基于核桃壳碳量子点的制备及在痕量Hg2+检测中的应用

张嘉沂，徐守芳，公维贵

(1.山东省临沂第一中学,山东 临沂 276000; 2.临沂大学 化学化工学院,山东 临沂 276000)

碳量子点(Carbon quantum dots,CDs)被认为是有潜力的代替金属量子点的材料之一。CDs是以粒径小于10 nm的碳质骨架和表面基团构成的荧光纳米材料[1]。作为新型的“零维”碳纳米材料，CDs不仅具有类似于传统量子点的发光性能与小尺寸特性，而且还具有水溶性好、生物毒性低和导电性好的优势，使其在生物成像、生物标记、传感器、光催化、发光二极管等领域受到极大关注[2-3]。关于CDs制备方法及性能的研究还处于初步阶段，常用的合成方法主要分为自上而下和自下而上两大类。自上而下的方法是指通过物理或化学的方法将大尺寸的石墨烯、碳纳米管等材料切割成小尺寸的量子点，如激光剥离、电化学氧化、弧光放电法等[4]；自下而上的方法则是指通过小分子作为前驱体，经过一系列的化学反应制备CDs，如微波辅助法[5]、溶剂热法、水热反应法[6]等。其中，水热反应法无强氧化及腐蚀性反应物参与、低消耗、无毒，同时可以实现一步制备，实验简单。通过选择不同的有机碳源，如柠檬酸[7]、甘油[8]、牛血清白蛋白[9]、果汁[10]、抗坏血酸[11]等，可以合成具有不同性质与组成的CDs，因此目前在CDs 合成领域该法应用最为广泛。

汞离子(Hg2+) 是毒性较高的重金属离子之一。它能够通过食物链产生富集效果，最终在人体内积累，对人类的健康和生命造成严重威胁，如大脑及中枢神经的损伤、肾脏衰竭、DNA 破坏等。因此，对汞污染的研究和测定逐渐成为各国环境工作者研究的热点。目前，Hg2+的检测方法有比色法[12]、电化学法[13]、荧光光谱法[14]及等离子体质谱法[15]等。相比于其它几种方法，荧光光谱法具有灵敏度高、选择性好、用样量少、方法简便、工作曲线线性范围宽等优点。

目前我国核桃种植面积和产量仅次于美国，居世界第二位，每年有大量的核桃壳被丢弃，不仅浪费资源，而且污染环境。"节能环保、变废为宝"的理念加快了人们对核桃壳的认知及利用。研究表明，干核桃壳的组成成分为：灰分0.66%，苯醇抽出物3.71%，木质素38.05%，纤维素30.88%，半纤维素27.26%，所以含碳丰富。

本文以核桃壳为碳源，通过水热法合成氮掺杂碳量子点，采用紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、扫描电镜对量子点进行表征，利用汞对碳量子点荧光的猝灭效应建立了测定汞的方法，用于实际水样中汞的测定。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

RF-5301PC荧光分光光度计(日本岛津公司)；JEM-2100透射电子显微镜(日本电子株式会社)；ZF-6051真空干燥箱(上海一恒科技有限公司)；聚四氟乙烯衬里不锈钢高压反应釜(50 mL)；ZF-1B三用紫外分析仪(上海和勤分析仪器有限公司)。

尿素(CH4N2O)、Hg(NO3)2·0.5H2O、Al(NO3)3·9H2O、CaCl2、BaCl2、CuSO4·5H2O、CoCl2·6H2O、FeSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Mg(NO3)2·6H2O、Pb(NO3)2、MnSO4·H2O、NiSO4·6H2O、SrCl2·6H2O、Cd(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·6H2O、AgNO3、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O、NaOH、盐酸、硝酸均为分析纯；实验用水均为二次蒸馏水。

核桃壳(云南产薄皮核桃)：洗净烘干，粉碎过筛，待用。

1.2 实验方法

1.2.1 氮掺杂碳量子点的制备

称取0.5 g核桃壳粉加入聚四氟乙烯反应釜中，加25 mL二次蒸馏水，加入0.3 g尿素，搅拌1 h。将反应釜放入烘箱中在220 ℃下加热14 h。反应结束后，自然冷却至室温。用孔径为0.22 μm 微孔滤膜将反应液过滤后，将滤液在15000 r/min 转速下离心30 min，除去大颗粒杂质。将纯化后的溶液蒸发近干，放在真空干燥箱中干燥72 h 后，得到氮掺杂碳量子点，配制成浓度为1 g /L 的溶液，在4℃下保存。

为了对照，还制备了碳量子点，除了不加尿素，其他步骤同上。

1.2.2 产品性能测试

因为要根据荧光的变化测定汞离子，所以要对量子点的荧光性质进行测试。为了弄清量子点长什么样，需要借助显微镜来观察，但是量子点太小，通过查阅文献，确定用高分辨透射电子显微镜观察。

1.2.2.1 荧光光谱测试

将制备的碳量子点和氮掺杂碳量子点分散在磷酸盐缓冲溶液(pH值=7.0)中，在波长331 nm的紫外光下，记录量子点的荧光光谱。

1.2.2.2 透射电镜观测

氮掺杂碳量子点的形态由JEM-2100高分辨透射电子显微镜观察。将一定浓度纯化好的氮掺杂碳量子点分散液滴在超薄碳膜支撑铜网上，自然干燥后，在200 kV加速电压下测定。

1.2.3 Hg2+的测定

在2个容量瓶中分别加入50 μL 氮掺杂碳量子点溶液(1 g/L)，其中1个加入一定量的Hg2+溶液，另外1个不加Hg2+溶液，分别用磷酸盐缓冲溶液(pH值=7.0)稀释至5 mL，混合均匀，室温下反应20 min，测定荧光强度，分别记为F和F0。计算氮掺杂碳量子点的荧光猝灭程度，用F/F0来表示。

1.2.4 样品分析

沂河、祊河、涑河、柳青河是流经临沂市的主要河流，采集4条河流的水样，立即通过0.22 μm滤膜过滤得到滤液。取2 mL滤液，按照1.2.3的实验方法测定Hg2+。

2 结果与讨论

2.1 氮掺杂碳量子点的制备

制备量子点的关键是提高量子点的荧光强度，影响量子点荧光强度的因素很多，本实验中有核桃壳粉的粉碎程度(粒度)和用量，尿素用量、反应温度和反应时间。实验对这些因素逐一进行了考察。最佳制备条件为：核桃壳粉粒度为180目，核桃壳粉用量为 0.5 g，尿素的用量为0.30 g，制备温度为220 ℃，反应时间为14 h。

2.2 量子点的性能测试

2.2.1 荧光光谱

图1 碳量子点的荧光光谱(A)和氮掺杂碳量子点的荧光光谱(B)

图1A为碳量子点的荧光光谱，图1B为氮掺杂碳量子点的荧光光谱。插图中a和b分别为碳量子点和氮掺杂碳量子点在紫外灯下的照片。由图可知，在434 nm处量子点荧光最强，掺杂尿素可以显著提高量子点的荧光强度。因此后续实验中使用的都是氮掺杂碳量子点，测定的都是434 nm处的荧光强度。

2.2.2 透射电镜照片

图2 氮掺杂量子点的透射电镜图

氮掺杂碳量子点的透射电镜照片如图2所示，图中黑点为量子点。所制备的氮掺杂碳量子点分散性好，大小比较均匀，它的粒径约为4 nm。

2.3 Hg2+测定方法的确立

实验发现，Hg2+能够减弱氮掺杂碳量子的荧光，减弱程度与Hg2+的含量有定量关系，根据这一点要建立一种测定Hg2+的方法。

一种分析方法的建立需要考察影响灵敏度的因素，确定最佳测定条件，绘制工作曲线，给出线性方程、线性范围和检出限，还要研究共存物质对待测物质的影响。

2.3.1 Hg2+测定条件的考察

本实验中影响分析方法灵敏度的因素有氮掺杂碳量子点的浓度、溶液的pH值以及Hg2+与量子点反应的时间。分析方法的灵敏度可以用F/F0来表示，F/F0越小方法越灵敏。

2.3.1.1 氮掺杂碳量子点浓度的影响

改变氮掺杂碳量子点浓度8，10，12，14，16mg/L。随着量子点浓度的增加，F/F0呈现先减小后增大的趋势；当量子点浓度为10 mg/L时，F/F0最小且稳定。因此选择10 mg/L 氮掺杂碳量子点进行实验。

2.3.1.2 pH值的影响

荧光减弱程度与pH值密切相关，改变溶液的pH值5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5。pH值为7.0时，F/F0最小，减弱程度最大。因此，实验选择在pH值为7.0的磷酸盐缓冲液中测定Hg2+。

2.3.1.3 反应时间的影响

实验考察了反应时间对荧光减弱的影响，改变反应时间5，10，15，20 ，25 ，30 min。随着反应时间的延长，F/F0迅速降低，当超过20 min后，F/F0趋于稳定，故后续测定Hg2+选择20 min。

2.3.2 工作曲线和检出限

固定上述测定条件：氮掺杂碳量子点浓度10 mg/L，溶液pH值为7，反应时间20 min，改变加入Hg2+标准溶液的量，使反应体系中Hg2+的浓度分别为0.0001，0.001，0.002，0.004，0.006，0.008，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，1，2，4，6，8，10，20，40，60，80、100 μmol/L。测定反应后体系的荧光强度，计算荧光减弱程度F/F0。

图3 Hg2+对荧光强度(A)和荧光减弱(B)的影响

图3A表明，随着Hg2+浓度的增加，反应体系的荧光强度迅速下降。图3B表明，F/F0与Hg2+在2个浓度范围内呈良好的线性关系，分别为4～100 nmol/L和1～60 μmol/L，对应的线性方程分别为F/F0=0.99008～0.6611c(μmol/L)和F/F0=0.8993～0.0077c(μmol/L)，相关系数分别为0.994 4和0.986 3。对空白溶液的荧光变化测定11次，计算标准偏差，用3倍的标准偏差除以标准曲线的斜率求得该方法在2个浓度范围内的检出限分别为3.0 nmol/L和0.25 μmol/L，可以看出，方法的灵敏度较高。

2.3.3 共存离子的影响

图4 不同金属离子对荧光减弱的影响

考察了17 种常见金属离子与氮掺杂碳量子点的相互作用，图4表明，Hg2+对氮掺杂碳量子点的荧光具有较强的减弱作用，而其它金属离子如Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Pb2+、Mg2+、Ag+、Al3+等对氮掺杂碳量子点的荧光强度影响很小。Fe3+、Cr3+，Ca2+有微弱的干扰。

2.4 样品分析

沂河、祊河、涑河、柳青河的水样处理后按照1.2.3的实验方法测定，将F/F0代入工作曲线，计算水样中Hg2+的含量。4个水样均未检出Hg2+，然后做加标回收实验，结果见表1。

表1 环境水样中Hg2+的测定结果(n=6)

每个样品平行测定6次，相对标准偏差为1.9%～2.4%，加标回收率为94%～105%。为了考察所建立的分析方法的准确性，采用氢化物发生-原子荧光法进行方法对照实验，2种方法所得结果相近。

3 结论

采用核桃壳为碳源，尿素为氮源，通过一步水热法可以制备出水溶性好、荧光强度大的氮掺杂碳量子点。得到的氮掺杂碳量子点粒度均一，粒径约为4 nm，量子点表面有丰富的羟基、氨基，因此在水中的分散性较好。将制得的氮掺杂碳量子点用于汞离子的测定，建立了测定汞离子的方法，方法的线性范围较宽，灵敏度较高，抗干扰能力强。建立的分析方法用于河水水样中Hg(Ⅱ)的测定，结果准确、稳定。