基于氮掺杂荧光碳量子点探针的制备及其应用*

冯李乐，白春花，郭亚甜，赵 瑞，黄梦雨，尹怡玲，胡娅琪,2，秦 蓓,2，张 博,2**

(1.西安医学院 药学院，陕西 西安 710021；2.西安医学院 药物研究所，陕西 西安 710021)

荧光碳量子点(carbon quantum dots，CQDs)是一种新型的准球形碳纳米材料[1-2]，水溶液中单分散性好、光学性能稳定、表面具有丰富的官能团、易于修饰并且无毒性，近几年来受到科学界的广泛关注，并逐步在细胞成像、重金属离子检测、有机小分子分析、pH值监测等方面得以应用。然而荧光强度和选择性还不足，不同学者开展了N、S、P等元素的掺杂，旨在提高量子点的荧光强度，并优化其选择性，已经展现出良好的应用前景[3-8]。汞离子(Hg2+)是当今最重要的污染物之一，对环境水质的污染危害人类生命健康。汞离子通过生物链转移很容易在植物体中富集，并通过食物链转移至人体内循环。由于汞离子在生物体内具有不可降解和毒性，即使低浓度的汞离子也会对人体中枢神经系统、免疫系统、消化系统等造成严重损害[9-10]，因此，开发方便、快捷、低成本的Hg2+检测方法评价水质尤为重要。目前采用的电化学分析法、原子吸收分光光度法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等[11-15]方法，还存在重现性差、设备昂贵、需要专业技术操作人员等缺陷，迫切需要开发一种操作便捷、设备简单、灵敏度高的检测新方法。

实验以柠檬酸为碳源、乙二胺为氮源，采用水热法一步成功合成了氮掺杂荧光碳量子点(Nitrogen-doped fluorescent carbon quantum dots，N-CQDs)。实验结果表明，该荧光碳量子点探针为准球形纳米材料，平均粒径2.3 nm，表面具有羧基、氨基、羟基等多种官能团，发光性能良好，荧光性质稳定，并且对Hg2+有明显的选择性猝灭作用，在0.1～30.0 μmol/L线性关系良好，检出限为0.02 μmol/L，可为环境水样中汞离子(Hg2+)的检测分析提供良好的新方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

柠檬酸(Citric Acid，CA)、乙二胺(Ethylenediamine，EDA)：天津市天力化学试剂有限公司；磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、氯化钠、氯化钾：天津市科密欧化学试剂有限公司；氯化汞：贵州省铜仁化工研究所；五水合硫酸铜：国药集团化学试剂有限公司；硝酸铬、氯化锌、硝酸铅、硝酸镁、硝酸镉、氯化钙：天津市河东区红岩试剂厂；以上均为分析纯；去离子水：实验室自制；透析袋：500 Da，西安优博生物科技有限公司。

鼓风干燥箱：DHG-9245A，真空干燥箱：DZF-6050，上海一恒科学仪器有限公司；荧光分光光度计：F-4600，日本株式会社日立高新技术科学那珂事业所；傅里叶变换红外光谱仪：TENSOR27，德国布鲁克公司；紫外-可见分光光度计：Cary60，美国安捷伦科技有限公司；冷冻干燥机：LAB-1C-50，上海甄明科学仪器有限公司；电子天平：SQP，赛多利斯科学仪器北京有限公司。

1.2 N-CQDs的合成

称取4.0 g柠檬酸溶于40 mL去离子水中，随后加入2.0 mL乙二胺，搅拌溶解，充分混匀后转移至100 mL聚四氟乙烯反应釜，拧紧密封，放入鼓风干燥箱中200 ℃反应3 h，反应结束后，使反应溶液自然冷却至50 ℃以下再取出。用去离子水为外透析液，500 Da规格透析袋透析24 h，每隔1 h换一次去离子水，得到黄色透明澄清N-CQDs内透析液。内透析液置于培养皿中，厚度约5 mm，冻冰后再真空冷冻干燥，即得N-CQDs棕色粉末，于冰箱冷冻保存。

1.3 水样的收集和处理

随机取当地灞河水、湖水和自来水。将收集的3种水样分别用0.22 μm水膜过滤，得到的滤液转移至棕色样品瓶中，4 ℃冰箱保存备用。

1.4 Hg2+的检测

配制1.0 mg/mL的N-CQDs溶液备用。精密吸取量子点溶液30 μL，加入5 mL去离子水稀释，再加入不同浓度的汞离子溶液，最后用去离子水定容至10 mL，摇匀，在室温下反应45 min，以342 nm为激发波长，442 nm为荧光波长，激发和发射狭缝均设置为5 nm，记录反应体系的荧光强度，分别以F0/F为纵坐标，Hg2+浓度为横坐标，绘制标准曲线并分析结果。

2 结果与讨论

2.1 N-CQDs合成条件的优化

2.1.1 柠檬酸与乙二胺掺杂比例的考察

掺杂的比例对量子点的荧光强度有很大影响，以柠檬酸为碳源，乙二胺为氮源，设定反应温度为200 ℃，反应时间为8 h，固定柠檬酸用量为2.0 g，改变乙二胺用量来衡量掺杂的比例，见图1。

乙二胺/mL

由图1可知，随着乙二胺比例的增加，N-CQDs的荧光强度出现先增加后降低的现象，当体积增加到1.0～2.5 mL时，荧光强度达到最大并且稳定，表明这个掺杂范围制备的材料光学性能较为稳定。所以选择m(柠檬酸)∶m(乙二胺)(简称料液比)=2∶1 g/mL为最佳反应比例。

2.1.2 反应时间的考察

固定料液比为2∶1，反应温度为200 ℃的条件下，探究不同合成时间1、2、3、4、8、12 h分别对材料光学性能的影响，见图2。

t/h

由图2可知，随着反应时间的延长，N-CQDs的荧光强度急剧增加，此时碳源和氮源初始浓度大，合成量子点迅速，当反应时间达到3 h时，荧光强度达到最大，继续延长反应时间，荧光强度反而会逐渐减小，表明时间过长，并不能提高合成材料的量，反而会增加碳化和团聚，降低光学性能。因此选择3 h为最佳反应时间。

2.1.3 反应温度的考察

温度直接决定了材料是否能够合成，固定料液比为2∶1，反应3 h条件下，考察不同反应温度下量子点合成的效果，见图3。

t/℃

由图3可知，在低于120 ℃材料荧光强度非常弱，说明温度低于120 ℃基本不合成量子点，随着反应温度的进一步升高，生成了大量N-CQDs并且荧光强度也在增加，当反应温度达到200 ℃时，荧光强度达到最大，温度继续升高，荧光强度反而快速降低，说明过高的实验温度，并不理想，因为过高的实验温度反而破坏材料的纳米结构，影响光学性能。因此确定200 ℃为最佳反应温度。

2.2 N-CQDs表征

2.2.1 N-CQDs的形貌表征

制备所得碳量子点为棕色固体粉末，超声分散于去离子水中，滴加到铜网上，干燥后在高分辨率透射电子显微镜(TEM)下观察N-CQDs的形貌，结果显示，合成的N-CQDs为准球形，无团聚且分散性良好，粒径分布较为均匀，平均粒径为2.3 nm，见图4。

图4 N-CQDs的TEM图

2.2.2 N-CQDs的紫外光谱

λ/nm

2.2.3 N-CQDs的红外光谱

N-CQDs的红外吸收光谱见图6。

σ/cm-1

2.3 N-CQDs的光学性质

2.3.1 N-CQDs的荧光光谱

采用荧光分光光度法(MFS)对N-CQDs进行光谱性能探究。从上述碳量子点的紫外吸收光谱中可以得出N-CQDs在339 nm处有一个明显的吸收峰。该吸收峰是由于碳点表面活性状态对激发态能量的捕获吸收，使N-CQDs能够产生较强的荧。通过对光谱分析，N-CQDs的最大发射波长在约442 nm，相对应的激发波长在约342 nm处，与其紫外吸收峰基本相符，见图7。

λ/nm

2.3.2 N-CQDs的光谱依赖性

当激发波长由300 nm逐渐增加到390 nm时，N-CQDs的荧光强度表现出先升后降的现象，并在激发波长340 nm时荧光强度达到最大值。激发波长逐渐增加的过程中，荧光光谱总体位置发生了约25 nm的红移，说明合成量子点探针的荧光光谱具有激发光依赖性，符合掺杂碳量子点的激发光依赖性特征，见图8。

λ/nm

2.3.3 N-CQDs的稳定性

取1.0 mg/mL的N-CQDs溶液300 μL，用去离子水定容至100 mL，在室温放置1个月，每天测定荧光强度，并计算RSD为2.03%，显示N-CQDs具有很好的荧光稳定性。

2.3.4 N-CQDs的抗漂白性

取1.0 mg/mL的N-CQDs溶液30 μL，用去离子水定容至10 mL，倒入荧光比色皿中，将比色皿放置荧光分光光度计中8 h，每间隔1 h测定荧光强度并计算RSD为0.52%，结果表明N-CQDs具有很好的抗漂白性。

2.4 实验条件的优化

2.4.1 pH值的考察

由于不同pH值溶剂体系会影响N-CQDs的荧光强度，所以考察了磷酸盐缓冲体系pH=2～12对N-CQDs荧光强度的影响见图9。

pH

由图9可知，pH=5～10，量子点探针的荧光强度基本不发生变化，表明pH=5～10的酸碱度，碳纳米材料具有很好的荧光稳定性，结合待测离子，综合考虑，选择去离子水作为反应体系。

2.4.2 猝灭反应时间动力学

取10 mL洁净容量瓶7个，编号0～7，分别加入30 μL的N-CQDs溶液(1.0 mg/mL)，先用5 mL去离子水稀释，再向1～7号容量瓶中加入终浓度为10 μmol/L的汞离子，在0～120 min不同时间间隔检测N-CQDs反应体系的荧光强度，见图10。

由图10可知，加入Hg2+后荧光强度会急剧猝灭，之后逐渐减小，在45 min前后荧光强度趋于稳定，说明N-CQDs～Hg2+体系猝灭反应基本完成，达到动态平衡，所以后续研究均选定45 min为猝灭反应时间。

淬灭反应时间/min

2.4.3 汞离子对N-CQDs荧光光谱的影响

取10 mL洁净容量瓶，向其中加入30 μL的N-CQDs溶液(1.0 mg/mL)，先用5 mL去离子水稀释后再加入不同浓度的Hg2+溶液，最后用去离子水定容并反应45 min。测量反应体系的荧光强度，发现Hg2+对N-CQDs有明显的荧光猝灭，随着Hg2+浓度不断增加，N-CQDs的荧光强度不断减小。根据Stern-Volmer方程绘制荧光猝灭曲线，可以看出Hg2+溶液浓度在0.1～30.0 μmol/L，荧光猝灭程度(F0/F)与不同浓度Hg2+之间具有良好的线性关系，线性方程为y=0.111 2x+ 0.996 1，相关系数r=0.998 4，见图11～图12。

λ/nm

c(Hg2+)/(μmol·L-1)

2.5 N-CQDs选择性实验

为了评价其他金属离子对该量子点探针的干扰，选择了常见8种金属离子来考察选择性，实验结果表明，在优化的实验条件下只有Hg2+可以发生有效地荧光猝灭现象，而其他金属离子基本没有响应，说明制备的N-CQDs对Hg2+选择性良好，见图13。

图13 不同金属离子(10 μM)对N-CQDs荧光强度的影响

2.6 反应机理探究

荧光猝灭过程有2种方式，静态猝灭和动态猝灭。静态猝灭是指猝灭剂与基态荧光物质形成不发光配合物来降低荧光强度的过程，符合Lineweaver-Burk方程，荧光物质的紫外吸收光谱发生了变化，随着温度的升高，配合物的稳定性降低，猝灭常数降低。动态猝灭是猝灭剂与荧光物质激发态发生碰撞，进而导致荧光强度降低的过程，符合Stern-Volmer方程，荧光物质的紫外吸收光谱基本保持不变，动态猝灭过程与扩散有关，猝灭常数随温度升高而增大。

λ/nm

因此，采用紫外-可见分光光度法扫描反应体系前后的紫外吸收光谱，结果显示，加入Hg2+(10.0 μmol/L)前后，空白碳量子点探针溶液和反应液的紫外吸收光谱形状没有变化，基本重合，可以判断检测Hg2+的荧光猝灭过程主要为动态猝灭。

2.7 实际样品的检测

为验证该方法的实用性，在优化的实验条件下，将该分析方法用于当地灞河水、湖水和自来水中Hg2+的检测。取3种预处理好的环境水样，分别加入终浓度为5、20、40 μmol/L的Hg2+，按照1.4方法测定。测定结果显示，灞河水、湖水和自来水并未检出Hg2+，而三者加标回收率为89.73%～98.80%，相对标准偏差为1.15%～4.01%，说明该方法可用于实际环境水样中Hg2+的检测分析，见表1。

表1 实际环境水样的加标回收分析

3 结 论

实验以柠檬酸为碳源、乙二胺为氮源，采用水热法一步成功合成氮掺杂荧光碳量子点探针(N-CQDs)，该碳纳米材料为准球形，平均粒径2.3 nm，表面存在大量的羟基、氨基、羧基等亲水性基团。该材料具有激发光依赖性，在激发波长342 nm，荧光波长442 nm时具有良好的发光强度，而Hg2+对N-CQDs具有高选择性猝灭，依此建立环境水样中Hg2+检测新方法。在最佳实验条件下，Hg2+在0.1～30.0 μmol/L内具有良好的线性关系，最低检出限为0.02 μmol/L。该纳米材料制备方便、荧光强度大、水溶性好，检测方法快捷、成本低、灵敏度高，可作为一种环境水样中Hg2+检测的新方法。