豆渣基摻氮碳量子點(diǎn)的制備及對(duì)水中對(duì)硝基苯酚的光學(xué)檢測(cè)

關(guān)鍵詞：碳量子點(diǎn)；對(duì)硝基苯酚；豆渣；熒光檢測(cè)

對(duì)硝基苯酚（p-nitrophenol，PNP）是一種苯酚類化合物，常作為重要的化工原料中間體，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、染料、殺蟲(chóng)劑、藥物等領(lǐng)域。PNP具有致癌、致突變、致畸和高毒性，對(duì)人體健康造成威脅。免疫學(xué)法、電化學(xué)分析法、色譜分析法和毛細(xì)管電泳法等是目前常用的檢測(cè)PNP的方法，然而這些傳統(tǒng)方法普遍存在預(yù)處理復(fù)雜、需要大型儀器、成本高以及流程繁瑣等缺陷。

熒光分析法是通過(guò)熒光物質(zhì)經(jīng)紫外燈照射后產(chǎn)生的熒光信號(hào)變化，建立目標(biāo)物濃度與熒光強(qiáng)度之間的線性關(guān)系而進(jìn)行分析測(cè)定的一種方法。目前，熒光分析法所用的發(fā)光材料主要有3類，即有機(jī)染料、稀土材料和量子點(diǎn)，其中碳量子點(diǎn)（Carbonquantum dots，CQDs）因具有易功能化、低毒性、生物相容性和制備廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，可作為有機(jī)染料分子和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的替代物，而成為研究熱點(diǎn)。制備熒光coDs的材料主要分為天然生物質(zhì)碳源和人工合成試劑，其中天然生物質(zhì)碳源豐富、可重復(fù)再生、環(huán)境友好、價(jià)格低廉且來(lái)源廣泛，在材料領(lǐng)域炙手可熱，而天然生物質(zhì)碳源在制備CODs過(guò)程中常需摻雜其他元素來(lái)滿足檢測(cè)要求。豆渣是豆腐和豆?jié){制作過(guò)程中的副產(chǎn)物，具有含水量高、易變質(zhì)等特點(diǎn)，因此不可直接作為動(dòng)物飼料而常被廢棄。據(jù)農(nóng)村農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，2022年度我國(guó)豆渣的產(chǎn)量約為2000萬(wàn)t，產(chǎn)量大且多被直接丟棄。利用豆渣進(jìn)行的相關(guān)研究相對(duì)較少。豆渣主要成分為蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等含碳化合物，通過(guò)一定的物理化學(xué)方法可將其制備成尺寸小、成分單一的CQDs;豆渣所含的雜原子和其他微量元素可以在制備過(guò)程中形成大量官能團(tuán)，并且自摻雜氮元素。因此，使用廢棄豆渣作為天然生物質(zhì)碳源和氮源制備coDs不僅可以降低成本、減少能耗，還可以減少對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生資源的再利用，做到“以廢治廢”，符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)與要求。

本研究采用一步水熱法，以低纖維素、低木質(zhì)素、高含水量、高氮元素含量的豆渣為碳源，在水熱過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自摻雜，同時(shí)優(yōu)化水熱溫度、水熱時(shí)間、豆渣用量等合成條件，制備穩(wěn)定性好、熒光產(chǎn)率高的環(huán)境友好熒光碳量子點(diǎn)，建立針對(duì)環(huán)境中痕量PNP靈敏而高效的檢測(cè)方法。并結(jié)合熒光猝滅實(shí)驗(yàn)、抗干擾實(shí)驗(yàn)等研究所構(gòu)建的傳感器性能，探究PNP引起豆渣基氮摻雜碳量子點(diǎn)（N-CQDs）熒光猝滅行為的機(jī)理。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

1.1.1試劑

對(duì)硝基苯酚、鄰苯二酚、對(duì)苯二酚、間苯二酚、間苯二胺、對(duì)苯二胺購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸奎寧、濃硫酸（H2S04）、濃鹽酸（HCI）、氫氧化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCI）、二氯苯酚購(gòu)于天津市大茂化學(xué)試劑廠；過(guò)氧化氫（H202）購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)有限公司。各試劑均為分析純。

1.1.2儀器

離心機(jī)（TG16-WS）；電子分析天平（FA-2104）；真空干燥箱（DZF-6020MBE）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-OAB）；磁力攪拌器（HJ-2A）；水浴恒溫振蕩箱（SHA-2）；透射電鏡（Tecnai G2 F20）；瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀（Edinburgh FLS9）；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（Evolution220）；熒光分光光度計(jì)（F97XP）；傅里葉變換紅外吸收光譜儀（ Spectrum TWO）。

1.2自含氮豆渣c(diǎn)oDs的制備

將豆渣在60℃條件下進(jìn)行干燥，干燥后的豆渣進(jìn)行研磨得到尺寸不超過(guò)2.0mm的小顆粒，稱取0.06g研磨后的干豆渣并將其均勻分散至10mL超純水中。將上述混合物轉(zhuǎn)移至50mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，200℃加熱反應(yīng)10h。反應(yīng)結(jié)束后，待反應(yīng)釜冷卻至室溫，加入超純水稀釋至30mL，過(guò)濾，并通過(guò)3000Da的透析膜進(jìn)一步透析48h，得到純凈的母液N-CQDs。

1.3熒光檢測(cè)過(guò)程

配制0.1mol·L-1的PNP溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，在10mL標(biāo)準(zhǔn)比色管中加入0.1mL的母液N-CQDs，并加入不同濃度的PNP標(biāo)準(zhǔn)溶液，用超純水定容至10mL，均勻混合后測(cè)定其熒光強(qiáng)度。檢測(cè)過(guò)程中熒光分光光度計(jì)的檢測(cè)條件均設(shè)置為：激發(fā)波長(zhǎng)為340nm，激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的狹縫寬度均為10nm，光電倍增管電壓為800 V，記錄的發(fā)射波長(zhǎng)范圍為360-550 nm，所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。本研究以富含氮元素的豆渣為碳源，僅以超純水為溶劑，采用一步法在200℃下對(duì)豆渣碳化10h，合成具有藍(lán)色熒光的N-CQDs，具體的合成路徑如圖1所示。

2結(jié)果與討論

2.1 N-CQDs制備及合成條件的優(yōu)化

由于合成條件對(duì)碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度和表面官能團(tuán)數(shù)量及種類起決定性作用，從而影響對(duì)PNP的檢測(cè)效果，因此為獲得具有最佳檢測(cè)性能的N-CQDs，對(duì)其合成條件包括碳源含量、合成溫度、合成時(shí)間等進(jìn)行優(yōu)化。

研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、碳源用量等條件會(huì)影響碳量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率的大?。▓D2）。含氮豆渣的有機(jī)質(zhì)成分在水熱過(guò)程中進(jìn)行水解、聚合及碳化過(guò)程，碳源的量會(huì)影響其轉(zhuǎn)化過(guò)程。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入含氮豆渣0.06g時(shí)，制備的N-CQDs的熒光量子產(chǎn)率（Fluorescence

quantum Vield，F(xiàn)QY）最高，因此確定最佳含氮豆渣的加入量為0.06g。此外，單因素實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)溫度越高（含氮豆渣加入量為0.06g、反應(yīng)時(shí)間為10h）、時(shí)間越長(zhǎng)（含氮豆渣加入量為0.06g、反應(yīng)溫度為200℃），所得N-CQDs的FQY就越高。高溫環(huán)境的續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)有利于含氮豆渣充分碳化，但溫度過(guò)高及時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)N-CQDs的FQY的影響逐漸變小，因此考慮到能耗成本與綠色工藝，選擇200℃、10h為水熱反應(yīng)制備N-CQDs的最佳反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。此外，豆渣用量的條件優(yōu)化與反應(yīng)釜體系無(wú)關(guān)，實(shí)驗(yàn)制備過(guò)程中統(tǒng)一采用50mL反應(yīng)釜，所加超純水的體積一致，均為10mL。

2.2N-CQDs的透射電鏡分析

所制備的N-CQDs的高分辨率透射電鏡（TEM）圖譜如圖3所示，N-CQDs呈球形，尺寸為納米級(jí)，粒徑約為4.8nm，出現(xiàn)輕微團(tuán)聚現(xiàn)象，晶格間距約為0.317nm。上述微觀形貌符合碳量子點(diǎn)的定義，證明碳量子點(diǎn)已成功制備。

2.3 N-CQDs的紅外光譜分析

利用紅外光譜儀對(duì)N-CQDs的表面官能團(tuán)進(jìn)行分析，圖譜如圖4所示。3265cm-1處的峰屬于N-H的伸縮振動(dòng)，2119cm-1處的弱吸收峰是由C=C引起的，1635cm-1處的強(qiáng)吸收峰是由烯烴的C=C伸縮振動(dòng)引起的。上述結(jié)果表明在合成過(guò)程中，含氮豆渣在其表面形成官能團(tuán)，完成了氮元素的自摻雜過(guò)程。

2.4 N-CQDs的熒光穩(wěn)定性分析

熒光檢測(cè)結(jié)果是否具有可靠性與碳量子點(diǎn)的熒光穩(wěn)定性息息相關(guān)。因此，本研究探究了所制備的N-CQDs水溶液在H20：溶液、生理鹽水、氙燈照射和紫外光照射等條件下的熒光穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)的120min內(nèi)多次測(cè)量N-CQDs的熒光強(qiáng)度并觀察其變化情況。如圖5所示，從開(kāi)始至120min，水溶液中N-CQDs的熒光值雖有下降，但波動(dòng)幅度不大，說(shuō)明其在水中穩(wěn)定分散且傳感器熒光穩(wěn)定性良好。圖6（a）表明，N-CQDs的熒光強(qiáng)度隨著H202濃度的增加而持續(xù)降低，當(dāng)H202濃度為2.0mol·L-1時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度降到80%左右；圖6（b）表明，在濃度為0-2.0mol·L-1的NaCI溶液中N-CQDs的熒光強(qiáng)度波動(dòng)較小，表明其基本不受溶液中金屬離子和陽(yáng)離子干擾；圖6（c）表明，N-CQDs經(jīng)過(guò)210min氙燈連續(xù)照射，其熒光強(qiáng)度保持在90%以上，光漂白現(xiàn)象較??；圖6（d）表明，N-CQDs的熒光強(qiáng)度隨紫外燈照射時(shí)間增加而降低，但依舊保持在80%以上。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了N-CQDs優(yōu)異的熒光穩(wěn)定性，表明其對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)應(yīng)用具有一定的可行性。

2.5 N-CQDs的熒光特性分析

碳量子點(diǎn)的典型特征之一是光致發(fā)光，如圖7（a）所示，所制備的N-CQDs顯示出的光致發(fā)光特性與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)不同，其發(fā)射光譜依賴于激發(fā)，且發(fā)射光譜較寬，波長(zhǎng)隨熒光強(qiáng)度的降低而發(fā)生擴(kuò)展，這種激發(fā)依賴波長(zhǎng)的熒光行為可能是由于N-CQDs表面官能團(tuán)的π－n躍遷。如圖7（b）所示，N-CQDs的最佳激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)分別位于340 nm和415nm處，此時(shí)熒光強(qiáng)度最高。

2.6N-CQDs檢測(cè)條件的優(yōu)化

2.6.1pH對(duì)檢測(cè)體系的影響

一般大多數(shù)碳量子點(diǎn)對(duì)環(huán)境酸堿度較為敏感，pH對(duì)熒光傳感器的檢測(cè)性能也有較大影響，因此，本研究對(duì)N-CQDs在不同pH溶液中的熒光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。N-CQDs在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境中熒光值均下降，僅為原來(lái)的80%，當(dāng)pH為7時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度最高，因此選擇pH為7作為最佳檢測(cè)條件。

2.6.2溶液濃度對(duì)傳感器檢測(cè)效果的影響

除pH外，N-CQDs的濃度也會(huì)影響傳感器的熒光性質(zhì)及猝滅率，進(jìn)而影響其檢測(cè)效果。本研究通過(guò)檢測(cè)不同濃度N-CQDs的熒光強(qiáng)度及加入30umol．L-1PNP后的猝滅率，確定N-CQDs的最佳檢測(cè)濃度，結(jié)果如圖9所示。隨N-CQDs濃度增大，其熒光強(qiáng)度也增大，但其猝滅率降低，這是因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)的量子點(diǎn)個(gè)數(shù)隨濃度的增加而增加，傳感器的熒光強(qiáng)度也增加，但一定量的PNP所猝滅的量子點(diǎn)個(gè)數(shù)是一定的，因此單位體積內(nèi)量子點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，猝滅率越低。為同時(shí)兼顧熒光傳感器的熒光性質(zhì)和猝滅率，本研究將10mL母液溶于1L超純水中作為N-CQDs檢測(cè)的最佳濃度。

2.6.3響應(yīng)時(shí)間對(duì)檢測(cè)體系的影響

在檢測(cè)過(guò)程中，目標(biāo)物與熒光傳感器接觸后需要一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，因此檢測(cè)時(shí)間的確定對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本研究記錄了將30umol·L-1PNP加入傳感器溶液后不同時(shí)刻的熒光強(qiáng)度變化情況。如圖10所示，將PNP加入到檢測(cè)體系后，N-CQDs的熒光強(qiáng)度持續(xù)下降，在15s時(shí)趨于穩(wěn)定，因此選擇15s為最佳檢測(cè)時(shí)間。

2.7 N-CQDs對(duì)PNP的定量檢測(cè)

為評(píng)估熒光傳感器對(duì)目標(biāo)物PNP的實(shí)際檢測(cè)性能，在最佳檢測(cè)條件下，研究不同濃度PNP對(duì)N-CQDs檢測(cè)體系的猝滅效果，結(jié)果如圖11（a）所示。N-CQDs在365nm紫外光下的藍(lán)色熒光隨PNP的加入而發(fā)生猝滅，且檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度隨所加入PNP的濃度增大而減小。當(dāng)PNP濃度在0.4-40umol·L-1范圍內(nèi)時(shí)，其濃度與N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性擬合方程為/F=0.025 05 CPNP+1.028 48（表示未加PNP的N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度；F表示加入不同濃度PNP后N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度；CPNP表示所加入的PNP的濃度），相關(guān)系數(shù)R2=0.998 01，按照3k法[代表空自測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=10）；代表擬合方程的斜率]計(jì)算得出其檢測(cè)限為132 nmol·L-1。

2.8檢測(cè)體系抗干擾能力分析

為探究實(shí)際水環(huán)境中可能存在的干擾物質(zhì)對(duì)N-CQDs檢測(cè)體系應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的影響，本研究選用結(jié)構(gòu)相似的6種干擾物包括鄰苯二酚（Catechol，CT）、間苯二酚（Resorcinol）、對(duì)苯二酚（Hydroquinone，HQ）、間苯二胺（m-Phenylenediamine，MPD）、對(duì)苯二胺（p-Phenylenediamine．PPD）、二氯苯酚（Dichlorophenol，DCP）各30umol．L-1，對(duì)N-CQDs傳感器的抗干擾能力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示。在最佳檢測(cè)條件下，各干擾物質(zhì)的加入并未使原N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，但加入30umol·L-1PNP后，熒光強(qiáng)度明顯降低，表明所構(gòu)建的N-CQDs檢測(cè)體系具有良好的抗干擾能力。

2.9實(shí)際樣品的檢測(cè)

為了評(píng)價(jià)N-CQDs檢測(cè)體系在實(shí)際環(huán)境應(yīng)用中的可行性，將其應(yīng)用于檢測(cè)自來(lái)水樣品中的PNP。由于自來(lái)水水樣中未檢測(cè)到PNP，因此通過(guò)向水樣中加入不同濃度的PNP進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，并對(duì)PNP的濃度進(jìn)行測(cè)定和分析。如表1所示，PNP的加標(biāo)回收率為96.1%-106.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.9%-5.5%，表明N-CQDs應(yīng)用于實(shí)際水樣中PNP分析的檢測(cè)體系可行性良好。

2.10熒光機(jī)理探究

熒光猝滅機(jī)制主要包括光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）、內(nèi)濾效應(yīng)（IFE）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）以及動(dòng)態(tài)或靜態(tài)猝滅等。首先，由圖13可知，PNP的紫外發(fā)射光譜與N-CQDs的激發(fā)、發(fā)射光譜存在很大程度的重疊，這表明PNP猝滅N-CQDs的機(jī)制可能是IFE或FRET。而IFE和FRET機(jī)制區(qū)別在于IFE是由于輻射能量的傳遞，其供體的能量變化發(fā)生在基態(tài)，而FRET過(guò)程受分子鄰近距離的控制。IFE過(guò)程只會(huì)使量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度降低而不改變其熒光壽命。本研究使用與時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)法記錄加入PNP前后的N-CQDs熒光壽命衰減曲線，從而進(jìn)一步確定PNP的猝滅機(jī)理。如圖14所示，PNP加入前后N-CQDs熒光壽命衰減曲線幾乎重疊，表明PNP加入后并不會(huì)改變量子點(diǎn)的熒光壽命。因此FRET不是PNP猝滅N-CQDs的熒光猝滅機(jī)理，真正的猝滅機(jī)理為內(nèi)濾效應(yīng)。

通過(guò)雙指數(shù)模型（式1）對(duì)熒光壽命衰減曲線進(jìn)行擬合：

3結(jié)論

（1）本研究以廢棄含氮豆渣為碳源經(jīng)一步水熱法制備了一種綠色、環(huán)保、合成簡(jiǎn)單的生物質(zhì)熒光傳感器，該傳感器檢測(cè)條件溫和，無(wú)需復(fù)雜的預(yù)處理過(guò)程，無(wú)需再摻雜過(guò)程，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際環(huán)境水樣中痕量對(duì)硝基苯酚（PNP）的檢測(cè)，而且為廢棄生物質(zhì)資源進(jìn)行再利用提供了一種可行的方案，符合綠色環(huán)保理念，可實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”。

（2）當(dāng)所制備的摻氮碳量子點(diǎn)（N-CQDs）稀釋100倍，響應(yīng)時(shí)間為15s，pH為7時(shí)檢測(cè)效果最佳，且在最優(yōu)檢測(cè)條件下，PNP濃度為0.4-40umol·L-1時(shí)，N-CQDs檢測(cè)體系的熒光猝滅比值（Fo/F）與PNP濃度有良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）為0.99801，檢出限為132nmol·L-1，可較準(zhǔn)確地定量檢測(cè)PNP。且該傳感器受其他酚類物質(zhì)影響較低，表明該傳感器具有良好的抗干擾能力。

（3）通過(guò)光譜表征、熒光衰減壽命曲線測(cè)定和排除分析等手段對(duì)檢測(cè)機(jī)理進(jìn)行充分研究，表明PNP對(duì)N-CQDs的猝滅機(jī)理是基于內(nèi)濾效應(yīng)。