氮摻雜碳量子點的制備及其在Pb2+檢測中的應用

姜 麗，付英鳳，鮑林春，吳 韻，王興益，梁峻毅，王 艷，周 沁

（1.興義民族師范學院生物與化學學院，貴州 興義 562400；2.黔西南州人民醫院檢驗科，貴州 興義 562400）

鉛因其熔點低以及獨特的柔軟性、可塑性、耐腐蝕性等，在不同行業領域得到了廣泛應用。例如，化妝品、油漆、塑料和汽車行業等［1］。由于鉛能阻止黑色素形成而達到美白功效，因而在化妝品中備受青睞［2］，然而，鉛易于在身體中累積，從而干擾身體的各項機能，如造成中樞神經系統、肝和腎功能等障礙，甚至引發嚴重疾病［1］。因此，發展一種操作簡單、快速且選擇性好的檢測技術來檢測鉛含量具有重要意義。

碳量子點（Carbon quantum dots，CQDs）因其獨特的發光性能受到越來越廣泛的關注。與傳統的半導體碳量子點相比，CQDs具有許多優越性。例如，穩定性好、低毒、制備成本低和良好生物相容性等［3，4］。基于這些優良特性，CQDs在重金屬檢測、生物成像和熒光油墨等領域具有潛在的應用價值［5，6］。通常，使用化學、電化學或物理等技術，通過“自上而下”和“自下而上”的方法來合成碳量子點，使用諸如水熱、溶劑熱和化學處理等，與其他方法相比，水熱處理是一種強大、快捷、可持續的合成技術［7］。近年來，越來越多的研究人員采用水熱法合成了碳量子點，并用于金屬離子的檢測。例如：Hoan等［5］人以檸檬汁作為前驅體，合成了用于檢測Mo6+的碳點；Atchudan等［6］人以西印度醋栗和氨水為碳源和氮源，合成了用于檢測Fe3+的熒光氮摻雜碳點；Zhang等［8］人用葉酸作為碳源和氮源，合成了用于檢測Hg2+的高熒光氮摻雜碳量子點。

本文以L-瓜氨酸為前驅體，采用一步水熱法制備了氮摻雜碳量子點，以此建立了一種新型熒光探針，并探究了其用于Pb2+檢測的可行性，通過研究發現該N-CQDs對Pb2+具有良好的選擇性猝滅現象，進而探究了Pb2+濃度與N-CQDs熒光強度間的關系，發現二者具有良好的線性關聯，表明該探針可用于實際樣品中Pb2+的檢測，從而開發了一種簡單、快速且對Pb2+具有良好選擇性的方法來檢測樣品中的Pb2+。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

RF-6000熒光分光光度計（日本島津），TGL-20LM-B高速冷凍離心機（湖南星科），AL104電子天平（梅特勒-托利多），ZF-1三用紫外線分析儀（上海精密），KQ5200DE數控超聲波清洗器（中國昆山），SevenCompact pH計（S210，梅特勒-托利多），電熱鼓風干燥箱（GZX-9140MBE，上海博迅），UV-4501S紫外-可見分光光度計（UVVis，天津港東）。

L-瓜氨 酸、Cr（NO3）3、Hg（NO3）2、Cd（NO3）2、Co（NO3）2、Pb（NO3）2、MgCl2、CuSO4、AlCl3、NaOH、NaCl、MnSO4、SrCl2和 CaCl2購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，濃鹽酸購于重慶川東化工有限公司；實驗所用試劑均為分析純，實驗用水為超純水，化妝水購自某品牌。

1.2 氮摻雜碳量子點的制備

根據先前報道的方法制備了N-CQDs［3］，步驟如下：稱取1.00 g L-瓜氨酸，溶解于50 mL超純水中，超聲震蕩20 min使其完全分散，然后，將溶液轉移至100 mL特氟龍不銹鋼高壓反應釜中，并于220℃反應12 h，自然冷卻至室溫后，將反應液以17000 r/min高速離心40 min，然后用0.22μm的濾膜進行過濾，得到N-CQDs溶液，存儲于4℃冰箱中備用。

1.3 Pb2+的檢測

首先，將用于檢測的化妝水在14000 r/min條件下高速離心25 min，用0.22μm的濾膜進行過濾，得到待檢溶液；然后，向該待檢液中加入濃度為50 mmol/L的N-CQDs溶液，測定經處理后的化妝水中Pb2+的平均含量。

2 結果與討論

2.1 氮摻雜碳量子點的光學特性

采用UV-Vis和熒光分光光度計考察了所制備的N-CQDs的光學吸收特征，如圖1A所示。該N-CQDs在242 nm處有一個寬的紫外吸收峰（紫線），這歸因于 sp2結構域的 π-π*躍遷所致［9］，而最佳的激發（紅線）和發射（綠線）波長分別為382 nm和438 nm。圖1A插圖顯示，制備的N-CQDs溶液在日光下呈淡黃色，在365 nm紫外燈下發出強藍色熒光。圖1B為N-CQDs的熒光發射光譜，該圖譜顯示出典型的激發波長依賴性，圖1B中所示，熒光強度隨波長的增加而增大，380 nm時達到最大值，隨后減弱且出現紅移，這可能是由于N-CQDs的粒徑不同或表面存在不同的發射位點所致［4］。

圖1 A）N-CQDs的UV-Vis吸收和熒光光譜，插圖：N-CQDs在日光（左）和365 nm紫外光下（右）的圖片；（B）N-CQDs不同激發波長的熒光譜圖Figure 1（A）UV-vis absorption and fluorescence spectra of N-CQDs，Inset shows images of N-CQDs under daylight（left）and UV light at365 nm（right）.（B）Fluorescence emission spectra of N-CQDs at different excitation wavelengths.

2.2 pH對氮摻雜碳量子點熒光強度的影響

根據國家輕工行業標準QB/T 2660-2004中要求，化妝水的pH須在4.0～8.5范圍內［10］。鑒于此，實驗考察了pH對所制備的N-CQDs熒光強度的影響。采用HCl和NaOH將溶液pH調節為2.0，4.0，6.0，8.0，10.0和12.0的測試體系，并測定其在不同pH條件下的熒光強度；如圖2所示，當pH在2.0～6.0范圍內，該N-CQDs的熒光強度隨著pH的增加而增大，當pH在6.0～8.0范圍內時，該N-CQDs的熒光強度較穩定，當pH大于8.0時，N-CQDs熒光強度急劇下降；因此，可選擇pH在6～8范圍內進行Pb2+的檢測，本實驗選擇pH為7.4時進行Pb2+的檢測。

圖2 不同pH下N-CQDs熒光強度的變化Figure 2 The changes of fluorescence intensity of N-CQDs at different pH

2.3 氮摻雜碳量子點對于檢測Pb2+的可行性分析

通過選取多種常見的重金屬離子Hg2+、Cr3+、Na+、 Co2+、 Mn2+、 Cd2+、 Sr2+、 Al3+、 Mg2+、Ca2+、Cu2+檢測所建立的N-CQDs熒光體系對Pb2+的選擇性。結果如圖3所示（F和F0分別代表加入金屬離子和未加入金屬離子的N-CQDs溶液的熒光強度）。在相同條件下，當檢測對象為Pb2+時，N-CQDs溶液的熒光猝滅效果明顯，而其他金屬離子影響較小，說明該N-CQDs熒光體系對Pb2+具有良好的選擇性，可以建立基于N-CQDs熒光淬滅檢測Pb2+的方法。

圖3 不同離子對N-CQDs熒光的影響Figure 3 Effect of different ions on the fluorescence of N-CQDs.

2.4 氮摻雜碳量子點熒光淬滅法檢測Pb2+含量

2.4.1 分析方法的建立

圖4是不同濃度Pb2+對N-CQDs熒光強度的影響。將配制濃度為 10、50、100、500、1000、1500、2000、2500和3000μmol/L的Pb2+溶液，分別與50 mmol/L的 N-CQDs溶液進行熒光淬滅，圖4中顯示，熒光強度隨Pb2+濃度的增加而逐漸降低，發生不同程度的熒光猝滅。圖4插圖所示，N-CQDs的熒光猝滅程度與 Pb2+濃度在10.00～2500μmol/L范圍內具有良好的線性關聯（F0/F＝0.00127C+1.028，R2＝0.99779），檢出限為 3.3 μmol/L。隨后，采用濃度為 500μmol/L的 Pb2+溶液考察該方法的精密度，RSD為2.1%，這些結果表明該N-CQDs可用作檢測Pb2+的熒光探針。

圖4 N-CQDs與不同濃度Pb2+作用的熒光譜圖，（插圖：F0/F與Pb2+濃度在10至2500μmol/L范圍內的線性關系）Figure 4 Fluorescence spectra of N-CQDs with different concentrations of Pb2+，Inset：The linear relation of F0/Fwith concentrations of Pb2+in the range of10 to 2500μmol/L.

2.4.2 實際樣品分析

為了考察制備的N-CQDs及分析方法的實際應用效果，通過使用某品牌化妝水，經過14000 r/min轉速離心后，用0.22μm濾膜進行過濾去除雜質，然后，采用本方法進行檢測，測得該品牌化妝水中Pb2+的含量為25.6μmol/L，低于國家對化妝品中鉛的限值標準10mg/kg［11］，結果見表2，加標回收率為96.0%～106%，RSD小于3.6%；上述結果表明，該方法可用于化妝水樣品中Pb2+的檢測。

表2 化妝水中Pb2+含量的測定 （n＝3）Table 2 Detection of Pb2+in toning lotion samples（n＝3）

3 結論

本研究以L-瓜氨酸為前驅體，通過水熱法一步合成了N-CQDs，實驗表明該N-CQDs對Pb2+具有熒光猝滅現象，且猝滅程度明顯，熒光猝滅程度在Pb2+濃度為10.00～2500μmol/L范圍內，呈良好的線性關聯（R2＝0.99779），檢出限為3.3 μmol/L（S/N＝3），將建立的N-CQDs熒光探針用于化妝水樣品中 Pb2+的測定，加標回收率為96.0%～106%，RSD小于3.6%，表明該方法可用于化妝水樣品中Pb2+的檢測，且操作簡單、快速。