碳量子点荧光探针识别与测定水溶液中的Cr(Ⅵ)

碳量子点荧光探针识别与测定水溶液中的Cr(Ⅵ)
李冬;杨阳;贾佳琦;谢兵;周景海;李鸿乂
【摘要】以柠檬酸、乙二胺为原料,采用水热法制备碳量子点,利用透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、紫外-可见分光光度计及荧光分光光度计表征碳
量子点的形貌、化学成分、官能团以及荧光性能,考察了Cr(Ⅵ)阴离子对碳量子点
荧光性能的影响.结果表明:Cr(Ⅵ)的加入改变了碳量子点紫外特征吸收峰的强度与
位置,并使碳量子点的荧光发生静态猝灭;随着Cr(Ⅵ)浓度增加,碳量子点荧光的猝灭率呈线性变化.基于此,建立了以碳量子点为荧光探针识别与定量测定水溶液中
Cr(Ⅵ)的方法,为发展水体中Cr(Ⅵ)的快速、灵敏检测技术奠定了基础.%The carbon dots (CDs)were prepared by hydrothermal method with citric acid and ethylene diamine as the raw materials. The prepared CDs were characterized by transmission electron microscopy (TEM),Fourier transformation infrared (FT-IR)spec-troscopy,Raman spectroscopy,UV-Visible (UV-Vis)absorption spectroscopy and fluorescence spectroscopy to obtain their mor-phology,chemical composition,functional groups and fluorescence.The effect of Cr(Ⅵ)anions on the fluorescence of CDs was ex-plored.Results showed th at the addition of Cr(Ⅵ)caused changes in intensity and position of UV absorption peak characteristic of CDs and quenched the fluorescence of CDs;as Cr(Ⅵ)concentration increased,the quenching ratio of fluorescence of CDs increased linearly.Accordingly,the recognition and detection method of Cr(Ⅵ)based on CDs as the fluorescence probe has thus been estab-lished,which lays the foundation for developing a quick and sensitive detection technique of Cr(Ⅵ)in water.
【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(056)005
【总页数】7页(P626-632)
【关键词】碳量子点;荧光;Cr(Ⅵ);识别;测定
【作者】李冬;杨阳;贾佳琦;谢兵;周景海;李鸿乂
【作者单位】重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044;重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044;重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044;重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044;中国人民解放军第三军医大学大坪医院胸外科,重庆400042;重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044
【正文语种】中文
【中图分类】O655
重金属Cr是污染环境、影响人类健康的主要重金属元素之一[1]．其毒性与其存在的价态有关,Cr(Ⅵ)的毒性比Cr(Ⅲ)高100倍[2]．Cr(Ⅵ)广泛存在于常见工业废水如电镀、冶金、印染和化工等行业的废水中,尤其是钒湿法冶金工业的各种溶液中[3]．若Cr(Ⅵ)未经达标处理就被排放到环境水体中,却不能被生物消解，在生物放大作用下,Cr(Ⅵ)通过大气、水体、食物链等途径富集进入人体,会导致癌症病变发生[4]．因此,Cr(Ⅵ)成为各国环境监测中的重点监测对象,其测定方法也受到环境监测者的高度关注．可见,实现对Cr(Ⅵ)快速、灵敏地识别与测定对环境保护与人类健康具有非常重要的意义．
目前Cr(Ⅵ)的测定方法主要有络合滴定法、电化学分析法、高效液相色谱法、离子色谱法、原子吸收光谱法和质谱法等[5-8]．这些方法虽然灵敏,但存在着待测样品
的预处理过程繁琐、检测仪器不易于微型化、无法及时快速检测等缺点．与此相比,荧光探针法具有样品预处理简单、响应快、线性动态范围宽、光谱干扰少、灵敏度高等优点[9],已成为快速检测金属离子的常用分析方法．与有机类荧光探针和半导
体量子点荧光探针相比,碳量子点荧光探针易于合成，成本低廉且荧光可调[10]．碳量子点在金属离子识别和检测领域的应用研究已经成为近几年国内外的研究热点[11-13]．
本研究以柠檬酸、乙二胺为原料,采用水热法制备碳量子点,利用透射电子显微镜(TEM)、拉曼(Raman) 光谱、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱等表征碳量子点的形貌、化学组成、官能团以及荧光性能,并结合Cr(Ⅵ)与碳量子点混合物的紫外-可见吸收光谱与荧光发射光谱分析,探究Cr(Ⅵ)对碳量子点荧光性能的影响．在此基础上,建
立以碳量子点为荧光探针识别并定量测定Cr(Ⅵ)的方法,为发展钒湿法冶金工业相
关溶液中Cr(Ⅵ)的快速、高灵敏检测技术奠定基础．
柠檬酸(C6H8O7)、乙二胺(C2H8N2)、四水合铬酸钠(Na2CrO4·4H2O)和硫酸奎
宁均购自阿拉丁试剂(中国)有限公司．所用试剂均为分析纯,使用前无需进一步纯化．实验用水为经美国Merck Millipore超纯水仪处理得到的去离子水．
水热反应釜(KH-50,西安常仪仪器设备有限公司),电热鼓风干燥箱(WG-71,上海一
恒科学仪器有限公司),电子天平(FA2004N,上海民桥精密仪器有限公
司),TEM(LIBRA 200 FEG,德国ZEISS公司),Raman光谱仪(LabRAM HR Evolution,法国HORIBA公司),FT-IR光谱仪(Nicolet 5DXC,美国Nicolet公司),紫外-可见分光光度计(UV-3600,日本岛津公司),荧光分光光度计(Cary eclipse,美国Agilent公司).
称量4.204 g柠檬酸、1.34 mL乙二胺置于烧杯中,加入40 mL去离子水搅拌混匀;将混合溶液置于容量为50 mL的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,200 ℃加热5 h;反应后的产物自然冷却至室温,获得碳量子点初始溶液．使用截留分子质量为3.5
ku的透析袋对制备的碳量子点初始溶液进行避光透析24 h,去除残留的小分子杂质;冷冻干燥24 h,获得碳量子点粉末样品．采用TEM、Raman光谱和FT-IR光谱表
征碳量子点的形貌、化学成分与官能团等信息．利用紫外-可见分光光度计和荧光
分光光度计检测碳量子点的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱．
以荧光量子产率为54%的硫酸奎宁为标准物．首先在激发波长为340 nm下测定
样品溶液的吸光度(<0.1)；然后测试不同吸光度的样品溶液在该激发波长下的发射光谱,发射光谱积分获得样品的积分荧光强度值；再将各样品的积分荧光强度值进
行归一化处理，以吸光度为横坐标,以样品的归一化积分荧光强度为纵坐标,绘制拟
合直线,获得拟合直线的斜率；最后通过式(1)计算待测样品的荧光量子产率[14]:
Φx=Φst(Kx/Kst)(ηx/ηst)2,
其中,Φ为荧光量子产率,K为直线的斜率,η为溶剂折射率,下标x和st分别表示碳
量子点和硫酸奎宁．因为碳量子点溶剂与硫酸奎宁溶剂的折射率相同,即ηx/ηst=1，所以式(1)可简化为
Φx=Φst(Kx/Kst).
分别称量1.17 g Na2CrO4·4H2O和0.25 g碳量子点粉末,加入去离子水分别配置500 m L 10 mmol/L Cr(Ⅵ)储备液与500 mL 500 μg/mL碳量子点储备液．将
Cr(Ⅵ)储备液逐级稀释获得0.50～50 μmol/L Cr(Ⅵ)溶液,用1 mol/L NaOH调节pH至6～7范围内；500 μg/mL碳量子点储备液稀释500倍获得1 μg/mL碳量子点溶液；0.50～50 μmol/L Cr(Ⅵ)溶液与1 μg/mL碳量子点溶液按照体积比
1∶1混合．荧光分光光度计设置激发波长为340 nm,测定混合溶液的积分荧光强
度(I)和0.50 μg/mL碳量子点溶液的积分荧光强度(I0)．
采用不同原料或不同制备方法制得的碳量子点,其尺寸、形貌、结构、官能团具有
显著差异．Liang等[15]以明胶为原料,采用水热法在200 ℃加热3 h,得到的碳量
子点粒径为1.7 nm,含有C—C、CO、C—H、O—H、N—H等官能团．刘利芹
等[16]将蜡烛灰溶于NaOH水溶液,通过溶剂热法合成了粒径为3.1 nm的碳量子点,该碳量子点具有大量羧基．Tian等[17]用硝酸回流酸煮天然气烟灰的方法获得碳量子点,其平均粒径为4.8 nm．因此,首先对本研究所制备的碳量子点进行TEM 表征并对碳量子点粒径进行统计,结果如图1所示,碳量子点为球形,平均粒径约为3.2 nm,在水溶液中分散性良好．
为明确碳量子点的化学成分与所含官能团,对其进行了Raman光谱与FT-IR光谱分析．Raman光谱如图2(a)所示,1 598 cm-1处的G峰(表示结晶度)和1 350 cm-1处的D峰(表示无序程度)均不显著,这是受到碳量子点本身荧光的影响而导致的[18]．FT-IR光谱如图2(b)所示,碳量子点在2 927和1 402 cm-1处的尖峰分别为C—H键的伸缩振动峰及弯曲振动峰,说明碳量子点含有饱和烃基;3 440 cm-1处的强峰和1 559 cm-1处的尖峰分别是N—H键的伸缩振动峰及弯曲振动峰;1 692和1 652 cm-1处的两个峰均为CO键的伸缩振动峰．对比标准红外光谱特征峰位置,该FT-IR光谱图中N—H键以及CO键的特征峰属于酰胺键特征峰,说明本研究所制备的碳量子点含有酰胺键．
以上结果表明,本研究所制备的碳量子点平均粒径约为3.2 nm,由C、N、H、O共4种元素组成,含有饱和烃基、酰胺键等官能团．由于碳量子点所含的酰胺基团能与水分子形成分子间氢键,增加了碳量子点的水溶性,所以该碳量子点在水溶液中分散性良好．同时,此酰胺基团的N—H键中H原子由于带部分正电荷,易与Cr(Ⅵ)离子等阴离子形成配位键连接金属离子与碳量子点．Cr(Ⅵ)的连接可使碳量子点的荧光性能发生改变(如荧光猝灭等),通过这些荧光性能的变化便可实现对待测金属离子的识别与定量测定．
图3(a)为碳量子点的紫外-可见吸收光谱图，由图可见,碳量子点在340 nm处有较强的特征吸收峰,即碳量子点的最大吸收波长为340 nm．图3(b)为碳量子点在不同激发波长下的荧光发射光谱图,由图可知,碳量子点具有光致发光特性．当激发波
长为340 nm时,碳量子点的荧光发射强度最大,其最大发射波长为440 nm;当激发波长大于380 nm时,碳量子点表现出荧光激发的依赖性,随着激发波长的增加,荧光光谱最大发射波长随之变化．因此,在探究Cr(Ⅵ)对碳量子点的荧光性能影响时,选择激发波长为340 nm．
衡量碳量子点荧光性能的关键指标是其荧光量子产率．对碳量子点及硫酸奎宁的紫外-可见吸收光谱及荧光光谱的分析结果如图4所示．经拟合计算,制备出的碳量子点荧光量子产率为49.5%．目前国内外研究中,虽然碳量子点荧光量子产率最高达到了80%[18],但是大部分仍低于10%[19]．可见,本研究所制备的碳量子点的荧光量子产率显著高于常见碳量子点的荧光量子产率,是一种高灵敏度的荧光探针．
为了探究Cr(Ⅵ)对碳量子点荧光性能的影响,分别对Cr(Ⅵ)和碳量子点进行紫外-可见吸收光谱分析．如图5(a)所示,Cr(Ⅵ)在270和365 nm处具有显著的特征吸收峰,碳量子点在340 nm处有明显的特征吸收峰,二者在350 nm附近的吸收峰具有重叠区域．当碳量子点与Cr(Ⅵ)混合后,混合溶液的紫外-可见吸收光谱如图5(b)所示：图中未见Cr(Ⅵ)的特征吸收峰,仅有碳量子点的特征吸收峰;同时,随着Cr(Ⅵ)浓度由0.1 μmol/L增至100 μmol/L,碳量子点的特征吸收峰峰高增加且逐渐发生红移(红移3.7 nm)．这表明Cr(Ⅵ)与碳量子点的酰胺基团形成了配位键并构成了p-π共轭体系,导致红移现象产生．
Cr(Ⅵ)的加入对碳量子点荧光光谱的影响如图6所示,随着Cr(Ⅵ)浓度由0.1
μmol/L增至100 μmol/L,碳量子点在440 nm处的荧光强度逐渐降低,这表明
Cr(Ⅵ)对碳量子点具有荧光猝灭作用．结合上述Cr(Ⅵ)与碳量子点混合溶液的紫外-可见吸收光谱,可推断出Cr(Ⅵ)由于与碳量子点酰胺基团的键合而使碳量子点的荧光发生了静态猝灭．基于此,本研究提出利用碳量子点作为荧光探针对Cr(Ⅵ)进行识别与定量测定．
利用碳量子点作为荧光探针对Cr(Ⅵ)进行定量测定之前,考察了碳量子点对Cr(Ⅵ)
的识别选择性与抗干扰性．由于钒湿法冶金工业水溶液中含有的主要金属离子为V(Ⅴ)、Cr(Ⅵ)、Ca2+、Al3+,因此分别考察了V(Ⅴ)、Ca2+、Al3+ 3种可能产生干扰的共存离子对碳量子点荧光的猝灭或增强作用,各金属离子的浓度均为100 μmol/L，加入金属离子前后积分荧光强度的比值(I0/I)为猝灭率.如图7(a)所示,在其他实验条件相同的情况下,Cr(Ⅵ)对碳量子点荧光有显著的猝灭作用,而其他金属离子对碳量子点的荧光无增强或猝灭作用(I0/I的值在1附近波动),说明碳量子点对Cr(Ⅵ)具有高选择性响应．上述3种共存离子中,V(Ⅴ)通常以高浓度(其他离子浓度的10倍以上)存在于钒湿法冶金工业相关溶液中,因此考察V(Ⅴ)离子共存于溶液时Cr(Ⅵ)对碳量子点荧光猝灭程度的变化.如图7(b)所示,V(Ⅴ)离子的存在并未影响Cr(Ⅵ)对碳量子点荧光的猝灭作用,说明了碳量子点对Cr(Ⅵ)的识别具有抗干扰性．因此,利用碳量子点识别Cr(Ⅵ)的方法适用于钒湿法冶金工业溶液等复杂体系中Cr(Ⅵ)的选择性检测．
为提高Cr(Ⅵ)的检测灵敏度,对作为荧光探针的碳量子点的质量浓度进行优化．考察各碳量子点质量浓度(0.25,0.50,1.0,2.0和4.0 μg/mL)下猝灭率的相对大小．由图8可知,当碳量子点的质量浓度为0.50 μg/mL时,猝灭率最大,表明0.50 μg/mL 的碳量子点溶液对Cr(Ⅵ)的响应最为灵敏,故后续定量测定实验均采用0.50 μg/mL 的碳量子点溶液．
在碳量子点的质量浓度为0.50 μg/mL时,分别加入0.25～25 μmol/L Cr(Ⅵ),计算不同浓度Cr(Ⅵ)的荧光猝灭率,将其与Cr(Ⅵ)浓度进行线性拟合.如图9所示,猝灭率和Cr(Ⅵ)浓度之间在0.25～25 μmol/L范围内存在良好的线性关系,线性方程为
y=1.080+0.015x,线性相关系数R2=0.997．平行测定11次空白,其相对标准偏差(RSD)为0.064%,以3倍RSD除以标准曲线的斜率得出本方法的检出限(LOD)为0.13 μmol/L．与其他检测Cr(Ⅵ)的荧光方法相比,本方法具有很高的灵敏度[21-23]．
以上述线性方程为标准曲线,测定了钒渣钠化焙烧熟料水浸液[20]中的Cr(Ⅵ)浓度．将样品溶液稀释8倍,加入碳量子点溶液使碳量子点的质量浓度保持在0.50 μg/mL．测得此时积分荧光强度为63 819.09,猝灭率为1.245,根据标准曲线计算得此时Cr(Ⅵ)浓度为11.66 μmol/L,则原始钒渣钠化焙烧熟料水浸液中Cr(Ⅵ)浓度为93.28 μmol/L．与利用电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)测得的浓度(93.02 μmol/L)一致．对钒渣钠化焙烧熟料水浸液进行加标回收实验,结果如表1所示,回收率在97.4%～109.0%．这表明本研究所建立的以碳量子点为荧光探针的Cr(Ⅵ)测定法具有可信性与有效性．
本研究采用水热法制备的碳量子点粒径均匀,平均粒径约为3.2 nm,在水溶液中分散性良好,含有丰富的酰胺键等官能团,其最大紫外吸收波长为340 nm,在该吸收波长激发下最大发射波长为440 nm,荧光量子产率为49.5%．由于Cr(Ⅵ)与酰胺基团形成p-π共轭使得碳量子点荧光发生静态猝灭;随着Cr(Ⅵ)浓度增加,碳量子点的荧光猝灭率增加;当Cr(Ⅵ)浓度在0.25～25 μmol/L范围内,碳量子点荧光猝灭率与Cr(Ⅵ)浓度之间存在线性关系,线性方程为y=1.080+0.015x(R2=0.997)．以此为标准曲线,可定量测定水溶液中Cr(Ⅵ)浓度．本研究建立的以碳量子点为荧光探针识别与定量测定Cr(Ⅵ)的有效方法,可为发展水体中Cr(Ⅵ)的快速、高灵敏检测技术提供借鉴,将有助于Cr(Ⅵ)污染的防范与安全治理．
Key words:carbon dots;fluorescence;Cr(Ⅵ);recognition;detection
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Abstract:The carbon dots (CDs) were prepared by hydrothermal method with citric acid and ethylene diamine as the raw materials.The prepared CDs were characterized by transmission electron microscopy (TEM),Fourier transformation infrared (FT-IR) spectroscopy,Raman spectroscopy,UV-Visible (UV-Vis) absorption spectroscopy and fluorescence spectroscopy to obtain their morphology,chemical composition,functional groups and fluorescence.The effect of Cr(Ⅵ) anions on the fluorescence of CDs was explored.Results showed that the addition of Cr(Ⅵ) c aused changes in intensity and position of UV absorption peak characteristic of CDs and quenched the fluorescence of CDs;as Cr(Ⅵ) concentration increased,the quenching ratio of fluorescence of CDs increased linearly.Accordingly,the recognition and detectio n method of Cr(Ⅵ) based on CDs as the fluorescence probe has thus been established,which lays the foundation for developing a quick and sensitive detection technique of Cr(Ⅵ) in water.。