鄒 宇，唐明宇，曲姚姚，張 芳，柴 芳*

(1． 哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 光化學(xué)生材料與儲(chǔ)能材料黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150025；2. 北部灣海洋新材料研究院，廣西 北海 536015)

1 引 言

作為新型的零維碳納米材料，碳點(diǎn)以其優(yōu)異的熒光性質(zhì)、物理化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性、低毒性和可以批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在催化劑[1]、發(fā)光二極管(LED)[2]、熒光傳感器[3]、生物顯像劑和納米藥物等領(lǐng)域[4]具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[5]而引起了研究者的廣泛關(guān)注[6]。其中，熒光分析探針是重要的研究方向之一。

硝基芳化合物如對(duì)硝基苯酚和鄰硝基苯酚具有毒性，常用作合成染料、皮革加工、藥物生產(chǎn)、加工指示劑等生產(chǎn)過(guò)程中的中間體。硝基苯酚化合物在生產(chǎn)生活中可能進(jìn)入河流中甚至滲入土壤和地下水中，還可以通過(guò)呼吸、接觸等方式進(jìn)入人體刺激眼睛、呼吸、消化和代謝系統(tǒng)。由于其在水體中良好的溶解性和穩(wěn)定性，可長(zhǎng)期存在于廢水中，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，直接影響到生態(tài)環(huán)境和人類健康[7]。目前，在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)分析方法中，如熒光法[6]、分光光度法[8]、氣相色譜法[9-10]，利用碳點(diǎn)作為熒光探針對(duì)爆炸物檢測(cè)已有一些報(bào)道。如Yuan等制備了氮摻雜的藍(lán)光碳點(diǎn)用于檢測(cè)對(duì)硝基苯酚[8]，Ahmed等報(bào)道了藍(lán)光碳點(diǎn)作為熒光探針檢測(cè)地表水中的對(duì)硝基苯酚[9]。Dang等利用均苯四甲酸合成出高亮熒光氮摻雜碳點(diǎn)用于測(cè)定對(duì)硝基苯酚[10]，Yang等將葡萄糖胺制成氮摻雜碳點(diǎn)可高靈敏檢測(cè)對(duì)硝基苯酚，并基于“on-off”機(jī)制檢測(cè)Cr(VI)和抗壞血酸[11]。

本文利用簡(jiǎn)單一鍋法合成了藍(lán)色熒光碳點(diǎn)(MSA-CDs)，通過(guò)TEM、XPS、FT-IR、UV-Vis和熒光光譜對(duì)制備的MSA-CDs進(jìn)行了表征和分析。研究了MSA-CDs的激發(fā)、發(fā)射性質(zhì)，以及MSA-CDs在不同pH、離子強(qiáng)度和儲(chǔ)存時(shí)間條件下的穩(wěn)定性。為考察真實(shí)環(huán)境對(duì)探針的影響，探究了MSA-CDs在實(shí)際水樣中對(duì)2-NP和4-NP的檢測(cè)情況，并進(jìn)一步分析了其對(duì)MSA-CDs熒光的猝滅機(jī)理。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑和表征

巰基丁二酸(Mercaptosuccinic acid，98%)、甲酰胺(Formamide，98%)、2,4,6-三硝基苯酚(TNP，98%)及乙醇(AR)購(gòu)于阿拉丁試劑公司；鄰硝基苯酚(2-NP，98%)、間硝基苯酚(3-NP，98%)、對(duì)硝基苯酚(4-NP，98%) 購(gòu)于國(guó)藥試劑公司；硝基苯(NB，98%)和甲苯(Toluene，98%) 購(gòu)于北京化學(xué)試劑公司。

表征所用的透射電鏡(TEM)型號(hào)是FEI Tecnai G2 F20 TEM，紫外-可見光譜通過(guò)日本島津UV-2550紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)得，熒光光譜由美國(guó)PerkinElmer LS-55熒光光譜儀測(cè)試，紅外光譜采用日本JASCOFT/IR-420紅外光譜儀測(cè)試。 通過(guò)AXIS Ultra DLD光譜儀測(cè)試了碳點(diǎn)的XPS。

2.2 熒光巰基丁二酸碳量子點(diǎn)制備

將0.21 g 巰基丁二酸和12.5 mL 甲酰胺攪拌充分混合，然后將混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，在160 ℃烘箱加熱1 h。待產(chǎn)物冷卻至室溫后，將得到的深棕色溶液透析(3 500 u)，純化后的溶液即為MSA-CDs。然后取出溶液密封存放在4 ℃冰箱中待用。為探究最佳的合成條件，在制備過(guò)程中將不同反應(yīng)溫度(120～200 ℃)、反應(yīng)時(shí)間(0.5～2 h)及兩種反應(yīng)物質(zhì)量比(巰基丁二酸質(zhì)量0.10，0.21，0.42 g，甲酰胺的用量不變)的情況分別進(jìn)行了考察。

2.3 碳點(diǎn)對(duì)硝基芳香化合物的選擇性

2.4 鄰硝基苯酚和對(duì)硝基苯酚的靈敏度

為考察MSA-CDs對(duì)2-NP的靈敏度，向200 μL MSA-CDs溶液中分別加入等體積的不同濃度的2-NP溶液(10-9～10-3mol/L)，反應(yīng)20 min后測(cè)試并比較樣品的熒光光譜。探針對(duì)4-NP的檢測(cè)靈敏度的研究過(guò)程與2-NP相同。

2.5 實(shí)際水樣中的檢測(cè)

為了驗(yàn)證MSA-CDs探針在真實(shí)環(huán)境中的檢測(cè)性能，在實(shí)際水體中對(duì)2-NP和4-NP進(jìn)行了檢測(cè)。收集了查干湖水樣，并用孔徑為0.22 μm的濾膜對(duì)收集的水樣進(jìn)行過(guò)濾處理。然后采用標(biāo)準(zhǔn)加入法將2-NP和4-NP(濃度分別為0.2，0.5,1.0 μmol/L)加入到湖水樣品中，最后對(duì)回收率數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試、計(jì)算和比較。

3 結(jié)果與討論

3.1 MSA-CDs組成和結(jié)構(gòu)

圖1是MSA-CDs的合成和檢測(cè)過(guò)程示意圖。由于巰基丁二酸分子中有—COOH和—SH基團(tuán)，甲酰胺具有—NH2基團(tuán)，作為碳源，巰基丁二酸和甲酰胺合成碳點(diǎn)過(guò)程中，引入了S和N摻雜元素，這對(duì)于提高碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率十分有利。反應(yīng)得到的MSA-CDs在紫外燈照射下發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光(λ=365 nm)。由于合成的MSA-CDs表面富含氨基，與2-NP和4-NP作用產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象，因此MSA-CDs可以作為一種潛在的熒光檢測(cè)探針識(shí)別這兩種化合物。

圖1 MSA-CDs合成及作為熒光傳感器用于檢測(cè)2-NP和4-NP示意圖

首先討論合成MSA-CDs的反應(yīng)條件，分別對(duì)反應(yīng)時(shí)間、溫度及反應(yīng)物配比對(duì)MSA-CDs的熒光性質(zhì)的影響進(jìn)行了研究。圖2(a)為在不同反應(yīng)時(shí)間(0.5，1，1.5，2 h)所制備的MSA-CDs的熒光光譜。通過(guò)圖中的曲線觀察到在437 nm處的發(fā)射峰為碳點(diǎn)的熒光發(fā)射峰，反應(yīng)時(shí)間為1 h 的條件下MSA-CDs的熒光強(qiáng)度最高，因此最佳反應(yīng)時(shí)間為1 h。合成實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化了反應(yīng)溫度，如圖2(b)所示，反應(yīng)溫度分別為120，140，160，180，200 ℃，在160 ℃條件下，熒光強(qiáng)度最高，因此探究出反應(yīng)的最佳溫度為160 ℃。圖2(c)為探究反應(yīng)物不同比例的熒光光譜。反應(yīng)中甲酰胺均為12.5 mL，加入巰基丁二酸的質(zhì)量分別為0.10,0.21,0.42 g，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加入0.21 g的巰基丁二酸時(shí)，熒光強(qiáng)度最高，因此，最佳條件為0.21 g巰基丁二酸與12.5 mL甲酰胺反應(yīng)。插圖分別為日光燈和紫外燈下不同反應(yīng)條件下的樣品圖片，與熒光光譜反應(yīng)的結(jié)果一致。綜上所述，合成MSA-CDs的最佳反應(yīng)條件是將0.21 g巰基丁二酸和12.5 mL甲酰胺在高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為1 h，反應(yīng)溫度為160 ℃。后面檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中所用的MSA-CDs均為在該條件下合成。

圖2 (a)不同反應(yīng)時(shí)間制備的MSA-CDs的熒光光譜；(b)不同反應(yīng)溫度合成的MSA-CDs的熒光光譜；(c)不同質(zhì)量反應(yīng)物合成的MSA-CDs的熒光光譜(插圖分別為相應(yīng)的樣品在自然光和紫外燈下的照片)。

TEM用來(lái)揭示碳點(diǎn)的尺寸和形貌，從圖3(a)中可以觀察到MSA-CDs呈現(xiàn)大小均勻的準(zhǔn)球形顆粒，具有良好的分散性。通過(guò)對(duì)100個(gè)單獨(dú)的MSA-CDs粒子粒徑測(cè)量并進(jìn)行高斯擬合后，得出一個(gè)較寬的粒徑分布，碳點(diǎn)的平均粒徑為(3.03±0.028) nm(圖3(b))。由圖3(a)中插圖HRTEM圖像計(jì)算得到MSA-CDs的晶格間距為0.21 nm，可歸屬為石墨(100)晶面[12]。

圖3 (a)MSA-CDs的TEM圖像，插圖是單個(gè)MSA-CDs的HRTEM；(b)MSA-CDs的粒徑分布。

圖4 MSA-CDs的XPS全譜(a)、C 1s譜(b)、O 1s譜(c)、N 1s譜(d)、S 2p譜(e)、紅外光譜(f)。

3.2 MSA-CDs 的光學(xué)性質(zhì)

各市發(fā)改委主任及工作助手，省發(fā)改委機(jī)關(guān)副處級(jí)以上干部，省能源局、省糧食和物資儲(chǔ)備局、省工程咨詢?cè)骸⑹『暧^經(jīng)濟(jì)研究院、山東發(fā)展投資控股集團(tuán)有限公司班子成員，委機(jī)關(guān)服務(wù)中心、委信息中心、齊魯周刊社主要負(fù)責(zé)同志參加會(huì)議。

圖5 (a)MSA-CDs的紫外-可見吸收光譜、熒光激發(fā)和發(fā)射光譜；(b)在不同激發(fā)條件下(300～400 nm)的熒光光譜；(c)1931 CIE色度坐標(biāo)，插圖：自然光下和紫外燈下的照片。

為考察MSA-CDs的穩(wěn)定性，分別研究了pH、離子強(qiáng)度和儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)其熒光強(qiáng)度的影響。首先探究了pH值對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響(圖6(a))。當(dāng)pH值在1～11范圍時(shí)，MSA-CDs的熒光強(qiáng)度幾乎不變；當(dāng)pH值在12～14之間時(shí)，熒光強(qiáng)度出現(xiàn)劇烈下降，這是由于MSA-CDs表面的—COOH發(fā)生離子化作用使熒光強(qiáng)度降低[25]。接著探究?jī)?chǔ)存時(shí)間的影響，每間隔2 h測(cè)試一次MSA-CDs的熒光光譜，發(fā)現(xiàn)12 h內(nèi)MSA-CDs熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定(如圖6(b)所示)。我們還討論了離子強(qiáng)度對(duì)碳點(diǎn)熒光的影響，通過(guò)模擬加入不同濃度的NaCl溶液來(lái)測(cè)試混合后MSA-CDs的熒光強(qiáng)度變化。如圖6(c)所示，發(fā)現(xiàn)即使在1 mol/L的高濃度NaCl溶液的條件下，MSA-CDs的熒光強(qiáng)度也沒有發(fā)生明顯的變化，證明碳點(diǎn)的熒光不受高離子強(qiáng)度影響。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明探針對(duì)復(fù)雜測(cè)試環(huán)境具有一定的容忍性，良好的穩(wěn)定性為MSA-CDs應(yīng)用于實(shí)際水樣中奠定了基礎(chǔ)。

圖6 MSA-CDs的熒光強(qiáng)度比率I/I0(I和I0分別代表樣品和空白的熒光強(qiáng)度)在pH=1～14(a)、儲(chǔ)存不同時(shí)間(b)和不同濃度的NaCl(c)條件下的變化曲線。

3.3 MSA-CDs對(duì)硝基芳香化合物的選擇性

將MSA-CDs作為探針檢測(cè)硝基芳香化合物，首先考察了選擇性。圖7(a)為MSA-CDs與不同種類的硝基類化合物混合后測(cè)試的熒光光譜，可以看到混合2-NP和4-NP的樣品在437 nm處熒光強(qiáng)度明顯下降。其他樣品的熒光發(fā)射強(qiáng)度幾乎保持不變。這意味著MSA-CDs的熒光發(fā)射易受2-NP和4-NP的影響。從樣品在紫外燈下的圖像中可以觀察到(圖7(b))，在紫外燈照射下，加入2-NP和4-NP后MSA-CDs的熒光強(qiáng)度降低，而MSA-CDs的熒光強(qiáng)度在加入其他硝基類化合物后沒有發(fā)生明顯變化。從圖7(c)樣品的熒光強(qiáng)度(I)和空白樣品的熒光強(qiáng)度(I0)比值的柱形圖中可以看出，2-NP和4-NP與其他樣品呈現(xiàn)明顯對(duì)比，證明MSA-CDs對(duì)2-NP和4-NP

圖7 (a)MSA-CDs與不同種類的硝基類化合物混合后的熒光光譜；(b)相應(yīng)的紫外燈下的圖像；(c)各樣品熒光強(qiáng)度比(I/I0)。

有一定選擇性，但MSA-CDs無(wú)法區(qū)分這兩種化合物，這是該探針的缺陷。

由于硝基芳香化合物共存的情況較多，實(shí)際水體環(huán)境中可能存在各種不可避免的干擾，如金屬離子，因此，考察了在其他硝基芳香化合物及金屬離子共存條件下，MSA-CDs對(duì)2-NP和4-NP的檢測(cè)情況。在2-NP或4-NP存在的條件下，所有干擾硝基類化合物和分析物用量比為1∶1(v∶v)。樣品與空白強(qiáng)度之比(I/I0)(如圖8，9)顯示，在其他硝基類化合物及金屬離子與2-NP或4-NP共存情況下，2-NP和4-NP仍能將MSA-CDs的熒光猝滅，表明其他硝基芳香化合物對(duì)MSA-CDs檢測(cè)2-NP和4-NP無(wú)明顯干擾。

圖8 MSA-CDs及與各種硝基芳香化合物(10-3 mol/L)混合后的熒光強(qiáng)度比(I/I0)

圖9 MSA-CDs及與各種金屬離子(200 μmol/L)混合后的熒光強(qiáng)度比(I/I0)

3.4 MSA-CDs對(duì)2-NP和4-NP靈敏度的檢測(cè)

在相同的檢測(cè)條件下，探究了MSA-CDs對(duì)2-NP和4-NP的檢測(cè)靈敏度。圖10為探針與不同濃度2-NP和4-NP的熒光光譜，及根據(jù)熒光強(qiáng)度與濃度變化的線性關(guān)系，依據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)2-NP和4-NP的靈敏度進(jìn)行計(jì)算。如圖10(a)所示，隨著加入2-NP的濃度(10-9～10-3mol/L)逐漸升高，觀察到探針位于437 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸降低，從圖10(a)的插圖中可以觀察到探針熒光強(qiáng)度隨2-NP的濃度升高而逐漸猝滅的現(xiàn)象。在2-NP濃度檢測(cè)范圍0.01～1 mol/L之間，MSA-CDs與2-NP的濃度存在良好的線性關(guān)系(圖10(b))，得到的線性方程可以表示為y=-0.575x+0.853(R2=0.99)，通過(guò)檢測(cè)限的計(jì)算公式3δ/k得出檢測(cè)限為24.0 nmol/L。同樣，圖10(c)中隨著4-NP的濃度增加樣品的熒光強(qiáng)度逐漸減弱。在紫外燈(λ=365 nm)照射下,觀察到對(duì)應(yīng)的樣品的藍(lán)色熒光逐漸變暗，這與熒光發(fā)射光譜變化相一致。

圖10 (a)不同濃度2-NP與MSA-CDs的熒光光譜(插圖為樣品在紫外燈下的圖片)；(b)MSA-CDs的熒光強(qiáng)度與2-NP濃度的線性關(guān)系(0.01～1 mol/L)；(c)不同濃度4-NP與MSA-CDs的熒光光譜(插圖為樣品在紫外燈下的圖片)；(d)MSA-CDs的熒光強(qiáng)度與4-NP濃度的線性關(guān)系(0.01～1 mol/L)。

在圖10(d)中表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性。在檢測(cè)0.01～1 mol/L范圍內(nèi)相關(guān)線性方程為y=-0.759x+0.763(R2=0.98)，計(jì)算出檢測(cè)限為18.3 nmol/L。

為考察MSA-CDs在真實(shí)環(huán)境中的檢測(cè)行為，以查干湖水為實(shí)際水樣，進(jìn)行了模擬環(huán)境檢測(cè)應(yīng)用。首先用探針對(duì)湖水樣品進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，湖水中兩種化合物的含量低于探針的檢測(cè)限，因此進(jìn)行了添加模擬檢測(cè)研究。從表1可知，加入10-4，5×10-5，10-5mol/L的2-NP后，樣品回收率在98%～101%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.8%～2.6%。MSA-CDs對(duì)4-NP的回收率在98%～99%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)值為1.6%～2.4%。根據(jù)MSA-CDs在實(shí)際水樣中的檢測(cè)性能，表明該檢測(cè)體系在實(shí)際水樣中對(duì)2-NP和4-NP的檢測(cè)具有一定的環(huán)境容忍性。

表1 環(huán)境水樣中的檢測(cè)結(jié)果

3.5 碳點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)理

為進(jìn)一步探究熒光猝滅原理，分別測(cè)試了MSA-CDs及與2-NP和4-NP混合之后的熒光壽命(圖11)。加入2-NP后MSA-CDs的熒光壽命為6.20 ns，混合4-NP后的熒光壽命為6.22 ns。與本實(shí)驗(yàn)制備的MSA-CDs熒光壽命9.45 ns對(duì)比可知，混合2-NP和4-NP后的MSA-CDs的熒光壽命明顯縮短。經(jīng)Stern-Volmer方程(F0/F=1+Ksv[Q]=1+Kqτ0[Q])分別計(jì)算出Kq=9.8×109(2-NP)和Kq=1.03×1010(4-NP)。由于動(dòng)態(tài)猝滅的Kq通常小于2.0×1010L·mo1-1·s-1，因此，加入2-NP和4-NP后MSA-CDs發(fā)生的熒光強(qiáng)度降低屬于動(dòng)態(tài)猝滅效應(yīng)[25]。通過(guò)圖11(c)可以看到MSA-CDs的紫外-可見吸收光譜與激發(fā)光譜發(fā)生有效重疊且伴隨熒光壽命降低，推斷檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生了熒光能量共振轉(zhuǎn)移(FRET)導(dǎo)致碳點(diǎn)的熒光發(fā)生猝滅[26]。

圖11 MSA-CDs及其分別與2-NP(a)和4-NP(b)混合后的熒光衰減曲線；(c)MSA-CDs的熒光光譜(Ex:激發(fā)光譜，Em: 發(fā)射光譜)及2-NP和4-NP的吸收光譜。

4 結(jié) 論

我們制備了具有藍(lán)色熒光發(fā)射的碳點(diǎn)MSA-CDs，熒光壽命為9.65 ns，量子產(chǎn)率為32%。作為熒光探針，MSA-CDs可定量檢測(cè)2-NP和4-NP，最低檢測(cè)限分別為24.0 nmol/L和18.3 nmol/L。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)MSA-CDs的響應(yīng)機(jī)理是由于兩種化合物通過(guò)分子間作用力和熒光團(tuán)的熒光能量共振轉(zhuǎn)移引起的，且通過(guò)比較熒光壽命判斷熒光猝滅類型屬于動(dòng)態(tài)猝滅。在實(shí)際水樣的檢測(cè)中，對(duì)2-NP和4-NP具有較好的回收率，表明MSA-CDs納米探針在環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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