新型熒光碳點(diǎn)的制備及其在微量金屬離子測定中的應(yīng)用

劉娟娟，陳永雷，陳興國*

(1.蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院，甘肅 蘭州 730030)

熒光分析是一種有效的分析方法，由于其具有靈敏度高、背景噪音低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)傳感、生物成像等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-4]。近幾十年來對熒光探針的研究主要集中在CdSe、CdTe等半導(dǎo)體量子點(diǎn)[5]及傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料[6]的制備及功能化，但是由于制備CdSe、CdTe需引入CdCl2等高毒性的化學(xué)物質(zhì)且耗時較長等問題，傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料的生物毒性較強(qiáng)且其抗光漂白性需進(jìn)一步改善等問題，限制了半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)熒光染料在熒光分析方法中的廣泛應(yīng)用[7]。因此，尋找理想的、有望替代半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)熒光染料的無毒或低毒的新型熒光納米材料并將其應(yīng)用于構(gòu)建新型熒光探針，已逐漸成為化學(xué)、工程和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

碳是一種以多種形式廣泛存在于大氣和地殼中的常見元素之一，它不僅對所有生命系統(tǒng)都是不可或缺的，而且在納米材料的發(fā)展進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用[8-9]。近年來，碳納米材料作為新型的熒光納米材料之一，日益成為人們關(guān)注的對象。碳納米材料擁有眾多的家族成員，如富勒烯、碳納米管、石墨烯、碳點(diǎn)、納米金剛石、碳納米洋蔥及碳納米角等[10-11]。其中，富勒烯是1985年由Kroto等[12]發(fā)現(xiàn)并報道的。碳納米管和石墨烯這兩種同素異形體分別是在1991年和2004年被發(fā)現(xiàn)并報道的，當(dāng)時在科學(xué)研究領(lǐng)域引起了極大的轟動[13-14]。在碳納米材料龐大的家族里，碳點(diǎn)(CD)由于具有粒徑小、抗光漂白性好、熒光穩(wěn)定性高、發(fā)射光譜可調(diào)、表面易功能化、毒性低、生物相容性好、制備過程簡單等優(yōu)點(diǎn)，在催化、生物成像、藥物傳遞、熒光傳感、光電子器件等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景而備受關(guān)注[15-19]。應(yīng)指出的是，在熒光傳感領(lǐng)域碳點(diǎn)可直接或間接地構(gòu)建新型的熒光探針并用于測定一些重要的金屬離子、非金屬離子、小分子及大分子物質(zhì)等。本文在對CD的性質(zhì)、合成原料及合成方法簡要介紹的基礎(chǔ)上，詳細(xì)評述了基于CD熒光探針的設(shè)計、構(gòu)建機(jī)理及其在檢測微量金屬離子中的應(yīng)用，指出了CD作為新型熒光傳感納米材料所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

1 碳點(diǎn)的性質(zhì)、合成原料及合成方法

2004年，Xu等[20]在純化單壁碳納米管時發(fā)現(xiàn)并報道了CD。2006年，Sun等[21]提出了CD的概念。CD是具有無定型到納米晶結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)球形、尺寸不大于10nm的納米顆粒，一般由sp2/sp3碳、含氧/氮的官能團(tuán)和一些后修飾的特定官能團(tuán)組成[3]。研究表明，CD具有包括紫外可見吸收[22-23]、熒光[8]、上轉(zhuǎn)換熒光[24]和電化學(xué)發(fā)光[25-26]等在內(nèi)的諸多優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。迄今為止，眾多課題組對CD合成和應(yīng)用作了許多深入的研究，旨在更好地探究其復(fù)雜的光物理和光化學(xué)行為的起源，以開發(fā)更好的合成方法并進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。

1.1 合成CD的原料

合成CD的原料非常豐富，包括一些較大的碳骨架材料、小分子化學(xué)物質(zhì)、食品、日用品、生活廢棄物及植物器官等。

1.1.1碳骨架材料

Scrivens等在應(yīng)用電泳方法純化單壁碳納米管的過程中發(fā)現(xiàn)并報道了CD[20]。Liu等[27]以蠟燭煙灰為原料，通過酸氧化處理的方法制備了尺寸小于2nm的水溶性多色熒光CD，并采用聚丙烯酰氨凝膠電泳對其進(jìn)行純化，得到了具有不同熒光發(fā)射的CD，它們的量子產(chǎn)率分別為0.8%、1.9%、0.8%。

Qiao等[28]以活性炭為碳源，通過化學(xué)氧化方法制備了尺寸約為4.5nm的水溶性多色熒光CD。該CD在pH 1～13范圍內(nèi)均具有良好的生物相容性和較高的熒光量子產(chǎn)率(12.6%)。

1.1.2小分子化學(xué)物質(zhì)

CD的合成原料除了較大的碳骨架材料之外，一些小分子物質(zhì)如檸檬酸經(jīng)常被用作碳源來合成具有高熒光量子產(chǎn)率的CD，但是這些CD一般呈現(xiàn)出藍(lán)色熒光。Zhu等[29]以檸檬酸為碳源通過水熱法制備了熒光量子產(chǎn)率高達(dá)80%的藍(lán)色熒光CD，其不僅能夠檢測生物體系中的Fe3+，還可用作印刷油墨。Krysmann等[30]通過熱解檸檬酸和乙醇胺制備了熒光量子產(chǎn)率為50%的藍(lán)色熒光CD，并對其可能的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了探究。Dong等[31]用檸檬酸和半胱氨酸通過水熱法制備了熒光量子產(chǎn)率高達(dá)73%的CD，該CD呈現(xiàn)出藍(lán)色熒光且具有不依賴激發(fā)的發(fā)射行為。

1.1.3食品、日用品及生活廢棄物

合成CD的原料豐富多彩。目前，許多課題組已經(jīng)報道了采用常見的食品(草莓、蜂蜜、牛奶、生姜)，日用品(蠶絲)及生活中的廢棄物(紙灰、廢煎炸油)制備出熒光CD的工作[32-38]。Wang等[34]報道了使用牛奶制備CD的綠色合成方法。該制備過程環(huán)保、簡單、高效。所制備的藍(lán)色熒光碳點(diǎn)，尺寸約為3nm、熒光量子產(chǎn)率為12%，可作為熒光探針對人腦膠質(zhì)瘤癌細(xì)胞進(jìn)行高分辨成像。Hu等[38]發(fā)展了一種利用廢煎炸油和濃硫酸制備藍(lán)色熒光CD的方法，所得到的CD尺寸均勻并顯示出部分無序的石墨結(jié)構(gòu)且對pH變化非常敏感，可用于測定pH值。

1.1.4植物器官

Zhu等[39]發(fā)現(xiàn)熱解不同的植物葉片可得到發(fā)出明亮藍(lán)色熒光的CD，其可用于化學(xué)傳感、圖案印刷及防偽技術(shù)等。該制備方法無需表面鈍化處理或使用有毒及昂貴的溶劑和原料，為大規(guī)模生產(chǎn)CD提供了新的契機(jī)。

1.1.5含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物

采用上述幾類原料合成的CD多具有藍(lán)色熒光。由于生物樣品的自熒光干擾較大，從而限制了其在生物樣品分析和生物成像研究中的應(yīng)用。相比之下，發(fā)射紅光的CD可以有效解決生物樣品的自熒光干擾問題。增加共軛程度可能會使得CD的熒光發(fā)射波長紅移，因此選擇含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的碳源可能會有效改善CD的熒光性質(zhì)。Jiang等[40]以鄰、間、對苯二胺為碳源，分別得到了具有上述轉(zhuǎn)換熒光性質(zhì)的藍(lán)色、綠色及紅色熒光CD，其細(xì)胞毒性低，具有優(yōu)異的多色細(xì)胞成像能力。Liu等[41]用2,5-二氨基苯磺酸和4-氨基苯硼酸鹽酸鹽合成了熒光量子產(chǎn)率為5.44%的紅色熒光CD，其可用于比色和熒光雙模式檢測Fe3+。

圖2 RYDE CD和RODE CD的制備及RYDE CD作為比率熒光探針用于測定亞硝酸鹽的示意圖

Ma等[42]以間氨基苯酚和草酸為原料制備了藍(lán)/綠光雙發(fā)射的CD。當(dāng)激發(fā)波長為380nm時，所制備的CD在430nm和510nm處具有雙熒光發(fā)射峰。首先，對氨基苯酚和草酸小分子脫水形成了聚合物簇。隨著反應(yīng)溫度的進(jìn)一步升高，聚合物簇逐漸被碳化最終生成了小顆粒狀藍(lán)/綠光雙發(fā)射的CD。該CD無需修飾可直接作為比率熒光探針檢測紡織品、鋼鐵樣品和工業(yè)廢水中的六價鉻離子。

Liu等[43]以2,5-二氨基甲苯硫酸鹽為碳源一鍋法制備了紅/綠光雙發(fā)射的CD(RGDE CD)。當(dāng)激發(fā)波長為370nm時，RGDE CD在525nm和603nm處具有兩個熒光發(fā)射峰(圖1)?；赗GDE CD無需任何修飾即可作為ONOO-熒光探針的性質(zhì)，建立了成本低廉、響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性好的測定ONOO-的比率熒光新方法。通過分別計算RGDE CD和ONOO-對應(yīng)的HOMO、LUMO能級，深入研究了ONOO-導(dǎo)致RGDE CD熒光淬滅的機(jī)理。該比率熒光探針已成功用于細(xì)胞內(nèi)痕量ONOO-的測定。

圖1 (a)RGDE CD的制備及(b)用于檢測細(xì)胞中ONOO-的示意圖

此外，Liu等[44]還以2,3-二氨基苯甲酸鹽酸鹽為碳源一鍋法合成了紅/黃光雙發(fā)射的碳點(diǎn)(RYDE CD)和紅/橙光雙發(fā)射的碳點(diǎn)(RODE CD)(圖2)。當(dāng)激發(fā)波長分別為520nm和535nm時，RYDE CD和RODE CD分別在566nm/621nm和595nm/644nm處具有熒光發(fā)射峰。所制備的RYDE CD和RODE CD具有優(yōu)異的抗光漂白性和良好的耐鹽性。基于RYDE CD無需修飾可直接作為亞硝酸鹽熒光探針的性質(zhì)，建立了高靈敏性和高選擇性測定熏肉、香腸、咸菜和牛奶等樣品中痕量亞硝酸鹽的比率熒光新方法并深入研究了相應(yīng)的檢測機(jī)理；基于溫度對RYDE CD熒光強(qiáng)度的影響，建立了檢測溫度的比率熒光新方法。此外，RYDE CD細(xì)胞毒性低且生物相容性好，可成功用于細(xì)胞成像。

1.2 CD的合成方法

在過去幾十年中，人們不斷地嘗試發(fā)展了許多合成CD的方法。根據(jù)合成原料(1.1節(jié))可將CD的合成方法分為自上而下法和自下而上法兩大類[45]。

自上而下法是指將較大的碳骨架材料如碳納米管[20]、活性炭[28]、炭黑[27]、納米金剛石[46]等通過化學(xué)或物理的方法不斷進(jìn)行剝離制備CD的過程。常見的自上而下法主要包括電弧放電法[47]、激光燒蝕法[21]和電化學(xué)法[48]等。自上而下法制備的CD的熒光量子產(chǎn)率比較低，通常需要將其表面進(jìn)行化學(xué)處理以提高熒光量子產(chǎn)率。此外，由于剝離的過程是非選擇性的，不能有效地控制CD的形態(tài)和粒徑分布。

為了克服自上而下法合成CD的熒光量子產(chǎn)率較低等問題，人們發(fā)展了在適當(dāng)條件下依賴于有機(jī)小分子碳源碳化或者逐步熔融的方式制備CD的化學(xué)方法，即自下而上法。自下而上法可以較好地控制CD的尺寸、形貌及物理化學(xué)性質(zhì)。目前，自下而上法主要包括水熱法[29]、模板輔助法[49]、微波法[50]和超聲輔助法[51]等。這些方法所合成的CD在熒光探針構(gòu)建、目標(biāo)分析物檢測、生物成像等方面均有廣泛的應(yīng)用[52-54]。

2 基于CD熒光探針的設(shè)計構(gòu)建及其在檢測金屬離子中的應(yīng)用

2.1 基于CD熒光探針的設(shè)計構(gòu)建及其對金屬離子的檢測機(jī)理

由于CD具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)以及較低的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性[55]，常被用于直接或間接地設(shè)計構(gòu)建新型的熒光探針來檢測金屬離子等目標(biāo)分析物[56-57]。實(shí)際樣品中通常存在多種金屬離子。因此，CD熒光探針對金屬離子的特異性識別對探針的設(shè)計及測定結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。通常，根據(jù)CD表面官能團(tuán)和金屬離子的特點(diǎn)及它們之間的特異性作用來提高檢測的選擇性。迄今為止，設(shè)計構(gòu)建對金屬離子具有特異性識別能力的CD熒光探針主要基于以下三種策略[3]：①基于CD表面的官能團(tuán)直接特異性識別金屬離子；②通過特異性配體對CD進(jìn)行修飾以提高其對金屬離子的特異性識別能力；③將CD與其他物質(zhì)如淬滅劑結(jié)合形成復(fù)合物以提高其對金屬離子的特異性識別能力。目前，CD熒光探針對金屬離子的檢測主要有“Turn-off”[58]和“Turn-on”[59]兩種模式。這兩種模式所涉及的檢測機(jī)理主要包括電子轉(zhuǎn)移[60]、內(nèi)過濾效應(yīng)[61]、熒光共振能量轉(zhuǎn)移[59,62]等。

2.1.1基于CD與目標(biāo)分析物的直接相互作用

CD與目標(biāo)分析物直接相互作用會引起CD的熒光信號發(fā)生變化。基于這種信號的變化，CD可直接作為熒光探針用于測定目標(biāo)分析物的含量。CD表面的官能團(tuán)可以特異性地與金屬離子發(fā)生配位作用，使得其熒光發(fā)生顯著的淬滅，因此常被用于直接測定一些金屬離子的含量。例如，由于氫氧化鐵的Ksp=4.010-38，導(dǎo)致Fe3+和酚羥基之間會發(fā)生強(qiáng)烈的特異性配位作用，因此表面富含酚羥基的CD可以實(shí)現(xiàn)對Fe3+的選擇性檢測[3]。Zhu等[29]合成了熒光量子產(chǎn)率高達(dá)80%的CD，其表面的酚羥基與Fe3+之間有很強(qiáng)的親和力。當(dāng)加入Fe3+后，CD激發(fā)態(tài)的電子會部分躍遷到Fe3+的d軌道，發(fā)生非輻射電子躍遷，導(dǎo)致CD的熒光淬滅。基于此，該CD可直接作為熒光探針選擇性檢測Fe3+。此外，CD表面富含的大量氨基和Cu2+之間會發(fā)生強(qiáng)烈的配位作用，形成的銅胺絡(luò)合物紫外吸收光譜可以與部分CD的熒光激發(fā)或發(fā)射光譜重疊，發(fā)生內(nèi)過濾效應(yīng)導(dǎo)致CD的熒光淬滅。Dong等[61]制備了能與Cu2+發(fā)生絡(luò)合作用的表面富含氨基的CD，形成的銅胺絡(luò)合物和CD之間的內(nèi)過濾效應(yīng)使得CD熒光淬滅，從而實(shí)現(xiàn)了CD直接作為熒光探針對Cu2+進(jìn)行選擇性檢測。

2.1.2基于特異性配體修飾后的CD與目標(biāo)分析物相互作用

將CD進(jìn)行后修飾再與分析物相互作用也是一種策略。一般需要將已知的特異性配體修飾到CD表面以構(gòu)建具有高靈敏度和高選擇性的熒光探針。例如，將硼酸基團(tuán)修飾到CD表面后，硼酸基團(tuán)和葡萄糖的順式二醇結(jié)構(gòu)會形成穩(wěn)定的絡(luò)合物[63]?；诖?，構(gòu)建了很多用于高選擇性檢測葡萄糖的熒光探針。此外，胸腺嘧啶(T)化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，已被證明是能夠以T-Hg2+-T復(fù)合物形式識別Hg2+的最具特異性的配體之一，該過程不存在任何其他重金屬離子的干擾[64]。因此，可以通過將CD和某些生物識別組件(如胸腺嘧啶等)結(jié)合提高CD檢測Hg2+的選擇性。Xu等[64]基于Hg2+可作為有效聯(lián)接鄰近胸腺嘧啶的橋梁，利用CD表面上共價修飾胸腺嘧啶和Hg2+的橋梁作用促使CD團(tuán)聚，導(dǎo)致CD熒光發(fā)生淬滅，設(shè)計并構(gòu)建了用于特異性檢測Hg2+的熒光探針。

2.1.3基于CD與其他物質(zhì)形成復(fù)合物后與目標(biāo)分析物相互作用

CD也可以與其他物質(zhì)如淬滅劑[65]等結(jié)合形成復(fù)合物使得其熒光發(fā)生淬滅，加入目標(biāo)檢測物之后，淬滅劑和目標(biāo)檢測物之間發(fā)生相互作用導(dǎo)致CD的熒光得以恢復(fù)。例如，Li等[59]將CD和鈷氫氧化物納米片結(jié)合，使得其熒光通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移發(fā)生淬滅。然后加入還原性的抗壞血酸，由于抗壞血酸和鈷氫氧化物納米片發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，從而破壞了鈷氫氧化物納米片的片層結(jié)構(gòu)，使得CD的熒光恢復(fù)。基于這種熒光響應(yīng)信號，實(shí)現(xiàn)了對抗壞血酸及與抗壞血酸有關(guān)的酶的檢測。此外，將CD和其他熒光物質(zhì)結(jié)合還可以構(gòu)建比率熒光探針。如Liang等[62]基于CD和金納米簇(AuNCs)間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移成功構(gòu)建了比率熒光探針(圖3)。加入的S2-會競爭性地結(jié)合在AuNCs表面形成Au2S，抑制熒光共振能量轉(zhuǎn)移的發(fā)生，使得CD的熒光增強(qiáng)而AuNCs的熒光減弱。基于CD和AuNCs熒光強(qiáng)度比值的變化，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境樣品中S2-的準(zhǔn)確測定。

圖3 CD-AuNCs比率熒光探針的構(gòu)建及其用于檢測S2-的示意圖

2.2 CD熒光探針在檢測金屬離子中的應(yīng)用

由于CD具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光學(xué)性能，已在生物成像、熒光傳感、藥物運(yùn)載、催化劑制備、能源開發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[66-69]。

近年來，全球經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的快速增長引起了越來越多的環(huán)境問題。重金屬離子是一種易在生態(tài)系統(tǒng)中富集的難降解污染物[70]。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)的統(tǒng)計，砷離子(As3+)、汞離子(Hg2+)、鉛離子(Pb2+)、銅離子(Cu2+)、鎘離子(Cd2+)、鎳離子(Ni2+)和鉻離子(Cr6+)屬于最具毒性的重金屬離子。人體內(nèi)攝入低濃度的這些金屬離子時，可導(dǎo)致極其嚴(yán)重的健康問題[71]。例如鐵離子(Fe3+)、鋅離子(Zn2+)和銅離子(Cu2+)等會參與人體新陳代謝過程，對人類健康至關(guān)重要。但是，當(dāng)這些金屬離子的濃度較高時，它們會破壞人體免疫系統(tǒng)，誘發(fā)一系列嚴(yán)重的疾病[72-73]。因此，快速、靈敏、準(zhǔn)確地測定微量金屬離子在環(huán)境保護(hù)、食品科學(xué)和農(nóng)業(yè)化學(xué)以及材料學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。傳統(tǒng)的檢測痕量金屬離子的方法[74-78]有原子吸收光譜法(AAS)、毛細(xì)管電泳法(CE)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)、離子色譜-紫外可見光譜法(IC-UV-Vis)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、微探針法(MP)和X射線熒光光譜法(XRF)。這些方法雖然具有高靈敏度和選擇性，但儀器成本高、樣品制備復(fù)雜以及需要專業(yè)人員和預(yù)富集程序等操作。熒光分析是一種有效的分析方法，由于其具有靈敏度高、背景噪音低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)而備受人們的關(guān)注。下面對CD在熒光傳感領(lǐng)域中檢測金屬離子的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行評述。

2.2.1CD熒光探針檢測生物金屬離子

(1)鐵離子(Fe3+)

鐵是人體和動物體許多生理過程所必需的第一微量元素。Fe3+可以和人體內(nèi)多種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合，在新陳代謝過程中扮演非常重要的角色。人體內(nèi)Fe3+含量異常均可干擾細(xì)胞內(nèi)環(huán)境平衡，誘發(fā)各種生理疾病[79-80]。因此，對Fe3+的高靈敏檢測具有重要意義。目前，基于金屬納米簇[81]、有機(jī)染料[82]、半導(dǎo)體量子點(diǎn)[83]、金屬有機(jī)框架材料[84]等已經(jīng)發(fā)展了諸多熒光探針，這些探針用于檢測Fe3+通常具有較好的靈敏度和選擇性。然而，制備這些熒光探針通常需要多步驟合成及純化步驟，比較耗時。CD已被證明其合成原料低廉、制備過程簡單、細(xì)胞毒性低、生物相容性好，是一種理想的可用于構(gòu)建熒光探針的新型熒光納米材料。

Zhang等[60]以檸檬酸為碳源、聚乙烯二胺為氮源，通過固相合成法制備了氮摻雜CD(N-CD)。結(jié)果表明，N原子的摻雜使得CD的熒光量子產(chǎn)率從9%提高到31%，熒光量子產(chǎn)率的顯著提高應(yīng)該源于N原子對CD化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子特性的調(diào)控?；贜-CD表面的含氧官能團(tuán)與Fe3+之間的配位作用使其熒光淬滅的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對生物樣品中Fe3+的測定(圖4)。

圖4 N-CD用于檢測Fe3+的示意圖

圖5 基于CD的熒光探針的合成及其用于檢測Zn2+的示意圖

Feng等[85]以胰蛋白酶和多巴胺為前驅(qū)體，通過一步法在低溫條件下制備了熒光CD。該步驟避免了任何加熱操作和使用有機(jī)試劑，提供了一種“綠色”、有效的合成策略。制備的CD具有良好的水溶性、耐鹽性和光穩(wěn)定性。基于內(nèi)濾效應(yīng)和靜態(tài)淬滅的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了尿液和血清樣品中Fe3+的測定。

(2)鋅離子(Zn2+)

鋅是人體中最常見的第二微量過渡金屬元素，在促進(jìn)酶調(diào)節(jié)、基因表達(dá)和神經(jīng)相關(guān)信號傳遞等過程中發(fā)揮重要作用。人體內(nèi)Zn2+含量異常會誘發(fā)阿爾茨海默癥等疾病[86]。因此，對Zn2+的高靈敏檢測對于探究某些疾病的生理過程和病因具有重要意義。目前已報道的測定Zn2+的方法有熒光分析法[87]、毛細(xì)管電泳法[88]和紫外可見吸收光譜法[89]等。尤其是熒光分析法具有靈敏度高、背景噪音低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，發(fā)展基于低毒性CD熒光探針的熒光分析新方法用于靈敏性、選擇性檢測細(xì)胞內(nèi)Zn2 +非常重要。

Zhang等[90]合成了喹啉衍生物修飾的CD，基于喹啉衍生物對Zn2+的特異性識別作用使得CD熒光增強(qiáng)的現(xiàn)象，建立了高靈敏、高選擇性檢測Zn2+的熒光方法，檢測限為6.4nmol/L(圖5)。該方法還可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)Zn2+的實(shí)時成像。

(3)銅離子(Cu2+)

銅是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚倪^渡金屬元素，常存在于海水、河水、湖水、飲用水和自來水中。Cu2+的存在對生物系統(tǒng)的正常免疫代謝過程起著至關(guān)重要的作用。然而，濃度較高的Cu2+長期與人體接觸，會產(chǎn)生較大的毒性，引起許多神經(jīng)退化性疾病，如威爾遜氏病、朊病毒病和阿爾茨海默癥等[91-92]。因此，對Cu2+的高靈敏檢測也十分重要。迄今為止，作為測定Cu2+的探針主要包括半導(dǎo)體量子點(diǎn)、有機(jī)染料和小分子熒光探針[93-95]。但是，這些熒光探針存在制備過程中需使用高毒性的化學(xué)物質(zhì)，或合成過程復(fù)雜、抗光漂白能力較差等問題。CD作為一種新型的熒光納米材料，以其構(gòu)建的熒光探針可有效避免上述問題。

Gedda等[96]以對蝦殼為原料，發(fā)展了一種簡便、經(jīng)濟(jì)、有效地合成綠色熒光CD的方法。所制備的CD分散性高、穩(wěn)定性好、水溶性好，量子產(chǎn)率為9%?；贑u2+和CD之間內(nèi)過濾效應(yīng)和胺銅的形成使得CD熒光淬滅的現(xiàn)象，建立了高靈敏、高選擇性檢測Cu2+的熒光新方法，檢測限為5nmol/L。該方法可用于飲用水、河水、海水等多種樣品中Cu2+的快速測定。

2.2.2CD熒光探針檢測其他重金屬離子

通常，檢測重金屬離子的傳統(tǒng)方法如電感耦合等離子體質(zhì)譜、原子吸收/發(fā)射光譜法等通常需要昂貴的儀器設(shè)備及復(fù)雜的操作程序[97-101]，從而限制了這些方法對Hg2+、As3+、Pb2+、Cr6+、Cd2+等重金屬離子的實(shí)時檢測，而基于CD熒光探針建立的熒光分析方法具有快速、簡便、靈敏度高、選擇性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，對于建立選擇性好、靈敏度高的檢測以上微量重金屬離子的方法具有實(shí)際意義。

(1)汞離子(Hg2+)

Hg2+是一種最危險的、廣泛存在的污染物之一，已引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境和健康問題[102-103]。研究表明Hg2+很容易通過皮膚、呼吸道和消化道組織導(dǎo)致DNA損傷、細(xì)胞分裂障礙和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的永久性損害[104]。因此，發(fā)展選擇性好、靈敏度高的檢測微量Hg2+的方法十分重要。

Liu等[105]以檸檬酸和(NH4)3PO4分別作為碳源和氮源，通過固相合成法簡單、快速地制備了熒光量子產(chǎn)率高達(dá)36%的氮摻雜CD(N-CD)?；贜-CD表面的類吡咯N、N-H和Hg2+之間的協(xié)同配位作用導(dǎo)致其熒光淬滅的現(xiàn)象，建立了一種簡單、快速地測定食品和化妝品等樣品中Hg2+含量的熒光新方法。該N-CD具有低細(xì)胞毒性和良好的生物相容性，可成功用于細(xì)胞成像?；贜-CD的良好水溶性，還可作為熒光墨水使用。

Lu等[106]以柚子皮為原料，通過水熱法制備了水溶性的CD，熒光量子產(chǎn)率為6.9%。該CD可直接作為熒光探針對Hg2+進(jìn)行選擇性檢測，檢測限低至0.23nmol/L。Hg2+對CD的熒光淬滅可能是通過有效的電子或能量轉(zhuǎn)移過程促進(jìn)了無輻射的電子/空穴復(fù)合湮滅。

(2)砷離子(As3+)

飲用水中的砷污染在發(fā)展中國家是一個非常嚴(yán)重的問題[107]。在砷元素的各種形式中，As3+被認(rèn)為是最有害的污染物。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)，飲用水中As3+的最大允許量為10μg/L(133nmol/L)。如果人體中As3+的持續(xù)攝入量超過10μg/L，會誘發(fā)皮膚損傷、免疫及代謝系統(tǒng)紊亂、高危肺癌和膀胱癌等，嚴(yán)重威脅人類健康[99]。

Gupta等[99]以檸檬酸和硫代硫酸鈉為原料，采用微波輔助熱解法合成了硫摻雜的多色熒光CD。所制備的CD經(jīng)GSH修飾后與As3+之間發(fā)生相互作用形成復(fù)合物導(dǎo)致其熒光發(fā)生淬滅。基于上述現(xiàn)象建立了高靈敏性、高選擇性檢測As3+的熒光及可視化新方法，檢測限為32pmol/L。此外，應(yīng)用該方法成功實(shí)現(xiàn)了河水和自來水中As3+的準(zhǔn)確測定。

(3)鉛離子(Pb2+)

Pb2+被廣泛應(yīng)用于顏料、水管、蓄電池、防腐涂料、合金中，并以不同的方式釋放于環(huán)境中。據(jù)報道，當(dāng)血液中Pb2+濃度高于5μmol/L時，可導(dǎo)致貧血、生殖功能障礙、神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙、發(fā)育障礙等疾病。此外，Pb2+濃度過高甚至?xí)?dǎo)致死亡[97,108]。

Liu等[97]以檸檬酸鈉和聚丙烯酰胺為原料，通過水熱法合成了藍(lán)色熒光CD。Pb2+和CD形成CD-Pb2+復(fù)合物使得CD的熒光淬滅，再加入能與Pb2+絡(luò)合的PPi可使CD熒光得以恢復(fù)?；诖爽F(xiàn)象建立了檢測Pb2+和PPi的熒光新方法，檢測限分別為4.6nmol/L、54nmol/L。

(4)鉻離子(Cr6+)

Cr6+在電鍍、皮革鞣制、染料等工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。但是，Cr6+具有致突變性和致癌性，嚴(yán)重威脅人類的身體健康[109]。

Ma等[42]以間氨基苯酚和草酸為原料制備了藍(lán)/綠光雙發(fā)射的CD。當(dāng)激發(fā)波長為380nm時，所制備的CD在430nm和510nm處具有兩個熒光發(fā)射峰。該CD無需修飾可直接作為比率熒光探針對紡織品、鋼鐵樣品和工業(yè)廢水中的Cr6+含量進(jìn)行測定。

Mutuyimana等[110]以4-氨基乙酰苯胺鹽酸鹽和4-乙酰氨基苯甲醛為原料，通過一步法合成了黃色熒光CD。所制備的CD具有良好的水溶性、耐鹽性和熒光穩(wěn)定性?；贑r6+和CD之間發(fā)生靜態(tài)淬滅作用使得CD熒光被淬滅的現(xiàn)象，建立了測定Cr6+的熒光新方法，檢測限為0.13μmol/L。該方法靈敏度高、選擇性好，已成功應(yīng)用于魚肉和小蝦米中Cr6+的測定，回收率結(jié)果良好。

(5)鎘離子(Cd2+)

鎘元素廣泛存在于塑料、化肥、農(nóng)藥和化石燃料中。土壤、水和食物中的Cd2+污染通過食物鏈對人類身體健康構(gòu)成了潛在的致命威脅[111-112]，可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥、腎功能障礙、癌癥、阿爾茨海默病、帕金森病和肌萎縮側(cè)索硬化癥等神經(jīng)退行性疾病。

Niu等[101]將CD和金納米團(tuán)簇(AuNCs)相結(jié)合構(gòu)建了CD-AuNCs比率熒光探針?；贏uNCs表面官能團(tuán)和Cd2+之間的靜電吸附和配位作用導(dǎo)致其熒光淬滅的現(xiàn)象，建立了測定Cd2+的比率熒光新方法，檢測限為32.5nmol/L。

3 發(fā)展問題與展望

全球經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的快速發(fā)展加劇了重金屬污染物向自然環(huán)境中的排放，對人類和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，高毒性且易在生態(tài)系統(tǒng)中富集的難降解金屬污染物對自然環(huán)境和人體健康造成的影響更為嚴(yán)重。為了改善人類的生存質(zhì)量，急需發(fā)展高靈敏度、高選擇性、環(huán)境友好的測定方法。由于CD具有熒光穩(wěn)定性高、表面易功能化、毒性低等優(yōu)點(diǎn)，已成為發(fā)展高靈敏度、高選擇性的測定微量金屬離子的一種優(yōu)異的新型熒光探針并得到了較為廣泛的應(yīng)用。

本文認(rèn)為，為了使CD熒光探針能更好地滿足檢測微量金屬離子的要求，今后應(yīng)重點(diǎn)圍繞以下四個方面開展研究工作：①深入研究相應(yīng)的檢測機(jī)理，為新型熒光探針的設(shè)計構(gòu)建提供堅實(shí)的理論指導(dǎo)；②發(fā)展新的檢測模式以拓寬CD熒光探針的應(yīng)用范圍；③針對待測的微量金屬離子的性質(zhì)和樣品基質(zhì)，設(shè)計合成新型CD熒光探針；④建立可用于復(fù)雜基質(zhì)樣品的熒光新方法，為復(fù)雜樣品特別是生物樣品中微量金屬離子的測定提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。