以碳點為探針熒光猝滅法測定水中痕量鎳

羅道成，羅 鑄

(湖南科技大學 化學化工學院 煤炭清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

鎳(Ni)是人體必需的生命元素，但鎳過量會對人體造成危害，損害人的肝臟和心肺功能，可引起過敏性皮炎、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，對水生生物具有明顯的危害。因此對鎳離子的識別和檢測，具有重要的現(xiàn)實意義。目前鎳離子的檢測方法有滴定法［1］、分光光度法［2－5］、電化學法［6］、原子吸收光譜法［7］、熒光光譜法［8］、ICP － AES 法［9］等。

納米材料應用于鎳離子的測定，主要包括以下兩方面:①使用納米材料對鎳離子進行分離富集，這類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Ni(Ⅱ)的吸附性能，并應用于環(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管微柱內(nèi)壁用于Ni(Ⅱ)，Co(Ⅱ)，Pd(Ⅱ)的同時分離富集，經(jīng)ICPMS法測得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量子點復合修飾電極，采用電化學分析法測定了實際水樣中的痕量鎳，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定。如周華健等［14］以合成的3-巰基丙酸修飾的CdTe量子點為熒光探針，采用熒光光度法測定了水樣中痕量鎳，其檢測范圍為1～1 000 μmol/L。碳點(Carbon dots，CDs)作為一種新型的熒光納米材料，與量子點等其他熒光納米材料相比，具有熒光穩(wěn)定、無光閃爍、激發(fā)波長和發(fā)射波長可調(diào)控、無光漂白現(xiàn)象、水溶性好、廉價、低毒等優(yōu)點［15－16］。這些性質(zhì)決定了碳點在生物成像［17］與生物探針領域有更大的應用前景。碳點的熒光可以有效地被電子受體或者電子給體所猝滅，這說明碳點既是電子受體，也是給體［18］。這種光引發(fā)電子轉(zhuǎn)移的性質(zhì)使其廣泛應用于光能量的轉(zhuǎn)換、光伏設備和相關(guān)領域，也可作為Cu2+，Hg2+，Ag+等金屬離子的檢測探針［19－20］和用于藥物分析［21］。由于碳點具有比量子點等其他熒光納米材料更優(yōu)異的性能，在科學界引起了極大關(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(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CDs熒光的顯著猝滅作用，建立了一種測定鎳離子的熒光光度法。本法具有操作簡便、快速、靈敏、選擇性好、應用范圍寬、分析成本較低等特點，已成功應用于環(huán)境水樣中痕量鎳的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

RF－5301型熒光分光光度計、UV－2550型紫外分光光度計(日本島津公司);pHS－3C型酸度計(上海第三分析儀器廠);78－磁力加熱攪拌器(江蘇金壇金城國盛實驗儀器廠);循環(huán)水式真空泵(鞏義予華儀器有限責任公司);HH－S2型數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇大地自動化儀器廠);UP型純水儀(上海優(yōu)普實業(yè)有限公司);202－00A型臺式電熱恒溫干燥箱(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，國藥集團化學試劑有限公司);硼酸、乙酸、磷酸(分析純，上?；瘜W試劑總廠)。實驗用水為超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)。

1.0 mmol/L Ni2+標準溶液:準確稱取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 實驗方法

1.2.1 熒光碳點的制備 準確稱取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)移至反應釜中，在180℃下反應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液中，于120℃電熱恒溫干燥箱中反應12 h進行鈍化，即得到棕紅色的熒光碳點溶液，用水定容至25 mL，該熒光碳點的濃度為0.72 mol/L(以碳計)。將制備的碳點溶液用水稀釋至0.003 6 mol/L，作為碳點儲備液于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 鎳離子的測定方法 在5 mL比色管中，依次加入0.5 mL碳點儲備液、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10 min后，以350 nm為激發(fā)波長，測定體系的熒光強度F;按同樣的方法測定試劑空白的熒光強度F0，計算相對熒光強度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 熒光碳點的光譜性質(zhì)

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

2.2 熒光碳點在不同激發(fā)波長的發(fā)射光譜

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

圖1 碳點在不同激發(fā)波長下的熒光發(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+對熒光碳點的猝滅

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

圖2 不同濃度Ni2+存在時碳點的熒光光譜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+對碳點的熒光猝滅情況。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，但其相對熒光強度ΔF發(fā)生變化。當pH值在4.50～8.50范圍時，ΔF先增強再減弱，在pH 5.72時，ΔF達到最大值，表明此時Ni2+對碳點的猝滅作用最強。因此實驗選擇B－R緩沖溶液的最佳pH值為5.72。

2.5 反應時間的影響

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

2.6 碳點濃度及用量的影響

考察了碳點濃度對體系熒光強度的影響。實驗結(jié)果表明，碳點的濃度較低時熒光猝滅作用不明顯，且線性范圍窄，而碳點濃度過高時，分析靈敏度較低。當碳點的濃度在2.0×10－4～5.0×10－4mol/L范圍時，熒光猝滅程度達到最大，本實驗選擇碳點的最佳濃度為3.6×10－4mol/L。在此濃度下，隨著碳點用量的增加，碳點與Ni2+的作用增強，熒光強度的猝滅值增大。進一步考察了此濃度下碳點用量的影響，結(jié)果顯示，當3.6×10－4mol/L碳點的用量達0.5 mL時，熒光猝滅程度趨于平緩且達到最大。因此實驗選擇3.6×10－4mol/L碳點的用量為0.5 mL。

2.7 工作曲線與檢出限

在最佳實驗條件下，分別取不同濃度的Ni2+加入到一定濃度的碳點溶液中，按實驗方法進行測定，以Ni2+濃度(c，μmol/L)為橫坐標，以相對熒光強度值(ΔF)為縱坐標，繪制工作曲線。結(jié)果表明，Ni2+濃度在3.0～80 μmol/L范圍與碳點的熒光強度呈線性關(guān)系，其線性方程為ΔF=1.009+0.031 0 c，r=0.998 3。進行11次空白實驗，按3δ/k計算(δ為11次空白溶液的標準偏差，k為線性方程的斜率)得檢出限為0.13 μmol/L。平行配制11組量子點加入6.0 μmol/L Ni2+溶液，測定其熒光強度，相對標準偏差(RSD)為2.7%。

2.8 共存離子的影響

2.9 實際樣品分析

取50 mL資江水樣，過濾除去不溶物，然后移入50 mL容量瓶中，用H2O定容，搖勻，作為待測液。準確移取2.0 mL待測溶液加入5 mL比色管中，按本實驗方法測定，并與原子吸收光譜法［7］的結(jié)果進行對照，結(jié)果如表1所示。由表1可見，本法與原子吸收光譜法的測定結(jié)果相符。進一步對實際樣品進行加標回收實驗，測得回收率為98.1%～103.5%，RSD為1.5%。

表1 實際水樣中鎳(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(CDs)，利用Ni2+對CDs的猝滅作用，建立了CDs熒光猝滅法測定痕量鎳的方法。該方法具有靈敏度高、選擇性好等特點，用于環(huán)境水樣中痕量鎳的測定，結(jié)果滿意。

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