石墨相氮化碳纳米片汞离子荧光传感器的制备

郑璐嘉

（漳州职业技术学院食品工程学院,福建漳州363000）

随着工业的不断发展，所引发的环境问题也越来越突出，其中因重金属离子严重影响着动物及人体健康，所以对重金属离子的监测与预防变得非常重要[1-4].汞离子（Hg(II)）是对环境和人体健康危害最大的金属离子之一，由于其不可生物降解的特性，在生物链中易于生物积累和生物放大.在此过程中，Hg(II)可转化为有机汞化合物，可导致肾病、神经系统疾病、认知和运动障碍等疾病[5-7].因此，在环境保护和人类健康方面，高灵敏度和选择性地对微量汞离子进行检测是非常重要的.众所周知，研究人员开发了一系列检测汞离子的方法，包括原子吸收/发射光谱法[8]、电化学法[9]、毛细管电泳法[10]、电感耦合等离子体质谱法[11]等.即使上述这些方法比较灵敏、准确.然而，大多数方法仍需要复杂的程序、昂贵的耗能设备和繁琐的合成条件等，这严重限制了它们的实际中的大规模应用.为了解决这一问题，人们迫切需要开发一种经济、方便、可以实时监测和环保的方法来检测Hg(II).相比于上述的相关方法，荧光分析法具有操作简单、灵敏度高、经济环保等优点目前得到了研究学者的关注[12-14].

纳米材料的出现不仅促进了材料的发展还促进了生物医学、化学、物理、能源等领域的发展[15-19].作为二维碳纳米材料的一种，石墨相氮化碳纳米片(CNN)具有非常优异的化学稳定性、生物相容性、光性能稳定等优势，因此，其在荧光传感器中的构建也得到了非常广泛的应用[20-22].Zhang等[22]制备了CNN并成功用于构建新型的Hg(II)传感器，相比该传感器，本文制备的CNN 荧光量子产率更高，其所制备的荧光传感器有更低的检出限.

本研究以采用混酸氧化法制备了CNQDs.合成的CNQDs 具有较高的量子产率，可作为一种线性范围宽、检测限低的高效Hg(II)荧光探针.其具有灵敏度高、选择性好、重复性好、重现性好、实时监测等特点，且该探针已成功地用于实际水样中痕量Hg(II)的检测.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

硝酸汞、硝酸镁、硝酸铁、硝酸亚铁、硝酸镍、硝酸铬、硝酸钴、硝酸镉、硝酸铜、硝酸铅、硝酸钡、硝酸锌、硝酸镁、氯化钠、氯化钾等(化学试剂国药控股有限公司),硫酸、尿素、硝酸(广东西陇化工有限公司)，本实验均采用超纯水配制.荧光分光光度计(日本日立F2700).

1.2 CNN溶液的制备

CNN 的制备参照Huang 课题组的合成方法[23]：在坩埚中取5.0 g 尿素，置于马弗炉中以2.5°C/min 的速率升温至550°C 并反应6 h，之后冷却.取上述材料0.5 g，加入13 mL 浓硫酸和7 mL 浓硝酸，并在超声下反应4 h后用NaOH 中和并置于70°C 真空烘箱中干燥8 h.最后，称取0.1 g上述固体，用100 mL 超纯水在超声下分散溶解(超声8 h)，最后将溶液在4 000 rpm的速率下离心除去大块的杂质，即获得CNNS溶液.

1.3 荧光测定Hg(II)溶液

荧光测定Hg(II)溶液：用移液器准确量取20 μL 的CNN，加入0.025 M 的混合磷酸盐缓冲溶液(PBS)，加入一定浓度的Hg(II)，滴定至10 mL，然后在室温下用荧光分光光度计定量测定Hg(II).

2 结果与讨论

2.1 荧光传感机理

图1 显示，当在CNN 溶液中加入50µM Hg(II)溶液并充分混合.用240 nm 作为最佳的激发波长，我们发现其荧光强度相比于原始溶液发生了急剧下降，说明Hg(II)能够有效猝灭CNN 的荧光，据此，可说明CNN 可以用于制备猝灭型Hg(II)荧光传感器.可能是由于含有空轨道的Hg(II)通过共价键与CNNS 中的N的π电子与形成Hg-N，使得CNNS的荧光猝灭[22].其可能的机理如图2所示.

图1 加入汞离子前后的CNN荧光光谱图Fig.1 The fluorescence spectrum of CNN before and after adding Hg(II)

图2 基于CNN的Hg(II)荧光传感器机理图Fig.2 CNN-based fluorescent sensor for the determination of Hg(II)

2.2 荧光传感器条件优化

众所周知，酸碱度、温度、离子强度以及响应时间对荧光传感器的性能有着重要的影响，因此，我们一次探讨了不同条件对该荧光传感器的影响，优化出最佳的传感器条件.图3A 所示的是不同pH 条件下对传感器性能影响情况，从图中可知，在pH 值在4～10 之间时，传感器的性能几乎没有改变，由于大自然水样的pH更接近于7.0，所以本实验所用的pH值为7.0.图3B进一步显示了该荧光传感器在不同温度下的发射光谱.可以观察到当温度变化时传感器的荧光强度基本不变.因此，可以说明该传感器在不同温度下具有良好的稳定性，有益于生物及环境方面的应用.此外，图3C显示了不同浓度NaCl对传感器的影响，即使在高离子强度（0.5 M）下，传感器的荧光强度也几乎没有明显变化，说明盐效应对其影响不大[22].图3D显示，Hg(II)在1 min 内就可与CNN 发生作用，该传感器响应快速.上述实验结果表明，该荧光传感器在复杂环境下也具有良好的稳定性，说明该传感器的应用前景十分广阔.

图3 温度(A)，PH(B)，盐离子效应(C)及响应时间(D)对体系的影响Fig.3 Effects of temperature(A),pH(B),salt ion effect(C)and response time(D)on the system

2.3 选择性实验

评判传感器的性能优异，选择性实验是主要指标之一.本文对不同金属离子与CNN 的作用进行了系统的研究.在相同条件下，CNN 溶液中分别与50 µM Hg(II)、100 µM Cu(II)、100 µM Ag(I)、100 µM Pb(II)、100µM Cd(II)、100 µM Co(II)、100 µM Cr(III)、100 µM Zn(II)、100 µM K(I)、100 µM Ni(II)、100 µM Ba(II)、100 µM Na(I)、100µM Mn(II)、100µM Ga(II)、100µM Fe(III)、100µM Fe(II)反应.如图4 所示，加入大部分金属离子后，CNN 的荧光强度变化不大.然而，Hg(II)会导致CNN 的荧光强度急剧下降.结果表明，CNN 能选择性地检测到Hg(II)，有利于该传感器在实际样品的检测应用.

图4 不同金属离子与CNN作用情况Fig.4 Interaction of different metal ions with CNN

2.4 工作曲线

在探索了选择性的基础上，在最佳条件下，我们对基于CNN的荧光探针对Hg(II)的定量检测进行了研究.如图5所示，当Hg(II)浓度在0.1µM 到60µM，CNN 的荧光猝灭率与Hg(II)浓度具有良好的线性相关特性.荧光响应可表示为Stern-Volmer回归方程[26]：

F和F0分别表示在存在和不存在Hg(II)时，N-CQDs的荧光强度.Ksv为Stern-Volmer猝灭常数，[Q]为Hg(II)的浓度，线性相关系数R 为0.996.样品的检出限(LOD)为0.089µM，比此前报道的Hg(II)荧光探针要低(表1)，说明本方法具有较好的灵敏度.

图5 I/I0随Hg(II)浓度(浓度：0.1,0.5,1.0,5.0,10,20,30,40,50,60µM)变化的线性拟合曲线Fig.5 The plots of I/I0vsthe different concentrationof Hg(II)(0.1,0.5,1.0,5.0,10,20,30,40,50,60µM)

表1 不同材料对Hg(II)检测的对比Tab.1 Comparison of Hg(II)detection by different materials

2.5 实际样品测定

为了评价基于该传感器在实际水样中应用的可行性，以九龙江水作为样品对实际应用中的Hg(II)进行了测定，水样的处理参照之前文献的方法[30].结果显示：水样品加标回收率范围在96.3%～101.5%之间，同时，该结果与原子荧光的结果相近（表2），说明该传感器可应用于水中痕量Hg(II)的检测.

表2 自来水中汞离子检测的结果Tab.2 The results of mercury detection in tap water

3 总结

总之，我们通过绿色、简单、有效的溶剂热法合成了一个高量子产率的CNN.制备的CNN 可作为荧光传感器选择性、灵敏地检测Hg(II)，检测限低至0.089µM（3Sb/k）.此外，该方法还可有效地检测九龙江水中的Hg(II)，表明该方法在具有非常优异的应用前景.