N、S共掺杂碳点的制备及其对Cr6+的检测
时间：2022-12-08 14:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
周叶红， 刘 竞， 刘 洋， 宋胜梅， 董 川
（山西大学环境科学研究所，太原 030006）
铬（Cr）是第四周期第VIB族金属元素，是人体必需的微量元素［1］。Cr的毒性受价态的影响，Cr3+对人体的身体健康有益；
Cr6+是重金属毒物，由于其强氧化性、致癌性和诱变性，可以将血红蛋白中的二价铁氧化为三价铁，使血红蛋白丧失携带氧的能力，同理，Cr6+也可使机体还原酶失去活性。铬中毒会引起皮肤红疹、水肿，鼻腔过敏以及胃炎、胃溃疡等症状［2］。铬污染主要来源于金属冶炼、皮革加工、染料生产等行业排放的含铬废水、废气及铬渣［3］。这些含铬污染物随着自然活动进入土壤、地下水、河流等，污染饮用水源和鱼类等海鲜制品。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中的Cr6+的最大允许浓度为0.96 μmol/L［4-5］，因此，为了保障人类健康，预防人类免受Cr6+的污染，环境中Cr6+的检测任务刻不容缓。目前Cr6+的国标法为高锰酸钾氧化-二苯碳酰二肼光度法，该方法有些预处理步骤繁琐、耗时长。因此，需要开发一种简单且经济高效的方法来有效测定Cr6+。
碳点（Carbon Dots，CDs）是一种新型的具有球形结构的准零维碳纳米材料，其表面具有丰富的官能团，这使得CDs具有出色的传感性能、易于功能化和良好的水溶性，利用碳点制备荧光探针具有高效、灵敏、快速检测实际水样中Cr6+的特点。目前已经有很多杂原子掺杂的碳点成功应用于水样中Cr6+的测定，如CDs/C3N4复合纳米探针［6］、Co-CDs［7］、D-甘露糖碳点［8］等。
本文开发了一种高灵敏测量和高线性范围的Cr6+的新型荧光探针，该探针可用于实际水样中Cr6+的检测，具有较好的应用前景。
1.1 试剂与仪器
试剂：分析纯亚硝基-2-萘酚-3，6-二磺酸钠，乙二胺，氢氧化钠，磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，重铬酸钾，乙醇和金属氯盐购自上海阿拉丁试剂公司；
分析纯浓磷酸，抗生素和氨基酸购自美国Aldrich化学试剂公司；
超纯水为实验室自制（≥18.25 MΩ）。
仪器：JEM-2100高分辨率透射电子显微镜（日本电子株式会社JEOL），AXIS ULTRA DLDX射线光电子能谱仪（日本Kratos公司），TensorII傅里叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司），vario ELCUBE元素分析仪（德国Elementar公司），FP-8300 FDP荧光分光光度计（日本分光株式会社JASCO），Lambda365紫外-可见吸收光谱仪（美国PerKinElmer公司），Eppendorf 5804离心机（德国Eppendorf公司），ZF-6紫外观察灯（上海嘉鹏科技有限公司），KQ-100E超声清洗器（江苏省昆山仪器有限公司），BGZ-76电热鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司），Scientz-18ND真空冷冻干燥机（上海博迅医疗生物公司）和1820c超纯水机（上海摩勒科学仪器有限公司）。
1.2 N，S-CDs的制备
取0.037 g 1-亚硝基-2-萘酚-3，6-二磺酸钠溶于20 mL超纯水中，加入500 μL乙二胺，将该混合物超声细散均匀后转入高温高压反应釜内衬中，在200℃的电热鼓风干燥箱中反应8 h。待水热反应结束后，所得溶液过滤、离心（8000 r/min，8 min），将上层清液转移至500～1000 Da的透析袋中透析8 h，再将透析后的淡黄色溶液冷冻干燥获得固体粉末，该固体粉末即所制得的N，S-CDs。
1.3 N，S-CDs的表征
通过透射电子显微镜（TEM）观察测定产物的形貌；
通过元素分析仪器对所制备N，S-CDs进行元素分析；
利用X-射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析N，S-CDs化学结构及官能团组成；
最后通过紫外可见吸收光谱和荧光光谱对N，S-CDs的光学性质进行研究。
1.4 N，S-CDs的荧光量子产率测定
分别配制2 mL N，S-CDs溶液和2 mL硫酸奎宁溶液，将其转移至10 mm荧光比色皿中，然后上机测试。设置激发波长Ex为378 nm，通过控制加入荧光比色皿中样品溶液的浓度，控制紫外可见分光光度计的吸光度在0.01～0.1区间内，并使用紫外可见分光光度计测量溶液的吸光度。将荧光分光光度计的荧光积分区间设置为398～800 nm，用荧光分光光度计计算荧光积分面积。
荧光量子产率是衡量物质发射荧光能力的一个基本参数，其通常小于1。荧光量子产率越高，该物质的荧光越强，否则荧光越弱。相对荧光量子产率的计算公式如下［9］：
式中：Φ指量子产率；
n指荧光发射峰的积分面积；
A代表吸光度；
η指溶剂的折射率；
下标S和R分别指N，S-CDs溶液和硫酸奎宁溶液。硫酸奎宁的荧光量子产率为54%，在相同溶液中，ηS2/ηR2=1。
1.5 N，S-CDs对于Cr6+的荧光检测
取30 mg N，S-CDs粉末溶解于10 mL超纯水中，配置成浓度为3 mg/mL N，S-CDs储备液。
为了评估N，S-CDs的最佳浓度，在装有2 mL超纯水的10 mm比色皿中依次滴加10 μL N，S-CDs储备液，并测量其荧光强度。当加入320 μL N，S-CDs储备液时，荧光强度最大。再递加5 μL N，S-CDs储备液后，荧光强度逐渐降低。所以N，S-CDs溶液的最佳浓度为0.414 mg/mL。
为了评估N，S-CDs的pH稳定性，选择缓冲pH范围广的磷酸缓冲溶液（Phosphate Buffer，PBS）为本试验的缓冲溶液。测量并记录N，S-CDs在pH值为2～13磷酸缓冲溶液中荧光强度的变化，考察pH值对N，S-CDs溶液稳定性的影响。为了获得N，S-CDs的选择性，需要将21种终浓度为0.43 mmol/L的金属离子（Na+、Mg2+、Al3+、K+、Ca2+、Ti3+、Mn2+、Ba2+、Fe2+、Cr6+、Fe3+、Cd2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Ag+、Cd2+、Hg2+、Sn2+、Zn2+、Pb2+），14种终浓度为0.43 mmol/L的阴离、Cl-、Br-、I-），17种终浓度为0.043 mmol/L氨基酸（天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、苏氨酸（Thr）、缬氨酸（Val）、酪氨酸（Tyr）、脯氨酸（Pro）、苯丙氨酸（Phe）、半胱氨酸（Cys）、丙氨酸（Ala）、异亮氨酸（Ile）、甘氨酸（Gly）、色氨酸（Trp）、蛋氨酸（Met）、组氨酸（His）、亮氨酸（Leu）、丝氨酸（Ser）、赖氨酸（Lys））和14种终浓度为0.043 mmol/L抗生素（阿奇霉素（AZM）、克拉霉素（CLA）、卡那霉素（Kana）、万古霉素（VAN）、甲砜霉素（THI）、庆大霉素（GEN）、四环素（TCY）、头孢拉定（CH）、青霉素G钠（PG）、熊果酸（UA）、奥硝唑（ORN）、齐墩果酸（OA）、替硝唑（TIN）、甲硝唑（MET）），加入到2 mL N，S-CDs溶液中，充分摇匀，记录其荧光强度。
为了获得N，S-CDs的抗干扰性能，将响应离子10倍浓度的干扰离子加入2 mL N，S-CDs溶液，充分摇匀，记录其荧光强度。再将响应离子加入干扰离子与N，S-CDs的混合溶液中，充分摇匀并记录其荧光强度。
对于Cr6+的检测，配制一系列不同浓度（0～336 μmol/L）的Cr6+溶液，并加入到2 mL N，S-CDs溶液（4.14 mg/mL）中，充分摇匀60 s，设置荧光分光光度计的工作条件为λEx=378 nm，λEm=467 nm，激发和发射狭缝分别为10 nm，上机测量并记录其荧光强度，得到一系列的荧光猝灭谱图，然后进行线性范围和检测限的计算。
1.6 N，S-CDs用于环境水样中Cr6+检测
取实验室自来水和太原市令德湖水为实际水样。将实际水样离心过滤煮沸备用。通过荧光光谱法测试实际水样中Cr6+的含量，然后做Cr6+的加标回收试验，测试Cr6+的加标回收率。
2.1 N，S-CDs的结构表征
从TEM透射电镜图（图1（a））可以看到，N，SCDs为均匀分散的球形碳纳米颗粒，尺寸均匀分布在8～12 nm之间，通过100个粒子的统计测量，计算其平均粒径为10.31 nm（图1（b））。然后分析N，S-CDs的元素含量。N，S-CDs由C、H、N、O和S组成，各元素分别占总质量的37.67%、6.5%、21.36%、27.49%和6.98%（计算值），经计算所制备N，S-CDs的经验式为C31H65O17N15S2。
图1 N，S-CDs的TEM图像和尺寸分布
利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和X射线光电子能谱仪分析N，S-CDs化学结构及官能团组成。FTIR光谱见图2（a），N，S-CDs在3480～3314 cm-1及1500 cm-1处的吸收峰是N—H的伸展振动的特征；
3015～3019 cm-1处的宽吸收峰属于不饱合C—H伸展振动；
3000～2800 cm-1处的宽吸收峰属于饱合C—H伸展振动；
2548 cm-1为杂环中C—S的典型伸展振动；
2193 cm-1处的吸收峰属于N N的伸展振动；
3000 cm-1为中心宽峰，属于—COOH的—OH伸展振动；
1636 cm-1处的吸收峰属于—COOH的C O伸展振动；
1580和1490 cm-1处的吸收峰属于碳点六元环C—C骨架振动；
1350 cm-1处的宽吸收峰属于NO2的伸缩振动；
1160和1037 cm-1处的宽吸收峰分别属于羟基C—O不对称伸展振动和对称伸展振动；
820和680 cm-1处的尖锐吸收峰为碳点骨架上C—H弯曲振动。这些FTIR吸收峰说明N，S-CDs已被N—H、N N、C—S、C O等官能团功能化了，从而赋予N，S-CDs良好的水溶性、光学性能和优异的传感性能。
XPS全谱在161.45、281.72、396.33、529.89 eV处有4处特征峰，分别对应于S2p、C1s、N1s、O1s（图2（b））。图2（c）为高分辨的C1s谱图，高分辨的C1s可分解为3个峰，分别对应于285.1 eV（C—C）、286.4 eV（C O、C—O）、288.6 eV（C—N、C—S）。N1s的XPS谱图有两个含氮官能团，包括吡啶氮（399.4 eV）和氧化氮（401.3 eV）（图2（d））。O1s谱可分解为2个特征峰，分别对应于531.5 eV（O—H、S O、N—O）和533.2 eV（C—O、C O）（图2（e））。S2p可分解为2个峰，分别是168.0 eV、169.0 eV（图2（f））。N，S-CDs表面含有丰富的、N—H、—COOH，大大增强了N，S-CDs的水溶性、光稳定性和选择性。基于上述元素分析、FTIR和XPS数据，表明N、S原子已被掺杂到N，S-CDs中。
图2 FTIR和XPS对N，S-CDs进行官能团表征
2.2 N，S-CDs的光谱性能
如图3（a）的紫外吸收光谱所示，N，S-CDs在240和250 nm处具有明显的吸收峰，这可能是C C键的π-π*跃迁引起的，276 nm处的吸收峰可能是由于C O键n-π*跃迁引起的，380 nm处的吸收带可能是由于CDs外部的官能团吸收引起的。
图3（a）插图说明碳点溶液在可见光下为透明淡黄色溶液，紫外灯下发出明亮的蓝色荧光。荧光光谱中，在激发和发射狭缝分别为10 nm的工作条件下，测得N，S-CDs的最佳激发波长λEx为378 nm，而最佳发射波长λEm=468 nm（图3（a））。由于N，S-CDs的最佳激发波长（λEx=378 nm）与硫酸奎宁的最佳激发波长（λEx=360 nm）相近，故选择利用硫酸奎宁溶液为参比测定N，S-CDs的荧光量子产率。通过量子产率公式计算出N，S-CDs的相对荧光量子产率约为3.0%。通过调节N，S-CDs激发波长（328～428 nm），N，S-CDs的发射峰位置改变，说明N，S-CDs具有激发波长依赖性（图3（b））。
图3 （a）N，S-CDs的紫外可见吸收光谱（黑线），荧光激发（蓝线）和发射（红线）。插图：N，S-CDs在自然光（左）和紫外线（右）下的拍摄图。（b）N，S-CDs在不同激发波长（328～428 nm）下的发射光谱图
2.3 N，S-CDs对于Cr6+的荧光检测
为了评估N，S-CDs探针的选择性，在N，S-CDs溶液中分别加入了21种金属离子、14种阴离子、17种氨基酸和14种抗生素，结果如图4所示。
图4 N，S-CDs响应图谱
N，S-CDs的荧光强度在Cr6+溶液中明显降低了，Cr6+可以显著猝灭N，S-CDs的荧光强度，且抗生素、氨基酸、阴离子和其他金属离子对N，S-CDs荧光强度的影响甚微，可忽略不计。所以N，S-CDs对Cr6+有专一的选择性，可以将N，S-CDs作为Cr6+的无标记“开-关”荧光传感探针。
N，S-CDs检测Cr6+的抗干扰实验如图5所示，原N，S-CDs溶液（蓝）的相对荧光强度为1，加入4.3 mmol/L金属离子和阴离子后（红），N，S-CDs溶液的荧光强度减弱了10%左右，再添加0.43 mmol/L Cr6+后（绿），荧光强度明显猝灭了80%左右，与单独加入Cr6+时的荧光猝灭强度基本一致，证明了Cr6+与其他离子共存时不会对荧光产生明显的干扰，为N，S-CDs在复杂体系实现对Cr6+的检测奠定了理论基础。
图5 不同金属离子和阴离子对N，S-CDs的荧光强度的影响
由图6可知，N，S-CDs在超纯水体系中稳定，且荧光猝灭效果好，故选择超纯水体系为N，S-CDs的检测体系。
图7（a）为滴定不同浓度的Cr6+时N，S-CDs荧光猝灭图。由图7（a）可知，N，S-CDs的荧光强度随着Cr6+的不断加入而降低。从7（b）可以看出，Cr6+对N，S-CDs的荧光猝灭可以用两段线性范围来拟合。在2～100 μmol/L范围内，Cr6+对N，S-CDs荧光强度猝灭呈线性，线性拟合方程为：
检出限为68.23 nmol/L（图6（c））；
在100～330 μmol/L范围内，线性拟合方程为：F0/F=0.04733c（Cr6+）-2.08657，R2=0.991（图7（d）），检出限为206 nmol/L，F0和F分别为猝灭前后N，S-CDs的荧光强度。
图6 添加Cr6+对N，S-CDs荧光强度的影响
图7 （a）不同浓度Cr6+对N，S-CDs荧光光谱的影响；
（b）、（c）、（d）F0/F与Cr6+浓度（0～350 μmol/L）的关系图
2.4 Cr6+检测方法的性能比较
将本试验所构建的Cr6+荧光探针N，S-CDs与其他CDs探针进行检测极限及荧光性能等方面的比较，结果如表1所示。本试验合成了蓝色荧光碳量子点（N，S-CDs），确定了两条Cr6+检测的线性范围，分别是2～100 μmol/L和100～330 μmol/L，最低检出限分别为68.23 nmol/L和206 nmol/L，远低于世界卫生组织（WHO）规定饮用水中的Cr6+的最大允许浓度（960 nmol/L），可以应用于环境水样中Cr6+的检测。
表1 基于CDs荧光探针检测Cr6+的方法比较
2.5 N，S-CDs测定Cr6+的检测机理
图8显示了N，S-CDs与不同浓度Cr6+（0～216.5 μmol/L）的紫外吸收光谱图，N，S-CDs的n-π*跃迁和π-π*跃迁没有吸收峰位置的变化，说明N，S-CDs与Cr6+之间没有形成新的化合物。在340～380 nm之间紫外吸收峰显著升高，而N，S-CDs的激发波长也位于这一范围，所以可能是Cr6+吸收了N，S-CDs的激发光能量，基于Cr6+的内滤效应［13-15］，导致了N，S-CDs的荧光猝灭。
图8 不同浓度Cr6+（0～216.5 μmol/L）存在下N，S-CDs的紫外吸收光谱（插图；
加入216.5 μmol/L Cr6+的N，S-CDs溶液（上）和N，S-CDs（下）在日光和紫外灯下的拍摄图）
2.6 实际样品中Cr6+的检测
实际水样中Cr6+检测分析如表2所示，实际水样中Cr6+的加标回收率为95.3%～103.8%，RSD≤4.38%。这些数据表明，试验所合成的新型荧光碳量子点N，S-CDs可以作为一种高效灵敏的“开-关”型荧光探针，应用于Cr6+的检测。
表2 实际水样中Cr6+的测定
通过一步水热法，以乙二胺和1-亚硝基-2-萘酚-3，6-二磺酸钠为原料，制备了具有蓝色荧光的新型氮硫掺杂碳点（N，S-CDs）。该N，S-CDs具有优良的荧光性能和选择性，并可作为Cr6+的免标记的荧光传感探针，线性范围为2～100 μmol/L和100～330 μmol/L，最低检出限为68.23 nmol/L。该N，S-CDs可以快速、准确的检测水样中的Cr6+，可以应用于环境监测。
猜你喜欢 探针水样荧光 荧光探针在游离肼检测中的研究进展当代化工(2020年2期)2020-03-18磁性四氧化三铁氮掺杂石墨烯磁性固相萃取测定水样中的6种醛酮化合物分析化学(2019年3期)2019-03-30Fenton与超声空化联合技术深度处理炼油废水的研究环境与发展(2018年6期)2018-09-17魔力荧光色小资CHIC！ELEGANCE(2018年28期)2018-09-14玛卡荧光碳点的合成及用于苦味酸的荧光检测分析化学(2016年12期)2017-02-04Fluorescence world荧光人间小资CHIC！ELEGANCE(2016年15期)2016-07-26水货博客天下(2014年9期)2014-09-03通过接触测试来提高探针痕迹的一致性卷宗(2014年7期)2014-08-27并行测试探针卡的移动规则选择卷宗(2014年1期)2014-03-20ＤＮＡ探针在高中生物学教学中的应用中学生物学(2008年12期)2008-12-27
