nm～500nm范围内也表现出波长依赖性（图3）。即当激发波长超过340nm时，随着激发波长增加，荧光发射峰位置红移，从438nm移到535nm，且峰的强度减小。这可能是由于材料表面具有不同的形态及能量陷阱，产生了不同的发射位点，导致了碳量子点的波长依赖性[13]。正像红外表征结果，碳量子点表面含有C、N、O、S的官能团，而这些基团的存在可以使其表面具有不同的能级和发射陷阱。在最佳激发波长390nm处，得到了它的最佳发射光谱，发射峰位于450nm。以硫酸奎宁作标准物，测得其荧光量子产率可达35.2%。

图3 碳量子点的波长依赖性

2.3 反应条件优化 为了得到测定Hg2+的最佳实验条件，对碳量子点的浓度、反应时间及pH值进行研究。由于本文测定Hg2+是基于碳量子点的荧光猝灭效应，而碳量子点的荧光强度依赖于它的浓度，提高浓度有利于增加测定的灵敏度。然而，碳量子点浓度过高易凝聚，发生自猝灭；浓度低，探针的荧光强度减弱。考虑到方法的灵敏性，实验选碳量子点的浓度为 0.01g/L。pH 值对 CDs－Hg2+体系荧光响应的影响结果如图4a，相对于其他pH值，当pH处于5～7范围内时，体系的荧光强度减弱较为明显；pH过高，汞离子易水解。因此，实验选择自然条件下反应（自然条件下pH值约为6）。室温下反应时间对荧光检测的影响如图4b，Hg2+对碳量子点的荧光猝灭非常迅速，5min内反应完全，以后变化很小，实验选反应时间为10min。

图4 （a）pH值及（b）反应时间对荧光响应的影响

2.4 方法的选择性和灵敏性 在最佳反应条件下探讨探针的灵敏度。将不同浓度汞离子0～80.0μΜ加入到碳量子点溶液里，检测体系在450nm处的荧光强度，结果（图5a）发现，随着汞离子浓度增加，碳量子点的荧光强度逐渐减低，这意味着汞离子可以有效猝灭碳量子点的荧光。而且，汞离子浓度在0～0.30μΜ范围内时，其浓度与碳量子点的荧光强度有着很好的线性关系 （图5b），用Stern－Volmer方程（公式2）来分析二者的关系。

F0和F分别为未加入和加入汞离子时碳量子点的荧光强度；Ksv为Stern－Volmer常数；[Q]为汞离子浓度。通过分析，得到Stern－Volmer常数为9.25×105L·mol－1， 相关系数为 0.9997。 根据方程（3），还得到了汞离子的检出限为 1.37nM，明显低于美国规定的饮用水中汞离子的最大允许浓度（10nM）。该探针对汞离子更敏感。

σ为390nm激发波长下检测20次碳量子点溶液荧光强度的标准偏差；s为标准曲线的斜率。

图5 （a）不同汞离子浓度下的荧光光谱图；（b）Hg2+对共掺杂碳量子点荧光强度的影响，插图为F/F0和Hg2+浓度之间的线性关系

将相同浓度的不同金属离子，分别加入探针溶液里来考察方法的选择性。结果（图6a）显示，加入Hg2+后，体系的荧光强度显著降低，减低约70%。而在相同实验条件下，加入其他金属离子，探针的荧光强度变化不大，荧光强度改变均小于13%。但在上述溶液里再加入相同浓度Hg2+时，体系的荧光强度急剧减小（图6b），表明相对于其他金属离子，该探针对Hg2+具有高度选择性。导致碳量子点荧光猝灭的原因，可能是由于Hg2+与共掺杂碳量子点表面的羧基和硫发生了络合反应[14，15]。然而，Hg2+与硫原子之间的亲和力较强，这个作用可能会更大些。

2.5 实际样品测定 为了评估方法的可行性，实验选用人发作为研究对象，分别采用本方法和原子吸收分光光度法测定样品中的汞离子。结果（表1）显示，用本方法测定样品中汞离子的结果和原子吸收分光光度法测得的结果相一致，发样中不含有汞离子。然后，再在三种样品中分别加入不同浓度的汞离子进行加标回收实验，汞离子的回收率分 别 为 96.8% ～98.1% ，98.6% ～104.5% ，97.7% ～105.3%（RSD＜3.4%)，方法具有一定的准确性和可行性。

图6 （a）加入相同浓度（30μM）的金属离子后碳量子点的荧光响应；（b）加入汞离子前（红色）及加入汞离子后（绿色）碳量子点的荧光响

表1 发样中汞离子测定结果（n=5）

3 结论

掺杂是改善碳量子点光致发光特性的一个重要策略。本文，首次使用EDTA与硫脲作前躯体，通过简单、绿色、一步水热法合成了荧光量子产率高达35.2%的N，S共掺杂碳量子点。该碳量子点在激发波长为340nm～500nm时，具有明显的波长依赖性。且无需进一步化学修饰，该碳量子点即对Hg2+具有高度选择性和灵敏性，检出限为1.37nM。研究本方法测定Hg2+的机理，可能是由于碳量子点表面的S和COO－和Hg2+发生络合反应导致了碳量子点的荧光猝灭。本方法的研究将会为生物样品中Hg2+的测定提供一个新的有效方法。

[1]袁晓军，舒敏锐，李刚，等.金属钴、铬离子对成骨细胞增殖及I型胶原蛋白表达功能的影响 [J].实验与检验医学，2016，34(2)：158－160.

[2]Tan H，Zhang Y，Chen Y.Detection of mercury ions(Hg2+)in urine using a terbium chelate fluorescent probe[J].Sensor Actuat BChem，2011，156：120－125.

[3]胥月，汤纯静，黄宏，等.荧光碳量子点的绿色合成及高灵敏高选择性检测汞离子[J].分析化学，2014，42：1252－1258.

[4]Li H，Kang Z，Liu Y，et al.Carbon nanodots：synthesis，properties and applications[J].J Mater Chem，2012，22：24230－24253.

[5]Wang F，Xie Z，Zhang H，et al.Highly luminescent organosilanefunctionalized carbon dots[J].Adv Funct Mater，2011，21：1027－1031.

[6]Yu C，Li X，Zeng F，et al.Carbon－dot－based ratiometric fluorescent sensor for detecting hydrogen sulfide in aqueous media and inside live cells[J].Chem Commun，2013，49：403－405.

[7]Gao Q，Han J，Ma Z.Polyamidoamine dendrimers－capped carbon dots/Au nanocrystal nanocomposites and its application for electrochemical immunosensor[J].Biosens Bioelectron，2013，49：323 －328.

[8]Goh EJ，Kim KS，Kim YR，et al.Bioimaging of hyaluronic acid derivatives using nanosized carbon dots[J].Biomacromolecules，2012，13：2554－2561.

[9]Zhou L，Li Z，Liu Z，et al.Luminescent carbon dot－gated nanovehicles for pH－triggered intracellular controlled release and imaging[J].Langmuir，2013，29：6396－6403.

[10]Matai I，Sachdev A，Gopinath P.Self－assembled hybrids of fluorescent carbon dots and PAMAM dendrimers for epirubicin delivery and intracellular imaging[J].ACS Appl Mater Inter，2015，7：11423－11435.

[11]Li H，He X，Kang Z，et al.Water－Soluble Fluorescent Carbon Quantum Dots and Photocatalyst Design[J].Angew Chem Int Edit，2010，49：4430－4434.

[12]Mohapatra S，Sahu S，Sinha N，et al.Synthesis of a carbon－dotbased photoluminescent probe for selective and ultrasensitive detection of Hg2+in water and living cells[J].Analyst，2015，140：1221－1228.

[13]Li L，Wu G，Yang G，et al.Focusing on luminescent graphene quantum dots：current status and future perspectives[J].Nanoscale，2013，5：4015－4039.

[14]Bhunia SK，Pradhan N，Jana NR.Vitamin B1 derived blue and green fluorescent carbon nanoparticles for cell－imaging application[J].ACS Appl Mater Inter，2014，6(10)：7672－7679.

[15]Neupane LN，Park JY，Park JH，et al.Turn －on Fluorescent Chemosensor Based on an Amino Acid for Pb(Ⅱ)and Hg(Ⅱ)Ions in Aqueous Solutions and Role of Tryptophan for Sensing[J].Org Lett，2013，15：254－257.