用碳量子点荧光增强法测定水中Pb2+

李胜英,冯建海，苏 惠，莫冬妮，李俊宇

(河池学院 化学与生物工程学院，广西 宜州 546300)

近年来,碳量子点因具有优良的荧光性能而受到广泛关注。与传统纳米材料相比，碳量子点有直径小、发光性能好、无毒、生物安全性强等特点[1]。合成碳量子点的方法有多种，也日趋简单、高效。目前，合成碳量子点的方法主要有两大类，分别为自上而下法和自下而上法[2]。自上而下法产率低，需要多次处理提纯反应物，荧光量子产率低，包括电弧放电[3-4]、激光刻蚀[5]和电化学氧化[6-7]法等；而自下而上法一般产率较高，方法简单，对设备要求较低，可以大量制备，原料也较易获取，有溶液水热法[8-9]、微波法[10-11]等。水热法是常见的合成方法之一，一般有机小分子都可以通过此方法合成，方法较简单。不同方法合成的碳量子点的发光效率、光谱特性不太一样，所应用领域也不同。

金属离子的检验方法有多种[12-15]，各自特点不同，条件限制也不同。目前，以碳量子点为荧光探针测定金属的研究较多，如测定Cu2+[16]、Hg+[17]、Fe3+[18]、Zn2+[19]、Cr6+[20]、Ag+[21]等。碳量子点荧光探针法与其他方法相比有一定优势，其合成方法简单，制备原料易获取，荧光效果好，无毒，可以快速测定金属离子。

试验选用廉价易得的L-苯丙氨酸和葡萄糖为原料，利用水热法制备碳量子点，然后利用金属离子与碳量子点反应之后荧光增强或猝灭的特性，建立测定金属离子的方法，并用于检测Pb2+。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

L-苯丙氨酸，葡萄糖，NaH2PO4，Na2HPO4，Al(NO3)3，Ca(NO3)2，Fe(NO3)3，Pb(NO3)2，Cu(NO3)2，KNO3，Cr(NO3)3，均为分析纯。水；超纯蒸馏水。

FA1004B电子天平(上海越平科学仪器有限公司)，SHZ-D(Ⅱ)循环水式多用真空泵(上海予正仪器设备有限公司)，DZF-6020真空干燥箱(上海博讯实业有限公司)，ZF-1三用紫外分析仪(邦西仪器科技(上海)有限公司)，LS-45/55荧光分光光度计(美国Perkin Elmer公司)，Agilent8453紫外可见分光光度计(安捷伦科技有限公司)。

1.2 碳量子点的制备

取0.5 g葡萄糖和0.2 g L-苯丙氨酸溶于20 mL蒸馏水中，室温下磁力搅拌30 min，转到干净反应釜中，在烘箱中于180 ℃下反应12 h，溶液自然冷却后用微孔滤膜进行抽滤，所得澄清滤液倒入透析袋中透析24 h，最后溶液用0.22 μm微孔过滤膜进行过滤。透析过程中不断换水。

1.3 测定方法

移取1 mL不同浓度金属离子溶液于5 mL容量瓶中，依次加入1 mL磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=5.8)和3 mL碳量子点溶液，摇匀。室温下反应10 min后，在480 nm激发波长下测定体系荧光强度。

F0和F分别表示加入与金属溶液等体积空白液(蒸馏水)和加入金属溶液上述碳点溶液的荧光强度，计算相对荧光强度比F/F0。荧光分光光度计激发和发射狭缝宽度均为10 nm。

2 试验结果与讨论

2.1 碳量子点的紫外光谱

用ZF-1三用紫外分析仪分析碳量子点溶液，可以看出：所制备的碳量子点溶液可见光下颜色为淡黄棕色；在365 nm紫外光照射下，碳量子点溶液颜色为浅蓝绿色。合成的碳量子点多倍稀释后紫外可见光谱如图1所示。可以看出，在波长250～300 nm之间有1个强的吸收带,吸收最大值在258 nm处,表明有碳碳双键的跃迁[22]。

图1 碳量子点的紫外可见光谱

2.2 碳量子点的荧光光谱

碳量子点的荧光发射光谱如图2所示。可以看出：随激发波长从400 nm增加到500 nm，荧光碳量子点溶液的发射波长荧光强度先升高后降低，峰的位置也略微蓝移。这表明不同能级通过不同官能团形成的不同“表面态”和溶液中不同粒径碳量子点的共存有关，说明碳量子点具备激发独立性特点[23]。在460 nm波长激发下，荧光碳量子点溶液得到1个最强发射峰。

图2 碳量子点的荧光光谱

2.3 碳量子点对Pb2+的选择性

碳量子点对0.1 mmol/L金属离子Pb2+、Ca2+、Cu2+、K+、Al3+、Cr3+、Fe3+的荧光识别作用测定结果如图3所示。可以看出：Pb2+对碳量子点有明显的荧光增强效果，而其他金属离子对体系的荧光强度影响很小，不干扰测定。可见，所制备碳量子点对Pb2+的测定有较好的选择性。

图3 碳量子点对Pb2+的测定选择性

2.4 Pb2+浓度与碳量子点相对荧光强度的关系

适宜条件下，Pb2+浓度与相对荧光强度之间的标准曲线如图4所示。可以看出：随Pb2+浓度增大，其相对荧光强度也增大。以Pb2+浓度为横坐标，相对荧光强度比为纵坐标绘制线性曲线，Pb2+浓度在1×10-8～1×10-4mol/L范围内与碳量子点相对荧光强度有良好线性关系，线性方程为

y=3 570x+0.973 2，

线性相关系数R2为0.991 2。

图4 Pb2+浓度与相对荧光强度之间的标准曲线

2.5 样品加标回收

适宜条件下进行4次平行试验，结果见表1。根据所得数据计算加标回收率。可以看出，加标回收率为102.3%%，相对标准偏差为2.800%。

表1 样品加标回收和Pb2+标准液测定结果(n=4)

3 结论

采用操作简单、成本低廉且绿色环保反应法，以L-苯丙氨酸和葡萄糖为原料，以水热法制备碳量子点，所得碳量子点的紫外吸收最大值为258 nm，在荧光光谱中最佳激发波长为460 nm。1 mL不同浓度金属溶液与1 mL磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=5.8)和3 mL碳量子点溶液混匀，室温下反应10 min后，于480 nm激发波长下，所制备的碳量子点对Pb2+有较高识别选择性，且Pb2+浓度在1×10-8～1×10-4mol/L范围内与碳量子点相对荧光强度有良好线性关系，加标回收率为102.3%，相对标准偏差为2.800%。用该碳量子点荧光探针法可快速测定Pb2+浓度，测定结果有较高可靠性。