基于核桃殼碳量子點的制備及在痕量Hg2+檢測中的應用

張嘉沂，徐守芳，公維貴

(1.山東省臨沂第一中學,山東 臨沂 276000; 2.臨沂大學 化學化工學院,山東 臨沂 276000)

碳量子點(Carbon quantum dots,CDs)被認為是有潛力的代替金屬量子點的材料之一。CDs是以粒徑小于10 nm的碳質骨架和表面基團構成的熒光納米材料[1]。作為新型的“零維”碳納米材料，CDs不僅具有類似于傳統量子點的發光性能與小尺寸特性，而且還具有水溶性好、生物毒性低和導電性好的優勢，使其在生物成像、生物標記、傳感器、光催化、發光二極管等領域受到極大關注[2-3]。關于CDs制備方法及性能的研究還處于初步階段，常用的合成方法主要分為自上而下和自下而上兩大類。自上而下的方法是指通過物理或化學的方法將大尺寸的石墨烯、碳納米管等材料切割成小尺寸的量子點，如激光剝離、電化學氧化、弧光放電法等[4]；自下而上的方法則是指通過小分子作為前驅體，經過一系列的化學反應制備CDs，如微波輔助法[5]、溶劑熱法、水熱反應法[6]等。其中，水熱反應法無強氧化及腐蝕性反應物參與、低消耗、無毒，同時可以實現一步制備，實驗簡單。通過選擇不同的有機碳源，如檸檬酸[7]、甘油[8]、牛血清白蛋白[9]、果汁[10]、抗壞血酸[11]等，可以合成具有不同性質與組成的CDs，因此目前在CDs 合成領域該法應用最為廣泛。

汞離子(Hg2+) 是毒性較高的重金屬離子之一。它能夠通過食物鏈產生富集效果，最終在人體內積累，對人類的健康和生命造成嚴重威脅，如大腦及中樞神經的損傷、腎臟衰竭、DNA 破壞等。因此，對汞污染的研究和測定逐漸成為各國環境工作者研究的熱點。目前，Hg2+的檢測方法有比色法[12]、電化學法[13]、熒光光譜法[14]及等離子體質譜法[15]等。相比于其它幾種方法，熒光光譜法具有靈敏度高、選擇性好、用樣量少、方法簡便、工作曲線線性范圍寬等優點。

目前我國核桃種植面積和產量僅次于美國，居世界第二位，每年有大量的核桃殼被丟棄，不僅浪費資源，而且污染環境。"節能環保、變廢為寶"的理念加快了人們對核桃殼的認知及利用。研究表明，干核桃殼的組成成分為：灰分0.66%，苯醇抽出物3.71%，木質素38.05%，纖維素30.88%，半纖維素27.26%，所以含碳豐富。

本文以核桃殼為碳源，通過水熱法合成氮摻雜碳量子點，采用紫外光譜、紅外光譜、熒光光譜、掃描電鏡對量子點進行表征，利用汞對碳量子點熒光的猝滅效應建立了測定汞的方法，用于實際水樣中汞的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

RF-5301PC熒光分光光度計(日本島津公司)；JEM-2100透射電子顯微鏡(日本電子株式會社)；ZF-6051真空干燥箱(上海一恒科技有限公司)；聚四氟乙烯襯里不銹鋼高壓反應釜(50 mL)；ZF-1B三用紫外分析儀(上海和勤分析儀器有限公司)。

尿素(CH4N2O)、Hg(NO3)2·0.5H2O、Al(NO3)3·9H2O、CaCl2、BaCl2、CuSO4·5H2O、CoCl2·6H2O、FeSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Mg(NO3)2·6H2O、Pb(NO3)2、MnSO4·H2O、NiSO4·6H2O、SrCl2·6H2O、Cd(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·6H2O、AgNO3、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O、NaOH、鹽酸、硝酸均為分析純；實驗用水均為二次蒸餾水。

核桃殼(云南產薄皮核桃)：洗凈烘干，粉碎過篩，待用。

1.2 實驗方法

1.2.1 氮摻雜碳量子點的制備

稱取0.5 g核桃殼粉加入聚四氟乙烯反應釜中，加25 mL二次蒸餾水，加入0.3 g尿素，攪拌1 h。將反應釜放入烘箱中在220 ℃下加熱14 h。反應結束后，自然冷卻至室溫。用孔徑為0.22 μm 微孔濾膜將反應液過濾后，將濾液在15000 r/min 轉速下離心30 min，除去大顆粒雜質。將純化后的溶液蒸發近干，放在真空干燥箱中干燥72 h 后，得到氮摻雜碳量子點，配制成濃度為1 g /L 的溶液，在4℃下保存。

為了對照，還制備了碳量子點，除了不加尿素，其他步驟同上。

1.2.2 產品性能測試

因為要根據熒光的變化測定汞離子，所以要對量子點的熒光性質進行測試。為了弄清量子點長什么樣，需要借助顯微鏡來觀察，但是量子點太小，通過查閱文獻，確定用高分辨透射電子顯微鏡觀察。

1.2.2.1 熒光光譜測試

將制備的碳量子點和氮摻雜碳量子點分散在磷酸鹽緩沖溶液(pH值=7.0)中，在波長331 nm的紫外光下，記錄量子點的熒光光譜。

1.2.2.2 透射電鏡觀測

氮摻雜碳量子點的形態由JEM-2100高分辨透射電子顯微鏡觀察。將一定濃度純化好的氮摻雜碳量子點分散液滴在超薄碳膜支撐銅網上，自然干燥后，在200 kV加速電壓下測定。

1.2.3 Hg2+的測定

在2個容量瓶中分別加入50 μL 氮摻雜碳量子點溶液(1 g/L)，其中1個加入一定量的Hg2+溶液，另外1個不加Hg2+溶液，分別用磷酸鹽緩沖溶液(pH值=7.0)稀釋至5 mL，混合均勻，室溫下反應20 min，測定熒光強度，分別記為F和F0。計算氮摻雜碳量子點的熒光猝滅程度，用F/F0來表示。

1.2.4 樣品分析

沂河、祊河、涑河、柳青河是流經臨沂市的主要河流，采集4條河流的水樣，立即通過0.22 μm濾膜過濾得到濾液。取2 mL濾液，按照1.2.3的實驗方法測定Hg2+。

2 結果與討論

2.1 氮摻雜碳量子點的制備

制備量子點的關鍵是提高量子點的熒光強度，影響量子點熒光強度的因素很多，本實驗中有核桃殼粉的粉碎程度(粒度)和用量，尿素用量、反應溫度和反應時間。實驗對這些因素逐一進行了考察。最佳制備條件為：核桃殼粉粒度為180目，核桃殼粉用量為 0.5 g，尿素的用量為0.30 g，制備溫度為220 ℃，反應時間為14 h。

2.2 量子點的性能測試

2.2.1 熒光光譜

圖1 碳量子點的熒光光譜(A)和氮摻雜碳量子點的熒光光譜(B)

圖1A為碳量子點的熒光光譜，圖1B為氮摻雜碳量子點的熒光光譜。插圖中a和b分別為碳量子點和氮摻雜碳量子點在紫外燈下的照片。由圖可知，在434 nm處量子點熒光最強，摻雜尿素可以顯著提高量子點的熒光強度。因此后續實驗中使用的都是氮摻雜碳量子點，測定的都是434 nm處的熒光強度。

2.2.2 透射電鏡照片

圖2 氮摻雜量子點的透射電鏡圖

氮摻雜碳量子點的透射電鏡照片如圖2所示，圖中黑點為量子點。所制備的氮摻雜碳量子點分散性好，大小比較均勻，它的粒徑約為4 nm。

2.3 Hg2+測定方法的確立

實驗發現，Hg2+能夠減弱氮摻雜碳量子的熒光，減弱程度與Hg2+的含量有定量關系，根據這一點要建立一種測定Hg2+的方法。

一種分析方法的建立需要考察影響靈敏度的因素，確定最佳測定條件，繪制工作曲線，給出線性方程、線性范圍和檢出限，還要研究共存物質對待測物質的影響。

2.3.1 Hg2+測定條件的考察

本實驗中影響分析方法靈敏度的因素有氮摻雜碳量子點的濃度、溶液的pH值以及Hg2+與量子點反應的時間。分析方法的靈敏度可以用F/F0來表示，F/F0越小方法越靈敏。

2.3.1.1 氮摻雜碳量子點濃度的影響

改變氮摻雜碳量子點濃度8，10，12，14，16mg/L。隨著量子點濃度的增加，F/F0呈現先減小后增大的趨勢；當量子點濃度為10 mg/L時，F/F0最小且穩定。因此選擇10 mg/L 氮摻雜碳量子點進行實驗。

2.3.1.2 pH值的影響

熒光減弱程度與pH值密切相關，改變溶液的pH值5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5。pH值為7.0時，F/F0最小，減弱程度最大。因此，實驗選擇在pH值為7.0的磷酸鹽緩沖液中測定Hg2+。

2.3.1.3 反應時間的影響

實驗考察了反應時間對熒光減弱的影響，改變反應時間5，10，15，20 ，25 ，30 min。隨著反應時間的延長，F/F0迅速降低，當超過20 min后，F/F0趨于穩定，故后續測定Hg2+選擇20 min。

2.3.2 工作曲線和檢出限

固定上述測定條件：氮摻雜碳量子點濃度10 mg/L，溶液pH值為7，反應時間20 min，改變加入Hg2+標準溶液的量，使反應體系中Hg2+的濃度分別為0.0001，0.001，0.002，0.004，0.006，0.008，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，1，2，4，6，8，10，20，40，60，80、100 μmol/L。測定反應后體系的熒光強度，計算熒光減弱程度F/F0。

圖3 Hg2+對熒光強度(A)和熒光減弱(B)的影響

圖3A表明，隨著Hg2+濃度的增加，反應體系的熒光強度迅速下降。圖3B表明，F/F0與Hg2+在2個濃度范圍內呈良好的線性關系，分別為4～100 nmol/L和1～60 μmol/L，對應的線性方程分別為F/F0=0.99008～0.6611c(μmol/L)和F/F0=0.8993～0.0077c(μmol/L)，相關系數分別為0.994 4和0.986 3。對空白溶液的熒光變化測定11次，計算標準偏差，用3倍的標準偏差除以標準曲線的斜率求得該方法在2個濃度范圍內的檢出限分別為3.0 nmol/L和0.25 μmol/L，可以看出，方法的靈敏度較高。

2.3.3 共存離子的影響

圖4 不同金屬離子對熒光減弱的影響

考察了17 種常見金屬離子與氮摻雜碳量子點的相互作用，圖4表明，Hg2+對氮摻雜碳量子點的熒光具有較強的減弱作用，而其它金屬離子如Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Pb2+、Mg2+、Ag+、Al3+等對氮摻雜碳量子點的熒光強度影響很小。Fe3+、Cr3+，Ca2+有微弱的干擾。

2.4 樣品分析

沂河、祊河、涑河、柳青河的水樣處理后按照1.2.3的實驗方法測定，將F/F0代入工作曲線，計算水樣中Hg2+的含量。4個水樣均未檢出Hg2+，然后做加標回收實驗，結果見表1。

表1 環境水樣中Hg2+的測定結果(n=6)

每個樣品平行測定6次，相對標準偏差為1.9%～2.4%，加標回收率為94%～105%。為了考察所建立的分析方法的準確性，采用氫化物發生-原子熒光法進行方法對照實驗，2種方法所得結果相近。

3 結論

采用核桃殼為碳源，尿素為氮源，通過一步水熱法可以制備出水溶性好、熒光強度大的氮摻雜碳量子點。得到的氮摻雜碳量子點粒度均一，粒徑約為4 nm，量子點表面有豐富的羥基、氨基，因此在水中的分散性較好。將制得的氮摻雜碳量子點用于汞離子的測定，建立了測定汞離子的方法，方法的線性范圍較寬，靈敏度較高，抗干擾能力強。建立的分析方法用于河水水樣中Hg(Ⅱ)的測定，結果準確、穩定。