唐帥，羅亞雄，李永生

(1.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610065)

氟是人體必需的微量元素之一，在人體中分布廣泛[1]。體內(nèi)氟離子含量失衡會(huì)對健康產(chǎn)生影響[2]。氟化物被世界衛(wèi)生組織列入3類致癌物清單中，我國衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3],飲用水中氟濃度應(yīng)小于1.0 mg/L。迄今，常見氟離子檢測方法有離子選擇電極法[3-4]、離子色譜法[5-6]、比色法[7-8]和熒光法等[9-10]。熒光法具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[11-16]，尤其是碳點(diǎn)(CDs)熒光法檢測氟離子[17-18]。因此，本研究基于復(fù)合熒光碳點(diǎn)[RCDs-Fe(III)]，開發(fā)了一種氟離子分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

檸檬酸(CA)、乙二胺(EDA)、水楊酸(SA)、36%醋酸(HAc)、三水醋酸鈉(NaAc·3H2O)、六水氯化鐵(FeCl3·6H2O)、氟化鈉(NaF)均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為純水(電導(dǎo)率:～1.0 μS/cm)。

RF-5301PC熒光光度儀；KL-UP-IV-10型艾柯超純水器；82-5型恒溫磁力攪拌器；AUW型電子天平；UV-1800pc紫外-可見分光光度計(jì)；pXJ-1C離子計(jì)；7102復(fù)合氟電極。

1.2 試劑配制

1.2.1 0.1 mol/L醋酸 取36%的乙酸溶液8.3 mL 至500 mL容量瓶內(nèi)，用水定容。

1.2.2 0.1 mol/L醋酸鈉 溶解6.80 g三水醋酸鈉，轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，用水定容。

1.2.3 150 mg/L Fe(III)標(biāo)液 用pH 2的鹽酸溶解0.720 g FeCl3·6H2O，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶，用水定容。

1.2.4 0.1 g/L F-標(biāo)液 用水溶解0.221 g NaF，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用水定容。

1.2.5 0.5% CA/EDA/SA-CDs 取0.5 mL的CA/EDA/SA-CDs碳點(diǎn)母液，pH 5.0的溶劑稀釋至100 mL。

1.2.6 復(fù)合碳點(diǎn) 40 mL的0.5% CA/EDA/SA-CDs溶液與10 mL的150 mg/L Fe(III)溶液混合后，用于F-的測定。

1.3 RCDs-Fe(III)復(fù)合碳點(diǎn)的制備

100 mL燒杯中，用純水溶解2 g檸檬酸和0.2 g水楊酸。邊攪拌，邊加入2 mL乙二胺[19]。混合液放入通風(fēng)櫥內(nèi)的微波爐中加熱4 min，生成熒光碳點(diǎn)(CA/EDA/SA-CDs)。用250 mL純水溶解，得到碳點(diǎn)母液。將碳點(diǎn)母液稀釋到一定濃度后，與Fe(III)溶液混合反應(yīng)5 min，得到測定氟離子的復(fù)合碳點(diǎn)(RCDs-Fe(III))。

1.4 氟離子測定

常溫下，取4 mL 氟離子樣品液，與1 mL RCDs-Fe(III)混合反應(yīng)1 h。以3 000 r/min離心10 min。取上清液進(jìn)行檢測，由于F-絡(luò)合能力較強(qiáng)，能與RCDs-Fe(III)表面Fe(III)絡(luò)合反應(yīng)形成FeF3，碳點(diǎn)被釋放，且熒光得到恢復(fù)，根據(jù)熒光恢復(fù)程度(ΔF)間接定量氟離子。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點(diǎn)原料的影響

2.1.1 碳點(diǎn)原料對熒光量子產(chǎn)率的影響 稱取2 g能與Fe(III)反應(yīng)的多種原料(AsA、EDTA、KSCN、草酸、CA)和2 mL EDA混合，采用微波法(800 W,中檔,4 min)合成一系列熒光碳點(diǎn)(EDTA/EDA-CDs、AsA/EDA-CDs、OC/EDA-CDs、CA/EDA-CDs、CA/KSCN-CDs)，隨后比較并篩選出熒光量子產(chǎn)率φ(φ=k·F/A；F為待測物的積分熒光強(qiáng)度，A為待測物質(zhì)的吸光度，k為與溶劑折射率等因素相關(guān)的校正系數(shù))最大的碳點(diǎn)，結(jié)果見圖1。

圖1 碳點(diǎn)原料對量子產(chǎn)率的影響Fig.1 The influence of carbon dot raw materials on quantum yield

由圖1可知，各種CDs熒光量子產(chǎn)率不同，相對于參比物質(zhì)硫酸奎寧(φ=0.54)，5種碳點(diǎn)中量子產(chǎn)率最高的是EDTA/EDA-CDs(φ=0.32)，其次為CA/EDA-CDs (φ=0.31)，最低的是AsA/EDA-CDs(φ=0.05)。

2.1.2 碳點(diǎn)原料對復(fù)合碳點(diǎn)的影響 為篩選出與Fe(III)反應(yīng)最靈敏的碳點(diǎn)，將上述5種碳點(diǎn)分別稀釋至熒光強(qiáng)度相同的濃度，然后加入2 mg/L Fe(III)，根據(jù)熒光猝滅值(ΔF)評價(jià)碳點(diǎn)與Fe(III)的絡(luò)合能力，結(jié)果見圖2。

圖2 碳點(diǎn)原料對復(fù)合碳點(diǎn)的影響Fig.2 The effect of carbon dot raw materials on composite carbon dot

由圖2可知，不同碳點(diǎn)對Fe(III)的猝滅程度不同，僅有OC/EDA-CDs不與Fe(III)發(fā)生反應(yīng)，其余碳點(diǎn)熒光均能被Fe(III)猝滅；其中2 mg/L Fe(III)對CA/KSCN-CDs和CA/EDA-CDs猝滅程度最大，但由于前者合成時(shí)，KSCN高溫分解，產(chǎn)生有害氣體，污染環(huán)境。因此，選定CA/EDA-CDs作為初始碳點(diǎn)進(jìn)行研究。

2.2 水楊酸的影響

2.2.1 水楊酸對復(fù)合碳點(diǎn)檢測氟離子的影響 為了增強(qiáng)CA/EDA-CDs對Fe(III)的敏感度，提高復(fù)合碳點(diǎn)檢測氟離子的靈敏度，本研究在合成CA/EDA-CDs時(shí)添加了水楊酸(SA)。在0.05%的CA/EDA/SA-CDs、CA/EDA-CDs中加入1 mL 150 mg/L Fe(III)，形成兩種復(fù)合碳點(diǎn)，再加入不同濃度F-恢復(fù)熒光，根據(jù)響應(yīng)曲線的斜率，對比氟離子檢測靈敏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 水楊酸對復(fù)合碳點(diǎn)檢測氟離子的影響Fig.3 The effect of salicylic acid on the detection of fluoride ion by composite carbon dot

由圖3可知，CA/EDA/SA-CDs形成的復(fù)合碳點(diǎn)對F-響應(yīng)更為靈敏，因此，本研究選擇在合成CA/EDA-CDs時(shí)加入一定量的SA。

2.2.2 水楊酸加入量對復(fù)合碳點(diǎn)檢測氟離子的影響 在相同條件下，合成不同SA含量的碳點(diǎn)，并稀釋至0.05%，再添加150 mg/L Fe(III)，形成復(fù)合碳點(diǎn)，之后加入不同濃度氟離子，并比較響應(yīng)曲線斜率，結(jié)果見圖4。

圖4 水楊酸加入量對復(fù)合碳點(diǎn)檢測氟離子的影響Fig.4 The influence of the addition of salicylic acid on the detection of fluoride ion by the composite carbon dot

由圖4可知，在復(fù)合碳點(diǎn)/氟離子反應(yīng)體系中，水楊酸加入量為0.2 g時(shí)，氟離子檢測線性響應(yīng)范圍較寬，且靈敏度較高。因此，選定CA/EDA-CDs中水楊酸加入量為0.2 g。

2.3 CA/EDA/SA-CDs的光譜掃描

圖5是碳點(diǎn)CA/EDA/SA-CDs的紫外吸收光譜及熒光光譜。

圖中紫外吸收光譜曲線(Abs)表明，該碳點(diǎn)在237,350 nm處有特征吸收，分別是來自于碳點(diǎn)表面官能團(tuán)碳碳雙鍵的π→π*躍遷和羧基的n→π*躍遷。熒光光譜曲線表明，該碳點(diǎn)的最大激發(fā)和最大發(fā)射波長分別為370,460 nm。該熒光碳點(diǎn)的最大激發(fā)峰與其吸收峰基本重合，這與理論相符。

圖5 CA/EDA/SA-CDs的分子光譜Fig.5 Molecular spectra of CA/EDA/SA-CDs

2.4 復(fù)合碳點(diǎn)溶劑對氟離子檢測的影響

0.1 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖液和鹽酸溶液(pH 5.0) 作為溶劑時(shí)，對0.5% RCDs-Fe(III)檢測氟離子的影響，見圖6。

圖6 復(fù)合碳點(diǎn)溶劑對氟離子檢測的影響Fig.6 The influence of composite carbon dot solvent on fluoride ion detection

由圖6可知，當(dāng)鹽酸溶液作為體系溶劑時(shí)，RCDs-Fe(III)檢測氟離子的靈敏度高。其原因可能是醋酸-醋酸鈉緩沖液作為溶劑時(shí)，部分醋酸根與RCDs-Fe(III)表面的Fe(III)反應(yīng)，形成醋酸鐵，影響了復(fù)合碳點(diǎn)熒光的恢復(fù)程度(ΔF)。因此，本方法選定鹽酸溶液(pH 5.0)作為體系的反應(yīng)溶劑。

2.5 Fe(III)濃度對氟離子檢測的影響

影響RCDs-Fe(III)檢測氟離子的主要因素是碳點(diǎn)表面與Fe(III)絡(luò)合的基團(tuán)數(shù)量及絡(luò)合能力；基團(tuán)數(shù)量影響F-檢測范圍，絡(luò)合能力影響氟離子檢測的靈敏度。因此，考察了Fe(III)濃度對RCDs-Fe(III)檢測氟離子的影響。將0.5% CA/EDA/SA-CDs與不同濃度(25～200 mg/L)的Fe(III)形成RCDs-Fe(III)后，再取4 mL RCDs-Fe(III)與1 mL不同濃度(15～80 mg/L) F-溶液混合，檢測該混合液熒光強(qiáng)度的變化，結(jié)果見圖7。

圖7 Fe(III)濃度對氟離子檢測的影響Fig.7 The influence of Fe(III) concentration on the detection of fluoride ion

由圖7可知，F(xiàn)e(III)濃度為150 mg/L時(shí)，氟離子恢復(fù)碳點(diǎn)熒光最強(qiáng)，即RCDs-Fe(III)檢測氟離子的靈敏度最高。因此，選定檢測氟離子時(shí)Fe(III)濃度為150 mg/L。

2.6 復(fù)合碳點(diǎn)濃度對氟離子檢測的影響

在上述選定條件下，考察了RCDs-Fe(III)濃度對氟離子檢測的影響。首先，將5個(gè)不同濃度(0.01%，0.05%，0.1%，0.3%，0.5%)的CA/EDA/SA-CDs與150 mg/L Fe(III)按4∶1比例混合，得到5個(gè)RCDs-Fe(III)溶液(以CDs計(jì))；然后，再與不同濃度的氟離子標(biāo)液混合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 RCDs-Fe(III)濃度對氟離子檢測的影響Fig.8 The influence of RCDs-Fe(III) concentration on the detection of fluoride ion

由圖8可知，隨著RCDs-Fe(III)濃度的增大，熒光恢復(fù)值也逐漸增加；根據(jù)曲線斜率可知，當(dāng)RCDs-Fe(III)濃度為0.5%時(shí)，氟離子檢測的靈敏度相對較高。因此，選擇該濃度作為檢測氟離子時(shí)RCDs-Fe(III)的濃度。

2.7 復(fù)合碳點(diǎn)檢測氟離子的干擾評價(jià)

在選定的實(shí)驗(yàn)條件下，評價(jià)了多種常見陰離子對0.5% RCDs-Fe(III)檢測F-(5，10 mg/L)的影響。在4 mL的0.5% RCDs-Fe(III)中分別添加不同種類的陰離子(5，10 mg/L)并檢測其熒光強(qiáng)度，其中純水作為空白組進(jìn)行對照，結(jié)果見圖9。

由圖9可知，這兩個(gè)濃度下，只有氟離子能顯著恢復(fù)RCDs-Fe(III)的熒光，其他陰離子幾乎不能恢復(fù)復(fù)合碳點(diǎn)的熒光，RCDs-Fe(III)對氟離子表現(xiàn)出很強(qiáng)的選擇性，其余陰離子對氟離子的檢測不產(chǎn)生干擾(RSD<5%)。

圖9 陰離子對RCDs-Fe(III)檢測氟離子的干擾實(shí)驗(yàn)Fig.9 Interference experiment of anion on RCDs-Fe(III) detection of fluoride ion

2.8 氟離子的線性檢測范圍及實(shí)樣測定

在上述優(yōu)化條件下，先評價(jià)了檢測試劑RCDs-Fe(III)復(fù)合碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的重現(xiàn)性。分別取11次0.5% RCDs-Fe(III)復(fù)合碳點(diǎn)液作為樣品，并進(jìn)行檢測(328.0，335.3，329.4，330.7，325.8，338.2，336.5，331.3，330.6，335.7，334.6，332.4±3.92)，求出檢測結(jié)果RSD為1.2%。然后，評價(jià)了RCDs-Fe(III)熒光恢復(fù)程度(ΔF)與氟離子濃度之間的相關(guān)性得到氟離子檢測標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖10。

圖10 復(fù)合碳點(diǎn)法檢測氟離子的線性范圍Fig.10 Linear range of RCDs-Fe(III) detecting fluoride ion

由圖10可知，該復(fù)合碳點(diǎn)檢測氟離子的線性響應(yīng)范圍為1～25 mg/L (ΔF=14.48c + 39.8,r=0.995 9)。根據(jù)熒光強(qiáng)度的偏差及上述相關(guān)曲線方程的斜率，求出的最小檢出限(LOD=3 SD/k)為0.82 mg/L。

選擇佳潔士清甜櫻花香型(No.1)、舒克椒樣薄荷香型(No.2)、黑人專研亮白牙膏(No.3)、高露潔360°長效清新牙膏(No.4)和歐樂B抗敏護(hù)齦牙膏(No.5)(購于當(dāng)?shù)匚譅柆敵?。在測定前，樣品進(jìn)行了以下預(yù)處理：用100 mL純水溶解1.0 g牙膏，超聲30 min后，在10 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心30 min，上清液作為測試樣品。RCDs-Fe(III) 法及電極法測定結(jié)果見表1。

表1 RCDs-Fe(III)法及對照法的測定結(jié)果

由表1可知，RCDs-Fe(III)法測定牙膏中氟離子含量的結(jié)果與電極法基本一致，與牙膏標(biāo)識值也相同；t檢驗(yàn)結(jié)果表明兩種方法無顯著性差異。因此，本方法可用于牙膏中氟離子的準(zhǔn)確測定。

3 結(jié)論

以檸檬酸、乙二胺、水楊酸和Fe(III)為原料，合成了一種對氟離子敏感的RCDs-Fe(III)復(fù)合碳點(diǎn)，并對合成和檢測條件進(jìn)行了優(yōu)化。通過對溶劑、Fe(III)和RCDs-Fe(III)濃度等因素優(yōu)化，建立了檢測范圍為1～25 mg/L的氟離子分析方法，檢出限為0.82 mg/L。最后對5種牙膏樣品中氟離子含量進(jìn)行了檢測，測定結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。本方法具有重現(xiàn)好、抗干擾、快速方便等優(yōu)點(diǎn)，在磷化工、茶葉和高氟水等領(lǐng)域中氟離子的檢測具有較好的應(yīng)用前景。