橘色荧光碳点用于检测亚硝酸盐

贾晶路 雯婧李 林焦媛 高艺芳 双少敏

摘 要 以对苯二胺和柠檬酸为原料，采用一步水热法合成了氮掺杂的橘色荧光碳点（N-CDs）。通过透射电子显微镜、红外光谱、紫外-可见吸收光谱及荧光光谱对其形貌、结构和光学性质进行表征。结果表明，合成的N-CDs具有极小的尺寸（（1.62 ± 0.35） nm），以及良好的水溶性和优异的光稳定性。亚硝酸盐（NO2）可使N-CDs的荧光增强。基于此，建立了一种检测NO2的荧光分析新方法。本方法对NO2具有良好的选择性和较高的灵敏度，测定NO2的线性范围为8～100 μmol/L，检出限为0.65 μmol/L（S/N=3）。对可能的荧光增强的机理进行了推测， 并进一步将构建的荧光传感系统应用于火腿肠、袋装咸菜和自来水样品中NO2的检测，结果令人满意。

关键词 碳点; 橘色荧光; 增强型荧光探针; 亚硝酸盐

1 引 言

亚硝酸盐常用作肉类加工的添加剂，具有抑制肉毒梭状牙孢杆菌、使肉品发色以及增强风味的作用[1]。然而，过量的亚硝酸盐可与胺类食物反应并转化为有毒的N-亚硝胺，这可能导致畸形和癌症[2]。此外，亚硝酸盐可与人血液中的血红蛋白结合形成高铁血红蛋白，这种化合物会降低血液的氧运输能力，从而引起组织缺氧[3]。目前，用于检测亚硝酸盐的方法包括分光光度法[4]、电化学法[5]、化学发光法[6]和色谱法[7]等。其中，荧光光谱法因具有简便、灵敏等优点而备受关注。许多荧光探针，包括小分子探针[8]、半导体量子点[9]、金属纳米簇[10]已被用于检测亚硝酸盐。然而，这些探针的制备通常需要专门的合成技术和复杂的纯化程序，或探针本身水溶性差、毒性高、检测反应时间长，不同程度限制了其在环境和生物学相关领域的应用。因此，发展简单、灵敏、生物相容性好的荧光探针非常必要。

碳点（CDs）作为一种新型的碳基零维纳米材料，由于其优异的光学性能、易于表面功能化、较低的毒性、良好的生物相容性等，已被广泛应用在光学传感[11]、生物成像[12]、医学诊断等领域[13]，特别是基于CDs构筑的荧光纳米传感体系已被用于检测金属离子[14，15]、阴离子[16]和生物分子[17，18]。目前，关于荧光CDs对NO2 的研究还处于初始阶段。Zhang等[19]合成了一种蓝色荧光N-CNDs，基于荧光猝灭机理对NO2进行检测。此后，文献相继报道了一些可用于直接、快速、简单检测亚硝酸盐的碳点[20，21]。然而，这些碳点都呈现蓝绿色荧光，限制了它们进一步应用。特别是在生物医学领域，因为生物基质具有蓝色自发荧光性，且生物组织在紫外激发光下易受光损伤[22]。 Xiang等[1]尝试将检测亚硝酸盐的波长延伸至长波长区，他们将碳点和罗丹明B共同连接到二氧化硅纳米粒子上，构建了一个可在黄色发光区检测亚硝酸盐的双发射比例型荧光探针。值得注意的是，上述研究是基于荧光猝灭原理检测亚硝酸盐。相较淬灭型探针，增强型荧光探针具有诸多优点，如干扰相对较少、检出限相对较低、能减少假阳性信号的产生并降低暗背景的干扰[23]。最近，文献报道了一种新颖的测定NO2的方法，将碳点作为供体，中性红作为受体， 构筑了一个比色荧光双模的传感体系，并基于荧光的增强效应检测NO2 [24]。然而，到目前为止，基于碳点荧光增强效应检测亚硝酸盐的研究还鲜有报道。因此，开发具有长波长荧光发射并能通过荧光增强原理检测亚硝酸盐的新型碳点是一种挑战。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

JEM-2100型透射电子显微镜（日本JEOL公司）; Bruker Tensor II傅里叶红外光谱仪（德国Bremen公司）; AXIS ULTRA DLD 型 X-射线光电子能谱仪（英国Kratos 公司）; UV-2910紫外分光光度计、F-4500荧光分光光度计（日本日立公司）; vario E CUBE元素分析仪（德国Elementar公司）; FE20 pH计（瑞士Mettler Toledo公司）; Zetasizer Nano ZS90仪器（英国elementar公司）。

对苯二胺（纯度≥97%）购自阿拉丁试剂有限公司; 柠檬酸（纯度≥99.8%）和亚硝酸钠（纯度≥99.0%）购自北京红星化工厂; 罗丹明B（纯度≥99.0%）、亚铁氰化钾（纯度≥99.0%）、乙酸锌（纯度≥99.8%）和硼砂（纯度≥99.0%）购自天津津北精细化工有限公司; 其它试剂均为国产分析纯; 实验用水为去离子水。

2.2 N-CDs的合成

以对苯二胺、柠檬酸为原料，采用水热法合成橘色荧光碳点。将0.42 g柠檬酸和0.16 g对苯二胺溶解在5 mL去离子水中。 然后，将溶液转移到25 mL含有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在180℃下反应4 h。将获得的N-CDs溶液以10000 r/min离心10 min，弃沉淀，通过连续透析（透析袋截留分子量 500 Da）24 h进一步纯化N-CDs水溶液，以除去其它小分子。透析后的N-CDs水溶液冷冻干燥，获得粉末状N-CDs。

2.3 荧光量子产率的测定

2.5 实际样品分析

火腿肠和袋装咸菜样品购于本地超市，水样为实验室自来水。取火腿肠20 g，绞碎，置于500 mL 烧杯中，加入12.5 mL 饱和硼砂溶液和300 mL 70℃水。将混合物于沸水浴中加热15 min，冷却至室温后，边振荡边加入5 mL亚铁氰化钾和5 mL乙酸锌溶液，沉淀蛋白质。 最后，加水定容至500 mL。用滤纸过滤，收集滤液，于4℃储存，待测。袋装咸菜在测定前先制成匀浆，称取20 g匀浆于500 mL烧杯中，采用与上述火腿肠样品相同的方法处理咸菜样品。自来水样品在测定前煮沸30 min，用0.22 μm的微孔滤膜进行过滤，待测。

3 結果与讨论

3.1 N-CDs的表征

采用透射电子显微镜（TEM）观察N-CDs的形态和尺寸分布。如图1A所示，N-CDs呈现较规则球形，粒径分布均匀， 平均粒径约为（1.62 ± 0.35） nm。元素分析结果表明， N-CDs主要由质量比48.03%C、 4.89%H、 7.79%N和39.29%O（计算值）组成。

3.3 基于N-CDs检测NO

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