氮摻雜碳點的制備及在六價鉻檢測中的應用

曾　強，朱浩波，朱紅艷，朱小利，戴昌雄，鄧　淳，何　瑜，張修華，宋功武

(1.武漢紅金龍印務股份有限公司，湖北 武漢 430056；2.湖北大學化學化工學院，湖北 武漢 430062)

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氮摻雜碳點的制備及在六價鉻檢測中的應用

曾強1，朱浩波1，朱紅艷1，朱小利1，戴昌雄1，鄧淳2，何瑜2，張修華2，宋功武2

(1.武漢紅金龍印務股份有限公司，湖北 武漢 430056；2.湖北大學化學化工學院，湖北 武漢 430062)

摘要：以破壁靈芝孢子粉為碳源、尿素為含氮摻雜劑，采用一步超聲法制備了氮摻雜熒光碳點(N-CDs)，并將其作為熒光探針檢測Cr(6+)。向碳點溶液中加入Cr(6+)后，碳點熒光發生了猝滅，表明碳點與Cr(6+)發生了作用，并在Cr(6+)濃度為0～300 μmol·L(-1)范圍內熒光強度變化值與Cr(6+)濃度表現出良好線性關系，相關系數為0.9818，檢出限為0.3 μmol·L(-1)。在實際樣品檢測中，回收率較好，為94%～102%，說明所制N-CDs可用于Cr(6+)的檢測，具有較高的實用價值。

關鍵詞：Cr(6+)；靈芝孢子粉；熒光碳點；氮摻雜；熒光檢測

鉻是一種重要的金屬元素，廣泛應用于電鍍、制革、染料及冶金工業中[1]。在環境中主要以Cr3+和Cr6+兩種形式存在[2]。鉻的毒性與其所處化學價態有關[3]，Cr3+為人體所需微量元素[4]，主要功能為促進人體糖類[5]、蛋白質[6]和脂類的新陳代謝及人體生長發育[7-8]，而Cr6+對人體有毒，易穿透細胞并在細胞內沉積，其強氧化性可引起腎臟、肝臟、神經系統和血液的廣泛病變[9]。因此，對Cr6+的檢測顯得十分必要。

熒光碳點(fluorescentcarbondots，CDs)[10]是繼量子點之后又一種新型的熒光納米材料，具有良好的發光性能與小尺寸特性，而且還具有很低的生物毒性和良好的生物相容性[11]，克服了傳統熒光染料的缺點，在細胞成像[12]、標記[13]及檢測[14]等領域具有廣闊的應用前景，有望代替量子點成為最具應用前景的環保型熒光納米材料。

作者以破壁靈芝孢子粉為碳源、尿素為含氮摻雜劑，采用一步超聲法制備氮摻雜熒光碳點(N-CDs)，并將其作為熒光探針檢測環境水樣中Cr6+。

1實驗

1.1試劑與儀器

靈芝孢子粉；尿素，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；二次去離子水。

LS55型熒光分光光度計、Spectrumone型傅立葉變換紅外分光光度計、Lambda35型紫外分光光度計，美國Perkin-Elmer公司；TecnaiG20型透射電子顯微鏡，美國FEI公司；DTC-8型超聲波清洗機，鼎泰(湖北)生化科技設備制造有限公司。

1.2方法

1.2.1N-CDs的制備及表征

準確稱取1 g破壁靈芝孢子粉溶于100 mL去離子水，向其中加入1 g尿素，攪拌均勻，超聲反應4 h。反應結束后冷卻至室溫，離心抽濾，得到淡黃色上清液即為N-CDs溶液，將其稀釋100倍，4 ℃儲存，備用。

通過熒光光譜、TEM、FTIR、UV-Vis對制備的N-CDs進行表征。

1.2.2N-CDs的穩定性

N-CDs在應用中會受到環境酸堿度及離子強度的影響，測定N-CDs溶液在pH值2～12、KCl溶液濃度在0～100 mmol·L-1范圍內的440 nm處的熒光強度，考察酸堿度和離子強度對N-CDs熒光性質的影響。

1.2.3N-CDs對Cr6+的檢測

配制一系列不同濃度(0～300 μmol·L-1)的鉻酸鉀溶液，與N-CDs溶液混合。在900 V電壓、激發與發射狹縫分別為15 nm和20 nm的條件下，固定激發波長325 nm，測定體系熒光強度，得到熒光猝滅譜圖。

2結果與討論

2.1N-CDs的表征(圖1)

圖1　N-CDs的熒光激發光譜和發射光譜(a)、透射電鏡照片(b)、紅外光譜(c)、紫外光譜(d)

由圖1a可知，制備的N-CDs具有良好的熒光特性，激發峰和發射峰分別在325 nm和440 nm處，表明N-CDs可以用于熒光方面的應用。由圖1b可知，制備的N-CDs粒度均一，分散性好，粒徑為2 nm左右，符合碳點基本特性。由圖1c可知，3 443 cm-1、3 350 cm-1為氨基伸縮振動峰，1 671 cm-1為氨基彎曲振動峰，表明成功摻雜了氮。由圖1d可知，N-CDs在250 nm處具有紫外吸收。

2.2N-CDs的穩定性(圖2)

由圖2a可知，在pH值為2～12時，N-CDs的熒光強度變化不大，表明N-CDs具有良好的pH值穩定性。由圖2b可知，在不同濃度KCl溶液中，N-CDs在440 nm處的熒光強度與未加KCl的熒光強度幾乎一致，表明制備的N-CDs在較高離子強度溶液中具有良好的穩定性。

圖2N-CDs在不同pH值(a)和離子強度(b)下的熒光強度

Fig.2The fluorescence intensity of N-CDs at different pH values(a) and ionic strengths(b)

2.3N-CDs檢測Cr6+的可行性

為探究所制備的N-CDs檢測溶液中Cr6+的可行性，測定了加Cr6+前后N-CDs的熒光發射光譜，見圖3。

圖3　加Cr6+前后N-CDs的熒光發射光譜

由圖3可知，加Cr6+后N-CDs溶液在440 nm處熒光強度極大降低，發生了猝滅，表明制備的N-CDs具有檢測Cr6+的可行性。

環境酸堿度不僅可能影響N-CDs熒光強度，也可能會影響N-CDs在檢測中對目標物的熒光響應性，測試150 μmol·L-1Cr6+在不同pH值環境中對N-CDs熒光強度猝滅百分比，結果見圖4。

圖4　不同pH值下Cr6+對N-CDs熒光強度猝滅百分比

由圖4可知，在pH值為2和3的條件下，Cr6+對N-CDs熒光強度猝滅百分比最大，響應最靈敏，故選取溶液pH值為3作為最佳檢測條件。

在pH值為3的條件下，考察不同濃度Cr6+對N-CDs熒光強度的影響，結果見圖5。

圖5　不同濃度Cr6+對N-CDs熒光強度的影響

由圖5可知，N-CDs熒光強度隨著Cr6+濃度的增大而逐漸減弱，說明Cr6+與N-CDs發生了相互作用，并且猝滅十分明顯，表明N-CDs可以應用于Cr6+檢測。

為驗證N-CDs對Cr6+檢測的靈敏度，測定440 nm處N-CDs溶液加Cr6+前后的熒光強度(F0、F)，由F0/F對Cr6+濃度作圖(圖6)，得到檢測Cr6+的工作曲線，線性擬合方程為F0/F=0.732+0.011cCr6+，相關系數R2=0.9818。Cr6+濃度線性范圍為0～300 μmol·L-1，檢出限為0.3 μmol·L-1，表明該檢測方法可行，并且檢測靈敏。

2.4離子選擇識別性

N-CDs在檢測Cr6+過程中，可能會受到環境中各種金屬離子的干擾，對N-CDs檢測Cr6+的靈敏度進行了選擇識別性測試實驗。在pH值為3、Cr6+濃度為200 μmol·L-1的條件下，測試了環境中的其它12種濃度為1 mmol·L-1的金屬離子(Ni2+、Mn2+、Co2+、Fe2+、Fe3+、Ag+、Mg2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+、Hg2+、Cr3+)對N-CDs熒光強度猝滅百分比，結果見圖7。

圖6　440 nm處熒光強度與Cr6+濃度關系

圖7　N-CDs對Cr6+選擇識別性

由圖7可知，12種金屬離子對N-CDs熒光響應較小，表明N-CDs對Cr6+的選擇識別性較好。

2.5實際樣品檢測

分別對長江水、東湖水、沙湖水進行簡單過濾后，進行加標回收測試，N-CDs對3種未稀釋實際水樣中的Cr6+加標回收檢測結果見表1。

表1

實際樣品檢測結果(n=3)

Tab.1The detection results of real samples(n=3)

樣品加入量μmol·L-1測得值μmol·L-1回收率/%長江水6058.64±0.3598±0.59東湖水6059.28±1.6099±2.67沙湖水6056.85±0.4595±0.75

由表1可知，N-CDs在實際樣品檢測中的結果達到期望值，回收率均在94%～102%之間，適合微量分析，說明制備的N-CDs在Cr6+檢測中具有較高的實用價值。

2.6N-CDs熒光檢測Cr6+的機理

熒光猝滅機理通常分為2種：動態猝滅和靜態猝滅。動態猝滅機理一般用Stern-Volmer方程(式1)描述；靜態猝滅機理則用Lineweaver-Burk方程(式2)解釋。

F0/F=1+KSVcq

(1)

1/(F0-F)=1/F0+KLB/(F0cq)

(2)

式中：F、F0分別是猝滅劑存在與不存在下體系的熒光強度；KSV為動態猝滅常數(即Stern-Volmer猝滅常數)，KLB為靜態猝滅常數(即Lineweaver-Burk猝滅常數)；cq為猝滅劑濃度。

以不同濃度猝滅劑存在下的熒光強度F0/F對猝滅劑濃度作圖，得到線性方程F0/F=0.732+0.011cCr6+，線性相關系數為0.9818，表明Cr6+猝滅N-CDs遵循Stern-Volmer方程，屬于動態猝滅，說明熒光猝滅可能是Cr6+與激發態的N-CDs發生相互碰撞而導致的。

為了進一步討論Cr6+的檢測機理，考察了加Cr6+前后N-CDs的紫外光譜，見圖8。

圖8　N-CDs的熒光猝滅機理

由圖8可知，Cr6+在350 nm處的紫外吸收峰與N-CDs在325 nm處的熒光激發峰部分重合，在440 nm處的紫外吸收峰與N-CDs在440 nm處的熒光發射峰重合，說明在檢測過程中，Cr6+不僅能吸收N-CDs的激發能量也能吸收N-CDs的發射能量，即檢測過程中存在能量傳遞行為[15]。

3結論

以破壁靈芝孢子粉為碳源、尿素為含氮摻雜劑，采用一步超聲法制備了N-CDs。所制備的N-CDs粒徑為2 nm左右，粒度均一，熒光性質穩定，對Cr6+選擇識別性好，可以作為Cr6+熒光探針。在Cr6+濃度為0～300 μmol·L-1范圍內N-CDs熒光強度變化值與Cr6+濃度表現出良好線性關系，相關系數為0.9818，檢出限為0.3 μmol·L-1。N-CDs對Cr6+的檢測靈敏度較高，并且在實際樣品檢測中得到預期結果，表明制備的N-CDs可以較好地應用于實際樣品檢測，具有較高的實用價值。該方法簡單快速，測定條件溫和，極具推廣價值。

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Preparation of Nitrogen Doped Carbon Dots and Their Application as Fluorescence Probe for Cr6+Detection

ZENG Qiang1，ZHU Hao-bo1，ZHU Hong-yan1，ZHU Xiao-li1,DAI Chang-xiong1，DENG Chun2，HE Yu2,ZHANG Xiu-hua2,SONG Gong-wu2

(1.WuhanHongjinlongPrintingCo.,Ltd.,Wuhan430056，China；2.CollegeofChemistry&ChemicalEngineering，HubeiUniversity，Wuhan430062，China)

Abstract：In this paper,using the Ganoderma lucidum spores as a carbon source,urea as a nitrogen dopant,nitrogen doped fluorescent carbon dots(N-CDs) were prepared with one-step ultrasound method.The prepared N-CDs were used as a fluorescence probe for Cr(6+) detection.The fluorescence intensity of N-CDs quenched after adding Cr(6+).The fluorescence intensity showed a good linear relationship with the concentration of Cr(6+) range from 0 to 300 μmol·L(-1),the correlation coefficient was 0.9818 and the detection limit was 0.3 μmol·L(-1).The recoveries of real samples were 94%～102%,which indicated a good practical application of N-CDs.

Keywords：chromium(Ⅵ);Ganoderma lucidum spores;fluorescent carbon dots;nitrogen doped;fluorescence detection

中圖分類號：O 613.71

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)03-0048-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.03.013

作者簡介：曾強(1980-)，男，湖北武漢人，工程師，研究方向：環境分析，E-mail：zengqiang@hjlprint.com。

收稿日期：2015-12-28