基于高熒光碳量子點(diǎn)的汞離子熒光探針構(gòu)建

賀建同，傅政

(1、新鄉(xiāng)市婦幼保健院檢驗(yàn)科，河南 新鄉(xiāng) 453000；2、河南工學(xué)院應(yīng)用化工，河南 新鄉(xiāng) 453007)

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，環(huán)境中重金屬離子對(duì)人體健康的影響引起了關(guān)注，如：研究發(fā)現(xiàn)，鈷、鉻離子對(duì)人體的成骨細(xì)胞均有細(xì)胞毒性，可以導(dǎo)致細(xì)胞活性下降[1]，而汞作為毒性較強(qiáng)的重金屬，每年全球人為釋放到大氣中的總量高達(dá)3000噸[2]，且汞離子不能生物降解和破壞，當(dāng)它富積于食物、水和環(huán)境中，就會(huì)被人體吸收，對(duì)人體造成危害[3]。因此開發(fā)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確檢測(cè)汞離子的方法意義重大。碳量子點(diǎn)作為一種新型的熒光碳納米材料，具有極好的光學(xué)特性、低細(xì)胞毒性和良好的生物相容性[4]，從而被成功用于生物成像與生物傳感、疾病診斷、靶向示蹤和藥物釋放/運(yùn)輸、離子檢測(cè)等領(lǐng)域[5－10]。目前，碳量子點(diǎn)的合成主要有物理方法和化學(xué)方法。然而，通過(guò)這些方法合成的碳量子點(diǎn)，熒光量子產(chǎn)率較低，而在碳量子點(diǎn)里摻雜雜原子可以有效提高其熒光量子產(chǎn)率[11]。因此，本文使用EDTA作前軀體，用硫脲作摻雜劑，采用水熱法一步合成了氮、硫共摻雜的碳量子點(diǎn)。該碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度強(qiáng)（熒光量子產(chǎn)率：35.2%），且無(wú)需化學(xué)修飾，其熒光可以有效被汞離子猝滅。實(shí)驗(yàn)表明，即使在汞離子濃度很低時(shí)，也可將其熒光顯著淬滅，這表明一個(gè)高選擇性和靈敏性的汞離子熒光探針已構(gòu)建。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑 傅里葉中遠(yuǎn)紅外光譜儀（FT－IR，PerkinElmer， 美國(guó))；X－射線光電子能譜儀（XPS，PHI Quantera，日本）；紫外－可見光譜儀（TU－1810，北京普析儀器有限公司）；熒光光譜儀（VARIAN，美國(guó)）。

EDTA、 硫脲 、Mg(NO3)2、Hg(NO3)2、AgNO3、Co(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2、Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、Pb(NO3)2、NaCl、KCl、ZnCl2、AlCl3、BaCl2、MnCl2、FeSO4·7H2O均購(gòu)自于國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司 （上海），硫酸奎寧（98%）購(gòu)自于阿拉丁試劑公司。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 高熒光碳量子點(diǎn)的合成 將 3.0g EDTA和1.53g硫脲溶于30ml超純水里，溶解后倒入聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜中，180℃反應(yīng)10h，得到棕黃色產(chǎn)物。離心，上清液過(guò)濾，濾液干燥，干燥后的碳量子點(diǎn)溶于超純水中制得0.01g/L工作液。

1.3 熒光量子產(chǎn)率 將硫酸奎寧溶于0.1M H2SO4中，制得硫酸奎寧溶液（QY=54.0%，360nm），以其作標(biāo)準(zhǔn)物，分別檢測(cè)碳量子點(diǎn)和硫酸奎寧在相應(yīng)激發(fā)波長(zhǎng)下的吸光度（為了使再吸收效應(yīng)最小化，所測(cè)溶液的吸光度值均應(yīng)小于0.01）；再分別掃描碳量子點(diǎn)和硫酸奎寧的熒光發(fā)射峰，根據(jù)公式（1）計(jì)算熒光量子產(chǎn)率：

Q：熒光量子產(chǎn)率；I：熒光發(fā)射峰積分面積；A：激發(fā)波長(zhǎng)處溶液的吸光度；η：溶劑的折射率；s：標(biāo)準(zhǔn)物；x：待測(cè)物。

1.4 樣品處理 將采集三個(gè)不同部位的人發(fā)樣分別進(jìn)行處理。方法：先將發(fā)樣剪成碎段、混勻，用水漂洗，然后加入中性洗滌劑溶液浸泡1h，棄去洗液，用自來(lái)水洗凈泡沫，再用蒸餾水、超純水洗至無(wú)泡沫，烘箱中烘干。準(zhǔn)確稱取0.25g于帶蓋消化瓶中，加混酸（高氯酸：濃硝酸＝2：5）10ml，加熱消化至白色粉末，用去離子水溶解，定容于25ml容量瓶中。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法 在一系列1.5ml離心管中加入100 μl碳量子點(diǎn)和不同含量的Hg2+，用超純水定容至1.0ml，混勻，反應(yīng)10min后于390nm激發(fā)波長(zhǎng)下掃描溶液的發(fā)射光譜 （激發(fā)和發(fā)射光譜的狹縫寬度均設(shè)置為5nm），所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳量子點(diǎn)的表征 為了了解合成的碳量子點(diǎn)組成及表面基團(tuán)，對(duì)其進(jìn)行了紅外光譜學(xué)和X－射線光電子能譜表征。

其紅外結(jié)果（圖 1）顯示，3413cm－1和 3177cm－1處分別出現(xiàn)了O－H和N－H的伸縮振動(dòng)峰。而1631cm－1處為C=O的彎曲振動(dòng)峰，表明在碳量子點(diǎn)表面含有氨基、羥基和羧基，因此材料具有很好的水溶性。1493cm－1和1398cm－1處則分別為C=C和 C－H、N－H、C－S、C－N 的彎曲振動(dòng)峰。 C－O 的彎曲振動(dòng)峰出現(xiàn)在1195cm－1處，C=S的彎曲振動(dòng)峰和 C－S的伸縮振動(dòng)峰則出現(xiàn)在 1051cm－1和862cm－1處。紅外結(jié)果證實(shí)，N、S原子成功摻雜到了碳量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)里。

圖1 碳量子點(diǎn)的FT-IR光譜

在氮、硫共摻雜碳量子點(diǎn)的XPS全譜圖里（圖2a），532.0 eV、400.5 eV 和 284.4 eV 處出現(xiàn)的三個(gè)峰， 分別對(duì)應(yīng)于 O1s、N1s和C1s。 而 162.8 eV和226.6 eV處的兩個(gè)峰，則分別對(duì)應(yīng)于S2p和S2s，這也說(shuō)明成功合成了氮、硫共摻雜碳量子點(diǎn)，且碳量子點(diǎn)中 C，N，O，S四種元素的含量分別為52.9%，19.5%，24.9%和 2.7%。 對(duì) N1s 進(jìn)行高分辨處理，發(fā)現(xiàn)在400.4 eV和399.7 eV處出現(xiàn)二個(gè)峰（圖 2b），分別對(duì)應(yīng)于 C－N 和 N－H。 S2p分峰（圖2c）， 在 168.5 eV，163.2 eV 和 162.0 eV 處出現(xiàn)三個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)于－C=S和－C－S的2p1/2和2p3/2[12]。這一結(jié)果與紅外結(jié)果相一致。

圖2 （a）碳量子點(diǎn)的XPS全譜圖及（b）N1s和（c）S2p高分辨譜圖

2.2 碳量子點(diǎn)發(fā)光性能研究 像碳基于的其他量子點(diǎn)一樣，該碳量子點(diǎn)在激發(fā)波長(zhǎng)為340nm～500nm范圍內(nèi)也表現(xiàn)出波長(zhǎng)依賴性（圖3）。即當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)超過(guò)340nm時(shí)，隨著激發(fā)波長(zhǎng)增加，熒光發(fā)射峰位置紅移，從438nm移到535nm，且峰的強(qiáng)度減小。這可能是由于材料表面具有不同的形態(tài)及能量陷阱，產(chǎn)生了不同的發(fā)射位點(diǎn)，導(dǎo)致了碳量子點(diǎn)的波長(zhǎng)依賴性[13]。正像紅外表征結(jié)果，碳量子點(diǎn)表面含有C、N、O、S的官能團(tuán)，而這些基團(tuán)的存在可以使其表面具有不同的能級(jí)和發(fā)射陷阱。在最佳激發(fā)波長(zhǎng)390nm處，得到了它的最佳發(fā)射光譜，發(fā)射峰位于450nm。以硫酸奎寧作標(biāo)準(zhǔn)物，測(cè)得其熒光量子產(chǎn)率可達(dá)35.2%。

圖3 碳量子點(diǎn)的波長(zhǎng)依賴性

2.3 反應(yīng)條件優(yōu)化 為了得到測(cè)定Hg2+的最佳實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)碳量子點(diǎn)的濃度、反應(yīng)時(shí)間及pH值進(jìn)行研究。由于本文測(cè)定Hg2+是基于碳量子點(diǎn)的熒光猝滅效應(yīng)，而碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度依賴于它的濃度，提高濃度有利于增加測(cè)定的靈敏度。然而，碳量子點(diǎn)濃度過(guò)高易凝聚，發(fā)生自猝滅；濃度低，探針的熒光強(qiáng)度減弱。考慮到方法的靈敏性，實(shí)驗(yàn)選碳量子點(diǎn)的濃度為 0.01g/L。pH 值對(duì) CDs－Hg2+體系熒光響應(yīng)的影響結(jié)果如圖4a，相對(duì)于其他pH值，當(dāng)pH處于5～7范圍內(nèi)時(shí)，體系的熒光強(qiáng)度減弱較為明顯；pH過(guò)高，汞離子易水解。因此，實(shí)驗(yàn)選擇自然條件下反應(yīng)（自然條件下pH值約為6）。室溫下反應(yīng)時(shí)間對(duì)熒光檢測(cè)的影響如圖4b，Hg2+對(duì)碳量子點(diǎn)的熒光猝滅非常迅速，5min內(nèi)反應(yīng)完全，以后變化很小，實(shí)驗(yàn)選反應(yīng)時(shí)間為10min。

圖4 （a）pH值及（b）反應(yīng)時(shí)間對(duì)熒光響應(yīng)的影響

2.4 方法的選擇性和靈敏性 在最佳反應(yīng)條件下探討探針的靈敏度。將不同濃度汞離子0～80.0μΜ加入到碳量子點(diǎn)溶液里，檢測(cè)體系在450nm處的熒光強(qiáng)度，結(jié)果（圖5a）發(fā)現(xiàn)，隨著汞離子濃度增加，碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸減低，這意味著汞離子可以有效猝滅碳量子點(diǎn)的熒光。而且，汞離子濃度在0～0.30μΜ范圍內(nèi)時(shí)，其濃度與碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度有著很好的線性關(guān)系 （圖5b），用Stern－Volmer方程（公式2）來(lái)分析二者的關(guān)系。

F0和F分別為未加入和加入汞離子時(shí)碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度；Ksv為Stern－Volmer常數(shù)；[Q]為汞離子濃度。通過(guò)分析，得到Stern－Volmer常數(shù)為9.25×105L·mol－1， 相關(guān)系數(shù)為 0.9997。 根據(jù)方程（3），還得到了汞離子的檢出限為 1.37nM，明顯低于美國(guó)規(guī)定的飲用水中汞離子的最大允許濃度（10nM）。該探針對(duì)汞離子更敏感。

σ為390nm激發(fā)波長(zhǎng)下檢測(cè)20次碳量子點(diǎn)溶液熒光強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；s為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率。

圖5 （a）不同汞離子濃度下的熒光光譜圖；（b）Hg2+對(duì)共摻雜碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響，插圖為F/F0和Hg2+濃度之間的線性關(guān)系

將相同濃度的不同金屬離子，分別加入探針溶液里來(lái)考察方法的選擇性。結(jié)果（圖6a）顯示，加入Hg2+后，體系的熒光強(qiáng)度顯著降低，減低約70%。而在相同實(shí)驗(yàn)條件下，加入其他金屬離子，探針的熒光強(qiáng)度變化不大，熒光強(qiáng)度改變均小于13%。但在上述溶液里再加入相同濃度Hg2+時(shí)，體系的熒光強(qiáng)度急劇減小（圖6b），表明相對(duì)于其他金屬離子，該探針對(duì)Hg2+具有高度選擇性。導(dǎo)致碳量子點(diǎn)熒光猝滅的原因，可能是由于Hg2+與共摻雜碳量子點(diǎn)表面的羧基和硫發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng)[14，15]。然而，Hg2+與硫原子之間的親和力較強(qiáng)，這個(gè)作用可能會(huì)更大些。

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定 為了評(píng)估方法的可行性，實(shí)驗(yàn)選用人發(fā)作為研究對(duì)象，分別采用本方法和原子吸收分光光度法測(cè)定樣品中的汞離子。結(jié)果（表1）顯示，用本方法測(cè)定樣品中汞離子的結(jié)果和原子吸收分光光度法測(cè)得的結(jié)果相一致，發(fā)樣中不含有汞離子。然后，再在三種樣品中分別加入不同濃度的汞離子進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，汞離子的回收率分 別 為 96.8% ～98.1% ，98.6% ～104.5% ，97.7% ～105.3%（RSD＜3.4%)，方法具有一定的準(zhǔn)確性和可行性。

圖6 （a）加入相同濃度（30μM）的金屬離子后碳量子點(diǎn)的熒光響應(yīng)；（b）加入汞離子前（紅色）及加入汞離子后（綠色）碳量子點(diǎn)的熒光響

表1 發(fā)樣中汞離子測(cè)定結(jié)果（n=5）

3 結(jié)論

摻雜是改善碳量子點(diǎn)光致發(fā)光特性的一個(gè)重要策略。本文，首次使用EDTA與硫脲作前軀體，通過(guò)簡(jiǎn)單、綠色、一步水熱法合成了熒光量子產(chǎn)率高達(dá)35.2%的N，S共摻雜碳量子點(diǎn)。該碳量子點(diǎn)在激發(fā)波長(zhǎng)為340nm～500nm時(shí)，具有明顯的波長(zhǎng)依賴性。且無(wú)需進(jìn)一步化學(xué)修飾，該碳量子點(diǎn)即對(duì)Hg2+具有高度選擇性和靈敏性，檢出限為1.37nM。研究本方法測(cè)定Hg2+的機(jī)理，可能是由于碳量子點(diǎn)表面的S和COO－和Hg2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)導(dǎo)致了碳量子點(diǎn)的熒光猝滅。本方法的研究將會(huì)為生物樣品中Hg2+的測(cè)定提供一個(gè)新的有效方法。

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