以豌豆荚为碳源制备氮掺杂碳点及应用研究

韩爱霞,王玉环，谢亚典，谢荣荣，杨 欢，吴瑞鑫，刘兴亮

(青海大学化工学院， 青海 西宁 810016)

碳点(Carbon Dots，CDs)以其优异的荧光性能、激发/发射可调、细胞毒性低、水溶性好、应用广泛等优点受到越来越多的关注[1]。而在CDs中等效掺杂一些杂原子，并在其结构中引入电子施主或受主，赋予了CDs不同于纯CDs的一些新的性能[2]。如Xu等[3]通过水热法合成N掺杂CDs(NCDs)，然后用于亚硝酸盐的检测和多色细胞成像。Zhou等[4]合成了一种P掺杂CDs (P-CDs)，具有量子产率高达25%、细胞毒性低、生物标记能力突出的特点。其中，N掺杂CDs的使用最多，因为N原子与C原子有一定的相似性，且N原子中的孤对电子以及在CDs内部结构中引入的缺陷位点，可以改变NCDs的电子环境，有效提高其荧光性能[5]。

汞离子(Hg2+)是一种有毒的重金属离子，容易通过食物聚集在人体内，会对人体神经系统、免疫系统、肾脏、肝脏[6]等造成损害。同时，因其不能迅速被生物降解也造成了严重的环境问题。因此，对微量Hg2+的检测是非常必要的。常用的Hg2+测定分析技术有原子吸收/发射光谱(AAS/AES)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、X射线吸收光谱(XAS)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和极谱等[7-8]。但是，这些方法在准确检测Hg2+方面都存在一定的缺陷。近年来，各种基于CDs/NCDs的荧光探针被开发用于测定Hg2+。

本文以生物质废弃物豌豆荚和乙二胺分别作为碳前体和氮前体，通过简单的水热合成方法，制备了一种新型的NCDs。对制备的NCDs用多种仪器分析技术进行结构表征和性能测试并将其成功用于Hg2+的测定。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

豌豆荚(购于青海省西宁市小桥农贸市场)使用前先用超纯水彻底超声清洗，榨汁备用。尿素、乙二胺、二乙醇胺、三聚氰胺均购自天津市大茂化学试剂厂，所有试剂均为分析纯；实验全程使用超纯水。

Shimadzu UV-2550分光光度计(日本Shimadzu公司)； Perkin Elmer Spectrum Ⅱ光谱仪(美国Perkin Elmer 公司)；Cary Eclipse 荧光分光光度计(美国Agilent公司)；Rigaku D/Max 2500 PC X射线衍射仪(日本Rigaku公司)；JEOL JEM-1200EX透射电镜(日本电子株式会社JEOL)；Thermo scientific ESCALABTM 250Xi X 射线光电子能谱仪(美国Thermo公司)；Milli-Q Direct 16 超纯水系统(德国Merck Millipore公司)；聚四氟乙烯反应釜；101F3-D 恒温干燥箱(上海申光公司)；冷冻干燥机(上海普若迈德公司)；H2050R-1 型高速离心机(湖南湘仪公司)；MWCO=1 kD的透析袋。

1.2 NCDs的制备与提纯

将5 mL豌豆荚汁、1.33 mL乙二胺加到50 mL 的聚四氟乙烯内衬中，再加入超纯水至30 mL，搅拌均匀并超声赶走气泡。将聚四氟乙烯内衬密封进反应釜中，拧紧釜盖，放入预热好的200 ℃恒温干燥箱中，水热反应20 h后将反应釜自然冷却至室温。取上清液离心 (12 000 r/min，20 min)，所得清液用MWCO=1 kD 的透析袋透析(25 ℃，60 r/min搅拌，8 h换水) 24 h，收集透析袋内液体，得到纯化的碳点溶液。将纯化的碳点溶液预冷冻成冰状，放入预冷好的真空冷冻干燥机中冻干，可得碳点粉末。

1.3 NCDs对重金属离子的检测

配制NCDs溶液(0.05 g/L，3.0 mL)；配制0.1 mol/L的金属离子(Hg2+、Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Mn2+、Pb2+)硝酸盐溶液作为测试液。

第一组实验中，将3.0 μL金属离子硝酸盐溶液分别添加到NCDs溶液中，混合均匀后在419 nm处检测NCDs荧光强度的变化。

第二组实验中，在竞争离子存在的NCDs溶液中加入Hg2+，检测Hg2+与其他金属离子的竞争能力，测定NCDs的荧光强度变化。

2 结果与分析

2.1 NCDs形貌的表征

通过XRD图谱和TEM图像表征NCDs形貌的特征。NCDs的XRD图谱如图1a所示，在21.5°附近有一个较宽的衍射峰，由布拉格公式计算可得晶面间距d为0.41 nm，对应为石墨无定形结构[9]。图1b为NCDs的TEM图像，其内嵌图为NCDs的粒径分布，统计520个NCDs的粒径可知平均粒径为2.42 nm，粒径主要分布在1.59～3.96 nm内，由此可知以豌豆荚为碳源制备的碳点粒径很小，很均匀。

图1 NCDs的XRD图谱和TEM图像Fig.1 XRDFigure and TEM image of NCDs

2.2 NCDs元素与官能团的表征

图2 NCDs元素与官能团的表征Fig.2 Characterization of NCDs elements and functional groups

图3 NCDs的FTIR光谱 Fig.3 FTIR spectrum of NCDs

2.3 NCDs光学性能的表征及检测机理

为测试合成的NCDs有无其他碳点具有的激发波长依赖特性，在不同激发波长激发下扫描其发射光谱，结果如图4b所示。NCDs的激发波长从300 nm增至420 nm时，其最大发射波长从417 nm红移至485 nm，荧光强度先升高后降低，在340 nm激发时荧光强度达到最高，NCDs具有激发波长依赖性[14]。

图4 NCDs光学性能的表征Fig.4 Characterization of optical properties of NCDs

2.4 NCDs对重金属Hg2+的检测

2.4.1 选择性和竞争性

如图5a所示，在Hg2+、Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Mn2+、Pb2+等金属离子中， Hg2+淬灭NCDs的荧光效果明显，这表明NCDs 对Hg2+测定的选择性比较高。

从图5b可以看出，将Hg2+分别加入竞争金属离子存在的NCDs溶液中，NCDs的荧光淬灭程度与Hg2+单独加入NCDs溶液时的荧光淬灭程度几乎一致，这说明Hg2+与其他金属离子相比有较强的竞争能力。

图5 NCDs对不同金属离子的响应结果及在其他金属离子存在时对Hg2+的响应结果Fig.5 Response of NCDs to different metal ions and Hg2+in the presence of other metal ions

2.4.2 工作曲线及检测限测定

测定NCDs原溶液的荧光光谱，然后加入Hg2+溶液，并在340 nm激发波长下扫描每次加入Hg2+溶液后的荧光光谱，如图6a所示。取其峰值 (419 nm) 处的荧光强度 (FL) 与加入Hg2+溶液的浓度 (c) 作图并拟合可得工作曲线，结果显示Hg2+溶液的浓度(0～300 μmol/L)与荧光强度之间成良好的线性关系(图6b)，通过拟合及计算可得其线性关系表达式：FL=-8.11×c+421.28。根据检出限(LOD)的计算公式LOD=3σ/K(σ是11次空白测定的标准偏差，K是工作曲线的斜率)，计算得到检出限为2.36 μmol/L。

图6 NCDs对Hg2+的荧光滴定光谱及工作曲线Fig.6 Fluorescence titration spectrum and working curve of NCDs for Hg2+

3 讨论与结论

本文以豌豆荚和乙二胺为前体，采用水热法合成了NCDs，通过荧光淬灭可以在0～300 μmol/L线性范围内选择性检测重金属Hg2+，检出限低至2.36 μmol/L。目前已有一些NCDs用于检测Hg2+的文献报道，Li等[15]以橙汁和乙二胺为原料合成NCDs，该NCDs的荧光强度比在4.0～32.0 μg/mL范围内与Hg2+浓度成正比，加标样品的回收率为102.0%～103.0%。Singh等[16]用柠檬酸和二氨基吡啶为原料合成了一种NCDs，对Hg2+测定的线性范围在0.2～1.2 μmol/L，检出限低至 0.08 μmol/L。与以上研究相比，本研究为NCDs的制备提供了新原料，给Hg2+的检测提供了新材料，实现了对生物质废弃物豌豆荚的高效利用，符合绿色环保可持续发展的理念。