藍(lán)光碳量子點作為熒光探針檢測4-硝基苯酚和2-硝基苯酚

鄒 宇，唐明宇，曲姚姚，張 芳，柴 芳*

(1． 哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 光化學(xué)生材料與儲能材料黑龍江省重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025；2. 北部灣海洋新材料研究院，廣西 北海 536015)

1 引 言

作為新型的零維碳納米材料，碳點以其優(yōu)異的熒光性質(zhì)、物理化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性、低毒性和可以批量生產(chǎn)等特點，在催化劑[1]、發(fā)光二極管(LED)[2]、熒光傳感器[3]、生物顯像劑和納米藥物等領(lǐng)域[4]具有潛在的應(yīng)用價值[5]而引起了研究者的廣泛關(guān)注[6]。其中，熒光分析探針是重要的研究方向之一。

硝基芳化合物如對硝基苯酚和鄰硝基苯酚具有毒性，常用作合成染料、皮革加工、藥物生產(chǎn)、加工指示劑等生產(chǎn)過程中的中間體。硝基苯酚化合物在生產(chǎn)生活中可能進入河流中甚至滲入土壤和地下水中，還可以通過呼吸、接觸等方式進入人體刺激眼睛、呼吸、消化和代謝系統(tǒng)。由于其在水體中良好的溶解性和穩(wěn)定性，可長期存在于廢水中，對環(huán)境造成嚴(yán)重危害，直接影響到生態(tài)環(huán)境和人類健康[7]。目前，在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)分析方法中，如熒光法[6]、分光光度法[8]、氣相色譜法[9-10]，利用碳點作為熒光探針對爆炸物檢測已有一些報道。如Yuan等制備了氮摻雜的藍(lán)光碳點用于檢測對硝基苯酚[8]，Ahmed等報道了藍(lán)光碳點作為熒光探針檢測地表水中的對硝基苯酚[9]。Dang等利用均苯四甲酸合成出高亮熒光氮摻雜碳點用于測定對硝基苯酚[10]，Yang等將葡萄糖胺制成氮摻雜碳點可高靈敏檢測對硝基苯酚，并基于“on-off”機制檢測Cr(VI)和抗壞血酸[11]。

本文利用簡單一鍋法合成了藍(lán)色熒光碳點(MSA-CDs)，通過TEM、XPS、FT-IR、UV-Vis和熒光光譜對制備的MSA-CDs進行了表征和分析。研究了MSA-CDs的激發(fā)、發(fā)射性質(zhì)，以及MSA-CDs在不同pH、離子強度和儲存時間條件下的穩(wěn)定性。為考察真實環(huán)境對探針的影響，探究了MSA-CDs在實際水樣中對2-NP和4-NP的檢測情況，并進一步分析了其對MSA-CDs熒光的猝滅機理。

2 實 驗

2.1 試劑和表征

巰基丁二酸(Mercaptosuccinic acid，98%)、甲酰胺(Formamide，98%)、2,4,6-三硝基苯酚(TNP，98%)及乙醇(AR)購于阿拉丁試劑公司；鄰硝基苯酚(2-NP，98%)、間硝基苯酚(3-NP，98%)、對硝基苯酚(4-NP，98%) 購于國藥試劑公司；硝基苯(NB，98%)和甲苯(Toluene，98%) 購于北京化學(xué)試劑公司。

表征所用的透射電鏡(TEM)型號是FEI Tecnai G2 F20 TEM，紫外-可見光譜通過日本島津UV-2550紫外-可見分光光度計測得，熒光光譜由美國PerkinElmer LS-55熒光光譜儀測試，紅外光譜采用日本JASCOFT/IR-420紅外光譜儀測試。 通過AXIS Ultra DLD光譜儀測試了碳點的XPS。

2.2 熒光巰基丁二酸碳量子點制備

將0.21 g 巰基丁二酸和12.5 mL 甲酰胺攪拌充分混合，然后將混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，在160 ℃烘箱加熱1 h。待產(chǎn)物冷卻至室溫后，將得到的深棕色溶液透析(3 500 u)，純化后的溶液即為MSA-CDs。然后取出溶液密封存放在4 ℃冰箱中待用。為探究最佳的合成條件，在制備過程中將不同反應(yīng)溫度(120～200 ℃)、反應(yīng)時間(0.5～2 h)及兩種反應(yīng)物質(zhì)量比(巰基丁二酸質(zhì)量0.10，0.21，0.42 g，甲酰胺的用量不變)的情況分別進行了考察。

2.3 碳點對硝基芳香化合物的選擇性

2.4 鄰硝基苯酚和對硝基苯酚的靈敏度

為考察MSA-CDs對2-NP的靈敏度，向200 μL MSA-CDs溶液中分別加入等體積的不同濃度的2-NP溶液(10-9～10-3mol/L)，反應(yīng)20 min后測試并比較樣品的熒光光譜。探針對4-NP的檢測靈敏度的研究過程與2-NP相同。

2.5 實際水樣中的檢測

為了驗證MSA-CDs探針在真實環(huán)境中的檢測性能，在實際水體中對2-NP和4-NP進行了檢測。收集了查干湖水樣，并用孔徑為0.22 μm的濾膜對收集的水樣進行過濾處理。然后采用標(biāo)準(zhǔn)加入法將2-NP和4-NP(濃度分別為0.2，0.5,1.0 μmol/L)加入到湖水樣品中，最后對回收率數(shù)據(jù)進行了測試、計算和比較。

3 結(jié)果與討論

3.1 MSA-CDs組成和結(jié)構(gòu)

圖1是MSA-CDs的合成和檢測過程示意圖。由于巰基丁二酸分子中有—COOH和—SH基團，甲酰胺具有—NH2基團，作為碳源，巰基丁二酸和甲酰胺合成碳點過程中，引入了S和N摻雜元素，這對于提高碳點的熒光量子產(chǎn)率十分有利。反應(yīng)得到的MSA-CDs在紫外燈照射下發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光(λ=365 nm)。由于合成的MSA-CDs表面富含氨基，與2-NP和4-NP作用產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象，因此MSA-CDs可以作為一種潛在的熒光檢測探針識別這兩種化合物。

圖1 MSA-CDs合成及作為熒光傳感器用于檢測2-NP和4-NP示意圖

首先討論合成MSA-CDs的反應(yīng)條件，分別對反應(yīng)時間、溫度及反應(yīng)物配比對MSA-CDs的熒光性質(zhì)的影響進行了研究。圖2(a)為在不同反應(yīng)時間(0.5，1，1.5，2 h)所制備的MSA-CDs的熒光光譜。通過圖中的曲線觀察到在437 nm處的發(fā)射峰為碳點的熒光發(fā)射峰，反應(yīng)時間為1 h 的條件下MSA-CDs的熒光強度最高，因此最佳反應(yīng)時間為1 h。合成實驗進一步優(yōu)化了反應(yīng)溫度，如圖2(b)所示，反應(yīng)溫度分別為120，140，160，180，200 ℃，在160 ℃條件下，熒光強度最高，因此探究出反應(yīng)的最佳溫度為160 ℃。圖2(c)為探究反應(yīng)物不同比例的熒光光譜。反應(yīng)中甲酰胺均為12.5 mL，加入巰基丁二酸的質(zhì)量分別為0.10,0.21,0.42 g，實驗結(jié)果表明加入0.21 g的巰基丁二酸時，熒光強度最高，因此，最佳條件為0.21 g巰基丁二酸與12.5 mL甲酰胺反應(yīng)。插圖分別為日光燈和紫外燈下不同反應(yīng)條件下的樣品圖片，與熒光光譜反應(yīng)的結(jié)果一致。綜上所述，合成MSA-CDs的最佳反應(yīng)條件是將0.21 g巰基丁二酸和12.5 mL甲酰胺在高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)，反應(yīng)時長為1 h，反應(yīng)溫度為160 ℃。后面檢測實驗中所用的MSA-CDs均為在該條件下合成。

圖2 (a)不同反應(yīng)時間制備的MSA-CDs的熒光光譜；(b)不同反應(yīng)溫度合成的MSA-CDs的熒光光譜；(c)不同質(zhì)量反應(yīng)物合成的MSA-CDs的熒光光譜(插圖分別為相應(yīng)的樣品在自然光和紫外燈下的照片)。

TEM用來揭示碳點的尺寸和形貌，從圖3(a)中可以觀察到MSA-CDs呈現(xiàn)大小均勻的準(zhǔn)球形顆粒，具有良好的分散性。通過對100個單獨的MSA-CDs粒子粒徑測量并進行高斯擬合后，得出一個較寬的粒徑分布，碳點的平均粒徑為(3.03±0.028) nm(圖3(b))。由圖3(a)中插圖HRTEM圖像計算得到MSA-CDs的晶格間距為0.21 nm，可歸屬為石墨(100)晶面[12]。

圖3 (a)MSA-CDs的TEM圖像，插圖是單個MSA-CDs的HRTEM；(b)MSA-CDs的粒徑分布。

圖4 MSA-CDs的XPS全譜(a)、C 1s譜(b)、O 1s譜(c)、N 1s譜(d)、S 2p譜(e)、紅外光譜(f)。

3.2 MSA-CDs 的光學(xué)性質(zhì)

各市發(fā)改委主任及工作助手，省發(fā)改委機關(guān)副處級以上干部，省能源局、省糧食和物資儲備局、省工程咨詢院、省宏觀經(jīng)濟研究院、山東發(fā)展投資控股集團有限公司班子成員，委機關(guān)服務(wù)中心、委信息中心、齊魯周刊社主要負(fù)責(zé)同志參加會議。

圖5 (a)MSA-CDs的紫外-可見吸收光譜、熒光激發(fā)和發(fā)射光譜；(b)在不同激發(fā)條件下(300～400 nm)的熒光光譜；(c)1931 CIE色度坐標(biāo)，插圖：自然光下和紫外燈下的照片。

為考察MSA-CDs的穩(wěn)定性，分別研究了pH、離子強度和儲存時間對其熒光強度的影響。首先探究了pH值對碳點熒光強度的影響(圖6(a))。當(dāng)pH值在1～11范圍時，MSA-CDs的熒光強度幾乎不變；當(dāng)pH值在12～14之間時，熒光強度出現(xiàn)劇烈下降，這是由于MSA-CDs表面的—COOH發(fā)生離子化作用使熒光強度降低[25]。接著探究儲存時間的影響，每間隔2 h測試一次MSA-CDs的熒光光譜，發(fā)現(xiàn)12 h內(nèi)MSA-CDs熒光強度趨于穩(wěn)定(如圖6(b)所示)。我們還討論了離子強度對碳點熒光的影響，通過模擬加入不同濃度的NaCl溶液來測試混合后MSA-CDs的熒光強度變化。如圖6(c)所示，發(fā)現(xiàn)即使在1 mol/L的高濃度NaCl溶液的條件下，MSA-CDs的熒光強度也沒有發(fā)生明顯的變化，證明碳點的熒光不受高離子強度影響。以上實驗結(jié)果說明探針對復(fù)雜測試環(huán)境具有一定的容忍性，良好的穩(wěn)定性為MSA-CDs應(yīng)用于實際水樣中奠定了基礎(chǔ)。

圖6 MSA-CDs的熒光強度比率I/I0(I和I0分別代表樣品和空白的熒光強度)在pH=1～14(a)、儲存不同時間(b)和不同濃度的NaCl(c)條件下的變化曲線。

3.3 MSA-CDs對硝基芳香化合物的選擇性

將MSA-CDs作為探針檢測硝基芳香化合物，首先考察了選擇性。圖7(a)為MSA-CDs與不同種類的硝基類化合物混合后測試的熒光光譜，可以看到混合2-NP和4-NP的樣品在437 nm處熒光強度明顯下降。其他樣品的熒光發(fā)射強度幾乎保持不變。這意味著MSA-CDs的熒光發(fā)射易受2-NP和4-NP的影響。從樣品在紫外燈下的圖像中可以觀察到(圖7(b))，在紫外燈照射下，加入2-NP和4-NP后MSA-CDs的熒光強度降低，而MSA-CDs的熒光強度在加入其他硝基類化合物后沒有發(fā)生明顯變化。從圖7(c)樣品的熒光強度(I)和空白樣品的熒光強度(I0)比值的柱形圖中可以看出，2-NP和4-NP與其他樣品呈現(xiàn)明顯對比，證明MSA-CDs對2-NP和4-NP

圖7 (a)MSA-CDs與不同種類的硝基類化合物混合后的熒光光譜；(b)相應(yīng)的紫外燈下的圖像；(c)各樣品熒光強度比(I/I0)。

有一定選擇性，但MSA-CDs無法區(qū)分這兩種化合物，這是該探針的缺陷。

由于硝基芳香化合物共存的情況較多，實際水體環(huán)境中可能存在各種不可避免的干擾，如金屬離子，因此，考察了在其他硝基芳香化合物及金屬離子共存條件下，MSA-CDs對2-NP和4-NP的檢測情況。在2-NP或4-NP存在的條件下，所有干擾硝基類化合物和分析物用量比為1∶1(v∶v)。樣品與空白強度之比(I/I0)(如圖8，9)顯示，在其他硝基類化合物及金屬離子與2-NP或4-NP共存情況下，2-NP和4-NP仍能將MSA-CDs的熒光猝滅，表明其他硝基芳香化合物對MSA-CDs檢測2-NP和4-NP無明顯干擾。

圖8 MSA-CDs及與各種硝基芳香化合物(10-3 mol/L)混合后的熒光強度比(I/I0)

圖9 MSA-CDs及與各種金屬離子(200 μmol/L)混合后的熒光強度比(I/I0)

3.4 MSA-CDs對2-NP和4-NP靈敏度的檢測

在相同的檢測條件下，探究了MSA-CDs對2-NP和4-NP的檢測靈敏度。圖10為探針與不同濃度2-NP和4-NP的熒光光譜，及根據(jù)熒光強度與濃度變化的線性關(guān)系，依據(jù)這些數(shù)據(jù)對2-NP和4-NP的靈敏度進行計算。如圖10(a)所示，隨著加入2-NP的濃度(10-9～10-3mol/L)逐漸升高，觀察到探針位于437 nm處的熒光強度逐漸降低，從圖10(a)的插圖中可以觀察到探針熒光強度隨2-NP的濃度升高而逐漸猝滅的現(xiàn)象。在2-NP濃度檢測范圍0.01～1 mol/L之間，MSA-CDs與2-NP的濃度存在良好的線性關(guān)系(圖10(b))，得到的線性方程可以表示為y=-0.575x+0.853(R2=0.99)，通過檢測限的計算公式3δ/k得出檢測限為24.0 nmol/L。同樣，圖10(c)中隨著4-NP的濃度增加樣品的熒光強度逐漸減弱。在紫外燈(λ=365 nm)照射下,觀察到對應(yīng)的樣品的藍(lán)色熒光逐漸變暗，這與熒光發(fā)射光譜變化相一致。

圖10 (a)不同濃度2-NP與MSA-CDs的熒光光譜(插圖為樣品在紫外燈下的圖片)；(b)MSA-CDs的熒光強度與2-NP濃度的線性關(guān)系(0.01～1 mol/L)；(c)不同濃度4-NP與MSA-CDs的熒光光譜(插圖為樣品在紫外燈下的圖片)；(d)MSA-CDs的熒光強度與4-NP濃度的線性關(guān)系(0.01～1 mol/L)。

在圖10(d)中表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性。在檢測0.01～1 mol/L范圍內(nèi)相關(guān)線性方程為y=-0.759x+0.763(R2=0.98)，計算出檢測限為18.3 nmol/L。

為考察MSA-CDs在真實環(huán)境中的檢測行為，以查干湖水為實際水樣，進行了模擬環(huán)境檢測應(yīng)用。首先用探針對湖水樣品進行了檢測，結(jié)果表明，湖水中兩種化合物的含量低于探針的檢測限，因此進行了添加模擬檢測研究。從表1可知，加入10-4，5×10-5，10-5mol/L的2-NP后，樣品回收率在98%～101%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.8%～2.6%。MSA-CDs對4-NP的回收率在98%～99%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)值為1.6%～2.4%。根據(jù)MSA-CDs在實際水樣中的檢測性能，表明該檢測體系在實際水樣中對2-NP和4-NP的檢測具有一定的環(huán)境容忍性。

表1 環(huán)境水樣中的檢測結(jié)果

3.5 碳點的響應(yīng)機理

為進一步探究熒光猝滅原理，分別測試了MSA-CDs及與2-NP和4-NP混合之后的熒光壽命(圖11)。加入2-NP后MSA-CDs的熒光壽命為6.20 ns，混合4-NP后的熒光壽命為6.22 ns。與本實驗制備的MSA-CDs熒光壽命9.45 ns對比可知，混合2-NP和4-NP后的MSA-CDs的熒光壽命明顯縮短。經(jīng)Stern-Volmer方程(F0/F=1+Ksv[Q]=1+Kqτ0[Q])分別計算出Kq=9.8×109(2-NP)和Kq=1.03×1010(4-NP)。由于動態(tài)猝滅的Kq通常小于2.0×1010L·mo1-1·s-1，因此，加入2-NP和4-NP后MSA-CDs發(fā)生的熒光強度降低屬于動態(tài)猝滅效應(yīng)[25]。通過圖11(c)可以看到MSA-CDs的紫外-可見吸收光譜與激發(fā)光譜發(fā)生有效重疊且伴隨熒光壽命降低，推斷檢測過程中發(fā)生了熒光能量共振轉(zhuǎn)移(FRET)導(dǎo)致碳點的熒光發(fā)生猝滅[26]。

圖11 MSA-CDs及其分別與2-NP(a)和4-NP(b)混合后的熒光衰減曲線；(c)MSA-CDs的熒光光譜(Ex:激發(fā)光譜，Em: 發(fā)射光譜)及2-NP和4-NP的吸收光譜。

4 結(jié) 論

我們制備了具有藍(lán)色熒光發(fā)射的碳點MSA-CDs，熒光壽命為9.65 ns，量子產(chǎn)率為32%。作為熒光探針，MSA-CDs可定量檢測2-NP和4-NP，最低檢測限分別為24.0 nmol/L和18.3 nmol/L。通過分析發(fā)現(xiàn)MSA-CDs的響應(yīng)機理是由于兩種化合物通過分子間作用力和熒光團的熒光能量共振轉(zhuǎn)移引起的，且通過比較熒光壽命判斷熒光猝滅類型屬于動態(tài)猝滅。在實際水樣的檢測中，對2-NP和4-NP具有較好的回收率，表明MSA-CDs納米探針在環(huán)境監(jiān)測中具有潛在的應(yīng)用價值。

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