煙葉碳量子點的制備及其在水體中亞硝酸鹽含量測定中的應(yīng)用

尚永輝 ,趙引濤 ,陳安然 ,馬 琳 ,張紅鴿 ,馬思雨

(1.咸陽師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,咸陽 712000;2.寶雞文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,寶雞 721013)

碳量子點(CQDs)是近年來興起的一種新型碳納米材料,該材料性能穩(wěn)定、毒性低、水溶性好、易于合成、易于功能化和具有特殊光學(xué)性能[1-3],被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留檢測[4]、環(huán)境分析[5]、食品分析[6]等領(lǐng)域。目前CQDs的制備方法主要有電弧放電法[2]、電化學(xué)法[3]、水熱法[7]、微波法[8]等。其中,水熱法被認(rèn)為是一種簡單、廉價、低毒而又高效地制備熒光CQDs的方法。CQDs的表面官能團(tuán)對CQDs的性能有很大影響,而碳源的選擇對于CQDs表面官能團(tuán)起著至關(guān)重要的作用。碳源的選擇呈多樣化,一般生物質(zhì)碳源包括秸稈、水果汁、樹葉等,以其制備CQDs不僅成本低廉,而且具有綠色環(huán)保無污染的優(yōu)點。

亞硝酸鹽是食品、土壤、天然水以及多葉蔬菜、肉制品中的一種常見有毒無機(jī)污染物。人體攝入過量的亞硝酸鹽時,血液中正常攜氧的低鐵血紅蛋白會被氧化成高鐵血紅蛋白,從而失去攜氧能力,導(dǎo)致組織缺氧。此外,亞硝酸鹽在胃酸環(huán)境下能與食物中的仲胺、叔胺和酰胺等反應(yīng)生成潛在的強(qiáng)致癌物質(zhì)亞硝胺[9-10]。因此,快速、準(zhǔn)確、高效地測定食品和環(huán)境中的亞硝酸鹽含量具有十分重要的意義。文獻(xiàn)報道的亞硝酸鹽檢測方法主要有離子色譜法[11]、催化動力學(xué)光度法[12]、熒光法[13]等,而以煙葉制備碳量子點用于環(huán)境水體中亞硝酸鹽含量檢測的文章尚未見報道。鑒于此,本工作以煙葉為原料,通過水熱法合成了煙葉CQDs,并將其應(yīng)用于水體中亞硝酸鹽含量的測定,方法成本低、簡單、快速,可為水體質(zhì)量的監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

RF-5301型熒光分光光度計;UV-1800型紫外-可見分光光度計;WFH-203B型三用紫外分析儀;JEOL 2100F型場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM);Zetasizer型粒度電位儀;101型電熱鼓風(fēng)干燥箱;GTR16-2型高速離心機(jī)。

亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:10 mmol·L-1,由亞硝酸鈉粉末用水稀釋制得。其他溶液均由此溶液用水逐級稀釋制得。

所用試劑均為分析純;試驗用水為二次蒸餾水。

1.2 試驗方法

1.2.1 水熱法制備煙葉CQDs

將市售煙葉于50℃烘干、剪碎,分取1 g置于100 mL反應(yīng)釜中,加入60 mL水,于180℃烘箱中保溫8 h。用3號砂芯漏斗過濾,濾液用0.02 mol·L-1鹽酸溶液及0.04 mol·L-1氫氧化鈉溶液調(diào)至中性,以10 000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心15 min,上清液依次過0.45,0.22μm水系濾膜,濾液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,用水稀釋至刻度,即得煙葉CQDs,于4℃保存。

1.2.2 樣品的測定

渭河水樣經(jīng)靜置過夜后,以8 000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心10 min。分取2 mL上清液置于比色管中,加入100μL煙葉CQDs和3 mL伯瑞坦-羅賓森(BR)緩沖溶液(pH 1.81),用水稀釋至10 mL,靜置反應(yīng)4 h,置于熒光分光光度計中,設(shè)置激發(fā)、發(fā)射狹縫寬度分別為5.0,3.0 nm,在激發(fā)波長440 nm、發(fā)射波長510 nm處檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙葉CQDs的表征

煙葉CQDs的TEM圖及粒徑分布圖見圖1。

由圖1可知,煙葉CQDs呈較為規(guī)則的球形,分布均勻且尺寸均一,粒徑為2.5～5.5 nm。

圖1 煙葉CQDs的TEM圖和粒徑分布圖Fig.1 TEM image and the particle size distribution of tobacco leaf CQDs

2.2 煙葉CQDs的光學(xué)性質(zhì)

2.2.1 煙葉CQDs的紫外-可見吸收光譜

取500μL煙葉CQDs,加入2 mL B-R緩沖溶液(pH 1.81),用水稀釋至10 mL,以煙葉CQDs空白溶液為參比,用紫外-可見分光光度計檢測,結(jié)果見圖2。

由圖2可知,煙葉CQDs在260,280 nm處有明顯的吸收峰,推測由煙葉CQDs碳骨架結(jié)構(gòu)中共軛碳碳雙鍵π-π*躍遷所致。

圖2 煙葉CQDs的紫外-可見吸收光譜Fig.2 UV-Vis absorption spectrum of tobacco leaf CQDs

2.2.2 煙葉CQDs的熒光光譜

取100μL煙葉CQDs,加入2 mL B-R緩沖溶液(pH 1.81),用水稀釋至10 mL,靜置反應(yīng)4 h后,按照1.2.2節(jié)儀器參數(shù)測試,并比較了不同激發(fā)、發(fā)射波長下的熒光光譜,結(jié)果見圖3。

由圖3可知,CQDs發(fā)射波長隨激發(fā)波長增加逐漸紅移,激發(fā)波長隨發(fā)射波長增加逐漸藍(lán)移,可能與CQDs粒徑分布以及表面發(fā)射位點等有關(guān)。綜合考慮熒光強(qiáng)度等,試驗選擇的激發(fā)、發(fā)射波長為440,510 nm。

圖3 煙葉CQDs的熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectra of tobacco leaf CQDs

用合成的煙葉CQDs在濾紙上寫字,用三用紫外分析儀輻射,觀察寫好字的濾紙和煙葉CQDs的發(fā)光效果,結(jié)果見圖4。

圖4 紫外分析儀下煙葉CQDs的發(fā)光效果Fig.4 Luminescence effect of tobacco leaf CQDs with UV analyzer

2.2.3 煙葉CQDs的量子產(chǎn)率

將0.1 g硫酸喹啉溶于0.1 mol·L-1硫酸溶液中制備硫酸喹啉儲備溶液,按照文獻(xiàn)[14]測定煙葉CQDs的量子產(chǎn)率,所得結(jié)果為4.88%。

2.3 亞硝酸鹽對煙葉CQDs熒光強(qiáng)度的影響

試驗比較了加入0.5 mmol·L-1亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液500μL前后煙葉CQDs的熒光強(qiáng)度,結(jié)果見圖5。

圖5 亞硝酸鹽對煙葉CQDs熒光強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of nitrite on the fluorescence intensity of tobacco leaf CQDs

由圖5可知,加入亞硝酸鈉后,煙葉CQDs熒光強(qiáng)度降低,說明亞硝酸鹽能猝滅煙葉CQDs的熒光。

2.4 亞硝酸鹽測定條件的選擇

2.4.1 緩沖溶液酸度

在比色管中加入0.5 mmol·L-1亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液500μL,考察了不同酸度B-R緩沖溶液(pH 1.81,2.56,3.29,4.56,5.72,7.96,9.15,10.38,11.56)對煙葉CQDs-亞硝酸鹽體系熒光強(qiáng)度猝滅值的影響,結(jié)果見圖6。

圖6 B-R緩沖溶液酸度對體系熒光強(qiáng)度猝滅值的影響Fig.6 Effect of acidity of B-R buffer solution on the quenching value of fluorescence intensity of the system

由圖6可知,B-R緩沖溶液的酸度為pH 1.81時,體系熒光強(qiáng)度猝滅值較大,猝滅現(xiàn)象較明顯,因此試驗選擇在此酸度的緩沖溶液中進(jìn)行熒光檢測。

2.4.2 底液

考察了分別以B-R緩沖溶液(pH 1.81)、甘氨酸-鹽酸緩沖溶液(pH 2.0)、鄰苯二甲酸氫鉀-鹽酸緩沖溶液(pH 2.2)和磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(pH 2.2)等4種酸度相近的緩沖溶液作底液時對煙葉CQDs-亞硝酸鹽體系熒光強(qiáng)度猝滅值的影響,結(jié)果見圖7。

圖7 緩沖溶液對體系熒光強(qiáng)度猝滅值的影響Fig.7 Effect of buffer solution on the quenching value of fluorescence intensity of the system

由圖7可知,以B-R緩沖溶液(pH 1.81)作底液時,體系熒光強(qiáng)度猝滅值較大,猝滅現(xiàn)象較明顯,因此試驗選擇此緩沖溶液作底液。

2.4.3 反應(yīng)時間

試驗發(fā)現(xiàn),體系熒光猝滅過程在2 h左右基本達(dá)到穩(wěn)定,且熒光強(qiáng)度在24 h內(nèi)沒有顯著變化。綜合考慮,試驗選擇的反應(yīng)時間為4 h。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

用水配制2.00×10-4,5.00×10-4,1.00×10-3,5.00×10-3,1.00×10-2,5.00×10-2,1.00×10-1,1.50×10-1,2.00×10-1,2.50×10-1μmol·L-1亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,按照試驗方法測定,以亞硝酸鈉濃度為橫坐標(biāo),其對應(yīng)的熒光強(qiáng)度猝滅值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示,標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍為2.00×10-4～2.50×10-1μmol·L-1,線性回歸方程為y＝1.807x＋13.87,相關(guān)系數(shù)為0.998 1。

按照試驗方法重復(fù)分析樣品空白15次,以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)計算檢出限(3s),結(jié)果為0.66×10-4μmol·L-1。

2.6 精密度和回收試驗

按照試驗方法分析渭河水樣,并對其進(jìn)行5個濃度水平的加標(biāo)回收試驗,每個濃度水平平行測定5次,計算回收率和測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見表1。

表1 精密度和回收試驗結(jié)果(n＝5)Tab.1 Results of tests for precision and recovery(n＝5)

本工作以水熱法制備了呈球狀分布、尺寸均一且具有良好發(fā)光性能的煙葉CQDs,并用于水體中亞硝酸鹽含量的測定。該方法定量準(zhǔn)確、簡單實用,具有一定的應(yīng)用價值。