高熒光量子產(chǎn)率硼摻雜碳點(diǎn)的制備及其對水中2，4，6-三硝基苯酚的測定

李俊麗，何夢瑤，閆新雨，向國強(qiáng)，江秀明，何麗君

（河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001）

2，4，6-三硝基苯酚（TNP）是一種非常典型且常用的硝基芳香類炸藥，被廣泛應(yīng)用于染料、化工、煙花等行業(yè)［1-2］。TNP 具有良好的水溶性，過度使用會(huì)對土壤和地下水造成嚴(yán)重污染［3］。TNP 不僅會(huì)引起一系列環(huán)境問題，還會(huì)對人體產(chǎn)生許多負(fù)面影響。比如腐蝕人的粘膜和皮膚，損害人體肝臟和腎臟的功能［4-5］。因此，開發(fā)簡便、靈敏、選擇性檢測TNP的方法具有重要意義［6］。

迄今為止，已有較多方法用于硝基芳香類炸藥的檢測，如高效液相色譜法［7-8］、質(zhì)譜法［9］、電化學(xué)方法［10］等。但這些方法存在一些弊端，如分析成本高、樣品處理復(fù)雜、儀器昂貴等［11］。相比之下，熒光分析法因靈敏度高、操作簡單、分析成本低受到廣泛關(guān)注［12］，基于碳基納米材料的熒光分析方法已成功應(yīng)用于TNP的檢測。碳點(diǎn)（Carbon dots，CDs）是一種新型零維碳納米材料［13］，其分散性良好，粒徑小于10 nm，微觀上近乎準(zhǔn)球形。碳點(diǎn)體積小，表現(xiàn)出有別于其他碳基納米材料的獨(dú)特的光致發(fā)光特性［14］。CDs 的熒光量子產(chǎn)率是評價(jià)其熒光性能的重要指標(biāo)之一，目前許多已合成的CDs 的熒光量子產(chǎn)率相對較低，多集中在20%以下，并且所得產(chǎn)物的提純過程復(fù)雜，不利于批量生產(chǎn)，大大限制了CDs的分析應(yīng)用。因此探索高熒光量子產(chǎn)率CDs 的制備方法是提升CDs 分析性能的重要方向，而摻雜則是提升CDs 熒光量子產(chǎn)率的有效手段之一［15-16］。相較于量子產(chǎn)率較高的金屬摻雜，非金屬摻雜毒性小，對環(huán)境友好。硼（B）是碳原子的左鄰，可以作為一種有效摻雜劑摻雜到CDs中。硼的摻雜不僅有助于提高發(fā)光效率，而且可提高碳點(diǎn)的輻射復(fù)合率，且硼摻雜碳點(diǎn)（B-CDs）合成工藝簡單、成本低，合成的碳點(diǎn)水溶性好、毒性低、生物相容性好［17］。

本文采用3-氨基苯硼酸（3-APBA）作為前體，通過水熱法制備了B-CDs。由于3-APBA 同時(shí)含有B元素和N元素，而B和N均為元素周期表中C的近鄰，其原子半徑與C相近，因此可以有效修飾CDs的性質(zhì)［18］。該B-CDs的熒光量子產(chǎn)率高達(dá)51．43%，且在紫外區(qū)域具有發(fā)射帶（373 nm），該發(fā)射帶與TNP的吸收光譜（356 nm）有較大的光譜重疊，這使得TNP 對B-CDs 產(chǎn)生顯著的熒光內(nèi)濾效應(yīng)（IFE）。基于該IFE建立了痕量TNP的分析方法，并成功應(yīng)用于環(huán)境水樣中TNP的測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與樣品

RF-6000 熒光光譜儀（日本島津公司）；UV2450 紫外-可見分光光度計(jì)（日本島津公司）；WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司）；Escalab 250Xi XPS 光電子能譜儀（美國Thermo Fisher 公司）；FL-TCSPC 熒光分光光度計(jì)（法國Horiba Jobin Yvon 公司）；JEM-2011透射電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）；Molecular分析型1040D純水機(jī)（重慶摩爾水處理設(shè)備有限公司）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）。

3-APBA（上海麥克林生化科技有限公司）；鄰硝基苯酚（o-NP）、苯酚（PHE）、2，4，6-三硝基甲苯（TNT）、對苯二酚（HQ）、三氯苯酚（TCP）、對氯苯酚（p-CP）、間硝基苯酚（m-NP）、組氨酸（His）、賴氨酸（Lys）、甘氨酸（Gly）、果糖（Fru）、乳糖（Lac）、金屬鹽（生工生物工程股份有限公司）；去離子水由Molecular分析型1040D純水機(jī)制備。

湖水、雨水、自來水均采集于河南工業(yè)大學(xué)校園；礦泉水購于鄭州市某本地超市。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 B-CDs 的制備稱取0．2 g 的3-APBA 溶于20 mL 去離子水中，將溶液轉(zhuǎn)入Teflon 反應(yīng)釜（100 mL），180 ℃下水熱反應(yīng)10 h。反應(yīng)完成后，反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，用濾紙過濾后得B-CDs溶液。將B-CDs 和水以體積比1∶1 混合后，按20∶1（mL∶g）的比例加入活性炭粉，磁力攪拌2 h 后，溶液由棕黃色變?yōu)榈S色。經(jīng)高速離心（8 000 r/min，5 min）分離收集活性炭粉，采用鹽酸溶液對活性炭上吸附的物質(zhì)進(jìn)行解吸，解吸溶液（pH 值與吸附上清液相同）幾乎沒有熒光信號，由此確定活性炭上未吸附B-CDs。所得上清液即為純化后的B-CDs 溶液，上清液經(jīng)冷凍干燥得到淡黃色B-CDs 粉末（0．165 g）。將所得B-CDs粉末分散于去離子水中用于后續(xù)表征和分析。

1.2.2 熒光分析TNP將1 mL B-CDs 溶液、1 mL pH 6．0 的伯瑞坦-羅賓森（Britton-Robinson，B-R）緩沖溶液、不同濃度的TNP 標(biāo)準(zhǔn)溶液（或樣品溶液）依次加入到試管中，用去離子水定容到5 mL。設(shè)置激發(fā)波長為310 nm，記錄發(fā)射波長373 nm處的熒光強(qiáng)度I，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)熒光強(qiáng)度為I0，計(jì)算lg（I0/I）的值用于后續(xù)TNP定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 B-CDs的表征

圖1A 為B-CDs 的TEM 圖像，可看出制備的B-CDs 呈典型球形，無明顯聚集現(xiàn)象，平均粒徑為5．8 nm（圖1B）。從圖1C 可觀察到B-CDs 明顯的晶格條紋，晶格間距為0．203 nm。這可能歸因于石墨烯的sp2（1120）石墨晶相［19］。

采用FT-IR 光譜對B-CDs 表面的官能團(tuán)進(jìn)行考察（圖2A）。結(jié)果顯示，B-CDs 在3 500 cm-1處有一個(gè)強(qiáng)吸收峰，歸因于N—H 的伸縮振動(dòng)；3 174 cm-1處的峰與O—H 的伸縮振動(dòng)有關(guān)；由3 043、1 693、1 511、760 cm-1處的幾個(gè)吸收峰，可判斷B-CDs 中苯環(huán)的存在；1 400 cm-1處為B—O 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰。

圖2 B-CDs的傅里葉紅外光譜圖（A）、B-CDs的XPS全掃描光譜圖（B）、高分辨率C1s譜圖（C）、高分辨率B1s譜圖（D）、高分辨率N1s譜圖（E）、高分辨率O1s譜圖（F）Fig．2 FT-IR spectrum of B-CDs（A），XPS analysis of B-CDs in full spectra（B），high-resolution C1s peak（C），high-resolution B1s peak（D），high-resolution N1s peak（E）and high-resolution O1s peak（F）of B-CDs

采用X-射線光電子能譜（XPS）研究了B-CDs 的元素組成與狀態(tài)，從圖2B 可知，B-CDs 主要由C、N、O、B 4 種元素組成。C1s 的高分辨譜圖（圖2C）中，284．24、284．81、285．96 eV 處的3 個(gè)峰，分別代表C—B、C=C、C—N；B1s 的高分辨譜圖（圖2D）證明了B-CDs 中B 的存在，191．44 eV 和192．78 eV 處的峰分別歸因于B—C 和B—O［20］。N1s的高分辨譜圖（圖2E）在399．49、400．05、401．67 eV 處有3峰，分別歸因于C—N—C、N—C、N—H；O1s 的高分辨譜圖（圖2F）中532．29 eV 和533．04 eV 處的峰分別歸因于O—B 和O—H［21］。上述結(jié)果表明，XPS 獲得的B-CDs 元素組成與官能團(tuán)信息與FT-IR 結(jié)果一致。

通過熒光光譜和紫外-可見吸收光譜考察了B-CDs 的光學(xué)性質(zhì)。從圖3A 可看出，B-CDs 具有兩個(gè)紫外吸收峰（230 nm 和290 nm），分別歸因于苯環(huán)中C=C—N 的n-π*躍遷和C=C 鍵的π-π*躍遷［22］。圖3B 是B-CDs 的熒光光譜圖，在激發(fā)波長280～340 nm 范圍內(nèi)，B-CDs 的熒光發(fā)射峰位于373 nm 處，且隨著激發(fā)波長的增大，熒光強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后降低的趨勢，當(dāng)激發(fā)波長為310 nm 時(shí)，熒光發(fā)射強(qiáng)度最大。同時(shí)，以硫酸奎寧為參考，測得B-CDs的熒光量子產(chǎn)率為51．43%，相比于近期報(bào)道的其它B摻雜CDs熒光探針，熒光量子產(chǎn)率有較大幅度提升［23-26］。

圖3 B-CDs的紫外-可見吸收光譜圖（A）、不同激發(fā)波長下的熒光光譜圖（B）、pH值（C）、鹽濃度（D）、溫度（E）及放置時(shí)間（F）對B-CDs 熒光強(qiáng)度的影響Fig．3 UV-Vis absorption spectrum of B-CDs（A），fluorescence spectra at different excitation wavelengths of B-CDs（B），effects of pH value（C），salt concentration（D），temperature（E） and time（F） on the fluorescence intensity of B-CDs

此外，研究了pH值、鹽濃度、溫度對B-CDs熒光強(qiáng)度的影響。圖3C表明B-CDs的熒光強(qiáng)度在pH 5．0～8．0范圍內(nèi)幾乎保持恒定，在pH 1．0～3．0和pH 10．0～14．0的條件下熒光強(qiáng)度顯著降低。這可能是由于強(qiáng)酸性條件下B-CDs 表面的—NH2結(jié)合H+，強(qiáng)堿性條件下B-CDs 表面的—B（OH）2結(jié)合OH-，從而改變了B-CDs 的表面電子態(tài)，導(dǎo)致B-CDs 的熒光強(qiáng)度降低。圖3D 表明，鹽濃度NaCl（0～4 mol/L）對BCDs的熒光幾乎不產(chǎn)生影響，說明B-CDs具有優(yōu)良的鹽耐受能力。從圖3E可看出，溫度從25 ℃升高到60 ℃時(shí)，B-CDs 的熒光強(qiáng)度僅出現(xiàn)緩慢降低，表明B-CDs 具有良好的熱穩(wěn)定性［27］。在四個(gè)月的時(shí)間內(nèi)考察了B-CDs熒光性質(zhì)的穩(wěn)定性（圖3F），結(jié)果表明B-CDs具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性。以上結(jié)果表明，BCDs的光學(xué)性質(zhì)具有高穩(wěn)定性。

2.2 基于IFE的TNP測定

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TNP 可有效猝滅B-CDs 的熒光，考察了pH 值和溫度對TNP 猝滅作用的影響。結(jié)果表明，隨著pH 值的增大，猝滅效率（I0-I）/I0呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，在pH 6．0時(shí)，可獲得最大猝滅效率（圖4A）；隨著溫度的升高，IFE 效率逐漸降低，室溫時(shí)獲得最大猝滅效率（圖4B）。因此，選擇pH 6．0和室溫為最佳實(shí)驗(yàn)條件。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，記錄B-CDs在373 nm處的熒光光譜，在TNP濃度（c）0．5～100 μmol/L 范圍內(nèi)，B-CDs 的強(qiáng)度呈規(guī)律性降低（圖4C），TNP 濃度與猝滅程度lg（I0/I）呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程為lg（I0/I）=0．01c+0．022 86（r2=0．999 78）。根據(jù)3σ規(guī)則計(jì)算得到檢出限為86 nmol/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1．3%（c=10 μmol/L，n=13）。

圖4 pH 值（A）和溫度（B）對TNP分析的影響及不同TNP濃度（0．5～100 μmol/L）下B-CDs的熒光強(qiáng)度（C）Fig．4 Effect of pH value（A） and temperature（B） on the quenching behavior of TNP，the fluorescence intensity of B-CDs in the presence of different concentrations of TNP（0．5-100 μmol/L）（C）

為了確證TNP 猝滅B-CDs熒光的機(jī)理，首先考察了B-CDs熒光發(fā)射光譜與TNP 吸收光譜的重疊情況（圖5A）。TNP的紫外吸收波長位于356 nm處，與B-CDs的熒光發(fā)射光譜（373 nm）有較大重疊。由此可推斷B-CDs 的熒光猝滅機(jī)理可能為IFE［28-29］。IFE 又稱表觀猝滅，是指吸收體對熒光體激發(fā)光或發(fā)射光的吸收，造成熒光體熒光強(qiáng)度降低的現(xiàn)象［30］。IFE不會(huì)使CDs的熒光壽命發(fā)生變化，由于其不屬于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)猝滅過程，所以吸收體和熒光體之間不會(huì)生成新物質(zhì)。對B-CDs 熒光壽命的測定結(jié)果表明，B-CDs的熒光壽命在與TNP混合前后無明顯變化（圖5B）。因此TNP對B-CDs的猝滅機(jī)理可能為靜態(tài)猝滅或IFE。用紫外-可見分光光度計(jì)分別掃描B-CDs、TNP 和B-CDs-TNP 混合體系的紫外吸收曲線（圖5C），結(jié)果顯示，B-CDs 和TNP 的加和曲線（Sum value）與B-CDs-TNP 混合體系（Mixture）的吸收曲線完全重合，表明TNP 和B-CDs 混合體系中沒有復(fù)合物生成，可以排除靜態(tài)猝滅機(jī)理。因此，TNP 對BCDs的熒光猝滅機(jī)理確證為IFE［31］。

圖5 TNP的紫外-可見光譜和B-CDs 的發(fā)射光譜（A），B-CDs 和 B-CDs-TNP的熒光壽命圖（B），B-CDs、TNP及其混合體系的紫外-可見吸收光譜（C）Fig．5 UV-Vis absorption spectrum of TNP and fluorescence emission spectrum of B-CDs（A），fluorescence lifetime curves of B-CDs and B-CDs-TNP（B），UV-Vis absorption spectra of B-CDs，TNP and their mixture solution（C）

2.3 方法選擇性

為了評估熒光分析TNP 的選擇性，考察了典型干擾物對B-CDs 熒光強(qiáng)度的影響。圖6A 為在TNP（10 μmol/L）存在和不存在的情況下，金屬離子對B-CDs 熒光強(qiáng)度的影響。可以看出，金屬離子對BCDs的熒光強(qiáng)度無明顯影響。圖6B展示了硝基芳族化合物、氨基酸和糖類對B-CDs熒光的影響。結(jié)果表明，上述有機(jī)分子（10-4mol/L）均對B-CDs 熒光無明顯影響。以上結(jié)果表明，B-CDs 熒光分析TNP 具有高選擇性。

圖6 金屬離子（A）和有機(jī)小分子（B）對TNP分析的影響Fig．6 Effects of metal ions（A） and organic small molecules（B） on the detection of TNP Fe2+，F(xiàn)e3+，Hg2+，Al3+：5 μg/mL；other metal ions were 10 μg/mL

2.4 實(shí)際樣品測定

采用本方法對湖水、雨水、礦泉水和自來水樣品中的TNP 進(jìn)行測定，同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。湖水和雨水經(jīng)濾紙過濾除掉雜質(zhì)，自來水和礦泉水無需處理。由表1 可看出，樣品的加標(biāo)回收率為95．1%～110%，RSD為1．0%～3．9%。說明該基于IFE機(jī)理的熒光猝滅分析法具有高準(zhǔn)確度和精密度。

表1 實(shí)際樣品中TNP的測定（n=3，mean ± SD，μmol/L）Table 1 Determination of TNP in actual samples（n=3，mean ± SD，μmol/L）

3 結(jié) 論

以3-APBA 為原料，通過一步水熱法成功制備了B-CDs。所制備B-CDs 具有紫外發(fā)射熒光，熒光量子產(chǎn)率為51．43%。基于IFE 機(jī)理，建立了水中TNP 的痕量分析新方法。該方法具有簡便、快速、靈敏的特點(diǎn)，在TNP痕量分析方面有較大應(yīng)用潛力。