煤基碳點的制備及其在檢測痕量Cu2+中的應用

張卜+哈麗丹·買買提+張云飛+戴艷秋

摘 要 以新疆五彩灣煤炭為原料，通過混酸（H2SO4+HNO3）/超聲結合法制得煤基碳點（Cdots）， 對其結構進行了表征，考察了其作為熒光探針檢測水體中金屬離子的性能。結果表明，此煤基Cdots是一類具有sp2碳構筑的多層石墨烯碎片結構環壁，且鏈接了硝基等含氧基團的稠環芳烴結構粒子，粒徑為（8±4）nm，具有良好的吸收和熒光發射能力及水分散性； 在痕量Cu2+存在下，此Cdots能夠選擇性地發生熒光猝滅，對Cu2+的檢出限低至9.6 nmol/L，是一種極為有效的Cu2+熒光檢測劑。

1 引 言

碳點（Cdots）是2004年Xu等在分離和純化單壁碳納米管時發現的一類粒徑小于 10 nm 的近球形顆粒[1]，因具有卓越的光穩定性和水溶性、優異的生物相容性和低毒性、良好的化學穩定性以及響應性的熒光猝滅/增強等性質而得到了廣泛應用[2～5]，特別是在生化分析及環境監測等領域，Cdots因具有較高的選擇性和靈敏度， 已成為離子檢測方面的常用探針[6，7]。如Zhang等[8] 采用亞硫酰氯（SOCl2）氯化及乙二胺鈍化等步驟制得纖維素基熒光納米粒子（NCCEDA），將其作為熒光探針，用于檢測水體中的Pb2+，檢出限為24 nmol/L； Yan等[9]制備了聚乙烯亞胺（BPEI） 功能化的碳點（BPEICQDs），并成功用于Cu2+的檢測，檢出限達到6 nmol/L。然而，具有良好應用價值的納米粒子（熒光量子產率較高）大多需要進行功能化修飾，制備過程繁雜且價格昂貴； 另外，采用不同原料及方法制得的熒光Cdots的結構和性質迥異，對環境中離子或其它物質產生的特異性熒光響應也不同[10]。因此，選擇廉價易得的原料，采用更簡便的方法制備熒光Cdots，并探索其結構、性能及應用，具有重要的實際應用價值。

Cu2+作為眾多酶的輔因子，在生物體的生理活動中起著非常重要的協同催化作用[10，11]； 但如果生物體攝入的Cu2+過多， 又會打破細胞內的穩態， 從而導致一些類似阿耳茨海默癥的神經性疾病[12～14]。美國環境保護署的飲用水標準提出人體攝入的Cu2+不能超過1.3 mg/L[15]， 而我國飲用水標準中總銅含量不能超過1.0 mg/L。因此， 發展一種能高效、快速的檢測環境與生物體內Cu2+的熒光探針，具有重要的應用價值。

本研究選擇易于制備碳材料的新疆五彩灣煤炭[16]為原料，通過混酸（H2SO4+HNO3）/超聲結合法制備煤基Cdots，并在表征結構及光學性能的同時，將此煤基Cdots作為熒光探針， 用于檢測水體中的金屬離子，考察了其對Cu2+的選擇性猝滅效應。

2 實驗部分

2.1 儀器、試劑與材料

Fluorolog3型熒光光譜儀（法國HORIBA公司）； M18XHF22SRA型X射線衍射儀（MAC公司）； Eclipse TiS型熒光顯微鏡（20 × 物鏡，日本Nikon公司）； UV3900H型紫外可見分光光度儀（日本HITACHI公司）。 集熱式磁力加熱攪拌器（金壇市醫療儀器廠）； KQ5200E型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）； SFTGL12C型高速離心機 （上海菲恰爾分析儀器有限公司）。H600型透射電子顯微鏡（TEM，日本日立公司）； ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀（美國Thermo Fisher公司）。

H2SO4、HNO3等試劑均為分析純； 實驗用水均為二次蒸餾水。Spectrumiabs即用型透析袋（截留分子量100～500，上海通善生物科技有限公司）。煤樣取自中國新疆準東煤田的五彩灣煤礦，研磨并過200目篩后，在105℃下干燥4 h備用。

2.2 煤基Cdots的制備

按文獻[17]的方法制備煤基Cdots： 煤樣過200目篩，稱取1 g加入2.5 mol/L HNO3溶液，室溫攪拌24 h后再回流攪拌24 h，冷卻至室溫，離心，沉淀出煤粉渣，吹干后取0.5 g置入溶解瓶中，按比例加入25 mL H2SO4HNO3 （3∶1， V/V），60℃下超聲分散12 h，之后移至離心管中，用30 mL 水分3次洗滌沉淀物，離心分離（10000 r/min）除去洗液后（測得體系pH=0.01～1.21），加入20 mL水振蕩1 min，待沉淀物分散后，進行離心分離，取上層液（此時體系pH=1.99～4.09），并將其置入透析袋中，在水中透析72 h至中性，得煤基Cdots的水分散體，將其吹干，得0.0618 g黑褐色煤基Cdots。

2.3 形貌和成分表征

取煤基Cdots水分散體滴在銅網上晾干后，采用TEM觀察其形貌結構； 納米激光粒度儀測定煤基Cdots的粒徑； 采用X射線衍射儀對煤基Cdots進行XRD表征； 采用X射線光電子能譜儀（XPS）分析煤基Cdots的表面狀態。

分 析 化 學第45卷

第10期張卜等： 煤基碳點的制備及其在檢測痕量Cu2+中的應用

2.4 光學性能測試

將稀釋的煤基Cdots水分散體放入比色皿中，測定其UVvis吸收光譜，以及不同激發波長下的發射光譜； 將煤基Cdots水分散液滴在蓋玻片上晾干后， 使用熒光顯微鏡觀察煤基Cdots在不同波長光激發下的發光特性，并拍攝照片。

2.5 煤基Cdots對Cu2+的檢測

熒光納米粒子與半導體量子點類似，可通過與目標物作用，改變其表面電子空穴對之間的復合效率，導致熒光的增強或猝滅，從而實現對目標物的定性或定量分析[18]。為了檢測本研究制備的煤基Cdots對Cu2+的熒光響應性，考察了15種常見金屬離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Hg2+、Cr3+）對煤基Cdots熒光強度的影響，實驗步驟如下：配制0.25 g/L煤基Cdots溶液，分別移取1.00 mL，置入0～15號100 mL容量瓶中，再用PBS緩沖溶液（pH=7）定容，得0～15號煤基Cdots的PBS溶液。在1～15號溶液中分別加入1.00 mL（30 μmol/L）不同金屬離子溶液，測定其熒光發射光譜強度（F），并與未加入金屬離子溶液的空白溶液（0號）的熒光強度（F0）進行對比， 考察煤基Cdots對Cu2+的選擇性。配制一系列不同濃度的Cu2+溶液（0～50 μmol/L），取0.1 mL滴在煤基Cdots的PBS溶液中，混勻并測定其熒光發射光譜強度（F），觀察發光強度的變化（F/F0）， 考察煤基Cdots對Cu2+的靈敏度。選擇性及靈敏度實驗平行測定3次，結果取平均值。endprint

3 結果與討論

3.1 煤基Cdots的結構

煤分子是由脂肪鏈或醚鍵鏈接芳香砌塊結構的交聯狀高分子，在有機溶劑中只能溶脹而不能溶解[19]，但通過混酸/超聲處理后，其分子結構發生了根本變化。如圖1所示，在強酸及超聲作用下，鏈接煤炭分子中稠環芳烴結構的脂肪鏈或醚鍵首先斷裂，分布在其中的芳烴小分子流出，并與斷裂的脂肪鏈分子一同被酸氧化而鍵聯上大量的含氧官能團溶入水相（體系pH=0.01～1.21）； 之后，隨著水洗次數增多，體系中的酸含量逐漸降低， pH值逐步增大，當酸水的比例達到某個特定值時（此時pH=1.99～4.09），體系中會產生大量的硝化質子·NO2，并向芳環結構發起親電子攻擊[20]，導致煤炭中的稠環芳烴結構分子進一步氧化脫水，鏈接上硝基等含氧基團而溶入水中。該解聚物的顆粒尺寸恰好與量子點相當，且具有sp2碳構筑的多層石墨烯碎片結構環壁，是典型的熒光Cdots結構物質[21]。

圖2為本實驗制備的煤基Cdots的結構表征結果。由圖2A可見，通過混酸氧化法剝離除灰后的五彩灣煤炭制備的煤基Cdots為粒徑分布在（8±4）nm的近球形顆粒。其高分辨率透射電鏡圖像顯示該納米顆粒為環狀物（如圖2A插圖，應為煤炭中的芳環結構物質），環壁具有類似石墨結構

3.2 煤基Cdots的光學性質

由混酸/超聲結合法制得的煤基Cdots水分散體的吸收及熒光光譜（圖3A）可見，制備的煤基Cdots在紫外及可見光區域均有廣泛吸收。這可能與煤基Cdots結構中的大π鍵在紫外區發生的π→π*躍遷和其表面鏈接的CO， CN， CS，NO2等雜原子生色基團在可見光區發生的n→π*躍遷有關[28]。當采用360～540 nm的光激發煤基Cdots時，其熒光發射峰為單峰，強度是先增后降，且隨激發波長的增長而紅移，在500 nm左右達到最佳激發波長，在550 nm 左右出現最強發射峰。這說明本研究制備的煤基Cdots具有激發依賴的發射性質[29]。

將煤基Cdots水分散體滴在蓋玻片上晾干后，在熒光顯微鏡下觀察其形貌及發光特征，發現使用不同通道（既不同波長）的激發光，煤基Cdots會發出不同色的熒光，結果如圖3B～3D：圖3B是在340～380 nm激發光下發射藍色熒光的煤基Cdots的熒光顯微鏡照片； 采用465～495 nm的激發通道時，煤基Cdots發出綠色熒光（如圖3C）； 而采用540 nm的光激發時，煤基Cdots會發射紅色熒光（如圖3D）。這一結果與煤基Cdots的熒光光譜一致，進一步證明了煤基Cdots激發依賴的發射性質[29]。另外，采用340～540 nm的光激發上千次后的拍攝結果見圖3B～3D，在此過程中未發現明顯的發射光強度衰減現象，說明此煤基Cdots具有一定的光穩定性。

3.3 煤基Cdots用于熒光探針檢測Cu2+的靈敏性和選擇性

按照前述實驗方法，考察K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Hg2+和Cr3+對煤基Cdots熒光強度的影響，結果見圖4A。

圖4A中縱坐標表示加入不同金屬離子后煤基Cdots的熒光強度F和未加金屬離子時煤基Cdots的熒光強度F0的比值（F/F0）。從圖4A可見，當Cdots水分散液中存在K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Cd2+或 Hg2+時， Cdots的熒光幾乎未衰減； 在Fe3+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Co2+或Cr6+存在時， Cdots的熒光強度稍有下降，但降幅不明顯； 然而當煤基Cdots水分散液中存在Cu2+時， 煤基Cdots的熒光強度下降顯著， 說明Cu2+對煤基Cdots具有一定的選擇猝滅效應。

為了揭示Cu2+對煤基Cdots的熒光具有選擇性猝滅的原因，在2.5 μg/mL煤基Cdots的PBS緩沖溶液中加入2 mL 30 μmol/L Cu2+溶液，當Cdots的熒光完全淬滅后， 采用TEM觀察混合液其中Cdots形貌結構的變化，發現Cu2+已吸附于煤基Cdots表面（圖4B），可能是Cu2+與存在于煤基Cdots表面的羧基、羥基、環氧基、磺酸基、硝基等含氧官能團發生了螯合作用，從而導致煤基Cdots的熒光淬滅。為了驗證此結論， 在上述實驗液中加入了過量的強螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA），使其與溶液中的Cu2+充分螯合，再次測試溶液的熒光光譜，發現熒光強度幾乎能完全恢復到未加Cu2+時的水平。通過上述分析， 可以推斷之前煤基Cdots水分散體的熒光淬滅是由加入的Cu2+與存在于煤基Cdots表面的含氧官能團發生螯合作用而引起的。

圖5是體系pH值、煤基Cdots與Cu2+的反應時間對煤基Cdots熒光強度的影響。

體系pH值既影響煤基Cdots的表面電荷特征，又影響Cu2+的水解行為及其在溶液中的存在形態，因此會強烈影響煤基Cdots與Cu2+的螯合。由圖5A可見，體系pH<3時，Cu2+對煤基Cdots的熒光淬滅效果不佳。因為此時，煤基Cdots表面會附著有大量的H+而占據Cdots與Cu2+的結合位點； 而且在酸性條件下，Cu2+ 又以[Cu（H2O）6]2+ 的形態存在[30]，同種電荷的排斥作用也降低了Cu2+與Cdots的結合能力。隨著體系pH值增大，煤基Cdots表面所附著的H+被釋放，鏈接在Cdots的COOH、OH等含氧基團上的H+也會被解離，這不僅使Cdots表面結合Cu2+的位點增加，而且還能使Cdots表面負電荷增加。而此時，Cu2+ 是以[Cu（OH）（H2O）6]+ 的形態存在的[30]，Cdots表面結合位點的增多，以及異性電荷的相吸，均能促進Cu2+與Cdots的螯合作用，從而使Cu2+對煤基Cdots的熒光淬滅效果增強。本研究采用pH=7的PBS緩沖溶液維持檢測體系處于中性。

4 結 論

以新疆五彩灣煤炭為原料，通過混酸（H2SO4+HNO3）/超聲結合法制備了粒徑為（8±4） nm的煤基Cdots。TEM、XRD、XPS等測試結果表明其是一種具有sp2碳構筑的多層石墨烯碎片結構環壁，且鏈接了羧基、羥基、環氧基、磺酸基、硝基等含氧基團的稠環芳烴結構環狀粒子，具有良好的水分散性。將煤基Cdots作為熒光探針檢測水體中的金屬離子，在痕量Cu2+離子存在下，煤基Cdots能夠選擇性的發生熒光猝滅，對Cu2+的檢出限低達9.6 nmol/L，是一種極為有效的Cu2+熒光檢測劑。endprint