碳點光學檢測金（III）離子的分析化學綜合實驗設計與教學實踐

莊欠粉， 王 勇

（南昌大學化學學院，南昌 330031）

0 引 言

隨著時代的發展，高等教育必須主動適應國家社會發展新需求和世界科技前沿發展新趨勢，才能培養出創新型、應用型和復合型的高素質人才［1-6］。分析化學實驗是化學、化工、環境、材料、食品和制藥類等大學本科生必修的實驗課程，在培養學生掌握現代分析技術方面起著至關重要的作用［2-6］。然而現階段的分析化學實驗內容過于簡單陳舊，實驗設計未能充分體現新時代分析化學的學科發展前沿和國家需求［7-8］，同時在現階段分析化學實驗教學過程中主要講授分析儀器的構造、使用步驟及其檢測原理，而常常忽略分析化學的基礎要素和學科發展前沿的材料制備和使用的講授，使得分析化學實驗教學內容講授不完整，未能充分體現分析化學集成創新的特點；此外當前實驗教學過程中各個分析化學實驗項目所涉及的方法單一且內容孤立，每個實驗項目常常獨立講授，缺乏關聯，直接導致不能對各實驗項目的分析方法進行全面系統比較，從而無法深刻理解各分析方法之間的性能特點、優勢和適用范圍。以上問題嚴重制約了學生科研思維和創新實踐能力的提升，不利于創新型、應用型和復合型高素質人才的培養。

基于以上不足，立足于國家需求和科學前沿，從最新科研成果中提煉并設計出一個分析化學綜合實驗新項目“碳點光學檢測金（III）離子”，并在本科生分子光譜分析實驗教學課中進行了實踐和探索，取得了一定成效。通過本綜合實驗項目的成功實施，加深了學生對紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法定量分析的理解，激發了學生探索創新的積極性，培養了學生獨立分析和解決問題的能力，促進了學生理論知識與實踐動手能力的相互滲透融合，并強化了學生對新材料作為分析化學基本要素的重要性和分析化學面向科學前沿和國家需求的集成創新特征的認識。

1 實驗設計

1.1 實驗背景

金（III）離子能結合DNA 和酶，會對生物體的神經系統、肝臟和腎等造成損傷，嚴重危害生物健康，但近年來工業上對金的大量提煉和加工以及廣泛使用產生了廢液，給環境水體造成嚴重污染，因此快速檢測工業廢水中痕量金（III）離子非常有必要，符合國家對環境污染監測和控制的需求［9-10］。然而，常規的化學滴定或質量分析法耗時，因此適合于快速檢測的現代分子光譜分析法是一個不錯的選擇，但是采用現代分子光譜分析法直接檢測工業廢水中痕量金（III）離子無法或難以滿足檢測所需的靈敏度和選擇性。為此，有必要引入作為光學探針的新材料，并結合分子光譜儀器構建基于新材料的靈敏選擇光學傳感分析方法，而傳感方法的原理就是通過新材料與待測物之間特定的物化相互作用導致新材料的光學性質變化來間接檢測工業廢水中痕量金（III）離子，其中性能優良的新材料制備很自然就成為解決上述國家需求應用技術背后的科學前沿。

碳點（Carbon dots，CDs）是一種粒徑小于10 nm新型碳納米材料，由碳、氫、氧、氮等元素組成，其中碳元素既包含sp2雜化碳又有sp3雜化碳，這種材料不僅有優良的熒光、氧化還原和催化性質，而且有比表面積大，水溶性好、光穩定性高、毒性低、生物兼容性好、易于合成和功能化等優點，因此碳點成為光學傳感定量分析領域的前沿熱點［11-14］。當前碳點合成方法很多，但是考慮到教學對實驗安全、綠色環保、儀器設備、制備條件以及項目課時的要求，該實驗項目中用于學生實際操作的碳點制備步驟內容選用前期微波固相輻射一步快速合成法的科研成果［14］。

1.2 實驗原理

制備后所得的碳點熒光通常起源于帶隙躍遷、晶格缺陷和（或）表面缺陷［11-12］。當一些物質與碳點發生物化作用后會引起碳點熒光源的變化，特別碳點表面缺陷熒光源對表面狀態非常敏感，某些物質與碳點的表面發生相互作用后會導致熒光強度的變化，基于此原理可以實現待測物質的定性定量熒光分析檢測［11-12］。此外，碳點也是一種溫和的還原劑，它們表面富電子基團如碳基、羥基和氨基等能成為電子的供體，使許多金屬陽離子能還原成它們各自的金屬納米粒子［15-16］，而這些金屬納米粒子常常會出現特定的紫外可見吸收譜帶，利用譜帶吸收強度的變化可以實現待測物質的定性定量光度分析檢測。

在本實驗中，合成的碳點表面含有豐富的羧基和羥基等富電子基團，能與金（III）離子發生絡合繼而發生氧化還原反應，將金（III）離子還原成金原子，進一步以這些表面富電子位點和金原子通過氫鍵和親金等相互作用成核形成金納米粒子［15-16］，這個過程將會使碳點熒光發生顯著猝滅，根據碳點猝滅的程度可以通過熒光分光光度計或直接可視化實現金（III）離子的熒光檢測。在這個檢測過程中，熒光猝滅的原因有非熒光絡合物的形成所導致的靜態猝滅、金納米粒子和碳點之間發生的短距離能量轉移和電子轉移，以及內濾效應等。與此同時，碳點熒光猝滅也伴隨著金納米粒子的形成，而金納米粒子可通過局域表面等離子共振效應吸收特定波長的光而給出遠高于有機染料消光系數的紫外可見吸收譜帶，繼而通過紫外可見分光光度計利用這一吸收譜帶的吸光度變化或直接觀察顏色變化來實現金（III）離子的定性定量分析檢測。通過大量實驗驗證，所合成的碳點僅對金（III）離子表現出極高的猝滅程度和極大的吸收光譜變化，對金（III）離子有很高的選擇性，因此利用本實驗可判斷廢水中金（III）離子是否存在，繼而結合不同濃度金（III）離子存在下熒光猝滅程度和吸光度值的標準曲線，可以定量分析檢測金（III）離子。

1.3 教學設計

碳點光學檢測金（III）離子的分析化學綜合實驗分為3 個階段。

（1）課前預習。在實驗開展前，學生提前做好準備工作，通過圖書館數據庫查閱相關文獻和教師推薦的相關文獻或教材，了解碳點的基本概念、合成方法、發光源、其他物化性質和發展前沿，并掌握熒光分光光度計、紫外可見分光光度計和比色分析的基本工作原理以及實驗項目中碳點光學檢測金（III）離子的傳感原理，這個過程不僅鍛煉學生的自主學習能力，而且還引導學生主動利用課堂之外大量時間去完成查閱資料和閱讀文獻等任務，使學生意識到綜合化學實驗與其他實驗的不同之處。

（2）課堂實驗。①實驗開始前，教師就學生課前從文獻和教材中自主學習的知識采取提問、考查或測驗等方式進行互動，并對學生掌握情況進行評價，同時根據學生反饋的信息，簡要介紹上述相關知識，并從科學前沿和國家需求兩方面展現本實驗項目的意義，同時重點講授本實驗項目中微波固相法制備納米碳點以及基于碳點光學檢測金（III）離子的步驟、注意事項以及方法特點，這個過程能考查學生自主學習的效果，還能針對性地加深學生對上述相關知識的理解；②學生利用檸檬酸作為源料一步快速制備納米碳點，這個過程培養學生安全、綠色環保和創新等意識；③學生利用熒光分光光度計、紫外可見分光光度計和比色法來對金（III）離子的光學性質進行研究，這個過程可以讓學生了解到直接利用紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法無法解決廢水中痕量金（III）離子的檢測原因；④引入新材料碳點作為光學探針，并結合熒光分光光度計、紫外可見分光光度計和比色法來對金（III）離子進行間接檢測，在這個過程中可以讓學生了解到新材料碳點引入的目的，加深學生對新材料作為分析化學基本要素的認知和分析化學集成創新的特征，同時通過比較檢測金（III）離子的3 種分析方法（紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法）的性能、優缺點和適用范圍來加深分析化學理論課程中相關方法的理解；⑤將建立的光學分析方法用于廢水中金（III）離子檢測，這個過程讓學生認識到分析化學是貼近生產生活的學科，是面向國家需求并能解決實際問題的。

（3）實驗結束后。學生應自學相關數據處理軟件（如Origin軟件和Excel 軟件）并將實驗過程中儀器記錄和個人記錄的數據進行繪圖，并參照期刊論文格式撰寫實驗論文，在實驗論文撰寫過程中，不僅鍛煉學生的數據處理能力、繪圖能力和文字表達能力，而且還加強學生邏輯思維能力和科研能力的培養，這些能力的提高有助于學生學習并掌握解決實際問題的基本方法和思路，進一步提高學生綜合應用能力。

在整個實驗過程中，教師應以指導者和管理員的身份參與其中，幫助學生解決實驗困難，糾正錯誤操作，排除安全隱患，使學生順利地完成實驗，同時向學生強調規范實驗記錄的重要性，使得學生準確記錄實驗數據，培養學生嚴謹的科學作風；本實驗納入分析化學實驗教學計劃，面向化學、化工、環境、材料、食品和制藥類等專業的本科生開設，可安排8 學時，其中4 學時包括碳點固相微波制備和表征、金（III）離子的光學性質研究實驗以及基于碳點光學定性檢測金（III）離子，另4 學時包括基于碳點光學定量檢測金（III）離子、碳點對金（III）離子的選擇性以及廢水中金（III）離子的檢測；實驗成績按照3 階段來考核，其中實驗預習報告占20%、課內實驗操作占30%、互動占20%和實驗論文占30%，按此比重加權得出最終實驗成績。

2 實驗過程

2.1 實驗儀器和試劑

紫外可見分光光度計、熒光分光光度計、透射電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀、分析天平、微波爐、超聲清洗器、離心機、0.22 μm 過濾器、吸量管（0.5 mL、1.0 mL和5.0 mL）、容量瓶（50 mL）、比色皿、10 mL 燒杯、2 mL塑料試管。

檸檬酸、HAuCl4溶液（0.4 nmol/L、4 nmol/L、40 nmol/L、400 nmol/L、4 μmol/L、40 μmol/L、200 μmol/L、400 μmol/L、600 μmol/L）、NaCl 溶液（200 μmol/L）、AgNO3溶液（200 μmol/L）、CaCl2溶液（200 μmol/L）、MgCl2溶液（200 μmol/L）、ZnSO4溶液（200 μmol/L）、Cu（NO3）2溶液（200 μmol/L）、FeSO4溶液（200 μmol/L）、BaCl2溶液（200 μmol/L）、AlCl3溶液（200 μmol/L）、Cr（NO3）3溶液（200 μmol/L）、Cd（NO3）2溶液（200 μmol/L）、Pb（NO3）2溶液（200 μmol/L）、Hg（NO3）2溶液（200 μmol/L），NaH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液（PBS，pH 5），所有試劑均來自國藥集團化學試劑有限公司，所用試劑均為分析純，實驗用水為超純水。

2.2 熒光碳點的制備

熒光碳點根據文獻報道方法合成［14］：利用分析天平準確稱取1.000 0 g 檸檬酸置于10.0 mL干燥的小燒杯中，然后放入微波爐中，微波700 W 反應4 min，冷卻至室溫，然后加入5.00 mL水，超聲5 min使其溶解混勻，然后用吸量管吸取5.00 mL 碳點溶液至50 mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度，搖勻備用。

2.3 基于碳點光學檢測金（III）離子

取10 個2 mL試管，用吸量管分別加入1.00 mL碳點溶液，0.50 mL PBS緩沖溶液（pH 5），0.50 mL不同濃度的金標準溶液（0、0.4 nmol/L、4 nmol/L、40 nmol/L、400 nmol/L、4 μmol/L、40 μmol/L、200 μmol/L、400 μmol/L、600 μmol/L），搖勻放置5 min，利用比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法分析檢測金（III）離子。觀察加入不同濃度的金（III）離子后碳點溶液的顏色變化，根據顏色進行判斷金（III）離子的濃度；在紫外可見光光度計上，用1 cm 的比色皿，以蒸餾水為參比溶液，在517 nm 下測量各溶液的吸光度值（A517nm），以金（III）離子濃度（c）為橫坐標，吸光度為縱坐標，用Origin 軟件繪制光譜圖和標準曲線；在熒光光度計上，用1 cm的比色皿，以蒸餾水為參比，以360 nm為激發波長，測量各溶液的熒光發射峰（468 nm）的強度，以金（III）離子濃度（c）為橫坐標，熒光發射峰的強度變化比值（F0/F，F和F0分別為有無金（III）離子時碳點的熒光強度）為縱坐標，用Origin軟件繪制標準曲線。

2.4 金（III）離子的選擇性

取14 個2 mL 試管，用吸量管分別加入1.00 mL碳點溶液，0.50 mL PBS 緩沖溶液（pH 5），0.50 mL 200 μmol/L金屬離子溶液（鈉離子、銀離子、鈣離子、鎂離子、鋅離子、銅離子、亞鐵離子、鋇離子、金（III）離子、鋁離子、鉻離子、鎘離子、鉛離子和汞離子），搖勻放置5 min后，觀察含有不同金屬離子的碳點溶液的顏色，同時利用紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法分析判斷碳點對金（III）離子的選擇性。

2.5 廢水中金（III）離子的檢測

將鍍金廠附近的廢水用離心機離心10 min （轉速12 000 r/min），然后上清液再用0.22 μm 過濾器過濾，濾液備用。在相同的條件下，分別利用比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法研究廢水中金（III）離子的濃度。

3 結果與討論

3.1 熒光碳點的表征

通過利用紫外分光光度計和熒光分光光度計表征制備的碳點的光譜性質［見圖1（a）、（b）］，并與文獻報道的光譜［11］進行比對，從而確認熒光碳點是否制備成功。同時如果條件允許的話，可采用透射電子顯微鏡（TEM）和傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）對碳點進行形貌和表面組成研究，并與文獻報道［11］進行比對，進一步加深對熒光碳點結構和性質的理解。圖1（c）所示為樣品TEM形貌及尺寸等信息；圖1（d）所示為FTIR獲取的碳點表面官能團信息。

圖1 熒光碳點幾種分析方法下的譜圖

3.2 金（III）離子的光學性質分析

如圖2 所示，自然光下不同濃度的金（III）離子溶液幾乎是透明的，因此無法通過顏色判斷金（III）離子的濃度［見圖2（a）］；利用紫外可見吸收光譜法可以發現當金（III）離子濃度高達50 μmol/L 時在300 nm左右出現一個吸收峰［見圖2（b）］；利用分子熒光光譜法分析金（III）離子溶液可以發現，在360 nm 激發下，由于金（III）離子無熒光，所以其溶液的熒光強度幾乎為零［見圖2（c）］。上述結果說明利用比色法和紫外可見吸收光譜法直接快速檢測金（III）離子的靈敏度較低，而由于金（III）離子無熒光，所以無法直接利用分子熒光法快速檢測金（III）離子。為此，作為光學探針的新材料有必要引入，并結合分子光譜儀器構建基于新材料的靈敏光學傳感分析方法，從而實現痕量金（III）離子的間接快速檢測。

圖2 不同濃度金（III）離子溶液的光學性質

3.3 基于碳點檢測金（III）離子及其選擇性

為了實現金（III）離子的快速靈敏選擇檢測，引入了性能優良的碳點材料作為光學探針構建傳感分析方法，從而加深學生對新材料作為分析化學基本要素的認識。圖3 所示為基于碳點材料的比色法分析金（III）離子，學生可以觀察到自然光下碳點溶液為淡黃色，加入金（III）離子后，發現在低濃度下（0 ～1 μmol/L）顏色幾乎沒有發生明顯變化，當濃度高達10 μmol/L時，溶液呈淡紅色，并且隨著濃度增加，紅色逐漸加深，這說明在高濃度下可以通過比色法分析金（III）離子，檢測范圍為10 ～150 μmol/L，利用比色法最低可檢出金（III）離子濃度為10 μmol/L。圖4（a）所示為基于碳點材料的紫外可見吸收光譜法分析金（III）離子，可以看出碳點溶液在300 nm 左右有明顯吸收峰，當加入金（III）離子后，在517 nm處出現了一個較強吸收峰，隨著金（III）離子濃度的增加，517 nm處的吸收強度（A517nm）增加，并且發生紅移，根據A517nm與金（III）離子的濃度，可以得到標準曲線［見圖4（b）］及線性方程：A517nm＝0.004 31c ＋0.009 52 （r ＝0.993）。此外在0.1 ～100 μmol/L范圍內呈良好的線性關系，檢測限為30 nmol/L。圖5（a）所示為基于碳點材料的分子熒光光譜法分析金（III）離子。可見，在360 nm激發下，碳點發射峰在468 nm，加入不同濃度的金（III）離子后，隨著濃度增加，碳點的熒光強度逐漸減弱，根據不同濃度金（III）離子溶液的熒光發射峰強度變化比值（F0/F），得到標準曲線［見圖5（b）］及線性方程：F0/F ＝0.032 2c ＋1.279 （r ＝0.995）。此外在0.001 ～150 μmol/L 范圍內呈良好的線性關系，檢測限為0.1 nmol/L。

圖3 含有不同濃度金（III）離子的碳點溶液在自然光下的溶液顏色變化圖（左-右：0、0.1 nmol/L、1 nmol/L、10 nmol/L、100 nmol/L、1 μmol/L、10 μmol/L、50 μmol/L、100 μmol/L、150 μmol/L）

圖4 金（III）離子的碳點溶液紫外光譜圖

圖5 金（III）離子的碳點溶液熒光譜圖

另外，在自然光下，加入金（III）離子后的碳點溶液呈紅色，而廢水中常見的其他金屬離子在高達50 μmol/L時其顏色幾乎沒有發生明顯變化［見圖6（a）］；當碳點溶液加入金（III）離子后在517 nm 處出現了強吸收峰，其他金屬離子在517 nm處幾乎沒有吸收［見圖6（b）］；同時與其他金屬離子相比，只有金（III）離子加入能強烈地猝滅碳點熒光［見圖6（c）］。所有這些說明基于碳點對金（III）離子有高選擇性。

圖6 碳點對金（III）離子的選擇性

3.4 不同光學分析法檢測金（III）離子的性能

由上述基于碳點的不同光學分析法檢測金（III）離子的性能（檢出限、選擇性、檢測速度、準確性和線性范圍）可見，①比色法檢出限高（10 μmol/L），紫外可見吸收光譜法檢出限中等（30 nmol/L），分子熒光光譜法檢出限高（0.1 nmol/L）；②比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法對金（III）離子均有高的選擇性；③比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法對金（III）離子的檢測速度快，反應僅需5 min；④比色法僅能定性或半定量檢測金（III）離子，紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法均能精準定量檢測金（III）離子；⑤比色法檢測的范圍較窄（10 ～150 μmol/L），紫外可見吸收光譜法的檢測/線性范圍中等（0.1 ～100 μmol/L），分子熒光光譜法的檢測/線性范圍寬（0.001 ～150 μmol/L）；⑥比色法不需儀器僅用肉眼即可檢測，紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法均需儀器實現檢測。上述基于碳點的不同光學分析法檢測金（III）離子的性能分析見表1，可以總結出3種基于碳點的光學分析法的優勢在于檢測速度快和選擇性高；比色法的優勢在于不需儀器即可檢測，不足在于不能精準定量檢測、檢出限高和線性范圍窄，適合于野外的快速檢測；紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法的優勢在于能精準定量檢測、檢出限低和線性范圍寬，且分子熒光光譜法的檢出限比紫外可見吸收光譜法更低，而線性范圍更寬，不足在于它們均需要昂貴的儀器，適合于實驗室快速檢測。這些分析方法的全面系統比較，可加深對分析化學課程中相關光譜分析方法的認識和理解。

表1 不同光學分析法檢測金（III）離子性能優缺點比較

3.5 樣品測定

當廢水加到碳點溶液中后，碳點溶液顏色幾乎沒有太明顯的變化，受限于比色法的檢出限和檢測濃度范圍，因此利用比色法不能判斷廢水中含有的金（III）離子的濃度。當廢水加到碳點溶液前后517 nm 處吸光度幾乎沒有明顯的變化，受限于紫外可見吸收光譜法的檢出限和線性范圍，因此利用紫外可見吸收光譜法不能準確測定廢水中含有的金（III）離子的濃度。當廢水加到碳點溶液前后468 nm 處的熒光強度值發生了較明顯的減弱，根據F0/F 值，從相應的標準曲線可以獲得廢水中含有的金（III）離子的濃度為4.9 nmol/L。因此，利用比色法和紫外可見吸收光譜法無法準確判斷廢水中含有的金（III）離子的濃度，而利用分子熒光光譜法可以準確測定廢水中痕量金（III）離子的濃度。

4 教學成效

該實驗自成功開發出來后，作為一個本科生實驗項目，應用在我校分析化學實驗和化學創新實驗等課程中，取得了良好的成效。通過對學生的課內外信息反饋，普遍發現多數學生的學習興趣和熱情顯著提高，能夠對紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法的基本原理和應用以及這些方法之間的優缺點和適用范圍有清楚的認識，并且對新材料作為分析化學基本要素的重要性有了重新理解，同時也讓學生意識到分析化學面向科學前沿和國家需求的集成創新特征。同時本實驗使得學生的創新意識、綜合能力和總體素質整體提升，到目前為止已有9 位本科生通過查閱文獻，自己擬定題目并獲批國家級或校級大學生創新創業訓練計劃項目，有4 位已在國際SCI 雜志上公開發表科研論文。所有這些將對培養創新型、應用型和復合型高素質人才具有重要意義。

5 結 語

從科研成果中提煉和設計出一個碳點光學檢測金（III）離子分析化學綜合實驗新項目，該實驗項目綜合性、系統性和研究性強，通過本實驗項目的成功實施，加深學生對紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法的理解，并加強對新材料作為分析化學基本要素的重要性和分析化學面向科學前沿和國家需求的集成創新特征的認識。相信通過本實驗項目教學案例的成功實施，能進一步推動更多的教學工作者立足于國家需求和科學前沿提煉出更多的適合于大學本科生分析化學實驗教學的案例。通過這些大學分析化學實驗項目的豐富和更新，勢必能進一步激發學生學習的積極性，培養學生科研創新意識和綜合能力，從而全面地提高大學分析化學實驗課程的教學質量。

·名人名言·

實驗室和發明是兩個有密切關系的名詞，沒有實驗室，自然科學就會枯萎；科學家一經離開了實驗室，就變成戰場上繳了械的戰士。

——巴斯德