基于碳納米點熒光增強檢測鋁離子

康倩文 張國 柴瑞濤 朱維晃 馮建軍 陳利君

摘?要?以抗壞血酸（AA）為碳源，通過一步水熱法合成水溶性綠色熒光碳納米點（Carbon nanodots，CDs）。采用透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、紫外-可見吸收光譜和熒光光譜對其形貌和性質進行了研究?；诖颂技{米點與Al3+結合產生的熒光增強現(xiàn)象，建立了檢測Al3+的熒光分析方法，在50～500 nmol/L（R2=0.9988）和500～2000 nmol/L（R2=0.9976）范圍內呈良好的線性關系，檢出限為10.23 nmol/L （S/N=3），并用于對瓶裝飲用水樣品中Al3+的檢測。

關鍵詞?碳納米點; 抗壞血酸; 熒光增強; 鋁離子; 檢測

1?引 言

金屬元素在自然界中含量豐富，在人體健康和日常生活應用方面扮演著重要的角色[1，2]。鋁作為含量最豐富的金屬，是現(xiàn)代生活和工業(yè)生產中應用最廣的金屬之一，如包裝器具、醫(yī)藥、水處理等[3，4]。同時，鋁的廣泛應用也導致其對環(huán)境的污染和對人體的危害。高濃度的離子態(tài)鋁具有毒性，人體吸收過量的鋁，會在體內累積富集，影響腸道對鈣的吸收，阻礙血液對鐵的吸收，導致多種疾病，如帕金森癥、阿爾茨海默癥、腎臟疾病，甚至癌癥[5～8]。我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB/5749-2006） [9]及美國環(huán)境保護署[10]規(guī)定飲用水中Al3+的含量不超過0.2 mg/L（7.4 μmol/L）。 因此，建立高靈敏度、高選擇性的Al3+濃度檢測方法具有重要的意義。

目前，Al3+的檢測方法包括電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）[11]、石墨原子吸收法（GF-AAS）[12]、電化學法[13]等，這些方法多使用昂貴的儀器，且操作繁瑣，樣品制備復雜[14]。熒光檢測法具有低檢出限、高靈敏度、高選擇性和可視化檢測等優(yōu)點，已廣泛用于金屬離子的檢測[15～17]。其中，一些熒光探針已被用于Al3+的檢測。席夫堿類熒光探針對Al3+具有良好的檢測效果，檢出限低，且選擇性高 [18～20]。李靜等[21]利用熒光素（Fluorescein）修飾羅丹明6G （R6G），合成R6G-Flu熒光探針，實現(xiàn)了Al3+高選擇性檢測，檢出限為10.4 nmol/L; Debal等[22]合成了有機金屬骨架（MOF）熒光探針，實現(xiàn)Al3+的檢測，檢出限為57.5 μg/L。但是，以上方法合成探針時均需使用多種有機物和有機溶劑，且合成過程繁瑣。因此，尋求一種制備簡單，且可實現(xiàn)對Al3+高選擇性、高靈敏檢測的探針具有重要意義。

熒光碳納米點（Carbon nanodots，CDs） [23]具有毒性低[24]、水溶性好[25]、生物相容性好[26]、熒光穩(wěn)定性好[27]等特性，已廣泛應用于生物醫(yī)學[28]、環(huán)境污染物檢測[29]、光學傳感[30]等領域。目前，已建立了多種制備CDs的方法，如電弧放電法[31]、激光刻蝕法[32]、電化學法[33]?、化學氧化法[34]、水熱法[35]和微波輻射法[36]等。其中，水熱法是一種過程簡單的高效制備CDs的方法[37]。

近年來，有關CDs檢測Al3+的報道較少。方靜美等[38]利用蠟燭灰制備CDs，通過熒光猝滅效應檢測Al3+，檢出限為26 nmol/L，檢測效果令人滿意; Tripathi等[39]利用熱解法從亞麻籽油提取出表面帶有羥基和羧基的綠色CDs，通過熒光猝滅效應，實現(xiàn)了Al3+的高選擇性檢測，檢出限為0.77 μmol/L。上述研究均基于熒光猝滅原理檢測Al3+，但猝滅型熒光探針靈敏度低，會產生假陽性現(xiàn)象，且抗干擾能力差，易受重金屬離子、氧原子和重原子效應等因素的影響，而增強型熒光探針具有靈敏度高、能減少假陽性信號的產生并降低背景的干擾等優(yōu)勢，因此對金屬離子的檢測更靈敏準確[40，41]。目前，大多數CDs發(fā)射藍色熒光，而幾乎所有生物組織會產生藍色自熒光，會限制CDs的應用[42]。因此，開發(fā)一種熒光增強型的長波長CDs探針至關重要。本研究以抗壞血酸（AA）為碳源，通過一步水熱法制備出水溶性的綠色熒光CDs，制備過程綠色環(huán)保，反應條件溫和，合成時間短，成本低。 基于此CDs的熒光增強效應，建立了檢測水中Al3+的高靈敏度、高選擇性的方法。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

F-7000熒光分光光度計（日本日立公司）;?UV-1780紫外可見分光光度計（日本島津公司）; ZF-5手提式紫外分析儀（上海嘉鵬科技有限公司）; Tecnai G2透射電子顯微鏡（美國FEI公司）; Nicolet-iS50傅里葉紅外光譜儀、ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜儀（美國賽默飛世爾科技公司）; 1810b細胞型摩爾純水器（重慶摩爾水處理設備有限公司）。

抗壞血酸（AA）、乙醇（國藥集團化學試劑有限公司）; 其它試劑均為國產分析純; 實驗用水為超純水。

2.2?CDs的合成

參照文獻[43]的方法合成CDs，并用乙醇代替乙二醇。乙二醇有毒性，與水混合后凝固點降低，不利于樣品冷凍干燥，而乙醇無毒性、易揮發(fā)。稱取1.0 g抗壞血酸（AA）溶于21 mL超純水中，在磁力攪拌下緩慢滴入9 mL乙醇，超聲處理10 min得到無色透明溶液，將其轉移到50 mL聚四氟乙烯反應釜中，在160℃下水熱反應1 h。冷卻至室溫，得到淺棕黃色溶液，即CDs。將得到的CDs溶液10000 r/min離心10 min，以除去較大的顆粒，再用0.22 μm的微孔濾膜過濾，得到純化CDs，于4℃下避光保存，備用。

此外，考察了另外3個不同的合成體系：純水-AA，純乙醇-AA和純乙醇體系，并與上述純水-乙醇-AA體系制備的碳點的性能進行對比。

2.3?熒光法檢測Al3+

將CDs原液稀釋100倍，至僅有微弱熒光，熒光強度約為35 a.u.，得到CDs稀釋液，用于熒光增強檢測Al3+。配制0.01 mol/L Al3+儲備液，逐級稀釋至所需濃度。在4.5 mL CDs稀釋液中加入0.5 mL不同濃度的Al3+溶液，使Al3+終濃度分別為0、50、60、70、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900 nmol/L和1、2、10、100、200、1000 μmol/L，孵育反應6 min后，在365 nm激發(fā)波長下測定溶液的熒光光譜，激發(fā)和發(fā)射狹縫均為10 nm，電壓為500 V。

2.4?檢測飲用水樣中Al3+

取0.5 mL市售某瓶裝飲用水水樣與4.5 mL CDs稀釋液混合，按照2.3節(jié)中方法測定熒光強度，計算Al3+濃度。 在水樣中添加不同濃度Al3+，加入到CDs稀釋液中，Al3+終濃度為0.1、0.3、0.5、1.0和1.5 μmol/L，孵育反應6 min，在365 nm激發(fā)波長下測定體系的熒光光譜。

3?結果與討論

3.1?CDs的合成

以AA為碳源，水和乙醇為溶劑，通過一步水熱法合成CDs（圖1）?？疾炝梭w系中各組分對綠色熒光CDs合成的影響。如圖2A所示，水-AA、乙醇-AA及乙醇體系合成的CDs均發(fā)射藍色熒光，只有水-乙醇-AA體系合成的CDs發(fā)射綠色熒光。說明在水-乙醇-AA體系中，小分子碳源AA通過碳化和表面鈍化作用，使表面官能團偶聯(lián)，實現(xiàn)小分子間聚合，形成綠色熒光CDs[23]。采用水-乙醇-AA體系制備了4批CDs，熒光光譜實驗表明，4批樣品的熒光強度基本相同，表明此合成體系具有良好的重復性（圖2B）。

3.2?CDs的表征

透射電鏡表征結果顯示，所制備的CDs呈近似球形，分散性好，且分布均勻（圖3A），插圖為CDs的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖，晶格間距為0.20 nm，與石墨（102）晶面相似[44]。粒徑大小在2～6 nm間，平均粒徑為（3.8±0.6） nm（圖3B）。傅里葉變換紅外光譜（圖3C）顯示，CDs分別在3309和1642 cm1處有明顯的吸收峰，為OH鍵和CO鍵的伸縮振動; 在2982和2907 cm1處的峰分別對應CH鍵的對稱和非對稱伸縮振動; 在1085和1044 cm1處的峰對應CO伸縮振動[45，46]，表明CDs表面可能含有羥基和羧基類親水性官能團，因此CDs具有良好的水溶性。X-射線光電子能譜（XPS）顯示，在532.32和286.07 eV處分別為O1s和C1s峰，說明CDs主要由C和O兩種元素組成，C和O占比分別為55.09%和44.91%（圖3D）。圖3E為C1s的高分辨譜圖，包含284.83，286.45、288.37和291.7 eV處的4個峰，分別對應CC/CC、COC/COH、CO、OCO官能團; 圖3F為O1s的高分辨譜圖，531.97 eV和533.07 eV分別對應CO和CO官能團[46，47]。FTIR和XPS兩者結果一致，表明CDs表面含有豐富的含氧基團，這些官能團的存在使得CDs具有良好的水溶性。

3.3?CDs的光學性質研究

在355～455 nm波長范圍內測定CDs的激發(fā)光譜，發(fā)現(xiàn)隨著激發(fā)波長增大，熒光強度先增大后降低，在365 nm激發(fā)下熒光發(fā)射強度最大，并且發(fā)射波長位置從525 nm逐漸紅移至534 nm（圖4A）。此現(xiàn)象與CDs發(fā)射位置隨激發(fā)波長增大而紅移的性質相符，CDs的這種激發(fā)波長依賴性質與其粒徑或發(fā)射陷阱位點的多樣性有關[48]。CDs的紫外可見吸收光譜（圖4B，曲線a）表明，CDs在260 nm處有較強的吸收峰，這是由于CDs中不飽和鍵CC受激發(fā)形成的π-π躍遷[49]; 在350～370 nm范圍內有微弱的寬吸收帶，由于CO鍵受到激發(fā)，引起的n-π躍遷[50]。CDs在自然光和紫外燈（365 nm）照射下，分別呈現(xiàn)黃棕色和黃綠色（圖4B，曲線d和e）。這與CDs在最大激發(fā)波長365 nm激發(fā)下，于525 nm出現(xiàn)發(fā)射峰的現(xiàn)象相符（圖4B，曲線b和c）。此外，考察了CDs的光穩(wěn)定性。用氙燈連續(xù)照射120 min，CDs的熒光強度基本未發(fā)生變化（圖4C）。將此CDs在4℃下放置4個月，熒光強度穩(wěn)定（圖4D），表明此CDs的熒光穩(wěn)定性良好。

3.4?CDs對Al3+的響應

將不同濃度Al3+分別加入到CDs原液和稀釋液中，使Al3+終濃度分別為0、10、100和1000 μmol/L，在365 nm激發(fā)波長下測定熒光光譜。如圖5A和5B所示，隨著Al3+的加入，熒光強度均逐漸增強，并伴隨著熒光藍移現(xiàn)象，結果表明，在相同Al3+濃度下的CDs稀釋液對Al3+的響應更顯著，增強倍數更高。CDs原液（圖5C，a）及稀釋液（圖5C，b以及圖5D）的發(fā)射峰位置基本一致，原液顯示出亮黃綠色熒光，稀釋液顯示出微弱的黃綠色熒光（圖5C插圖）。向稀釋液中加入1000 μmol/L Al3+，結果如圖5E所示，在6 min時，體系的熒光強度基本穩(wěn)定。熒光光譜圖如圖5F所示，此時可觀察到明顯藍色熒光（圖5F插圖）。因此，選擇CDs稀釋液用于熒光增強檢測Al3+。

將不同濃度的Al3+加入到CDs稀釋液中，反應6 min，測試其熒光光譜。如圖5G所示，隨著Al3+濃度的增加（0～1000 μmol/L），熒光強度逐漸增強，并伴隨著熒光藍移的現(xiàn)象，發(fā)射峰由最初的525 nm藍移至485 nm（圖5G），與所觀察到的熒光現(xiàn)象一致，

即紫外燈下由黃綠色變?yōu)樗{色（圖5G插圖）。其中，熒光強度與Al3+濃度在50～500 nmol/L和500～2000 nmol/L范圍內分別呈良好的線性關系（圖5H），線性方程分別為F=31.11+72.72C （R2=0.9988）和F=51.53+34.16C （R2=0.9976），檢出限為10.23 nmol/L，低于美國環(huán)保署和中國《生活飲用水衛(wèi)生標準》對飲用水中Al3+的限量值（7.4 μmol/L）。與文獻報道的檢測Al3+的方法相比（表1），本方法具有較低的檢出限。

3.5?CDs傳感體系的選擇性

在CDs稀釋液中分別加入1.0 mmol/L的陽離子Al3+、Ba2+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+、Na+、Ag+、Fe3+、K+、Ni2+、Cu2+、Co2+、Mn2+、Cd2+，以及陰離子NO3、Br、SO24、C6H5O36、F、Cl、HCOO、H2PO4、CH3COO2、I、CO23和C2O24溶液，離子終濃度均為100 μmol/L，在365 nm激發(fā)波長下測定熒光光譜。選擇了16種常見的金屬離子和12種陰離子，考察體系的選擇性，各離子終濃度為100 μmol/L。如圖6所示，Al3+的熒光強度增強現(xiàn)象最為明顯，Ag+與Fe3+對CDs有微弱的猝滅作用，其余離子對CDs的熒光強度幾乎沒有影響，表明此CDs對Al3+具有良好的選擇性。

3.6?實際飲用水樣中Al3+的檢測

選取市售某瓶裝飲用水進行檢測。CDs傳感體系對飲用水樣品無明顯響應，即未檢出Al3+。向待測水樣中加入不同濃度Al3+，檢測各樣品的熒光強度，加標回收實驗結果如表2所示，Al3+的回收率為97.7%～105.7% （RSD<1.9%），表明本方法可用于實際飲用水中Al3+的檢測。

4?結 論

以抗壞血酸為碳源，經過一步水熱法合成了綠色熒光CDs，粒徑分布均勻，表面包含大量的羧基及羥基親水性基團，具有良好的水溶性和熒光穩(wěn)定性?；贑Ds的熒光增強效應實現(xiàn)對Al3+的檢測。本方法檢出限低、靈敏度高、選擇性好，適用于飲用水中Al3+含量的檢測。

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