橘色熒光碳點用于檢測亞硝酸鹽

賈晶路 雯婧李 林焦媛 高藝芳 雙少敏

摘 要 以對苯二胺和檸檬酸為原料，采用一步水熱法合成了氮摻雜的橘色熒光碳點（N-CDs）。通過透射電子顯微鏡、紅外光譜、紫外-可見吸收光譜及熒光光譜對其形貌、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。結(jié)果表明，合成的N-CDs具有極小的尺寸（（1.62 ± 0.35） nm），以及良好的水溶性和優(yōu)異的光穩(wěn)定性。亞硝酸鹽（NO2）可使N-CDs的熒光增強(qiáng)。基于此，建立了一種檢測NO2的熒光分析新方法。本方法對NO2具有良好的選擇性和較高的靈敏度，測定NO2的線性范圍為8～100 μmol/L，檢出限為0.65 μmol/L（S/N=3）。對可能的熒光增強(qiáng)的機(jī)理進(jìn)行了推測， 并進(jìn)一步將構(gòu)建的熒光傳感系統(tǒng)應(yīng)用于火腿腸、袋裝咸菜和自來水樣品中NO2的檢測，結(jié)果令人滿意。

關(guān)鍵詞 碳點; 橘色熒光; 增強(qiáng)型熒光探針; 亞硝酸鹽

1 引 言

亞硝酸鹽常用作肉類加工的添加劑，具有抑制肉毒梭狀牙孢桿菌、使肉品發(fā)色以及增強(qiáng)風(fēng)味的作用[1]。然而，過量的亞硝酸鹽可與胺類食物反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為有毒的N-亞硝胺，這可能導(dǎo)致畸形和癌癥[2]。此外，亞硝酸鹽可與人血液中的血紅蛋白結(jié)合形成高鐵血紅蛋白，這種化合物會降低血液的氧運輸能力，從而引起組織缺氧[3]。目前，用于檢測亞硝酸鹽的方法包括分光光度法[4]、電化學(xué)法[5]、化學(xué)發(fā)光法[6]和色譜法[7]等。其中，熒光光譜法因具有簡便、靈敏等優(yōu)點而備受關(guān)注。許多熒光探針，包括小分子探針[8]、半導(dǎo)體量子點[9]、金屬納米簇[10]已被用于檢測亞硝酸鹽。然而，這些探針的制備通常需要專門的合成技術(shù)和復(fù)雜的純化程序，或探針本身水溶性差、毒性高、檢測反應(yīng)時間長，不同程度限制了其在環(huán)境和生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展簡單、靈敏、生物相容性好的熒光探針非常必要。

碳點（CDs）作為一種新型的碳基零維納米材料，由于其優(yōu)異的光學(xué)性能、易于表面功能化、較低的毒性、良好的生物相容性等，已被廣泛應(yīng)用在光學(xué)傳感[11]、生物成像[12]、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域[13]，特別是基于CDs構(gòu)筑的熒光納米傳感體系已被用于檢測金屬離子[14，15]、陰離子[16]和生物分子[17，18]。目前，關(guān)于熒光CDs對NO2 的研究還處于初始階段。Zhang等[19]合成了一種藍(lán)色熒光N-CNDs，基于熒光猝滅機(jī)理對NO2進(jìn)行檢測。此后，文獻(xiàn)相繼報道了一些可用于直接、快速、簡單檢測亞硝酸鹽的碳點[20，21]。然而，這些碳點都呈現(xiàn)藍(lán)綠色熒光，限制了它們進(jìn)一步應(yīng)用。特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因為生物基質(zhì)具有藍(lán)色自發(fā)熒光性，且生物組織在紫外激發(fā)光下易受光損傷[22]。 Xiang等[1]嘗試將檢測亞硝酸鹽的波長延伸至長波長區(qū)，他們將碳點和羅丹明B共同連接到二氧化硅納米粒子上，構(gòu)建了一個可在黃色發(fā)光區(qū)檢測亞硝酸鹽的雙發(fā)射比例型熒光探針。值得注意的是，上述研究是基于熒光猝滅原理檢測亞硝酸鹽。相較淬滅型探針，增強(qiáng)型熒光探針具有諸多優(yōu)點，如干擾相對較少、檢出限相對較低、能減少假陽性信號的產(chǎn)生并降低暗背景的干擾[23]。最近，文獻(xiàn)報道了一種新穎的測定NO2的方法，將碳點作為供體，中性紅作為受體， 構(gòu)筑了一個比色熒光雙模的傳感體系，并基于熒光的增強(qiáng)效應(yīng)檢測NO2 [24]。然而，到目前為止，基于碳點熒光增強(qiáng)效應(yīng)檢測亞硝酸鹽的研究還鮮有報道。因此，開發(fā)具有長波長熒光發(fā)射并能通過熒光增強(qiáng)原理檢測亞硝酸鹽的新型碳點是一種挑戰(zhàn)。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

JEM-2100型透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）; Bruker Tensor II傅里葉紅外光譜儀（德國Bremen公司）; AXIS ULTRA DLD 型 X-射線光電子能譜儀（英國Kratos 公司）; UV-2910紫外分光光度計、F-4500熒光分光光度計（日本日立公司）; vario E CUBE元素分析儀（德國Elementar公司）; FE20 pH計（瑞士Mettler Toledo公司）; Zetasizer Nano ZS90儀器（英國elementar公司）。

對苯二胺（純度≥97%）購自阿拉丁試劑有限公司; 檸檬酸（純度≥99.8%）和亞硝酸鈉（純度≥99.0%）購自北京紅星化工廠; 羅丹明B（純度≥99.0%）、亞鐵氰化鉀（純度≥99.0%）、乙酸鋅（純度≥99.8%）和硼砂（純度≥99.0%）購自天津津北精細(xì)化工有限公司; 其它試劑均為國產(chǎn)分析純; 實驗用水為去離子水。

2.2 N-CDs的合成

以對苯二胺、檸檬酸為原料，采用水熱法合成橘色熒光碳點。將0.42 g檸檬酸和0.16 g對苯二胺溶解在5 mL去離子水中。 然后，將溶液轉(zhuǎn)移到25 mL含有聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)4 h。將獲得的N-CDs溶液以10000 r/min離心10 min，棄沉淀，通過連續(xù)透析（透析袋截留分子量 500 Da）24 h進(jìn)一步純化N-CDs水溶液，以除去其它小分子。透析后的N-CDs水溶液冷凍干燥，獲得粉末狀N-CDs。

2.3 熒光量子產(chǎn)率的測定

2.5 實際樣品分析

火腿腸和袋裝咸菜樣品購于本地超市，水樣為實驗室自來水。取火腿腸20 g，絞碎，置于500 mL 燒杯中，加入12.5 mL 飽和硼砂溶液和300 mL 70℃水。將混合物于沸水浴中加熱15 min，冷卻至室溫后，邊振蕩邊加入5 mL亞鐵氰化鉀和5 mL乙酸鋅溶液，沉淀蛋白質(zhì)。 最后，加水定容至500 mL。用濾紙過濾，收集濾液，于4℃儲存，待測。袋裝咸菜在測定前先制成勻漿，稱取20 g勻漿于500 mL燒杯中，采用與上述火腿腸樣品相同的方法處理咸菜樣品。自來水樣品在測定前煮沸30 min，用0.22 μm的微孔濾膜進(jìn)行過濾，待測。

3 結(jié)果與討論

3.1 N-CDs的表征

采用透射電子顯微鏡（TEM）觀察N-CDs的形態(tài)和尺寸分布。如圖1A所示，N-CDs呈現(xiàn)較規(guī)則球形，粒徑分布均勻， 平均粒徑約為（1.62 ± 0.35） nm。元素分析結(jié)果表明， N-CDs主要由質(zhì)量比48.03%C、 4.89%H、 7.79%N和39.29%O（計算值）組成。

3.3 基于N-CDs檢測NO

References

1 Xiang G Q， Wang Y L， Zhang H， Fan H H， Fan L， He L J， Jiang X M， Zhao W J. Food Chem.， 2018， 260： 13-18

2 Li L B， Liu D， Wang K， Mao H P， You T Y. Sens. Actuators B，2017，? 252： 17-23

3 Zan M H， Rao L， Huang H M， Xie W， Zhu D M， Li L， Qie X W， Guo S S， Zhao X Z， Liu W， Dong W F. Sens. Actuators B，? 2018，? 262： 555-561

4 Xu J C， B J H， Wang X B， Wang Y B. Asian J. Chem.，? 2009，? 21（8）： 6483-6490

5 Yin X X， Chen Q F， Song H L， Yang M， Wang H Y. Electrochem. Commun.，? 2013，? 34： 81-85

6 Lin Z， Xue W， Chen H， Lin J M. Anal. Chem.，? 2011，? 83（21）： 8245-8251

7 Moshoeshoe M N， Obuseng V. S. Afr. J. Chem.，? 2018，? 71： 79-85

8 Zhang F Y， Zhu X Y， Jiao Z J， Liu X Y， Zhang H X. Spectrochim. Acta A，? 2018，? 200： 275-280

9 Ren H H， Fan Y， Wang B， Yu L P. J. Agric. Food Chem.，? 2018，? 66： 8851-8858

10 Zhou D L， Huang H， Wang Y. Anal. Methods，? 2017，? 9： 5668-5673

11 Dong Y Q， Wang R X， Li G Li， Chen C Q， Chi Y W， Chen G N. Anal. Chem.，? 2012，? 84（14）： 6220-6224

12 Wen X P， SHI L H， Wen G M， Li Y Y， Dong C， Yang J， Shuang S M. Sens. Actuators B，? 2015，? 221： 769-776

13 Zhang M， Li Y， Liu S， Wang W Q， Xie Z G， Jing X B. ACS Appl. Mater. Interfaces，? 2016，? 8： 23533-23541

14 Gu D， Shang S M， Yu Q， Shen J. Appl. Surf. Sci.，? 2016，? 390： 38-42

15 LIU Hong-Ying， HUANG Cheng， DAI Da-Xiang， JIAO Ming-Ru， ZHANG Ming-Zhen， GU Chun-Chuan.? Chinese J. Anal. Chem.， 2018， 46（10）： 1610-1617

劉紅英， 黃 成， 戴大響， 焦明儒， 張名鎮(zhèn)， 顧春川. 分析化學(xué)， 2018， 46（10）： 1610-1617

16 Zhang G M， Wang R R， Shi L H， Zhang C H， Zhang Y， Zhou Y， Dong C， Li G， Shuang S M. Sens. Actuators B，? 2019，? 279： 361-368

17 Lu W J， Jiao Y， Gao Y F， Qiao J， Maedeh M， Shuang S M， Dong C， Li C Z. ACS Appl. Mater. Interfaces，? 2018，? 10： 42915-42924

18 ZOU Xiao-Bo， SHI Yong-Qiang， ZHENG Yue， SHI Ji-Yong， HU Xue-Tao， JIANG Cai-Ping， HUANG Xiao-Wei， XU Yi-Wei. Chinese J. Anal. Chem.， 2018， 46（6）： 960-968

鄒小波， 史永強(qiáng)， 鄭 悅， 石吉勇， 胡雪桃， 蔣彩萍， 黃曉瑋， 徐藝偉. 分析化學(xué)， 2018， 46（6）： 960-968

19 Zhang H M， Kang S H， Wang G Z， Zhang Y X， Zhao H J. ACS Sens.，? 2016，? 1： 875-881

20 Doroodmand M M， Askari M. Anal. Chim. Acta，? 2017，? 968： 74-84

21 Feng Z B， Li Z L， Zhang X W， Shi Y P， Zhou N. Molecules，? 2017，? 22（12）： 2061

22 Gao Y F Jiao Y， Lu W J， Liu Y， Han H， Gong X J， Xian M， Shuang S M， Dong C. J. Mater. Chem. B，? 2018，? 6： 6099-6107

23 Purbia R， Paria S. Biosens. Bioelectron.，? 2016，? 79： 467-475

24 Hua X T， Shi J Y， Shi Y Q， Zou X B， Tahira H E， Holmes M， Zhang W， Huang X W， Li Z H， Xu Y W. Meat Sci.，? 2019，? 147： 127-134

25 Cardoso T M G， Garcia P T， Coltro W K T. Anal. Methods，? 2015，? 7： 7311-7317

26 Karalia K K， Sygellou L， Stalikasa C D. Talanta，? 2018，? 189： 480-488