蘆葦碳量子點的微波法制備及對Co2+的檢測

王聞琰,郭志亮,劉雪瑩,王曉晴,王愛麗,王芳*

(1.德州學院 化學化工學院,山東 德州 253023;2.山西欣國環環保科技有限公司,山西 太原 030002)

碳量子點(CQDs)是一種極好的準零維碳納米顆粒球熒光材料,其熒光機理有發射阱[1]、表面鈍化[2]、量子尺寸效應[3]、表面上有π共軛狀態下的熒光基團[4],或者是具有定位在sp3基質內小的sp2碳簇的電子和空穴對的重組。

碳量子點的制備主要包括電弧放電法[5]、激光銷蝕法[6]、電化學法[7]等操作方法。“自下而上”合成法,采用有機小分子或低聚物(如檸檬酸、糖類、離子液體等)作為碳源制備出碳量子點,該方法主要包括化學氧化法[8]、燃燒法[9]、水熱/溶劑熱法[10]、微波合成法[11]、模板法[12]等手段獲得熒光碳量子點。

鈷是一種人體必需的微量元素,對人類正常生命活動至關重要,而鈷元素過多又會導致紅細胞過多而中毒,對皮膚、肺部以及胃部等造成損害[13]。目前,測定鈷的方法有以下幾種:分光光度法[14]、原子吸收法[14]、電感耦合等離子體發射光譜法[15]等,然而這些方法大多費時、測試昂貴以及操作繁瑣。因此,開發高效且易于操作的環境樣品中Co2+分析方法非常重要。

蘆葦為1年一枯榮挺水植物,若蘆葦未得到及時收割,在冬季容易引發大火,雨季來臨后,大量生物質沉入水中腐爛,對水體造成污染,收割蘆葦每年都會產生大量的固體廢棄物,如果得不到及時的處理與處置,會對人體的健康以及環境造成損害。本文采用蘆葦為原料,通過微波消解法成功合成了熒光強度高、水溶性好的熒光CQDs,探討了CQDs在金屬離子分析檢測中的應用。利用蘆葦為碳源制備碳量子點,既解決了蘆葦農業固體廢棄物污染環境問題,又創造了一定的社會價值。

1 實驗

1.1 實驗試劑與儀器設備

1.1.1 實驗試劑

尿素、3-氨丙基三甲氧基硅烷、氯化銨、氯化鈷、氯化銅、氯化鉀、三氯化鐵、六水合氯化鎂、重鉻酸鉀(均為AR)。實驗用水為自制蒸餾水。

1.1.2 儀器設備

電子天平、微波消解儀、循環水式多用真空泵、四兩裝高速中藥粉碎機、熒光分光光度計。

1.2 實驗過程

1.2.1 碳量子點的制備

以蘆葦粉末為原料,3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)為氮源,混合溶液在600 W的條件下,利用快速微波法消解2 min制備碳量子點溶液,其基本生產過程如圖1所示。

圖1 碳量子制備流程

粉碎:將在減河濕地采集的蘆葦,祛除葉片和莖鞘,只保留莖稈部分,將其用蒸餾水洗凈祛除其表面灰塵等雜質,在50 ℃條件下烘干,用剪刀剪短至2～3 cm,放入粉碎機,粉碎10 min;

過篩:將粉碎的蘆葦依次用0.425 mm(40目),0.178 mm(80目),0.150 mm(100目)分別過篩,放置于托盤備用;

分散:稱取0.3 g的0.150 mm(100目)蘆葦粉末置于小燒杯中,加入30 mL水,用超聲波清洗器分散均勻,轉移至50 mL消解罐中;

微波消解:將消解罐置于微波消解裝置中,功率調至600 W消解2 min,待消解完成后,取出,并在常溫下冷卻;

抽濾:冷卻結束后將消解罐中的混合液搖勻,用真空泵進行抽濾,獲得澄清的濾液便為碳量子點溶液,接下來進行分析。

1.2.2 碳量子點的修飾

未經修飾過的蘆葦碳量子點原液最大熒光強度只能達到3 415 a.u.,為了獲得具有更強熒光強度的蘆葦碳量子點,在制備C量子點溶液過程中分別加入尿素、氯化銨、3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)作為氮源,對碳量子點進行修飾,測量三種碳量子點溶液的熒光強度,并通過比較得出最佳的熒光曲線。

1.2.3 熒光強度與碳量子點溶液稀釋倍數的研究

用蒸餾水將制備的碳量子點溶液分別稀釋1,2,5,10,20倍后,利用熒光分光光度計在波長為380～600 nm,電壓為600 V,狹縫為10 nm的條件下,對稀釋后C量子點溶液進行掃描,測定其熒光強度。

1.2.4 金屬離子對APS-CQDs的猝滅效果

為了探究某種金屬離子對APS-CQDs的熒光猝滅效果,考察了6種常見金屬離子與 APS-CQDs的相互作用。用分析天平分別稱取2.379 g氯化鈷、1.704 g氯化銅、0.745 g氯化鉀、2.703 g 三氯化鐵、2.032 g六水合氯化鎂、2.941 g重鉻酸鉀,從而配制出0.1 mol/L的含Co2+、Cu2+、K+、Fe3+、Mg2+、Cr6+溶液,取6支25 mL比色管,向里面分別滴加5 mL上述溶液,然后再加入5 mL APS-CQDs溶液,測定其熒光強度。

1.2.5 Co2+工作曲線繪制實驗

1.2.5.1 Co2+工作曲線的濃度區間的確定

為了探究合適Co2+對APS-CQDs溶液熒光猝滅呈現出最佳的線性關系的濃度范圍,分別將Co2+儲備液用蒸餾水稀釋為1,10,100 μmol/L濃度差較大的Co2+溶液,將上述溶液與APS-CQDs溶液按照體積比為5∶2混合、搖勻,立即測定其熒光強度。

1.2.5.2 繪制Co2+工作曲線

在濃度范圍為10～100 μmol/L中,不同濃度的Co2+溶液的配制:用移液管吸取1 mL濃度為0.1 mol/L的Co2+儲備液于100 mL容量瓶中,加入蒸餾水定容、搖勻,得到100 μmol/L的Co2+溶液。分別取10,9,8……3,2,1 mL此溶液加入至10 mL比色管中,用蒸餾水定容,得到100,90,80……20,10 μmol/L的Co2+溶液,然后再加入4 mL APS-CQDs溶液,搖勻,立即測定其熒光強度。

1.2.6 檢出限及加標回收實驗

1.2.6.1 空白樣品熒光強度的測定

量取3.33 mL APS溶液,在小燒杯中稀釋,然后置于100 mL容量瓶中,用蒸餾水定容、搖勻。取六支比色管,分別貼上A1、A2、A3、A4、A5、A6,準確加入10 mL上述配制的溶液,再加入4 mL APS-CQDs溶液,搖勻,立即測定其熒光強度。

1.2.6.2 加標樣品熒光強度的測定

取六支10 mL比色管,分別貼上B1、B2、B3、B4、B5、B6,準確加入8.48 mL的0.01 mol/L Co2+溶液,置于比色管中,用蒸餾水定容、搖勻(此時比色管中Co2+質量為5 mg,既加標量為5 mg),然后加入4 mL的APS-CQDs溶液,立即測定其熒光強度。

2 結果與討論

2.1 碳量子點修飾效果對比

碳量子點的修飾如圖2所示。

圖2 碳量子點的修飾

從圖2可以看出,用尿素作為氮源修飾的蘆葦碳量子點溶液熒光強度最強,但吸收峰不夠光滑,用氯化銨作為氮源修飾的蘆葦碳量子點溶液較原溶液有所降低,用APS作為氮源的蘆葦碳量子點溶液熒光強度增強且吸收峰較光滑,故采用APS作為氮源修飾,稱之為APS-CQDs,單獨的APS溶液無熒光。

2.2 碳量子點溶液熒光強度與稀釋倍數關系分析

碳量子點溶液最大熒光強度與稀釋濃度關系如圖3所示。

圖3 最大熒光強度與稀釋濃度關系

從圖3可以清晰地看出,APS-CQDs溶液的最大熒光強度隨著稀釋倍數的增加而降低,實驗過程中采用APS-CQDs原液進行以下的實驗探究。

2.3 金屬離子對APS-CQDs的猝滅效果分析

對加入金屬離子的六種溶液進行熒光強度的測定,以F0/F1為縱坐標(F0為空白APS-CQDs溶液的熒光強度,F1為加金屬離子后APS-CQDs溶液的熒光強度),如圖4所示。

圖4 不同金屬離子的F0/F1值

從圖4可以看出,Co2+、Cu2+、Fe3+、Cr6+對APS-CQDs溶液的熒光強度都具有較強的猝滅作用,而Mg2+對APS-CQDs的熒光強度具有增強作用,K+對APS-CQDs的熒光猝滅強度未超過20%,其猝滅作用可忽略。本文針對Co2+的強猝滅作用,建立基于對APS-CQDs溶液熒光定量猝滅的二價鈷離子的測定方法。

2.4 Co2+工作曲線繪制

測定含有1,10,100 μmol/L的Co2+溶液對APS-CQDs溶液的熒光衰減強度,可以看出在10～100 μmol/L的范圍內最大熒光強度值相差最大,可在此濃度區間探究不同Co2+對APS-CQDs溶液熒光強度的猝滅效果。配置濃度為10,20,30……90,100 μmol/L的Co2+溶液,測定其對APS-CQDs溶液的熒光衰減強度,結果見圖5,可以看出Co2+濃度范圍在10～100 μmol/L呈現出良好的線性關系。

圖5 不同濃度Co2+熒光強度

以F0/F1為縱坐標,以Co2+濃度為橫坐標可呈現出最好的線性關系,如圖6,回歸方程為F0/F1=1.058 24X+0.013,相關系數R2=0.991 1,式中X單位為μmol/L。

圖6 Co2+標準工作曲線

2.5 檢出限及加標回收數據分析

對A1、A2、A3、A4、A5、A6六支空白樣品測定熒光強度,其數據如表1所示。

表1 空白樣品數據

按空白樣品標準偏差的三倍除以Co2+工作曲線的方法計算其檢出限,檢出限 3σ/K=3SD/K= 0.118 μmol/L(K為Co2+標準曲線的斜率)。

對B1、B2、B3、B4、B5、B6六支加標5 mg Co2+的樣品測定熒光強度,其數據如表2所示。

表2 加標樣品數據

由表2可知,該樣品平行測定6次,相對標準偏差為 1.29%,加標回收率均介于80%～120%之間,精密度為RSD=1.29%<15%,這表明該實驗方法具有良好的實際應用價值。

3 結論

1)以蘆葦為原料,使用3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)作為改良劑,在60 W的微波反應器中,反應2 min,用微波法成功制備出了熒光碳量子點。

2)Co2+溶液對APS-CQDs溶液具有靈敏的熒光猝滅作用,并通過不同濃度Co2+溶液的熒光性能衰減的研究,熒光分光光度計在波長為380～600 nm,電壓為600 V,狹縫為10 nm的條件下,建立了一種檢測Co2+離子的熒光猝滅法,測定濃度范圍為10～100 μmol/L,所得線性回歸方程為F0/F1=1.058 24X+0.013,式中X單位為μmol/L,相關系數R2=0.991 1。

3)文中所使用的方法具有實驗原料易得、實驗過程簡單、實驗操作安全等優點。用蘆葦作為碳源,利用微波法合成法制備出的熒光碳量子點,具有很好的熒光性質和高的熒光強度,上述的APS-CQDs溶液制備的具體過程,以及利用APS-CQDs溶液對Co2+的測定分析,為研究碳量子點測定微量鈷提供了一定的方法和數據。