氮摻雜碳量子點(diǎn)試紙材料的制備及性能研究

劉延鋒，鄒英杰

(山東省濰坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 濰坊 261041)

隨著檢測材料的發(fā)展，如何開發(fā)更具靈敏性和高精度的檢測材料，成為當(dāng)前工業(yè)化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其中，汞作為一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的重金屬元素，被排放到土壤中富積，并通過植物吸收等方式進(jìn)入人體，進(jìn)而對人們身體造成嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的檢測方法通常采用ICPMS、原子熒光法等，如：張飛利用微波消解-原子熒光法對土壤中的汞元素進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法檢測土壤中重金屬汞在0.066～3.0 ng/mL范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，檢出限為0.01mg/kg，R2為1.89%，表現(xiàn)出較好的檢測準(zhǔn)確性[1]；韓玉潔則以聚多巴胺包覆的鈣鈦礦為修飾電極制備了一種重金屬檢測的電化學(xué)傳感平臺，并研究了該平臺的檢測性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺檢測檢出限為8.68nmol/L，可同時(shí)用于多種金屬的檢測[2]。以上方法雖能有效檢測汞含量，但操作復(fù)雜，只能用于實(shí)驗(yàn)室檢測。基于此，本研究參考部分研究者的思路[3-4]，制備一種新型的N-CQDs試紙，并將制備的試紙材料用于土壤中汞的檢測。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：汞標(biāo)液（AR，博易匯科生物）；檸檬酸（AR，優(yōu)諾康化工）；尼龍濾膜（標(biāo)準(zhǔn)品，萊浦生物科技）；高錳酸鉀（AR， 宸鴻生物技術(shù)）；尿素（AR，金奧化工）；鹽酸羥胺（AR ，金永碩化工）。

主要設(shè)備： DHG-9053A型烘箱（習(xí)仁科學(xué)）；Nolay20型紅外光譜儀 （諾雷信達(dá)科技）；UV6C18型紫外暗箱（默威生物）；CX23型電子顯微鏡（歐萊博電子）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 氮摻雜碳量子點(diǎn)制備

（1）在20mL超純水中依次加入2.1g檸檬酸和1.8g尿素，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙狻?/p>

（2）在聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜中加入上述混合溶液，然后在DHG-9053A型電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行加熱，4h后，自然冷卻至室溫。

（3）用規(guī)格為0.22μm的濾膜對步驟（2）的產(chǎn)物過濾，然后用透析袋透析2d，得到N-CQDs溶液。

1.2.2 N-CQDs試紙制備

將試紙基質(zhì)裁剪成適當(dāng)大小，然后完全浸入N-CQDs溶液中浸泡7min，取出后自然晾干，得到N-CQDs紙片。

1.2.3 樣品前處理

（1）在錐形瓶中加入2g待測土壤樣品，用少量去離子水將土壤浸潤后，加入10mL硫酸-硝酸混合液，靜置使其充分反應(yīng)。

（2）待反應(yīng)結(jié)束后，依次加入10mL的去離子水和高錳酸鉀溶液，然后利用低溫電熱板進(jìn)行加熱，使其保持在微微沸騰的狀態(tài)下消解1h，在消解過程中，高錳酸鉀用量始終保持為過量狀態(tài)。

（3）自然冷卻后在搖晃的情況下滴加鹽酸羥胺溶液，直到消解液完全退色，得到待測液。

1.2.4 汞元素的檢測

溶液中檢測：用醋酸緩沖液將不同體積N-CQDs原液定容至10mL。將一定體積的N-CQDs溶液與100μL汞標(biāo)液混合并用氯化鈉溶液定容至2mL進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)一段時(shí)間后，在激發(fā)、發(fā)射波長分別為340nm和440nm的條件下，對溶液的熒光強(qiáng)度進(jìn)行測試，并計(jì)算效率F/F0比值，F(xiàn)0和F分別表示金屬離子加入前、后溶液的熒光強(qiáng)度。

試紙檢測：在N-CQDs試紙中央部位滴加10μL土壤消解液，在室溫條件下靜置3min后置于UV6C18型紫外暗箱中進(jìn)行紫外光照射，觀察紫外光照射后紙片熒光顏色變化。

1.3 材料性能測試方法

1.3.1 基團(tuán)組成測試

通過Nolay20型紅外光譜儀對N-CQDs材料的化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行測試。

1.3.2 猝滅效率測試

對汞離子的溶液進(jìn)行熒光強(qiáng)度測試，以熒光強(qiáng)度比值表征猝滅效率。

1.3.3 選擇性與干擾性試驗(yàn)

（1）配制 4.0×10-3mol·L-1的重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液，取50μL重金屬溶液，用去離子水定容至10mL，得到濃度為2.0×10-4mol·L-1的重金屬溶液。

（2）將100μL步驟（1）制作的重金屬溶液和超純水依次放入體積為2mL的離心管中，并對離心管進(jìn)行標(biāo)記，其中超純水為空白管。

（3）將一定體積的NCD探針溶液依次加入裝有10μmol·L-1的重金屬溶液離心管中，，測定N-CQDs的熒光強(qiáng)度，完成選擇性試驗(yàn)。

（4）在裝有重金屬溶液的離心管內(nèi)加入一定體積的汞溶液，使溶液中汞離子濃度為2μmol·L-1，測定在此條件下探針溶液的熒光強(qiáng)度。

1.3.4 檢測加標(biāo)回收試驗(yàn)

分別選擇自來水和湖水為研究對象進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 組成分析

為了對N-CQDs的組成進(jìn)行分析，通過傅里葉紅外光譜對N-CQDs進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，N-CQDs材料表面存在多種親水基團(tuán)，如羧基、氨基和羥基等。這些親水基團(tuán)的存在使得N-CQDs材料具備較好的親水性，為制備氮摻雜碳量子點(diǎn)試紙奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，這些親水基團(tuán)能有效提升N-CQDs的熒光強(qiáng)度[5-6]。

圖1 組成表征結(jié)果Fig.1 Composition characterization results

2.2 檢測條件優(yōu)化

2.2.1 N-CQDs濃度優(yōu)化

圖2為N-CQDs濃度對猝滅效果的影響。由圖2知，當(dāng)原液體積為5μL時(shí)，金屬對N-CQDs的猝滅效果最好。即在此濃度條件下，N-CQDs對汞離子的檢測靈敏度最高，因此在后續(xù)試驗(yàn)中，選擇適合的N-CQDs體積為5μL，在該條件下，N-CQDs的濃度為101.67 μg·mL-1。

圖2 N-CQDs添加量的影響Fig. 2 Impact of N-CQDs addition

2.2.2 pH值優(yōu)化

在試驗(yàn)過程中，緩沖液的用量會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。對不用pH值條件下材料的熒光強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示。由圖3知，隨反應(yīng)體系pH值的增加，N-CQDs熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。這個(gè)現(xiàn)象說明了在檢測過程中，溶液過酸或過堿均會(huì)對N-CQDs的熒光效果產(chǎn)生影響[7-8]。這是因?yàn)樵谶^酸或過堿的條件下，N-CQDs表面結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一些變化，這對電子轉(zhuǎn)移或躍遷產(chǎn)生一些影響，進(jìn)而對熒光的猝滅產(chǎn)生影響[9]。當(dāng)體系pH值為7時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度最高，因此選擇 pH=7 的 HAc-NaAc 溶液為緩沖液。

圖3 pH值優(yōu)化結(jié)果Fig. 3 Optimization results of pH value

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化

反應(yīng)時(shí)間也是影響N-CQDs猝滅強(qiáng)度的主要因素，對不同反應(yīng)時(shí)間下N-CQDs材料對目標(biāo)物質(zhì)的檢測效果進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在1～15 min范圍內(nèi)，隨反應(yīng)時(shí)間的增加，熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出先降低后趨于平衡的變化趨勢。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為5min時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度達(dá)到了最低點(diǎn)，此時(shí)N-CQDs基本反應(yīng)完全，為了避免不必要的浪費(fèi)，在后續(xù)試驗(yàn)中選擇反應(yīng)時(shí)間為5min。

圖4 反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化Fig. 4 Optimization of reaction time

2.3 選擇性與抗干擾性

在進(jìn)行土壤中重金屬元素測定時(shí)，往往受到其他重金屬離子的干擾，因此需要進(jìn)行選擇與干擾性試驗(yàn)。圖5為選擇與抗干擾性試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 選擇性和干擾性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Selective and Interference Test Results

由圖5（a）可知，N-CQDs幾乎不對其他重金屬元素產(chǎn)生響應(yīng)，只對汞元素產(chǎn)生強(qiáng)烈的猝滅反應(yīng)，表現(xiàn)出良好的選擇性。由圖5（b）可知， 加入十倍金屬干擾離子后，N-CQDs的熒光強(qiáng)度比值幾乎不產(chǎn)生變化，加入汞標(biāo)液，反應(yīng)溶液內(nèi)汞濃度達(dá)到2μmol·L-1時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度比值開始明顯下降，且下降幅度與單獨(dú)測試汞溶液的下降幅度相同，此時(shí)F/F0約為 0.56。這說明N-CQDs測試汞離子不受其他重金屬離子的干擾，表現(xiàn)出良好的特異性。

2.4 線性關(guān)系與檢出限

為探究待測溶液中重金屬汞含量與熒光強(qiáng)度比值的關(guān)系，將熒光強(qiáng)度比值F/F0作為縱坐標(biāo)，汞濃度作為橫坐標(biāo)繪圖，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在本試驗(yàn)研究的兩個(gè)濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)/F0與汞離子濃度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2＞0.99，檢出限為0.076 μmol·L-1。

圖6 熒光強(qiáng)度比值與汞濃度的線性關(guān)系Fig. 6 Linear relationship between fluorescence intensity ratio and mercury concentration

2.5 加標(biāo)回收率

以本底濃度為10μmol·L-1土壤消解液為試驗(yàn)對象，進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見表1。通過表1可知，在0.1、0.5、1 μmol·L-13 個(gè)加標(biāo)濃度條件下，對土壤消解液的加標(biāo)回收率為84.8%～101.9%，這說明了N-CQDs加標(biāo)回收率較好，可以用于土壤中汞離子的檢測。

表1 加標(biāo)回收測試Table 1 Labeling recovery test

2.6 N-CQDs試紙測試結(jié)果

2.6.1 紙片基質(zhì)的選擇

在制作N-CQDs試紙前，需要提前對紙片基質(zhì)進(jìn)行選擇。根據(jù)檢測試紙的要求，檢測紙片基底不能在紫外光的照射下存在內(nèi)源性熒光[10-11]。同時(shí)，紙片基質(zhì)需要能固定住發(fā)光材料，避免存在檢測空白的現(xiàn)象。最后，紙片基質(zhì)要有較好吸水性和吸水穩(wěn)定性，在吸水后保持固定的形狀，便于后續(xù)的觀察[12-13]。普通A4紙?jiān)谑艿阶贤夤庹丈鋾r(shí)，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的藍(lán)色背景熒光，這就影響了熒光檢測，因此普通A4紙無法作為紙片基質(zhì)使用[14]。而普通濾紙對材料的固定性不佳和吸水性不佳，在吸水后，紙質(zhì)材料易變形，也不適合作為紙片基質(zhì)使用[15]。綜合考慮多種紙質(zhì)材料，尼龍濾膜具有很好固料性，尼龍材料本身在紫外線的作用下不產(chǎn)生熒光效應(yīng)，在水中浸泡時(shí)，具備良好的吸水性，受水浸泡也不會(huì)出現(xiàn)變形，是合適的紙片基質(zhì)。因此在制作N-CQDs試紙時(shí)，選擇尼龍濾膜作為紙片基質(zhì)。

2.6.2 N-CQDs試紙檢測性能

在上述試驗(yàn)中，已經(jīng)對N-CQDs溶液檢測土壤中汞離子的條件進(jìn)行了優(yōu)化，然后確定了最佳條件下材料對汞離子的檢測性能。將尼龍濾紙?jiān)谧罴褩l件下 N-CQDs溶液中浸泡得到N-CQDs試紙，利用N-CQDs試紙檢測不同濃度的汞離子，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨待測溶液內(nèi)汞離子濃度的增加，試紙的熒光強(qiáng)度逐漸降低。以上變化就說明了本試驗(yàn)制作的N-CQDs試紙可對土壤中汞離子進(jìn)行有效檢測。

圖7 N-CQDs對汞離子的檢測效果Fig. 7 Detection effect of N-CQDs on mercury ion

3 結(jié)論

（1）N-CQDs為由粒徑為2.2nm的球狀物質(zhì)組成，分布均勻，分散性良好。在N-CQDs材料表面存在大量親水基團(tuán)，使得材料具備較好的親水性。

（2）N-CQDs檢測條件優(yōu)化結(jié)果為：適合的N-CQDs體積與濃度分別為5μL和101.67μg·mL-1； pH=7 的 HAc-NaAc 溶液為緩沖液；適合的反應(yīng)時(shí)間為5min。

（3）N-CQDs幾乎不對其他重金屬元素產(chǎn)生響應(yīng)，且不受其他重金屬元素的干擾，只對汞元素產(chǎn)生強(qiáng)烈的猝滅反應(yīng)。

（4）溶液中重金屬汞濃度與熒光強(qiáng)度比值表現(xiàn)出線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2超過0.99，檢出限為0.076 μmol·L-1。

（5）在0.1、0.5、1 μmol·L-13 個(gè)加標(biāo)濃度條件下，對土壤消解液的加標(biāo)回收率為84.8%～101.9%。

（6）選擇尼龍濾膜作為紙片基質(zhì)制作N-CQDs試紙，該N-CQDs試紙隨汞離子濃度的增加顏色逐漸變暗，表明N-CQDs試紙對土壤中重金屬汞含量有較好的檢測性能。