羅道成，羅 鑄

(湖南科技大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 煤炭清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

鎳(Ni)是人體必需的生命元素，但鎳過(guò)量會(huì)對(duì)人體造成危害，損害人的肝臟和心肺功能，可引起過(guò)敏性皮炎、系統(tǒng)紊亂，且具有致癌性。鎳也是一種重要的環(huán)境污染物，對(duì)水生生物具有明顯的危害。因此對(duì)鎳離子的識(shí)別和檢測(cè)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前鎳離子的檢測(cè)方法有滴定法［1］、分光光度法［2－5］、電化學(xué)法［6］、原子吸收光譜法［7］、熒光光譜法［8］、ICP － AES 法［9］等。

納米材料應(yīng)用于鎳離子的測(cè)定，主要包括以下兩方面:①使用納米材料對(duì)鎳離子進(jìn)行分離富集，這類(lèi)納米材料多采用納米金屬氧化物和碳納米管。如Hang等［10］利用ICP－AES法研究了納米TiO2材料對(duì)Ni(Ⅱ)的吸附性能，并應(yīng)用于環(huán)境樣品中Ni(Ⅱ)的分析，檢出限為0.32 ng/L;Hu等［11］將納米介孔Al2O3涂覆在熔融石英毛細(xì)管微柱內(nèi)壁用于Ni(Ⅱ)，Co(Ⅱ)，Pd(Ⅱ)的同時(shí)分離富集，經(jīng)ICPMS法測(cè)得Ni(Ⅱ)的檢出限為1.5 ng/L;Suleiman等［12］用納米ZrO2固相微柱分離富集、ICP－OES法測(cè)定了環(huán)境和生物樣品中的Ni(Ⅱ)，其檢出限為7 ng/L;明亮等［13］以多壁碳納米管－CdTe量子點(diǎn)復(fù)合修飾電極，采用電化學(xué)分析法測(cè)定了實(shí)際水樣中的痕量鎳，檢出限為1.0×10－8mol/L。②以納米材料作為熒光探針，直接用于鎳離子的測(cè)定。如周華健等［14］以合成的3-巰基丙酸修飾的CdTe量子點(diǎn)為熒光探針，采用熒光光度法測(cè)定了水樣中痕量鎳，其檢測(cè)范圍為1～1 000 μmol/L。碳點(diǎn)(Carbon dots，CDs)作為一種新型的熒光納米材料，與量子點(diǎn)等其他熒光納米材料相比，具有熒光穩(wěn)定、無(wú)光閃爍、激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)控、無(wú)光漂白現(xiàn)象、水溶性好、廉價(jià)、低毒等優(yōu)點(diǎn)［15－16］。這些性質(zhì)決定了碳點(diǎn)在生物成像［17］與生物探針領(lǐng)域有更大的應(yīng)用前景。碳點(diǎn)的熒光可以有效地被電子受體或者電子給體所猝滅，這說(shuō)明碳點(diǎn)既是電子受體，也是給體［18］。這種光引發(fā)電子轉(zhuǎn)移的性質(zhì)使其廣泛應(yīng)用于光能量的轉(zhuǎn)換、光伏設(shè)備和相關(guān)領(lǐng)域，也可作為Cu2+，Hg2+，Ag+等金屬離子的檢測(cè)探針［19－20］和用于藥物分析［21］。由于碳點(diǎn)具有比量子點(diǎn)等其他熒光納米材料更優(yōu)異的性能，在科學(xué)界引起了極大關(guān)注。

本文以葡萄糖為碳源，以聚乙二醇-200(PEG-200)為分散劑和表面修飾劑，在水溶液中合成了水溶性的熒光納米碳點(diǎn)(CDs)，以其作為熒光探針，在pH 5.72的Britton－Robinson(B－R)緩沖溶液中，基于鎳離子對(duì)CDs熒光的顯著猝滅作用，建立了一種測(cè)定鎳離子的熒光光度法。本法具有操作簡(jiǎn)便、快速、靈敏、選擇性好、應(yīng)用范圍寬、分析成本較低等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于環(huán)境水樣中痕量鎳的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

RF－5301型熒光分光光度計(jì)、UV－2550型紫外分光光度計(jì)(日本島津公司);pHS－3C型酸度計(jì)(上海第三分析儀器廠);78－磁力加熱攪拌器(江蘇金壇金城國(guó)盛實(shí)驗(yàn)儀器廠);循環(huán)水式真空泵(鞏義予華儀器有限責(zé)任公司);HH－S2型數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇大地自動(dòng)化儀器廠);UP型純水儀(上海優(yōu)普實(shí)業(yè)有限公司);202－00A型臺(tái)式電熱恒溫干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)。葡萄糖、聚乙二醇(PEG-200)、己二胺、硝酸鎳(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);硼酸、乙酸、磷酸(分析純，上?；瘜W(xué)試劑總廠)。實(shí)驗(yàn)用水為超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)。

1.0 mmol/L Ni2+標(biāo)準(zhǔn)溶液:準(zhǔn)確稱(chēng)取0.0121 g硝酸鎳，用水溶解并定容于100 mL容量瓶中，搖勻，使用時(shí)用水稀釋成不同濃度的工作溶液;Britton－Robinson(B－R)緩沖溶液:pH 5.72，在100 mL三酸混合液(磷酸、乙酸、硼酸，濃度均為0.04 mol/L)中，加入0.2 mol/L NaOH溶液40.0 mL。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 熒光碳點(diǎn)的制備 準(zhǔn)確稱(chēng)取0.540 0 g葡萄糖，將其溶于25 mL聚乙二醇－水(體積比1∶1)溶液中，并轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)3 h，取出冷卻至室溫后，加入一定量己二胺粉末于上述反應(yīng)液中，于120℃電熱恒溫干燥箱中反應(yīng)12 h進(jìn)行鈍化，即得到棕紅色的熒光碳點(diǎn)溶液，用水定容至25 mL，該熒光碳點(diǎn)的濃度為0.72 mol/L(以碳計(jì))。將制備的碳點(diǎn)溶液用水稀釋至0.003 6 mol/L，作為碳點(diǎn)儲(chǔ)備液于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 鎳離子的測(cè)定方法 在5 mL比色管中，依次加入0.5 mL碳點(diǎn)儲(chǔ)備液、1.0 mL B－R緩沖溶液(pH 5.72)和適量Ni2+工作溶液，用水定容，搖勻。室溫下反應(yīng)10 min后，以350 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)定體系的熒光強(qiáng)度F;按同樣的方法測(cè)定試劑空白的熒光強(qiáng)度F0，計(jì)算相對(duì)熒光強(qiáng)度ΔF=F0/F。儀器激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光碳點(diǎn)的光譜性質(zhì)

測(cè)試了熒光碳點(diǎn)的紫外吸收光譜和熒光光譜，結(jié)果顯示，碳點(diǎn)的最大吸收峰位于350 nm;在350 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，熒光碳點(diǎn)在435 nm處有一很強(qiáng)的發(fā)射峰，這與其在紫外燈下發(fā)射的明亮青色熒光相一致。該熒光碳點(diǎn)的激發(fā)光譜連續(xù)，同時(shí)具有很寬的熒光激發(fā)波長(zhǎng)范圍;熒光發(fā)射峰峰形對(duì)稱(chēng)，半峰寬較窄，熒光強(qiáng)度高，表明所合成的熒光碳點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的發(fā)光性能。

2.2 熒光碳點(diǎn)在不同激發(fā)波長(zhǎng)的發(fā)射光譜

將制備的熒光碳點(diǎn)儲(chǔ)備液依次稀釋后，增大激發(fā)波長(zhǎng)，考察其熒光發(fā)射波長(zhǎng)變化。熒光碳點(diǎn)在不同激發(fā)波長(zhǎng)(340～450 nm)下的熒光發(fā)射光譜如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增大，熒光發(fā)射峰發(fā)生紅移，熒光強(qiáng)度先增大后減小，其中，激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm時(shí)，熒光碳點(diǎn)的熒光發(fā)射強(qiáng)度最大。這種呈多元激發(fā)、多元發(fā)射的光譜特性，可能是由于碳點(diǎn)表面發(fā)光位點(diǎn)不同，以及制備過(guò)程中不均勻納米粒徑的量子尺寸效應(yīng)等所引起［22］。因此，選擇350 nm作為實(shí)驗(yàn)中熒光碳點(diǎn)的激發(fā)波長(zhǎng)。在此激發(fā)波長(zhǎng)下，熒光碳點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)為435 nm。

圖1 碳點(diǎn)在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光發(fā)射光譜Fig.1 Fluorescence emission spectra of CDs from microwave way at different excitation wavelengths excitation wavelength(1－12):350，360，370，340，380，390，400，410，420，430，440，450 nm

2.3 Ni2+對(duì)熒光碳點(diǎn)的猝滅

室溫下，在熒光碳點(diǎn)中加入不同濃度的Ni2+工作溶液以及pH 5.72的B－R緩沖溶液1.0 mL，用水定容后測(cè)定，不同濃度的Ni2+對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm時(shí)，隨著Ni2+濃度的不斷增大，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸下降，熒光峰形變寬，而其熒光發(fā)射波長(zhǎng)仍在435 nm處。說(shuō)明加入Ni2+后體系發(fā)生變化，導(dǎo)致碳點(diǎn)的熒光猝滅。這是因?yàn)?，碳點(diǎn)表面的部分羥基發(fā)生電離形成氧負(fù)離子，呈現(xiàn)一定的負(fù)電性，由于靜電排斥力作用，使得碳點(diǎn)呈分散狀態(tài)，具有較強(qiáng)的熒光;隨著Ni2+的加入，碳點(diǎn)表面的負(fù)電荷逐漸減小，減弱了碳點(diǎn)之間的靜電排斥力，拉近了碳點(diǎn)之間的距離，使得碳點(diǎn)逐漸發(fā)生聚集，碳點(diǎn)的水合粒徑增大，導(dǎo)致碳點(diǎn)熒光猝滅［23］。

圖2 不同濃度Ni2+存在時(shí)碳點(diǎn)的熒光光譜Fig.2 Fluoresence spectra of CDs in the presence of different concentrations of Ni2+

2.4 pH值的影響

考察了不同pH值的Britton－Robinson(B－R)緩沖溶液中，Ni2+對(duì)碳點(diǎn)的熒光猝滅情況。結(jié)果表明，體系的熒光光譜峰位不隨B－R緩沖液pH值的改變而發(fā)生位移，但其相對(duì)熒光強(qiáng)度ΔF發(fā)生變化。當(dāng)pH值在4.50～8.50范圍時(shí)，ΔF先增強(qiáng)再減弱，在pH 5.72時(shí)，ΔF達(dá)到最大值，表明此時(shí)Ni2+對(duì)碳點(diǎn)的猝滅作用最強(qiáng)。因此實(shí)驗(yàn)選擇B－R緩沖溶液的最佳pH值為5.72。

2.5 反應(yīng)時(shí)間的影響

考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，未加Ni2+離子時(shí)，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度不隨時(shí)間發(fā)生變化，加入Ni2+后，猝滅作用非常迅速，碳點(diǎn)溶液的熒光強(qiáng)度明顯降低，但不穩(wěn)定。10 min后，體系的熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，且至少可保持2 h以上。因此實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)時(shí)間為10 min。

2.6 碳點(diǎn)濃度及用量的影響

考察了碳點(diǎn)濃度對(duì)體系熒光強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳點(diǎn)的濃度較低時(shí)熒光猝滅作用不明顯，且線性范圍窄，而碳點(diǎn)濃度過(guò)高時(shí)，分析靈敏度較低。當(dāng)碳點(diǎn)的濃度在2.0×10－4～5.0×10－4mol/L范圍時(shí)，熒光猝滅程度達(dá)到最大，本實(shí)驗(yàn)選擇碳點(diǎn)的最佳濃度為3.6×10－4mol/L。在此濃度下，隨著碳點(diǎn)用量的增加，碳點(diǎn)與Ni2+的作用增強(qiáng)，熒光強(qiáng)度的猝滅值增大。進(jìn)一步考察了此濃度下碳點(diǎn)用量的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)3.6×10－4mol/L碳點(diǎn)的用量達(dá)0.5 mL時(shí)，熒光猝滅程度趨于平緩且達(dá)到最大。因此實(shí)驗(yàn)選擇3.6×10－4mol/L碳點(diǎn)的用量為0.5 mL。

2.7 工作曲線與檢出限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，分別取不同濃度的Ni2+加入到一定濃度的碳點(diǎn)溶液中，按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，以Ni2+濃度(c，μmol/L)為橫坐標(biāo)，以相對(duì)熒光強(qiáng)度值(ΔF)為縱坐標(biāo)，繪制工作曲線。結(jié)果表明，Ni2+濃度在3.0～80 μmol/L范圍與碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度呈線性關(guān)系，其線性方程為ΔF=1.009+0.031 0 c，r=0.998 3。進(jìn)行11次空白實(shí)驗(yàn)，按3δ/k計(jì)算(δ為11次空白溶液的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為線性方程的斜率)得檢出限為0.13 μmol/L。平行配制11組量子點(diǎn)加入6.0 μmol/L Ni2+溶液，測(cè)定其熒光強(qiáng)度，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.7%。

2.8 共存離子的影響

2.9 實(shí)際樣品分析

取50 mL資江水樣，過(guò)濾除去不溶物，然后移入50 mL容量瓶中，用H2O定容，搖勻，作為待測(cè)液。準(zhǔn)確移取2.0 mL待測(cè)溶液加入5 mL比色管中，按本實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，并與原子吸收光譜法［7］的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，本法與原子吸收光譜法的測(cè)定結(jié)果相符。進(jìn)一步對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，測(cè)得回收率為98.1%～103.5%，RSD為1.5%。

表1 實(shí)際水樣中鎳(Ⅱ)的分析結(jié)果Table 1 Analytical results of nickel(Ⅱ)in the actual water samples

3 結(jié)論

本文利用葡萄糖為碳源，以聚乙二醇-200(PEG-200)為分散劑和表面修飾劑，在水溶液中合成了水溶性的熒光納米碳點(diǎn)(CDs)，利用Ni2+對(duì)CDs的猝滅作用，建立了CDs熒光猝滅法測(cè)定痕量鎳的方法。該方法具有靈敏度高、選擇性好等特點(diǎn)，用于環(huán)境水樣中痕量鎳的測(cè)定，結(jié)果滿意。

［1］Tang H Y，F(xiàn)ang Y．Phys.Test.Chem.Anal．:Chem.Anal．(唐華應(yīng)，方艷．理化檢驗(yàn):化學(xué)分冊(cè))，2008，44(10):1007－1008．

［2］Dai C S，Luo D C．Mater.Protect．(戴財(cái)勝，羅道成．材料保護(hù))，2011，44(12):80－81．

［3］Zhu C Y，Deng F Z，Wen Q．Chem.Reagent(朱陳銀，鄧凡政，溫泉．化學(xué)試劑)，2010，32(6):531－532，564．

［4］Luo D C，Liu J F．Chin.J.Anal.Lab．(羅道成，劉俊峰．分析試驗(yàn)室)，2010，29(10):87－89．

［5］Qiao X P，Li H L，Zhao W Z，Jing L J，Xu D H．Mater.Protect．(喬小平，李鶴林，趙文軫，靖立君，徐東輝．材料保護(hù))，2012，45(1):66－68．

［6］Tao J Z，Yang F X，Hao H L，Xu G R，Li H．J.Anal.Sci．(陶建中，楊鳳霞，郝海玲，許光日，李洪．分析科學(xué)學(xué)報(bào))，2011，27(4):417－421．

［7］Mao Y L，Xiao X C，Pan J M，Ou H X，Yan Y S．Chin.J.Anal.Chem．(毛艷麗，肖曉存，潘建明，歐紅香，閆永勝．分析化學(xué))，2011，39(7):1088－1092．

［8］Li Y，Dong X W，Zhao J F，Zhang M，Hu X C，Zheng T F．J.Anal.Sci．(李巖，董秀文，趙軍峰，張敏，胡曉春，鄭同峰．分析科學(xué)學(xué)報(bào))，2014，30(2):191－196．

［9］Gao G J Z，Li Y P，F(xiàn)eng S Y，Xie Y J，Kuang C J，Cao C．Chin.J.Anal.Chem．(高光潔子，李艷萍，馮圣雅，謝琰軍，況春江，曹棖．分析化學(xué))，2014，42(3):457－458．

［10］Hang Y，Qin Y．J.Anal.Chem．，2003，58(11):1049－1053．

［11］Hu W L，Hu B，Jiang Z C．Anal.Chim.Acta，2006，572(1):55－62．

［12］Suleiman J S，Hu B，Pu X L．Microchim.Acta，2007，159(3/4):379 －385．

［13］Ming L，Xi X．Metall.Anal．(明亮，習(xí)霞．冶金分析)，2012，32(6):14－17．

［14］Zhou H J，Cao L X，Gao R J，Su G，Liu W，Zhao Y L，Wang L．Chin.J.Lumin．(周華健，曹立新，高榮杰，蘇革，柳偉，趙艷玲，王磊．發(fā)光學(xué)報(bào))，2013，34(7):829－835．

［15］Dong W，Wang Y，Song Y T，Xu S K，Ge X．Chin.J.Anal.Lab．(董微，王瑩，宋有濤，徐淑坤，葛欣．分析試驗(yàn)室)，2012，31(11):1－4．

［16］Tao H Q，Yang K，Ma Z，Wan J M，Zhang Y J，Kang Z H，Liu Z．Small，2012，8(2):281－290．

［17］Li X T，Wu J，Zhang D M，Tan M Q，Ma X J．J.Instrum.Anal．(李欣彤，吳晶，張德蒙，譚明乾，馬小軍．分析測(cè)試學(xué)報(bào))，2014，33(4):380－386．

［18］Wang X，Cao L，Lu F S，Meziani M J，Li H T，Qi G，Zhou B，Harruff B A，Kermarrec F，Sun Y P．Chem.Commun．，2009，25:3774－3776．

［19］Zhang C Z，Tan H，Mao Y，Li G，Han D X，Niu L．Chin.J.Appl.Chem．(張川洲，譚輝，毛燕，李剛，韓冬雪，牛利．應(yīng)用化學(xué))，2013，30(4):366－372．

［20］Zhou L，Lin Y H，Huang Z Z，Ren J S，Qu X G．Chem.Commun．，2012，48:1147 －1149．

［21］Tao H L，Liao X F，Zhou S L，Zhong F X，Yi Z S，Chen J．J.Instrum.Anal．(陶慧林，廖秀芬，周素蓮，鐘福新，易忠勝，陳?。治鰷y(cè)試學(xué)報(bào))，2014，33(7):820－824．

［22］Sun Y X，Sun X B，He Z W，Zhao Z D，Liu R S，Lou X Q．J.Mater.Sci.Eng．(孫英祥，孫相保，何志偉，趙增典，劉然升，婁湘琴．材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào))，2014，32(3):393－397．

［23］Fang J M，Liu L Q，Zhao X J，Li Y F．Chin.J.Appl.Chem．(方靜美，劉利芹，趙希娟，李原芳．應(yīng)用化學(xué))，2013，30(10):1144－1148．