熒光碳點(diǎn)的合成及其在綠麥隆檢測中的應(yīng)用研究

廖秀芬，曾秋蓮，易忠勝，韋紅玲，梁楊琳，歐玉玲，呂春秋

(1.廣西出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，廣西 南寧 530021；2.桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.廣西中環(huán)能檢測技術(shù)有限公司，廣西 南寧 530031；4.賀州出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣西 賀州 542899)

碳點(diǎn)(Carbon dots，CDs)，是近年來出現(xiàn)的一種新型熒光碳納米粒子[1]，具有sp2雜化碳的骨架結(jié)構(gòu)，表面帶有大量碳的含氧基團(tuán)(羥基、羧基等)[2-3]，且呈現(xiàn)出優(yōu)異的熒光性能[4]。碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率比多數(shù)半導(dǎo)體量子點(diǎn)低，但具有優(yōu)異的化學(xué)惰性、光穩(wěn)定性、低毒性和良好的生物相容性，從而在光催化[5]、生物成像[6-7]、化學(xué)分析[8-9]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，碳點(diǎn)的合成方法主要有自下而上法(Bottom-up)[10-11]和自上而下法(Top-down)[12-13]。自下而上合成法包括高溫?zé)峤夥ā⑽⒉ê铣煞?、水熱法等。自上而下合成法包括電化學(xué)氧化法、激光消融法等。然而，已報(bào)道的方法雖能成功制備出性能良好的碳點(diǎn)，但大多需復(fù)雜的設(shè)備、苛刻的反應(yīng)條件和昂貴的原料，不利于碳點(diǎn)的長期發(fā)展。

近年來，以自然界中隨處可見的材料作為碳源合成碳點(diǎn)的方法引起了眾多學(xué)者的高度關(guān)注。Tian等[14]以天然氣燃燒的灰燼作為碳源，與5 mol·L-1的HNO3通過回流合成CDs，所合成的CDs粒徑為(4.8±0.6) nm，最大激發(fā)、發(fā)射波長分別為310 nm和420 nm，但其所用的天然氣燃燒灰燼不易獲得。Lin等[15]以燃燒的廢紙灰燼作為碳源，一步水熱法合成了CDs，并建立了熒光“開關(guān)”用于有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測，所合成CDs在320 nm處出現(xiàn)明顯吸收峰，且熒光發(fā)射光譜峰位置隨激發(fā)波長的改變而變化，最大激發(fā)和發(fā)射光譜分別為320 nm和420 nm。

近年來農(nóng)藥的廣泛使用，導(dǎo)致其在田間水體、土壤、食品中的殘留問題日益突出。綠麥隆化學(xué)名為[N-(3-氯-4-甲基苯基)-N’，N’-二甲基脲]，分子式為C10H13ClN2O，屬接觸性除草劑，用于農(nóng)田中禾本科雜草和闊葉雜草的防除。綠麥隆是農(nóng)田的重要污染之一，其在田間水體和土壤中的殘留量過高會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生藥害作用，還可對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生不同程度的毒害。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，建立了水熱法合成碳點(diǎn)的新方法。以常見的草木炭為碳源，通過與過氧化氫溶液水熱反應(yīng)，合成了高品質(zhì)的水溶性CDs，所合成CDs的最大激發(fā)和發(fā)射波長分別為340 nm和450 nm。與文獻(xiàn)[15]相比，本文合成的CDs無明顯的紫外吸收，且熒光光譜不隨激發(fā)波長的改變而改變。以得到的碳點(diǎn)作為熒光探針與綠麥隆相互作用，兩者之間的電子轉(zhuǎn)移使得碳點(diǎn)的熒光發(fā)生猝滅，且猝滅程度在一定范圍內(nèi)與綠麥隆濃度呈線性相關(guān)，據(jù)此建立了一種測定綠麥隆的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑

RF-5301PC熒光光度計(jì)(日本島津公司)，TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，PHS-3C精密pH計(jì)(上海雷磁儀器廠)，Avatar370傅立葉紅外光譜儀(美國Nicola公司)，F(xiàn)A1104電子分析天平(泰興市電子儀器廠)。

草木炭：露天燃燒樹枝(桂樹枝、柏樹枝、樟樹枝、雜草、混合燃燒的草木碳)，待其基本碳化后，通過研缽研磨成細(xì)碎粉末狀，過100目篩，得到粒度較小的草木炭，密封保存于封口袋內(nèi)。

過氧化氫溶液(隴西科學(xué)股份有限公司)、氨水(愛廉化試劑有限公司)、鹽酸(愛廉化試劑有限公司)、羅丹明B(上海國藥集團(tuán))、綠麥隆原藥(純度>97.0%，江蘇快達(dá)農(nóng)化有限公司)。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1碳點(diǎn)的合成在20 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入0.01～0.20 g自制粉末狀草木炭和10 mL 1.0～5.0 mol·L-1的過氧化氫溶液，于120～200 ℃真空干燥箱中恒溫加熱2～12 h，冷卻至室溫后取出反應(yīng)釜，然后過0.22 μm水系微孔濾頭以除去未完全反應(yīng)的草木炭及其他雜質(zhì)，于2 000 Da透析袋中透析24 h以除去小顆粒與雜質(zhì)，得到黃色透亮溶液。將得到的碳點(diǎn)溶液避光儲(chǔ)存于4 ℃冰箱中，備用。

1.2.2碳點(diǎn)熒光猝滅法測定綠麥隆于一系列10 mL比色管中加入一定量的碳點(diǎn)和綠麥隆溶液，用水定容，25 ℃放置反應(yīng)5 min后，于λex=340 nm，λem=450 nm處測定碳點(diǎn)的相應(yīng)熒光強(qiáng)度(IF)，儀器的激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為5 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點(diǎn)合成條件的優(yōu)化

2.1.1草木碳種類的選擇考察了不同草木碳種類(桂樹枝、柏樹枝、樟樹枝、雜草、混合燃燒的草木碳)對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響。將草木碳研磨，過100目篩后，稱取0.1 g按照“1.2.1”方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，不同類型的草木灰對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度無顯著影響。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為經(jīng)燃燒或碳化的植物灰燼中含有大量的單質(zhì)碳粒子，這些粒子經(jīng)過熱解、聚合、表面鈍化等處理后形成了CDs，并發(fā)出熒光。

2.1.2草木炭用量的影響為考察草木炭用量對(duì)碳點(diǎn)發(fā)光的影響，分別稱取0.01～0.20 g草木炭，在2.4 mol/L過氧化氫溶液中，于160 ℃下水熱反應(yīng)6 h制備碳點(diǎn)。結(jié)果表明，隨著草木炭用量的增加，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度先升高后降低。當(dāng)草木炭用量為0.10 g時(shí)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最大。這可能是由于反應(yīng)釜的空間一定(均為20 mL)，隨著草木炭用量的增多，單位空間內(nèi)碳點(diǎn)的生成濃度增加。但繼續(xù)增加草木炭的用量，反應(yīng)釜內(nèi)CDs的密度增大，達(dá)到飽和后過多的碳源不再生成CDs，反而加劇了分子間的碰撞，導(dǎo)致熒光發(fā)生猝滅。所以，本實(shí)驗(yàn)選擇草木炭用量為0.10 g。

2.1.3過氧化氫濃度的影響稱取0.10 g草木炭分別加入10 mL 1.0～5.0 mol·L-1的過氧化氫溶液中，于160 ℃下水熱反應(yīng)6 h制備碳點(diǎn)。結(jié)果表明，隨著過氧化氫溶液濃度的升高，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)過氧化氫濃度為2.4 mol·L-1時(shí)，CDs的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。因此，本實(shí)驗(yàn)最終選擇加入2.4 mol·L-1過氧化氫。

圖1 反應(yīng)溶液pH值的影響Fig.1 Effect of pH value on reaction solution

2.1.4反應(yīng)溶液pH值的影響實(shí)驗(yàn)對(duì)合成碳點(diǎn)反應(yīng)溶液的pH值進(jìn)行了探討(圖1)，結(jié)果表明，在pH 2.0～5.0之間，熒光強(qiáng)度隨pH值的增大而增強(qiáng)；pH>5.0時(shí)，熒光強(qiáng)度隨pH值的增大而降低；pH=5.0時(shí)，熒光強(qiáng)度最大。且隨著pH值升高，碳點(diǎn)的熒光光譜曲線出現(xiàn)不同程度的藍(lán)移，曲線的峰寬變寬，說明碳點(diǎn)溶液中的雜質(zhì)增多。這可能是由于氧化劑的主要成分被分解所致。過氧化氫溶液的主要成分為H2O2，pH值升高，過氧化氫分解的速度加快(尤其在70 ℃下)[16]，其反應(yīng)式為：2H2O2→ 2H2O + O2。因此，反應(yīng)溶液的pH值對(duì)過氧化氫溶液的穩(wěn)定性存在影響，降低pH值，可增加過氧化氫溶液的穩(wěn)定性。為保證反應(yīng)的順利進(jìn)行和前預(yù)處理的簡易化，本實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)溶液的pH值為5.0，此條件下反應(yīng)后碳點(diǎn)溶液的pH值約為7.0。

2.1.5水熱溫度的影響稱取0.10 g草木炭加入10 mL 2.4 mol·L-1的過氧化氫溶液中，分別于120～200 ℃下水熱反應(yīng)6 h制備得到碳點(diǎn)溶液，以考察水熱溫度對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)溫度從120 ℃升至160 ℃時(shí)，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。繼續(xù)升高溫度，其熒光強(qiáng)度下降，發(fā)射峰峰位藍(lán)移且出現(xiàn)變形。這可能是因?yàn)殡S著溫度的上升，反應(yīng)越來越充分，碳點(diǎn)的濃度增加，熒光強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。但溫度繼續(xù)上升后，生成的碳點(diǎn)顆粒過分加熱，表面結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致熒光發(fā)射量減少[17]。此外，溫度對(duì)碳點(diǎn)的粒徑也存在影響，所以碳點(diǎn)的發(fā)射峰出現(xiàn)藍(lán)移，峰寬有所增加。因此，本實(shí)驗(yàn)最終選擇160 ℃為CDs合成的反應(yīng)溫度。

2.1.6水熱時(shí)間的影響稱取0.10 g草木炭加入10 mL 2.4 mol·L-1的過氧化氫溶液中，于160 ℃下分別水熱2～12 h制備得到碳點(diǎn)溶液，考察了水熱時(shí)間的影響。結(jié)果表明，隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的增加，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度先升高后下降。反應(yīng)6 h時(shí)，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，熒光強(qiáng)度反而下降。這可能是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間過長，碳點(diǎn)的表面結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致熒光發(fā)射量減少，熒光強(qiáng)度下降。故選擇水熱時(shí)間為6 h。

2.2 碳點(diǎn)的表征

2.2.1CDs的紫外吸收光譜與熒光發(fā)射光譜圖2為碳點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜。以草木炭為碳源合成的碳點(diǎn)在可見光區(qū)內(nèi)無顯著的吸收峰(圖2A，曲線a)。隨著碳點(diǎn)的發(fā)射光譜從310 nm增至380 nm，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度先升高后降低，碳點(diǎn)的最大激發(fā)波長340 nm和350 nm處的發(fā)射峰幾乎重疊，最大發(fā)射波長約為450 nm，隨著激發(fā)波長的改變，發(fā)射波長未出現(xiàn)明顯的紅移或藍(lán)移(圖2B)。

圖3 碳點(diǎn)的傅立葉變換紅外光譜Fig.3 Fourier transform infrared(FTIR) spectra of carbon dots

圖4 綠麥隆對(duì)碳點(diǎn)的熒光猝滅曲線Fig.4 Fluorescence spectra of chlorotoluron quenched by carbon dotsinsert：standard work line；ρchlorotoluron(a-h)：0，0.15，0.91，1.53，2.04，2.47，2.83，3.15 mg·L-1

圖5 CDs與綠麥隆的相互作用機(jī)理Fig.5 Interaction between CDs and chlorotoluron

2.3 綠麥隆的碳點(diǎn)熒光猝滅法測定

按照“1.2.2”方法，考察了綠麥隆對(duì)碳點(diǎn)的猝滅作用。如圖4所示，隨著綠麥隆加入量的增加，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度降低。由圖4可知，綠麥隆的質(zhì)量濃度(ρ)在0.15～3.15 mg·L-1范圍內(nèi)與碳點(diǎn)在450 nm處的熒光猝滅程度(ΔIF)呈線性關(guān)系，回歸方程為ΔIF=160.2ρ+51.74，r2=0.999 3，計(jì)算得到檢出限(S/N=3)為0.05 mg·L-1，據(jù)此建立了一種測定綠麥隆的新方法。

2.4 綠麥隆對(duì)碳點(diǎn)的熒光猝滅機(jī)理

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

2.6 實(shí)際樣品的測定

取不同農(nóng)田的水樣，靜置過夜后取上清液過濾以除去固體雜物，濾液置于潔凈的容器中，待測。實(shí)驗(yàn)中水樣的取樣量均為500 μL。若需進(jìn)行快速分析，可將水樣離心后取上清液按“1.2.2”方法進(jìn)行測定，同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，樣品測定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)不大于4.9%，加標(biāo)回收率為93.3%～112%，說明所建立的方法具有較高的準(zhǔn)確度和精密度，可應(yīng)用于實(shí)際農(nóng)田水樣品中綠麥隆含量的分析。

表1 樣品測定結(jié)果Table 1 Measurement result of the sample

*no detected

3 結(jié) 論

本文建立了一種以草木炭為碳源的新型碳點(diǎn)合成方法。實(shí)驗(yàn)顯示，0.10 g草木炭在2.4 mol/L過氧化氫溶液中，于160 ℃下水熱反應(yīng)6 h得到的碳點(diǎn)溶液熒光性能最好。紅外光譜表明，碳點(diǎn)的表面分布著大量—COOH和—OH基團(tuán)，故碳點(diǎn)在水性體系中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和親水性。由于綠麥隆能夠有效猝滅碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，因此利用所合成的熒光碳點(diǎn)建立了綠麥隆測定的新方法。該方法測定綠麥隆的線性范圍為0.15～3.15 mg·L-1，檢出限為0.05 mg·L-1，用于實(shí)際樣品分析，其加標(biāo)回收率為93.3%～112%，RSD不大于4.9%。該方法具有操作簡單、線性范圍寬、選擇性好等特點(diǎn)，可應(yīng)用于實(shí)際農(nóng)田水樣品中綠麥隆的檢測，并為其他樣品中綠麥隆的檢測提供參考。