碳点荧光猝灭法测定粉煤灰中痕量钴

碳点荧光猝灭法测定粉煤灰中痕量钴罗道成;罗铸【摘要】在pH 6.80的B-R缓冲溶液中,基于钴离子对水溶性碳点(CDs)的荧光具有显著的猝灭作用,建立了一种测定钴离子的荧光光度法.在5 mL比色管中,依次加入0.5 mL 3.6×10-4 mol/L荧光碳点溶液(以碳计)、1.0 mL pH 6.80的B-R缓冲溶液和适量的钴离子标准工作溶液后定容,室温下反应10 min,以350 nm为激发波长,440 nm为测定波长测定体系的相对荧光强度,结果表明,钴离子浓度在2×10-6～7.6×10-5 mol/L范围内与CDs的相对荧光强度呈良好的线性关系,其线性回归方程为△F=1.008 7+0.031 25×10-6 c(mol/L),相关系数r=0.998 5,方法检出限1.2×10-7 mol/L.方法用于粉煤灰中痕量钴的测定,测定结果与国家标准方法GB/T 15922-2010相符,相对标准偏差(RSD,n=6)为0.9％～1.0％,加标回收率在98％～104％之间.【期刊名称】《冶金分析》【年(卷),期】2015(035)009【总页数】6页(P62-67)【关键词】碳点;粉煤灰;钴;荧光猝灭法【作者】罗道成;罗铸【作者单位】湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭411201;煤炭清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭411201【正文语种】中文粉煤灰是燃煤电厂排放的废弃物，在粉煤灰研制水处理药剂时，钴是被公认为毒性较强的微量金属元素，对于水处理药剂的应用前景有很大的影响，钴含量太高，会造成二次污染。

因此对粉煤灰中钴的准确测定有着非常重要的意义。

目前测定钴的方法主要有分光光度法[1-3]、催化光度法[4-6]、滴定法[7]、化学发光法[8]、原子吸收光谱法(AAS)[9]、荧光光谱法[10-11]、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[12]、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[13]等。

碳点(Carbon Dots，CDs) 作为新型荧光纳米材料，具有同半导体量子点一样优异的宽而连续的激发光谱，其具有荧光稳定，激发波长和发射波长可调，没有光漂白现象、水溶性好、廉价、低毒[14-15]等优点。

这些性质决定了碳点在生物成像与生物探针领域有更大的应用前景。

碳点的荧光可以有效地被电子受体或者电子给体所猝灭，这说明碳点既是电子受体，也是给体。

这种光引发电子转移的性质将使其广泛地应用于光能量的转换，光伏设备和相关领域，也可作为Cu2+、Hg2+、Ag+ 等金属离子的检测探针[16-17]。

由于碳点具有比半导体量子点更优异的性能，在科学界引起了极大的关注。

本文以葡萄糖为碳源，以聚乙二醇-200(PEG-200)为分散剂和表面修饰剂，在水溶液中合成了水溶性的荧光纳米碳点，利用其作为荧光探针，在pH 6.80的B-R缓冲溶液中，基于Co2+对碳点的荧光具有显著的猝灭作用，建立了一种测定Co2+的荧光光度法。

该法用于测定粉煤灰中痕量钴，结果满意。

1.1 主要仪器与试剂RF-5301型荧光分光光度计(日本岛津公司)；UV-2550型紫外分光光度计(日本岛津公司)，pHS-3C型酸度计(上海第三分析仪器厂)；78-磁力加热搅拌器(江苏金坛金城国盛实验仪器厂)；循环水式真空泵(巩义予华仪器有限责任公司)；HH-S2型数显恒温水浴锅(金坛大地自动化仪器厂)；UP型纯水仪(上海优普实业有限公司)；202-00A型台式电热恒温干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)。

Co2+ 标准溶液：2.0 mmol/L，准确称取0.05 82 g Co(NO3)2·6H2O，用水溶解并定容于100 mL容量瓶，摇匀，使用时用水稀释成不同浓度的标准工作溶液；B-R缓冲溶液：pH 6.80，在100 mL三酸混合液(磷酸、乙酸、硼酸，浓度均为0.04 mol/L)中，加入50.0 mL 0.2 mol/L NaOH溶液；葡萄糖；聚乙二醇(PEG-200)；己二胺；硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)；硼酸；乙酸；磷酸。

实验所用试剂均为分析纯，实验用水为超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm)。

1.2 实验方法1.2.1 荧光碳点的制备荧光碳点按照文献[18]的方法制备：准确称取0.270 0 g葡萄糖，将其溶于25 mL 聚乙二醇和水体积比为1∶1的溶液中，并转移至反应釜中，在180 ℃下反应3 h，取出冷却至室温后，加入一定量己二胺粉末于上述反应液中，于120 ℃电热恒温干燥箱中反应12 h进行钝化，即可得到棕红色的碳点溶液，用水定容至25 mL，该溶液中荧光碳点的浓度为0.36 mol/L(以碳计，下同)。

将制备的碳点溶液用水稀释至0.003 6 mol/L，作为碳点储备液于4 ℃保存备用。

使用时稀释为需要的浓度。

1.2.2 Co2+的测定方法在5 mL比色管中，依次加入0.5 mL 3.6×10-4 mol/L 荧光碳点溶液、1.0 mLpH 6.80的B-R缓冲溶液和适量的Co2+标准工作溶液，用水定容，摇匀。

室温下反应10 min后，以350 nm为激发波长，用荧光分光光度计测定体系在440 nm处的荧光强度F；按同样的方法测定试剂空白的荧光强度F0，计算相对荧光强度ΔF=F0/F。

仪器激发和发射狭缝宽度均为10 nm。

2.1 荧光碳点的光谱性质荧光碳点的紫外吸收光谱和荧光发射光谱(激发波长为350 nm)如图1和图2所示。

由图1可知，碳点的最大吸收峰位于350 nm；由图2可知，在350 nm激发波长下，荧光碳点在440 nm处得到一个很强的发射峰，这与在紫外灯下发射的明亮青色荧光相一致，充分说明该合成的碳点是荧光碳点。

由图1和图2还可看出：该荧光碳点的激发光谱连续，同时具有很宽的荧光激发波长范围；荧光发射峰峰形对称，半峰宽较窄，荧光强度高，表明合成的荧光碳点光学性质稳定，发光性能良好。

2.2 荧光碳点在不同激发波长的发射光谱为了进一步快速确定荧光碳点的最佳发射波长，将制备的荧光碳点储备液依次稀释后，增大激发波长，考察其荧光发射波长的变化。

根据图1荧光碳点紫外吸收光谱的性质，在340～450 nm激发波长下考察碳点的荧光发射光谱，结果如图3所示。

由图3可见：随着激发波长的增大，荧光发射峰位置发生红移，荧光强度也先增大后减小；激发波长为350 nm时，荧光碳点的荧光发射强度最大。

因此，实验选择350 nm作为荧光碳点的激发波长。

在此激发波长下，荧光碳点的最大发射波长为440 nm，这与前面的实验结果吻合。

2.3 Co2+ 对荧光碳点的猝灭室温下，在荧光碳点中加入不同体积的Co2+标准工作溶液、1.0 mL pH 6.80的B-R缓冲溶液，并用水定容后测定，考察了不同浓度的Co2+对碳点荧光强度的影响，结果如图4所示。

由图4可知：当激发波长为350 nm时，随着Co2+浓度不断增大，碳点的荧光强度逐渐下降，荧光峰形变宽，而碳点的最大荧光发射波长并没有明显变化，仍在440 nm处。

这说明加入Co2+后体系发生变化，导致碳点的荧光猝灭。

这可能是由于Co2+与碳点表面羟基形成的氧负离子结合后，降低了碳点表面的负电荷，减小了碳点的之间的静电排斥力，拉近了碳点之间的距离，导致碳点聚集荧光猝灭[19]。

实验选择440 nm为测定波长。

2.4 pH值按照实验方法，考察了1.0 mL不同pH 值的B-R缓冲溶液对碳点荧光强度的影响。

结果表明：碳点荧光光谱的峰位不随B-R缓冲体系pH值改变而发生位移，但其相对荧光强度ΔF发生了变化；当B-R缓冲体系pH 值在4.00～8.50范围内时，碳点相对荧光强度ΔF经过一个由低到高再减弱的过程；在pH值为6.80时，其相对荧光强度ΔF达到最大值，这说明此时Co2+对碳点的猝灭作用最强。

实验选择pH 6.80的B-R缓冲溶液。

2.5 反应时间试验表明：未加Co2+离子时，碳点的荧光强度不随时间发生变化；加入Co2+后，猝灭作用非常迅速，碳点溶液的荧光强度明显降低，但此时不够稳定。

反应10 min后，体系的荧光强度趋于稳定，且至少可以保持在3 h以上。

实验选择反应时间为10 min。

2.6 荧光碳点浓度及用量试验表明：碳点浓度太低时，荧光猝灭作用不明显，且线性范围窄；而碳点浓度太高时，分析灵敏度较低。

当碳点浓度为2.0×10-4 ～5.5×10-4 mol/L范围内，荧光猝灭程度达到最大；实验选择碳点的浓度为3.6×10-4 mol/L。

进一步试验表明:当碳点浓度为3.6×10-4 mol/L时，随着碳点溶液用量的增加，碳点与Co2+ 的作用增强，荧光强度的猝灭值随碳点溶液用量的增加而增大；当3.6×10-4 mol/L 碳点溶液的用量为0.5 mL时，荧光猝灭程度趋于平缓且达到最大。

实验选择0.5 mL 3.6×10-4 mol/L 碳点溶液。

2.7 校准曲线和检出限在最佳实验条件下，分别取不同浓度的Co2+ 加入到一定浓度的碳点溶液中，按实验方法进行测定，以Co2+ 浓度(mol/L)为横坐标，以相对荧光强度值ΔF为纵坐标，绘制校准曲线。

结果表明：Co2+ 浓度在2×10-6～7.6×10-5 mol/L范围与碳点的荧光强度呈线性关系，其线性回归方程为ΔF=1.008 7+0.031 25×10-6c(mol/L)，r=0.998 5。

连续进行11次空白试验，按3δ/k计算(δ为11次空白溶液的标准偏差，k为线性回归方程的斜率)方法检出限为1.2×10-7 mol/L。

按照实验方法，加入60.0×10-7 mol/L Co2+ 溶液进行测定，平行11次测定结果的相对标准偏差为2.6%。

2.8 共存离子的影响在选定的最佳实验条件下，当相对误差控制在±5%范围内时，对粉煤中常见的金属元素进行了干扰试验。

结果表明，对含有50 μmol/L Co2+的5 mL溶液，共存离子的最高允许量(mg)如下：K+、Na+ (15.0)；Ba2+、Ca2+(5.0)；Pb2+、Cd2+(4.0)；Hg2+、Al3+、Zn2+ (1.5)；Ti、Cr (0.8)；Ga3+、V(0.5)；Sc、Ge(0.30)；Mn2+(0.25)。

但Fe3+、Cu2+、Ni2+的允许量低，对测定有干扰。

加入0.4 mL 20 g/L酒石酸溶液可掩蔽Fe3+ (0.5 mg)，加入0.4 mL 30 g/L 硫脲溶液可掩蔽Cu2+ (0.6 mg)、Ni2+ (0.3 mg)。