熒光碳點的合成及其在綠麥隆檢測中的應用研究

廖秀芬，曾秋蓮，易忠勝，韋紅玲，梁楊琳，歐玉玲，呂春秋

(1.廣西出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心，廣西 南寧 530021；2.桂林理工大學 化學與生物工程學院，廣西 桂林 541004；3.廣西中環(huán)能檢測技術有限公司，廣西 南寧 530031；4.賀州出入境檢驗檢疫局，廣西 賀州 542899)

碳點(Carbon dots，CDs)，是近年來出現(xiàn)的一種新型熒光碳納米粒子[1]，具有sp2雜化碳的骨架結構，表面帶有大量碳的含氧基團(羥基、羧基等)[2-3]，且呈現(xiàn)出優(yōu)異的熒光性能[4]。碳點的熒光量子產率比多數半導體量子點低，但具有優(yōu)異的化學惰性、光穩(wěn)定性、低毒性和良好的生物相容性，從而在光催化[5]、生物成像[6-7]、化學分析[8-9]等領域得到廣泛應用。目前，碳點的合成方法主要有自下而上法(Bottom-up)[10-11]和自上而下法(Top-down)[12-13]。自下而上合成法包括高溫熱解法、微波合成法、水熱法等。自上而下合成法包括電化學氧化法、激光消融法等。然而，已報道的方法雖能成功制備出性能良好的碳點，但大多需復雜的設備、苛刻的反應條件和昂貴的原料，不利于碳點的長期發(fā)展。

近年來，以自然界中隨處可見的材料作為碳源合成碳點的方法引起了眾多學者的高度關注。Tian等[14]以天然氣燃燒的灰燼作為碳源，與5 mol·L-1的HNO3通過回流合成CDs，所合成的CDs粒徑為(4.8±0.6) nm，最大激發(fā)、發(fā)射波長分別為310 nm和420 nm，但其所用的天然氣燃燒灰燼不易獲得。Lin等[15]以燃燒的廢紙灰燼作為碳源，一步水熱法合成了CDs，并建立了熒光“開關”用于有機磷農藥的檢測，所合成CDs在320 nm處出現(xiàn)明顯吸收峰，且熒光發(fā)射光譜峰位置隨激發(fā)波長的改變而變化，最大激發(fā)和發(fā)射光譜分別為320 nm和420 nm。

近年來農藥的廣泛使用，導致其在田間水體、土壤、食品中的殘留問題日益突出。綠麥隆化學名為[N-(3-氯-4-甲基苯基)-N’，N’-二甲基脲]，分子式為C10H13ClN2O，屬接觸性除草劑，用于農田中禾本科雜草和闊葉雜草的防除。綠麥隆是農田的重要污染之一，其在田間水體和土壤中的殘留量過高會對農作物產生藥害作用，還可對動物產生不同程度的毒害。

本文在前人研究的基礎上，建立了水熱法合成碳點的新方法。以常見的草木炭為碳源，通過與過氧化氫溶液水熱反應，合成了高品質的水溶性CDs，所合成CDs的最大激發(fā)和發(fā)射波長分別為340 nm和450 nm。與文獻[15]相比，本文合成的CDs無明顯的紫外吸收，且熒光光譜不隨激發(fā)波長的改變而改變。以得到的碳點作為熒光探針與綠麥隆相互作用，兩者之間的電子轉移使得碳點的熒光發(fā)生猝滅，且猝滅程度在一定范圍內與綠麥隆濃度呈線性相關，據此建立了一種測定綠麥隆的新方法。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

RF-5301PC熒光光度計(日本島津公司)，TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)，PHS-3C精密pH計(上海雷磁儀器廠)，Avatar370傅立葉紅外光譜儀(美國Nicola公司)，F(xiàn)A1104電子分析天平(泰興市電子儀器廠)。

草木炭：露天燃燒樹枝(桂樹枝、柏樹枝、樟樹枝、雜草、混合燃燒的草木碳)，待其基本碳化后，通過研缽研磨成細碎粉末狀，過100目篩，得到粒度較小的草木炭，密封保存于封口袋內。

過氧化氫溶液(隴西科學股份有限公司)、氨水(愛廉化試劑有限公司)、鹽酸(愛廉化試劑有限公司)、羅丹明B(上海國藥集團)、綠麥隆原藥(純度>97.0%，江蘇快達農化有限公司)。所用試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 實驗方法

1.2.1碳點的合成在20 mL聚四氟乙烯反應釜中，加入0.01～0.20 g自制粉末狀草木炭和10 mL 1.0～5.0 mol·L-1的過氧化氫溶液，于120～200 ℃真空干燥箱中恒溫加熱2～12 h，冷卻至室溫后取出反應釜，然后過0.22 μm水系微孔濾頭以除去未完全反應的草木炭及其他雜質，于2 000 Da透析袋中透析24 h以除去小顆粒與雜質，得到黃色透亮溶液。將得到的碳點溶液避光儲存于4 ℃冰箱中，備用。

1.2.2碳點熒光猝滅法測定綠麥隆于一系列10 mL比色管中加入一定量的碳點和綠麥隆溶液，用水定容，25 ℃放置反應5 min后，于λex=340 nm，λem=450 nm處測定碳點的相應熒光強度(IF)，儀器的激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為5 nm。

2 結果與討論

2.1 碳點合成條件的優(yōu)化

2.1.1草木碳種類的選擇考察了不同草木碳種類(桂樹枝、柏樹枝、樟樹枝、雜草、混合燃燒的草木碳)對碳點熒光強度的影響。將草木碳研磨，過100目篩后，稱取0.1 g按照“1.2.1”方法進行實驗。結果表明，不同類型的草木灰對碳點的熒光強度無顯著影響。文獻[6]認為經燃燒或碳化的植物灰燼中含有大量的單質碳粒子，這些粒子經過熱解、聚合、表面鈍化等處理后形成了CDs，并發(fā)出熒光。

2.1.2草木炭用量的影響為考察草木炭用量對碳點發(fā)光的影響，分別稱取0.01～0.20 g草木炭，在2.4 mol/L過氧化氫溶液中，于160 ℃下水熱反應6 h制備碳點。結果表明，隨著草木炭用量的增加，碳點的熒光強度先升高后降低。當草木炭用量為0.10 g時碳點的熒光強度最大。這可能是由于反應釜的空間一定(均為20 mL)，隨著草木炭用量的增多，單位空間內碳點的生成濃度增加。但繼續(xù)增加草木炭的用量，反應釜內CDs的密度增大，達到飽和后過多的碳源不再生成CDs，反而加劇了分子間的碰撞，導致熒光發(fā)生猝滅。所以，本實驗選擇草木炭用量為0.10 g。

2.1.3過氧化氫濃度的影響稱取0.10 g草木炭分別加入10 mL 1.0～5.0 mol·L-1的過氧化氫溶液中，于160 ℃下水熱反應6 h制備碳點。結果表明，隨著過氧化氫溶液濃度的升高，碳點的熒光強度先升高后降低，當過氧化氫濃度為2.4 mol·L-1時，CDs的熒光強度最強。因此，本實驗最終選擇加入2.4 mol·L-1過氧化氫。

圖1 反應溶液pH值的影響Fig.1 Effect of pH value on reaction solution

2.1.4反應溶液pH值的影響實驗對合成碳點反應溶液的pH值進行了探討(圖1)，結果表明，在pH 2.0～5.0之間，熒光強度隨pH值的增大而增強；pH>5.0時，熒光強度隨pH值的增大而降低；pH=5.0時，熒光強度最大。且隨著pH值升高，碳點的熒光光譜曲線出現(xiàn)不同程度的藍移，曲線的峰寬變寬，說明碳點溶液中的雜質增多。這可能是由于氧化劑的主要成分被分解所致。過氧化氫溶液的主要成分為H2O2，pH值升高，過氧化氫分解的速度加快(尤其在70 ℃下)[16]，其反應式為：2H2O2→ 2H2O + O2。因此，反應溶液的pH值對過氧化氫溶液的穩(wěn)定性存在影響，降低pH值，可增加過氧化氫溶液的穩(wěn)定性。為保證反應的順利進行和前預處理的簡易化，本實驗選擇反應溶液的pH值為5.0，此條件下反應后碳點溶液的pH值約為7.0。

2.1.5水熱溫度的影響稱取0.10 g草木炭加入10 mL 2.4 mol·L-1的過氧化氫溶液中，分別于120～200 ℃下水熱反應6 h制備得到碳點溶液，以考察水熱溫度對碳點熒光強度的影響。結果表明，當溫度從120 ℃升至160 ℃時，碳點的熒光強度不斷增強。繼續(xù)升高溫度，其熒光強度下降，發(fā)射峰峰位藍移且出現(xiàn)變形。這可能是因為隨著溫度的上升，反應越來越充分，碳點的濃度增加，熒光強度隨之增強。但溫度繼續(xù)上升后，生成的碳點顆粒過分加熱，表面結構被破壞，從而導致熒光發(fā)射量減少[17]。此外，溫度對碳點的粒徑也存在影響，所以碳點的發(fā)射峰出現(xiàn)藍移，峰寬有所增加。因此，本實驗最終選擇160 ℃為CDs合成的反應溫度。

2.1.6水熱時間的影響稱取0.10 g草木炭加入10 mL 2.4 mol·L-1的過氧化氫溶液中，于160 ℃下分別水熱2～12 h制備得到碳點溶液，考察了水熱時間的影響。結果表明，隨著水熱反應時間的增加，碳點的熒光強度先升高后下降。反應6 h時，碳點的熒光強度最強，繼續(xù)延長反應時間，熒光強度反而下降。這可能是因為反應時間過長，碳點的表面結構被破壞，從而導致熒光發(fā)射量減少，熒光強度下降。故選擇水熱時間為6 h。

2.2 碳點的表征

2.2.1CDs的紫外吸收光譜與熒光發(fā)射光譜圖2為碳點的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜。以草木炭為碳源合成的碳點在可見光區(qū)內無顯著的吸收峰(圖2A，曲線a)。隨著碳點的發(fā)射光譜從310 nm增至380 nm，碳點的熒光強度先升高后降低，碳點的最大激發(fā)波長340 nm和350 nm處的發(fā)射峰幾乎重疊，最大發(fā)射波長約為450 nm，隨著激發(fā)波長的改變，發(fā)射波長未出現(xiàn)明顯的紅移或藍移(圖2B)。

圖3 碳點的傅立葉變換紅外光譜Fig.3 Fourier transform infrared(FTIR) spectra of carbon dots

圖4 綠麥隆對碳點的熒光猝滅曲線Fig.4 Fluorescence spectra of chlorotoluron quenched by carbon dotsinsert：standard work line；ρchlorotoluron(a-h)：0，0.15，0.91，1.53，2.04，2.47，2.83，3.15 mg·L-1

圖5 CDs與綠麥隆的相互作用機理Fig.5 Interaction between CDs and chlorotoluron

2.3 綠麥隆的碳點熒光猝滅法測定

按照“1.2.2”方法，考察了綠麥隆對碳點的猝滅作用。如圖4所示，隨著綠麥隆加入量的增加，碳點的熒光強度降低。由圖4可知，綠麥隆的質量濃度(ρ)在0.15～3.15 mg·L-1范圍內與碳點在450 nm處的熒光猝滅程度(ΔIF)呈線性關系，回歸方程為ΔIF=160.2ρ+51.74，r2=0.999 3，計算得到檢出限(S/N=3)為0.05 mg·L-1，據此建立了一種測定綠麥隆的新方法。

2.4 綠麥隆對碳點的熒光猝滅機理

2.5 干擾實驗

2.6 實際樣品的測定

取不同農田的水樣，靜置過夜后取上清液過濾以除去固體雜物，濾液置于潔凈的容器中，待測。實驗中水樣的取樣量均為500 μL。若需進行快速分析，可將水樣離心后取上清液按“1.2.2”方法進行測定，同時進行加標回收實驗，結果如表1所示。由表1可知，樣品測定結果的相對標準偏差(RSD)不大于4.9%，加標回收率為93.3%～112%，說明所建立的方法具有較高的準確度和精密度，可應用于實際農田水樣品中綠麥隆含量的分析。

表1 樣品測定結果Table 1 Measurement result of the sample

*no detected

3 結 論

本文建立了一種以草木炭為碳源的新型碳點合成方法。實驗顯示，0.10 g草木炭在2.4 mol/L過氧化氫溶液中，于160 ℃下水熱反應6 h得到的碳點溶液熒光性能最好。紅外光譜表明，碳點的表面分布著大量—COOH和—OH基團，故碳點在水性體系中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和親水性。由于綠麥隆能夠有效猝滅碳點的熒光強度，因此利用所合成的熒光碳點建立了綠麥隆測定的新方法。該方法測定綠麥隆的線性范圍為0.15～3.15 mg·L-1，檢出限為0.05 mg·L-1，用于實際樣品分析，其加標回收率為93.3%～112%，RSD不大于4.9%。該方法具有操作簡單、線性范圍寬、選擇性好等特點，可應用于實際農田水樣品中綠麥隆的檢測，并為其他樣品中綠麥隆的檢測提供參考。