熒光碳點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探究

王恒華，陳 偉

（山東省臨沂市生態(tài)環(huán)境局臨沭縣分局，山東 臨沂 276700）

熒光碳點(diǎn)是熒光碳納米材料，由Xu等在2004年發(fā)現(xiàn)[1]，Sun等有目的制取并命名為熒光碳點(diǎn)[2]。熒光碳點(diǎn)的生物相容性好，在水溶液中不易自聚、熒光發(fā)射穩(wěn)定，低毒性且遇有機(jī)物能夠表現(xiàn)出很強(qiáng)的反應(yīng)能力。經(jīng)過(guò)鈍化修飾后的碳點(diǎn)，具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性和特殊的化學(xué)發(fā)光性質(zhì)[3]。熒光碳點(diǎn)的這些特性在環(huán)境監(jiān)測(cè)，尤其是在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有非常重要的應(yīng)用意義。

1 熒光碳點(diǎn)的光學(xué)表現(xiàn)

越來(lái)越多的研究表明，熒光碳點(diǎn)的制備方法日趨簡(jiǎn)潔、成熟。熒光碳點(diǎn)的高效熒光性和化學(xué)發(fā)光性因制備方式不同、鈍化修飾不同而受到影響，也造就了碳點(diǎn)應(yīng)用的廣泛性。

2 熒光碳點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

鈍化修飾后的碳點(diǎn)表面上富集的電子在傳遞過(guò)程中發(fā)光的特性、低毒性和良好的生物相容性，備受環(huán)境監(jiān)測(cè)工作人員的青睞。熒光碳點(diǎn)的優(yōu)良性能在環(huán)境監(jiān)測(cè)，尤其是水環(huán)境監(jiān)測(cè)中得以應(yīng)用。

2.1 對(duì)環(huán)境重金屬離子的監(jiān)測(cè)

土壤和水中重金屬的監(jiān)測(cè)和處理是環(huán)境化學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。金屬、尤其是重金屬對(duì)生物個(gè)體及群落產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)環(huán)境表現(xiàn)出明顯影響，受影響的環(huán)境反作用于生物和人類(lèi)[4]。這些重金屬在土壤和水中基本以離子形式存在。

經(jīng)過(guò)修飾后的碳點(diǎn)能夠通過(guò)螯合、離子交換和吸附作用與土壤和水中的金屬離子組合成不同形式的配合物。經(jīng)過(guò)不同修飾的碳點(diǎn)表面，其化學(xué)性能、生物性能不同，對(duì)金屬離子的選擇性不同。不同修飾的碳點(diǎn)選擇并結(jié)合了符合自身特性的金屬離子而改變了自身表面結(jié)構(gòu)，改變了其發(fā)光特性及強(qiáng)度。熒光碳點(diǎn)前后發(fā)光特性及強(qiáng)度的變化幫助實(shí)現(xiàn)金屬離子的監(jiān)測(cè)。

碳點(diǎn)用于Hg2+等金屬離子的定性、定量監(jiān)測(cè)，表現(xiàn)出更高的靈敏度和監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度。以檸檬酸鈉為原料制得的碳點(diǎn)證實(shí)了這一點(diǎn)[5]。Hg2+與檸檬酸鈉為原料制得的碳點(diǎn)相結(jié)合并降低其熒光強(qiáng)度，當(dāng)Hg2+濃度在0～5 ug/L時(shí)，監(jiān)測(cè)最經(jīng)濟(jì)、方法簡(jiǎn)單、效果最好。研究也表明：二亞乙基三胺修飾后的碳點(diǎn)在358 nm激發(fā)光下，可以有效監(jiān)測(cè)Cr（Ⅵ）。

2.2 對(duì)環(huán)境中無(wú)機(jī)陰性離子污染物的監(jiān)測(cè)

無(wú)機(jī)陰性離子是化學(xué)反應(yīng)中的重要成員，也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如氟化氫就是一種高毒性污染物，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和人體健康。溶液中的氟離子很容易結(jié)合碳點(diǎn)表面的羥基，結(jié)合氟離子后碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度發(fā)生變化，這種變化與氟離子濃度的線性關(guān)系應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，是一種簡(jiǎn)單高效的監(jiān)測(cè)方法。

隨著生產(chǎn)生活的發(fā)展，大量的磷元素進(jìn)入水體，嚴(yán)重影響水環(huán)境質(zhì)量。研究表明結(jié)合銪離子的碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度下降，但在水溶液中，磷元素與碳點(diǎn)的結(jié)合能力強(qiáng)于碳點(diǎn)表面的羧基，從而使碳點(diǎn)脫掉羧基而影響熒光強(qiáng)度。這也是水環(huán)境中監(jiān)測(cè)磷元素的一種良好方法。

2.3 對(duì)有機(jī)物的監(jiān)測(cè)

有機(jī)類(lèi)農(nóng)藥的發(fā)明和使用，保障了糧食生產(chǎn)安全，但也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。高毒性、劇毒性有機(jī)污染物嚴(yán)重污染環(huán)境的同時(shí)，高殘留并且在生態(tài)系統(tǒng)中有累加效應(yīng)，在食物鏈中累加傳遞。環(huán)境中的有機(jī)物監(jiān)測(cè)凸顯重要。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)有機(jī)物，成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。熒光碳點(diǎn)有助于解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的困境。碳點(diǎn)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以吸附環(huán)境中的多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物，碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度降低，從而實(shí)現(xiàn)定性監(jiān)測(cè)有機(jī)污染物的目標(biāo)。不同的碳點(diǎn)表面修飾，對(duì)有機(jī)污染物的反應(yīng)活性不同，實(shí)現(xiàn)不同有機(jī)污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.4 對(duì)微生物的標(biāo)記

微生物在生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。作為生態(tài)系統(tǒng)的分解者，微生物在環(huán)境污染物分解和生態(tài)平衡保持中起到了清道夫的作用。環(huán)境中微生物的生存和數(shù)量也是環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要指標(biāo)。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式需要借助核酸探針和生物傳感器等，費(fèi)用高、操作不便，并且存在選擇寬泛等缺點(diǎn)，熒光碳點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)可有效解決這些不足。利用檸檬酸胺和甘露糖為原料制得的熒光碳點(diǎn)，對(duì)大腸桿菌有非常好的生物相容性。碳點(diǎn)和大腸桿菌的蛋白質(zhì)結(jié)合后，在激光下表現(xiàn)出明亮的熒光。利用這項(xiàng)操作，可對(duì)大腸桿菌等微生物進(jìn)行標(biāo)記。這種監(jiān)測(cè)手段經(jīng)濟(jì)高效，開(kāi)拓了微生物的監(jiān)測(cè)技術(shù)空間。

3 結(jié)語(yǔ)

熒光碳點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用和探究，拓展了環(huán)境監(jiān)測(cè)新技術(shù)，有望改變因?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)而或多或少地破壞環(huán)境的尷尬。盡管這一環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)有待大幅度完善，大面積的推廣普及還有很大難度，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，熒光碳點(diǎn)的特性還是值得我們?cè)诃h(huán)境監(jiān)測(cè)中去實(shí)踐和檢驗(yàn)的！