烟叶碳量子点的制备及其在水体中亚硝酸盐含量测定中的应用

尚永辉 ,赵引涛 ,陈安然 ,马 琳 ,张红鸽 ,马思雨

(1.咸阳师范学院 化学与化工学院,咸阳 712000;2.宝鸡文理学院 化学化工学院,宝鸡 721013)

碳量子点(CQDs)是近年来兴起的一种新型碳纳米材料,该材料性能稳定、毒性低、水溶性好、易于合成、易于功能化和具有特殊光学性能[1-3],被广泛应用于农药残留检测[4]、环境分析[5]、食品分析[6]等领域。目前CQDs的制备方法主要有电弧放电法[2]、电化学法[3]、水热法[7]、微波法[8]等。其中,水热法被认为是一种简单、廉价、低毒而又高效地制备荧光CQDs的方法。CQDs的表面官能团对CQDs的性能有很大影响,而碳源的选择对于CQDs表面官能团起着至关重要的作用。碳源的选择呈多样化,一般生物质碳源包括秸秆、水果汁、树叶等,以其制备CQDs不仅成本低廉,而且具有绿色环保无污染的优点。

亚硝酸盐是食品、土壤、天然水以及多叶蔬菜、肉制品中的一种常见有毒无机污染物。人体摄入过量的亚硝酸盐时,血液中正常携氧的低铁血红蛋白会被氧化成高铁血红蛋白,从而失去携氧能力,导致组织缺氧。此外,亚硝酸盐在胃酸环境下能与食物中的仲胺、叔胺和酰胺等反应生成潜在的强致癌物质亚硝胺[9-10]。因此,快速、准确、高效地测定食品和环境中的亚硝酸盐含量具有十分重要的意义。文献报道的亚硝酸盐检测方法主要有离子色谱法[11]、催化动力学光度法[12]、荧光法[13]等,而以烟叶制备碳量子点用于环境水体中亚硝酸盐含量检测的文章尚未见报道。鉴于此,本工作以烟叶为原料,通过水热法合成了烟叶CQDs,并将其应用于水体中亚硝酸盐含量的测定,方法成本低、简单、快速,可为水体质量的监测提供技术支撑。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

RF-5301型荧光分光光度计;UV-1800型紫外-可见分光光度计;WFH-203B型三用紫外分析仪;JEOL 2100F型场发射透射电子显微镜(TEM);Zetasizer型粒度电位仪;101型电热鼓风干燥箱;GTR16-2型高速离心机。

亚硝酸钠标准储备溶液:10 mmol·L-1,由亚硝酸钠粉末用水稀释制得。其他溶液均由此溶液用水逐级稀释制得。

所用试剂均为分析纯;试验用水为二次蒸馏水。

1.2 试验方法

1.2.1 水热法制备烟叶CQDs

将市售烟叶于50℃烘干、剪碎,分取1 g置于100 mL反应釜中,加入60 mL水,于180℃烘箱中保温8 h。用3号砂芯漏斗过滤,滤液用0.02 mol·L-1盐酸溶液及0.04 mol·L-1氢氧化钠溶液调至中性,以10 000 r·min-1转速离心15 min,上清液依次过0.45,0.22μm水系滤膜,滤液转移至100 mL容量瓶中,用水稀释至刻度,即得烟叶CQDs,于4℃保存。

1.2.2 样品的测定

渭河水样经静置过夜后,以8 000 r·min-1转速离心10 min。分取2 mL上清液置于比色管中,加入100μL烟叶CQDs和3 mL伯瑞坦-罗宾森(BR)缓冲溶液(pH 1.81),用水稀释至10 mL,静置反应4 h,置于荧光分光光度计中,设置激发、发射狭缝宽度分别为5.0,3.0 nm,在激发波长440 nm、发射波长510 nm处检测。

2 结果与讨论

2.1 烟叶CQDs的表征

烟叶CQDs的TEM图及粒径分布图见图1。

由图1可知,烟叶CQDs呈较为规则的球形,分布均匀且尺寸均一,粒径为2.5～5.5 nm。

图1 烟叶CQDs的TEM图和粒径分布图Fig.1 TEM image and the particle size distribution of tobacco leaf CQDs

2.2 烟叶CQDs的光学性质

2.2.1 烟叶CQDs的紫外-可见吸收光谱

取500μL烟叶CQDs,加入2 mL B-R缓冲溶液(pH 1.81),用水稀释至10 mL,以烟叶CQDs空白溶液为参比,用紫外-可见分光光度计检测,结果见图2。

由图2可知,烟叶CQDs在260,280 nm处有明显的吸收峰,推测由烟叶CQDs碳骨架结构中共轭碳碳双键π-π*跃迁所致。

图2 烟叶CQDs的紫外-可见吸收光谱Fig.2 UV-Vis absorption spectrum of tobacco leaf CQDs

2.2.2 烟叶CQDs的荧光光谱

取100μL烟叶CQDs,加入2 mL B-R缓冲溶液(pH 1.81),用水稀释至10 mL,静置反应4 h后,按照1.2.2节仪器参数测试,并比较了不同激发、发射波长下的荧光光谱,结果见图3。

由图3可知,CQDs发射波长随激发波长增加逐渐红移,激发波长随发射波长增加逐渐蓝移,可能与CQDs粒径分布以及表面发射位点等有关。综合考虑荧光强度等,试验选择的激发、发射波长为440,510 nm。

图3 烟叶CQDs的荧光光谱Fig.3 Fluorescence spectra of tobacco leaf CQDs

用合成的烟叶CQDs在滤纸上写字,用三用紫外分析仪辐射,观察写好字的滤纸和烟叶CQDs的发光效果,结果见图4。

图4 紫外分析仪下烟叶CQDs的发光效果Fig.4 Luminescence effect of tobacco leaf CQDs with UV analyzer

2.2.3 烟叶CQDs的量子产率

将0.1 g硫酸喹啉溶于0.1 mol·L-1硫酸溶液中制备硫酸喹啉储备溶液,按照文献[14]测定烟叶CQDs的量子产率,所得结果为4.88%。

2.3 亚硝酸盐对烟叶CQDs荧光强度的影响

试验比较了加入0.5 mmol·L-1亚硝酸钠标准溶液500μL前后烟叶CQDs的荧光强度,结果见图5。

图5 亚硝酸盐对烟叶CQDs荧光强度的影响Fig.5 Effect of nitrite on the fluorescence intensity of tobacco leaf CQDs

由图5可知,加入亚硝酸钠后,烟叶CQDs荧光强度降低,说明亚硝酸盐能猝灭烟叶CQDs的荧光。

2.4 亚硝酸盐测定条件的选择

2.4.1 缓冲溶液酸度

在比色管中加入0.5 mmol·L-1亚硝酸钠标准溶液500μL,考察了不同酸度B-R缓冲溶液(pH 1.81,2.56,3.29,4.56,5.72,7.96,9.15,10.38,11.56)对烟叶CQDs-亚硝酸盐体系荧光强度猝灭值的影响,结果见图6。

图6 B-R缓冲溶液酸度对体系荧光强度猝灭值的影响Fig.6 Effect of acidity of B-R buffer solution on the quenching value of fluorescence intensity of the system

由图6可知,B-R缓冲溶液的酸度为pH 1.81时,体系荧光强度猝灭值较大,猝灭现象较明显,因此试验选择在此酸度的缓冲溶液中进行荧光检测。

2.4.2 底液

考察了分别以B-R缓冲溶液(pH 1.81)、甘氨酸-盐酸缓冲溶液(pH 2.0)、邻苯二甲酸氢钾-盐酸缓冲溶液(pH 2.2)和磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液(pH 2.2)等4种酸度相近的缓冲溶液作底液时对烟叶CQDs-亚硝酸盐体系荧光强度猝灭值的影响,结果见图7。

图7 缓冲溶液对体系荧光强度猝灭值的影响Fig.7 Effect of buffer solution on the quenching value of fluorescence intensity of the system

由图7可知,以B-R缓冲溶液(pH 1.81)作底液时,体系荧光强度猝灭值较大,猝灭现象较明显,因此试验选择此缓冲溶液作底液。

2.4.3 反应时间

试验发现,体系荧光猝灭过程在2 h左右基本达到稳定,且荧光强度在24 h内没有显著变化。综合考虑,试验选择的反应时间为4 h。

2.5 标准曲线和检出限

用水配制2.00×10-4,5.00×10-4,1.00×10-3,5.00×10-3,1.00×10-2,5.00×10-2,1.00×10-1,1.50×10-1,2.00×10-1,2.50×10-1μmol·L-1亚硝酸钠标准溶液系列,按照试验方法测定,以亚硝酸钠浓度为横坐标,其对应的荧光强度猝灭值为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,标准曲线的线性范围为2.00×10-4～2.50×10-1μmol·L-1,线性回归方程为y＝1.807x＋13.87,相关系数为0.998 1。

按照试验方法重复分析样品空白15次,以3倍标准偏差(s)计算检出限(3s),结果为0.66×10-4μmol·L-1。

2.6 精密度和回收试验

按照试验方法分析渭河水样,并对其进行5个浓度水平的加标回收试验,每个浓度水平平行测定5次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表1。

表1 精密度和回收试验结果(n＝5)Tab.1 Results of tests for precision and recovery(n＝5)

本工作以水热法制备了呈球状分布、尺寸均一且具有良好发光性能的烟叶CQDs,并用于水体中亚硝酸盐含量的测定。该方法定量准确、简单实用,具有一定的应用价值。