荧光碳量子点荧光淬灭法检测六价铬离子Cr6+

黄智泓，张文韬，郑 逸，邹 桐，杨 悦，王毓德

(云南大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650091)

1 引 言

对工业废水、污染水域中的重金属进行快速、灵敏的检测是污染防治与监测的重要一环。目前，对重金属离子的半定量测量方法主要有络合滴定法、电化学分析法、高效液相色谱法、离子色谱法、气相色谱法、荧光分析法、原子发射光谱法、原子吸收光谱法和电感耦合等离子体发射光谱法等[4-7]。这些测试方法大多具有测试仪器贵重、成本高昂、耗时较长、测试过程繁琐等缺点，难以满足日常生活中对水体重金属离子含量进行快速检测的需要。在研究可替代传统Cr6+检测方法的过程中，基于荧光增强、荧光淬灭效应的荧光探针由于操作简单、成本低廉等优势而受到研究者的广泛关注，其中对用于Cr6+检测的荧光探针材料已有较多的研究报道，如1,8-萘酰亚氨[8]、甲基丙烯酸酯多聚物[9]、硅纳米颗粒[10]、纳米聚乙烯醇酮衍生物[11]、锌配合物[12]、La-MOFs[13]、纳米钒酸钇[14]等，而这些荧光探针材料仍存在一定的缺陷，如在制取过程中易出现污染等。

2004年，美国南卡罗莱纳大学的XU等[15]首次发现并报道了可以发出明亮荧光的碳量子点，随着研究的深入，碳量子点作为一种新型的荧光探针材料逐渐成为研究热点。相比于其他的荧光探针，碳量子点具有易制备、低成本、光学稳定性好、生物相容性好和低毒性等优点[16-17]。通过对碳量子点进行不同的表面修饰可将其应用于各种条件下各种物质的检测。LI等[18]通过合成具有高荧光能量转移效率(40%)和双发射荧光特性的新型碳量子点金纳米簇(CQD-AuNC)用于H2O2的荧光传感，H2O2可使CQD-AuNC产生荧光淬灭，线性响应范围为5.0～80 nM，检测限为2.9 nM。FU等[19]使用海藻酸钠作为碳源、组氨酸作为氮源，通过水热法合成了高光致发光碳量子点(CQD)，量子产率高达32%。由于CQD的表面官能团与Hg2+之间的强静电相互作用，Hg2+可以选择性地抑制传感器中CQD的光致发光。由于谷胱甘肽中的硫醇和Hg2+之间的亲和力强于CQD与Hg2+之间的强静电相互作用，CQD的荧光可以快速恢复，作者将CQDs与罗丹明B(RhB)结合构建了CQDs-RhB-Hg2+的谷胱甘肽(GSH)传感器，用于检测Hg2+和生物硫醇，Hg2+和GSH的检测限分别为30 和20 nM。李东[20]选用柠檬酸作为碳源，乙二胺作为修饰剂，通过热解法制得碳量子点，此方法制得的碳量子点表面的酰胺基团能与Cr6+形成配位键，构成了p-π共轭体系导致碳量子点发生荧光淬灭，根据荧光淬灭的强弱可实现对Cr6+的检测。

上述这些研究中碳量子点的制备均经过了复杂的表面功能化修饰，表面氨基化使用的乙二胺会对水体造成污染，且制备过程繁琐，不利于实际应用。目前针对未使用修饰剂的荧光探针的相关报道甚少。因此本研究优化制备方法，采用谷氨酸直接制备合成N-CQDs，使水热反应后直接得到可应用于检测的碳量子点，从而实现对Cr6+的低成本、快速、简便地定性和定量检测。

2 实 验

2.1 试剂与仪器

实验试剂：L-谷氨酸；Cr6+标准液：准确称取0.2961 g的重铬酸钾，加水溶解，移至1000 mL容量瓶中，定容，摇匀备用，使用时逐级稀释；用于选择性和抗干扰性测试的Zn2+、Mn2+、Co2+、K+、Cu2+、Na+、Al3+、Ni2+、Pb2+、Ba2+、Cr3+、Fe3+、Fe2+、Sn4+溶液分别由七水硫酸锌、四水氯化锰、六水硝酸钴、硝酸钾、二水氯化铜、氯化钠、六水氯化铝、六水氯化镍、硝酸铅、硝酸钡、六水氯化铬、硝酸铁、四水硫酸亚铁、五水合四氯化锡配制而得，使用试剂均为分析纯。实验用水为实验室制取的超纯水。

实验仪器：F97Pro型分光光度计，电热恒温干燥箱202-007，Nicolet iS10傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，JEM-2100透射电子显微镜(TEM)，K-Alpha+ X射线光电子能谱仪(XPS)。

2.2 氮掺杂碳量子点的制备

称取2.0 g谷氨酸置于烧杯中，加入55 ml去离子水搅拌溶解。将溶液置于对位聚苯内衬的不锈钢反应釜中，230 ℃下水热反应12 h。反应完毕后的产物经自然冷却至室温，得到淡黄色的氮掺杂碳量子点(N-CQDs)溶液，该溶液在365 nm紫外灯的照射下呈人眼可见的蓝色荧光。

2.3 Cr6+检测分析方法

对Cr6+的检测：向第2.2节中合成的N-CQDs溶液加入计量的Cr6+标准液，使体系的Cr6+浓度分别为0、0.5、4、8、10、30、40、50、60、70、80、90、100、150及500 μM。以350 nm的激发光，测试上述含不同浓度Cr6+的碳量子点溶液的光致发光光谱，根据各溶液的荧光强度计算荧光强度与Cr6+浓度变化的关系。

对Cr6+检测的选择性：向合成的N-CQDs溶液分别加入Cr6+、Zn2+、Mn2+、Co2+、K+、Cu2+、Na+、Al3+、Ni2+、Pb2+、Ba2+、Cr3+、Fe3+、Fe2+、Sn4+的溶液，使混合体系的金属阳离子浓度均为500 μM，在350 nm的激发光下测试上述含不同种类金属阳离子的碳量子点溶液的光致发光光谱，根据荧光强度分析不同种类金属离子对碳量子点荧光强度的影响。

3 结果与分析

3.1 N-CQDs的TEM图像分析

为了确认所合成的碳量子点的形貌和尺寸，通过透射电子显微镜对其形貌进行了分析表征。测试结果如图1。从图1a可见，N-CQDs具有较好的分散性，N-CQDs的尺寸约为4 nm左右。超小的粒径有利于获得大的比表面积以及更多的Cr6+反应活性位点。图1b为单颗N-CQDs的HR-TEM图像，从图可见，单颗N-CQDs具有均一单向的晶格条纹，说明合成的N-CQDs具有较好的结晶性。经测量其晶面间距为0.32 nm，对应于芳香碳与类石墨烯彼此堆叠的结构。

图1 (a) N-CQDs的TEM照片； (b) 单个N-CQDs的高分辨TEM照片Fig.1 (a) TEM image of N-CQDs; (b) HR-TEM image of a single N-CQD

3.2 红外光谱分析

图2为N-CQDs的红外光谱图。图中3424 cm-1处为O-H的伸缩振动吸收峰，3170 cm-处为N-H和-OH的伸缩振动吸收峰，在2919 和1444 cm-1处的峰可归结为C-H的伸缩振动和弯曲振动吸收峰，1595和1522 cm-1处为C=O的特征吸收峰，1334 cm-1处的峰为C-N的变形振动峰，1114 cm-1处为C-O的伸缩振动峰。结果表明，N-CQDs表面具有大量的氨基与羧基，这些亲水性基团使N-CQDs具有良好的水溶性，使N-CQDs能均匀稳定地分散在水溶液中。

图2 N-CQDs的红外光谱图Fig.2 FTIR spectrum of N-CQDs

3.3 XPS能谱分析

由于碳量子点的荧光淬灭特性与表面的化学状态有直接联系，因而可通过XPS表征所制备N-CQDs的表面化学状态。

碳量子点的XPS分析图谱如图3所示。图3a中530.08、400.08和290.08 eV处出现的三个峰分别为O1s、N1s和C1s的峰，这表明所制备的CQDs主要由C、O、N元素组成。图3b为样品中C1s的高分辨XPS谱。C1s分峰后得到288.2、286和284.5 eV三个峰，分别对应于C=O、C-O和C-C官能团。图3c为N-CQDs的N1s谱，分峰得到400.3和398.99 eV两个峰，分别对应N-H键和C-N键，而C-N键的存在表明得到的CQDs为N-CQDs。图3d中N-CQDs的O1s谱含有530.0和531.4 eV的两个峰，分别对应C=O、C-O键。以上结果表明N-CQDs表面具有较多的氨基与羧基官能团，这些表面亲水基团的存在使N-CQDs具有良好的水溶性，有利于与水体中的Cr6+键合并产生荧光淬灭。此结果与FTIR数据所反映的结论一致。

图3 N-CQDs的(a)XPS谱图、(b)C1s谱图、(c)N1s谱图、(d)O1s谱图Fig.3 XPS spectrum of N-CQDs: (a) XPS survey spectrum, (b) binding energy spectrum of C1s, (c) binding energy spectrum of N1s, (d) binding energy spectrum of O1s

3.4 N-CQDs的荧光性质

图4为测得的N-CQDs的荧光激发光谱和发射光谱，N-CQDs在350 nm的激发光下可发射出425 nm波长的蓝色荧光，这主要是因为N-CQDs较高的结晶度有利于光电子转移到表面，并产生了sp2的π-π*跃迁。

图4 N-CQDs的荧光激发光谱和发射光谱图Fig.4 Fluorescence excitation and emission spectroscopy of N-CQDs

N-CQDs的荧光强度还表现出依赖于激发光波长的特性。如图5所示，改变激发光波长，发射峰及其峰强也随之改变。当激发光波长由320 nm增加到400 nm，发射峰强度先增加后减小，当激发光波长达到350 nm时荧光强度达到最大值。

图5 N-CQDs在不同波长激发光激发下下的荧光发射光谱Fig.5 Fluorescence emission spectroscopy of N-CQDs at different excitation wavelengths

3.5 采用N-CQDs对Cr6+的检测

图6为含不同浓度Cr6+的N-CQDs在波长为350 nm激发光下的光致发光光谱，各体系中Cr6+浓度分别为0、0.5、4、8、10、30、40、50、60、70、80、90、100、150、500 μM。由图可知，在向N-CQDs中加入Cr6+后，体系在350 nm激发光照射下呈现发射光谱在425 nm处的强度明显衰减，且发射光的峰强随着Cr6+浓度的增大逐渐降低，当Cr6+浓度达到500 μM后峰强几乎可以忽略不计。以上结果说明水体中的Cr6+对所制备的N-CQDs具有荧光淬灭作用。

图6 含有不同浓度Cr6+的N-CQDs在350 nm激发光下的光致发光光谱Fig.6 Fluorescence emission spectroscopy of N-CQDs in different concentrations of Cr(VI)

F/F0=0.8084-0.0037CR2=0.9769

(1)

其中：C为Cr6+浓度，R2为相关系数。相关系数0.9769说明拟合曲线与测试结果具有高吻合度。浓度在4 μM及500 μM处的峰强与曲线偏差较大，说明该线性关系仅适用于浓度范围8～150 μM内的Cr6+的检测。

图7 含不同浓度Cr6+的N-CQDs溶液的F/F0随Cr6+浓度的变化曲线Fig.7 Linear relationship with the concentration of Cr(VI)

图8 浓度为500 μM的不同金属离子对N-CQDs荧光强度的影响。Fig.8 Effect of 500 μM interfering ions on the relative fluorescence intensity of N-CQDs

图9 其它金属离子与Cr6+共存的N-CQD溶液在350 nm激发光下测得的425 nm处荧光强度的比值Fig.9 Effect of interfering ions and Cr(VI) on the relative fluorescence intensity of N-CQDs

4 结 论

本研究使用谷氨酸为碳源，在未添加其它修饰剂的条件下，通过一步水热法制备了N-CQDs。测试结果表明N-CQDs表面具有大量的氨基与羧基，这使得N-CQDs具有较好的水溶性。这些表面丰富的官能团有利于量子点与Cr6+键合，形成有效的荧光淬灭。用该法制备的碳量子点在Cr6+浓度为8～150 μmol/L的动态响应范围内，N-CQD的荧光强度与Cr6+浓度具有良好的线性关系，N-CQDs对Cr6+的检出限为4 μmol/L。同时，该检测方法具有良好的选择性和抗干扰性，且在制备过程中未使用会产生严重污染环境的化学品。分析结果表明本研究所合成的N-CQDs在污染监控和分析方面具有一定潜在应用价值。