基于碳纳米点荧光增强检测铝离子

    康倩文 张国 柴瑞涛 朱维晃 冯建军 陈利君

    

    

    

    摘?要?以抗坏血酸（AA）为碳源，通过一步水热法合成水溶性绿色荧光碳纳米点（Carbon nanodots，CDs）。采用透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱对其形貌和性质进行了研究。基于此碳纳米点与Al3+结合产生的荧光增强现象，建立了检测Al3+的荧光分析方法，在50～500 nmol/L（R2=0.9988）和500～2000 nmol/L（R2=0.9976）范围内呈良好的线性关系，检出限为10.23 nmol/L （S/N=3），并用于对瓶装饮用水样品中Al3+的检测。

    关键词?碳纳米点; 抗坏血酸; 荧光增强; 铝离子; 检测

    1?引 言

    金属元素在自然界中含量丰富，在人体健康和日常生活应用方面扮演着重要的角色[1，2]。铝作为含量最丰富的金属，是现代生活和工业生产中应用最广的金属之一，如包装器具、医药、水处理等[3，4]。同时，铝的广泛应用也导致其对环境的污染和对人体的危害。高浓度的离子态铝具有毒性，人体吸收过量的铝，会在体内累积富集，影响肠道对钙的吸收，阻碍血液对铁的吸收，导致多种疾病，如帕金森症、阿尔茨海默症、肾脏疾病，甚至癌症[5～8]。我国《生活饮用水卫生标准》（GB/5749-2006） [9]及美国环境保护署[10]规定饮用水中Al3+的含量不超过0.2 mg/L（7.4 μmol/L）。 因此，建立高灵敏度、高选择性的Al3+浓度检测方法具有重要的意义。

    目前，Al3+的检测方法包括电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[11]、石墨原子吸收法（GF-AAS）[12]、电化学法[13]等，这些方法多使用昂贵的仪器，且操作繁琐，样品制备复杂[14]。荧光检测法具有低检出限、高灵敏度、高选择性和可视化检测等优点，已广泛用于金属离子的检测[15～17]。其中，一些荧光探针已被用于Al3+的检测。席夫碱类荧光探针对Al3+具有良好的检测效果，检出限低，且选择性高 [18～20]。李静等[21]利用荧光素（Fluorescein）修饰罗丹明6G （R6G），合成R6G-Flu荧光探针，实现了Al3+高选择性检测，检出限为10.4 nmol/L; Debal等[22]合成了有机金属骨架（MOF）荧光探针，实现Al3+的检测，检出限为57.5 μg/L。但是，以上方法合成探针时均需使用多种有机物和有机溶剂，且合成过程繁琐。因此，寻求一种制备简单，且可实现对Al3+高选择性、高灵敏检测的探针具有重要意义。

    荧光碳纳米点（Carbon nanodots，CDs） [23]具有毒性低[24]、水溶性好[25]、生物相容性好[26]、荧光稳定性好[27]等特性，已广泛应用于生物医学[28]、环境污染物检测[29]、光学传感[30]等领域。目前，已建立了多种制备CDs的方法，如电弧放电法[31]、激光刻蚀法[32]、电化学法[33]?、化学氧化法[34]、水热法[35]和微波辐射法[36]等。其中，水热法是一种过程简单的高效制备CDs的方法[37]。

    近年来，有关CDs检测Al3+的报道较少。方静美等[38]利用蜡烛灰制备CDs，通过荧光猝灭效应检测Al3+，检出限为26 nmol/L，检测效果令人满意; Tripathi等[39]利用热解法从亚麻籽油提取出表面带有羟基和羧基的绿色CDs，通过荧光猝灭效应，实现了Al3+的高选择性检测，检出限为0.77 μmol/L。上述研究均基于荧光猝灭原理检测Al3+，但猝灭型荧光探针灵敏度低，会产生假阳性现象，且抗干扰能力差，易受重金属离子、氧原子和重原子效应等因素的影响，而增强型荧光探针具有灵敏度高、能减少假阳性信号的产生并降低背景的干扰等优势，因此对金属离子的检测更灵敏准确[40，41]。目前，大多数CDs发射蓝色荧光，而几乎所有生物组织会产生蓝色自荧光，会限制CDs的应用[42]。因此，开发一种荧光增强型的长波长CDs探针至关重要。本研究以抗坏血酸（AA）为碳源，通过一步水热法制备出水溶性的绿色荧光CDs，制备过程绿色环保，反应条件温和，合成时间短，成本低。 基于此CDs的荧光增强效应，建立了检测水中Al3+的高灵敏度、高选择性的方法。

    2?实验部分

    2.1?仪器与试剂

    F-7000荧光分光光度计（日本日立公司）;?UV-1780紫外可见分光光度计（日本岛津公司）; ZF-5手提式紫外分析仪（上海嘉鹏科技有限公司）; Tecnai G2透射电子显微镜（美国FEI公司）; Nicolet-iS50傅里叶红外光谱仪、ESCALAB 250Xi X射线光电子能谱仪（美国赛默飞世尔科技公司）; 1810b细胞型摩尔纯水器（重庆摩尔水处理设备有限公司）。

    抗坏血酸（AA）、乙醇（国药集团化学试剂有限公司）; 其它试剂均为国产分析纯; 实验用水为超纯水。

    2.2?CDs的合成

    参照文献[43]的方法合成CDs，并用乙醇代替乙二醇。乙二醇有毒性，与水混合后凝固点降低，不利于样品冷冻干燥，而乙醇无毒性、易挥发。称取1.0 g抗坏血酸（AA）溶于21 mL超纯水中，在磁力搅拌下缓慢滴入9 mL乙醇，超声处理10 min得到无色透明溶液，将其转移到50 mL聚四氟乙烯反应釜中，在160℃下水热反应1 h。冷却至室温，得到浅棕黄色溶液，即CDs。将得到的CDs溶液10000 r/min离心10 min，以除去較大的颗粒，再用0.22 μm的微孔滤膜过滤，得到纯化CDs，于4℃下避光保存，备用。

    此外，考察了另外3个不同的合成体系：纯水-AA，纯乙醇-AA和纯乙醇体系，并与上述纯水-乙醇-AA体系制备的碳点的性能进行对比。

    2.3?荧光法检测Al3+

    将CDs原液稀释100倍，至仅有微弱荧光，荧光强度约为35 a.u.，得到CDs稀释液，用于荧光增强检测Al3+。配制0.01 mol/L Al3+储备液，逐级稀释至所需浓度。在4.5 mL CDs稀释液中加入0.5 mL不同浓度的Al3+溶液，使Al3+终浓度分别为0、50、60、70、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900 nmol/L和1、2、10、100、200、1000 μmol/L，孵育反应6 min后，在365 nm激发波长下测定溶液的荧光光谱，激发和发射狭缝均为10 nm，电压为500 V。

    2.4?检测饮用水样中Al3+

    取0.5 mL市售某瓶装饮用水水样与4.5 mL CDs稀释液混合，按照2.3节中方法测定荧光强度，计算Al3+浓度。 在水样中添加不同浓度Al3+，加入到CDs稀释液中，Al3+终浓度为0.1、0.3、0.5、1.0和1.5 μmol/L，孵育反应6 min，在365 nm激发波长下测定体系的荧光光谱。

    3?结果与讨论

    3.1?CDs的合成

    以AA为碳源，水和乙醇为溶剂，通过一步水热法合成CDs（图1）。考察了体系中各组分对绿色荧光CDs合成的影响。如图2A所示，水-AA、乙醇-AA及乙醇体系合成的CDs均发射蓝色荧光，只有水-乙醇-AA体系合成的CDs发射绿色荧光。说明在水-乙醇-AA体系中，小分子碳源AA通过碳化和表面钝化作用，使表面官能团偶联，实现小分子间聚合，形成绿色荧光CDs[23]。采用水-乙醇-AA体系制备了4批CDs，荧光光谱实验表明，4批样品的荧光强度基本相同，表明此合成体系具有良好的重复性（图2B）。

    3.2?CDs的表征

    透射电镜表征结果显示，所制备的CDs呈近似球形，分散性好，且分布均匀（图3A），插图为CDs的高分辨透射电镜（HRTEM）图，晶格间距为0.20 nm，与石墨（102）晶面相似[44]。粒径大小在2～6 nm间，平均粒径为（3.8±0.6） nm（图3B）。傅里叶变换红外光谱（图3C）显示，CDs分别在3309和1642 cm1处有明显的吸收峰，为OH键和CO键的伸缩振动; 在2982和2907 cm1处的峰分别对应CH键的对称和非对称伸缩振动; 在1085和1044 cm1处的峰对应CO伸缩振动[45，46]，表明CDs表面可能含有羟基和羧基类亲水性官能团，因此CDs具有良好的水溶性。X-射线光电子能谱（XPS）显示，在532.32和286.07 eV处分别为O1s和C1s峰，说明CDs主要由C和O两种元素组成，C和O占比分别为55.09%和44.91%（图3D）。图3E为C1s的高分辨谱图，包含284.83，286.45、288.37和291.7 eV处的4个峰，分别对应CC/CC、COC/COH、CO、OCO官能团; 图3F为O1s的高分辨谱图，531.97 eV和533.07 eV分别对应CO和CO官能团[46，47]。FTIR和XPS两者结果一致，表明CDs表面含有丰富的含氧基团，这些官能团的存在使得CDs具有良好的水溶性。

    3.3?CDs的光学性质研究

    在355～455 nm波长范围内测定CDs的激发光谱，发现随着激发波长增大，荧光强度先增大后降低，在365 nm激发下荧光发射强度最大，并且发射波长位置从525 nm逐渐红移至534 nm（图4A）。此现象与CDs发射位置随激发波长增大而红移的性质相符，CDs的这种激发波长依赖性质与其粒径或发射陷阱位点的多样性有关[48]。CDs的紫外可见吸收光谱（图4B，曲线a）表明，CDs在260 nm处有较强的吸收峰，这是由于CDs中不饱和键CC受激发形成的π-π跃迁[49]; 在350～370 nm范围内有微弱的宽吸收带，由于CO键受到激发，引起的n-π跃迁[50]。CDs在自然光和紫外灯（365 nm）照射下，分别呈现黄棕色和黄绿色（图4B，曲线d和e）。这与CDs在最大激发波长365 nm激发下，于525 nm出现发射峰的现象相符（图4B，曲线b和c）。此外，考察了CDs的光稳定性。用氙灯连续照射120 min，CDs的荧光强度基本未发生变化（图4C）。将此CDs在4℃下放置4个月，荧光强度稳定（图4D），表明此CDs的荧光稳定性良好。

    3.4?CDs对Al3+的响应

    将不同浓度Al3+分别加入到CDs原液和稀释液中，使Al3+终浓度分别为0、10、100和1000 μmol/L，在365 nm激发波长下测定荧光光谱。如图5A和5B所示，随着Al3+的加入，荧光强度均逐渐增强，并伴随着荧光蓝移现象，结果表明，在相同Al3+浓度下的CDs稀释液对Al3+的响应更显著，增强倍数更高。CDs原液（图5C，a）及稀释液（图5C，b以及图5D）的发射峰位置基本一致，原液显示出亮黄绿色荧光，稀释液显示出微弱的黄绿色荧光（图5C插图）。向稀释液中加入1000 μmol/L Al3+，结果如图5E所示，在6 min时，体系的荧光强度基本稳定。荧光光谱图如图5F所示，此时可观察到明显蓝色荧光（图5F插图）。因此，选择CDs稀释液用于荧光增强检测Al3+。

    将不同浓度的Al3+加入到CDs稀释液中，反应6 min，测试其荧光光谱。如图5G所示，随着Al3+浓度的增加（0～1000 μmol/L），荧光强度逐渐增强，并伴随着荧光蓝移的现象，发射峰由最初的525 nm蓝移至485 nm（图5G），与所观察到的荧光现象一致，

    即紫外灯下由黄绿色变为蓝色（图5G插图）。其中，荧光强度与Al3+浓度在50～500 nmol/L和500～2000 nmol/L范围内分别呈良好的线性关系（图5H），线性方程分别为F=31.11+72.72C （R2=0.9988）和F=51.53+34.16C （R2=0.9976），檢出限为10.23 nmol/L，低于美国环保署和中国《生活饮用水卫生标准》对饮用水中Al3+的限量值（7.4 μmol/L）。与文献报道的检测Al3+的方法相比（表1），本方法具有较低的检出限。

    3.5?CDs傳感体系的选择性

    在CDs稀释液中分别加入1.0 mmol/L的阳离子Al3+、Ba2+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+、Na+、Ag+、Fe3+、K+、Ni2+、Cu2+、Co2+、Mn2+、Cd2+，以及阴离子NO3、Br、SO24、C6H5O36、F、Cl、HCOO、H2PO4、CH3COO2、I、CO23和C2O24溶液，离子终浓度均为100 μmol/L，在365 nm激发波长下测定荧光光谱。选择了16种常见的金属离子和12种阴离子，考察体系的选择性，各离子终浓度为100 μmol/L。如图6所示，Al3+的荧光强度增强现象最为明显，Ag+与Fe3+对CDs有微弱的猝灭作用，其余离子对CDs的荧光强度几乎没有影响，表明此CDs对Al3+具有良好的选择性。

    3.6?实际饮用水样中Al3+的检测

    选取市售某瓶装饮用水进行检测。CDs传感体系对饮用水样品无明显响应，即未检出Al3+。向待测水样中加入不同浓度Al3+，检测各样品的荧光强度，加标回收实验结果如表2所示，Al3+的回收率为97.7%～105.7% （RSD<1.9%），表明本方法可用于实际饮用水中Al3+的检测。

    4?结 论

    以抗坏血酸为碳源，经过一步水热法合成了绿色荧光CDs，粒径分布均匀，表面包含大量的羧基及羟基亲水性基团，具有良好的水溶性和荧光稳定性。基于CDs的荧光增强效应实现对Al3+的检测。本方法检出限低、灵敏度高、选择性好，适用于饮用水中Al3+含量的检测。

    References

    1?Carter K P，Young A M，Palmer A E. Chem. Rev.，2014，114（8）： 4564-4601

    2?Kumar A，Chae P S. Anal. Chim. Acta，2017，958： 38-50

    3?Ghosh K，Majumdar A，Sarkar T. RSC Adv.，2014，4（45）： 23428-23432

    4?Nayak P. Environ. Res.，2002，89（2）： 101-115

    5?Tu M C，Rajwar D，Ammanath G，Palaniappan A，Yildiz U H，Liedberg B. Anal. Chim. Acta，2016，912： 105-110

    6?Liu Y W，Chen C H，Wu A T. Analyst，2012，137（22）： 5201-5203

    7?Wisniewski H M，Moretz R C，Sturman J A，Wen G Y，Shek J W. Environ. Geochem. Health，1990，12（1-2）： 115-120

    8?Fasman G D. Coord. Chem. Rev.，1996，149（1）： 125-165

    9?GB/5749-2006，Standards for Drinking Water Quality. National Standards of the People's Republic of China

    生活饮用水卫生标准. 中华人民共和国国家标准. GB/5749-2006

    10?EPA 816-F-02-013，National Primary Drinking Water Regulations，USA

    11?Melnyk L J，Morgan J N，Fernando R，Pellizzari E D，Akinbo O. J. AOAC Int.，2003，86（2）： 439-447

    12?Guo Y，Din B J，Liu Y W，Chang X J，Meng S M，Tian M Z. Anal. Chim. Acta，2004，504（2）： 319-324

    13?Norouzi P，Gupta V K，Larijani B，Rasoolipour S，Faridbod F，Ganjali M R. Talanta，2015，131： 577-584

    14?Wang C X，Wu B，Zhou W，Wang Q，Yu H，Deng K，Li J M，Zhuo R X，Huang S W. Sens. Actuators B，2018，271： 225-238

    15?Wang J，Liu H B，Tong Z F，Ha C S. Coord. Chem. Rev.，2015，303： 139-184

    16?Yang Y M，Zhao Q，Feng W，Li F Y. Chem. Rev.，2013，113（1）： 192-270

    17?Sufi O R，Gandhi S，Ananya M，Chellappa D，Akash G. Chem. Select.，2017，2（17）： 4609-4616

    18?Wen X Y，Fan Z F. Anal. Chim. Acta，2016，945： 75-84

    19?Li Y，Niu Q，Wei T，Li T. Anal. Chim. Acta，2019，1049： 196-212

    20?Ye X P，Sun S B，Li Y D，Zhi L H，Wu W N，Wang Y. J. Lumin.，2014，155： 180-184

    21?LI Jing，HAN Shu-Hua. Chinese J. Anal. Chem.?2017，45（9）： 1346-1352

    李 静，韩书华. 分析化学，2017，45（9）： 1346-1352

    22?Debal K S，Partha M. Inorg. Chem.，2015，54（13）： 6373-6379

    23?Mhetaer Tuerhong，XU Yang，YIN Xue-Bo. Chinese J. Anal. Chem.，2017，45（1）： 139-150

    木合塔尔·吐尔洪，徐 阳，尹学博. 分析化学，2017，45（1）： 139-150

    24?Wen X P，Shi L H，Wen G M，Li Y Y，Dong C，Yang J，Shuang S M. Sens. Actuators B，2016，235： 179-187

    25?Shanti K，Changerath R，Molly A，Kunnatheery S. J. Mater. Chem. B，2014，2（48）： 8626-8632

    26?Zhao Y L，Yang B，Liu J Q. Sens. Actuators B，2018，271： 256-263

    27?Li H T，Kang Z H，Liu Y，Lee S T. J. Mater. Chem.，2012，22（46）： 24230-24253

    28?Zhang Q Q，Chen B B，Zou H Y，Li Y F，Huang C Z. Biosens. Bioelectron.，2017，100： 148-154

    29?JIA Jing，LU Wen-Jing，LI Lin，JIAO Yuan，GAO Yi-Fang，SHUANG Shao-Min. Chinese J. Anal. Chem.，2019，47（4）： 560-566

    贾 晶，路雯婧，李 林，焦 媛，高艺芳，双少敏. 分析化学，2019，47（4）： 560-566

    30?Dong Y Q，Wang R X，Li G L，Chen C Q，Chi Y W，Chen G N. Anal. Chem.，2012，84（14）： 6220-6224

    31?Furtado C A，Kim U J，Gutierrez H R，Ling P，Dickey E C，Eklund P C. J. Am. Chem. Soc.，2004，126（19）： 6095-6105

    32?Sun Y P，Zhou B，Lin Y，Wang W，Fernando K A S，Pathak P，Meziani M J，Harruff B A，Wang X，Wang H，Luo P G，Yang H，Kose M E，Chen B，Veca L M，Xie S Y. J. Am. Chem. Soc.，2006，128（24）： 7756-7757

    33?Zhou J G，Booker C，Li R，Zhou X T，Sham T K，Sun X L，Ding Z F. J. Am. Chem. Soc.，2007，129（4）： 744-745

    34?Liu H P，Ye T，Mao C D. Angew. Chem. Int. Ed.，2007，46（34）： 6473-6475

    35?Atchudan R，Edison T N J I，Aseer K R ，Perumal S，Karthik N，Lee Y R. Biosens. Bioelectron.，2017，99： 303-311

    36?Zhu H，Wang X L，Li Y L，Wang Z J，Yang F，Yang X R. Chem. Commun.，2009，1（34）： 5118-5120

    37?LIU Hong-Ying，HUANG Cheng，DAI Da-Xiang，JIAO Ming-Zhen，GU Chun-Chuan. Chinese J. Anal. Chem.，2018，46（10）： 1610-1617

    劉红英，黄 成，戴大响，焦明儒，张名镇，顾春川. 分析化学，2018，46（10）： 1610-1617

    38?FANG Jing-Mei，LIU Li-Qin，ZHAO Xi-Juan，LI Yuan-Fang. Chinese J. Appl. Chem.，?2013，30（10）： 1144-1148

    方静美，刘利芹，赵希娟，李原芳. 应用化学，2013，30（10）： 1144-1148

    39?Tripathi K M，Tran T S，Kim Y J ，Kim T Y. ACS Sustain. Chem. Eng.，2017，5（5）： 3982-3992

    40?Purbia R，Paria S. Biosens. Bioelectron.，2016，79： 467-475

    41?Liu P，Li W Y，Guo S，Xu D R，Wang M N，Shi J B，Cai Z X，Tong B，Dong T P. ACS Appl. Mater. Interface，2018，10（28）： 23667-23673

    42?Gao Y F，Jiao Y，Lu W J，Liu Y，Han H，Gong X J，Xian M，Shuang S M，Dong C. J. Mater. Chem. B，2018，6： 6099-6107

    43?Wu H Y，Mi C C，Huang H Q，Han B F，Li J，Xu S K. J. Lumin.，2012，132（6）： 1603-1607

    44?Liu P P，Zhang C C，Liu X，Cui P. Appl. Surf. Sci.，2016，368： 122-128

    45?Wen X P，Shi L H，Wen G M，Li Y Y，Dong C，Yang J，Shuang S M. Sens. Actuators B，2015，221： 769-776

    46?Chen D X，Zhao J J，Zhang L L，Liu R J，Huang Y，Lan C Q，Zhao S L. Anal. Chem.，2018，90（21）： 13059-13064

    47?Fang Y X，Guo S J，Li D，Zhu C Z，Ren W，Dong S J，Wang E K. ACS Nano，2012，6（1）： 400-409

    48?Gokhale R，Singh P. Part. Part. Syst. Charact.，2014，31（4）： 433-438

    49?Sudolská M，Dubecky M，Sarkar S，Reckmeier C J，Zboǐil R，Rogach A L，Otyepka M. J. Phys. Chem. C，2015，119（23）： 13369-13373

    50?Lu W，Qin X Y，Liu S，Chang G H，Zhang Y W，Luo Y L，Asiri A M，Al-Youbi A O，Sun X P. Anal. Chem.，2012，84（12）： 5351-5357

    51?Brahim N B，Poggi M，Lambry J C，Mohamed N B H，Chabane R B，Negrerie M. Inorg. Chem.，2018，57（9）： 4979-4988

    52?SU Ce，WANG Peng. Journal of Lanzhou University of Technology，2018，44（01）： 65-69

    蘇 策，王 鹏. 兰州理工大学学报，2018，44（01）： 65-69

    53?Lim C，Seo H，Choi J H，Kim K S，Helal A，Kim H S. J. Photoch. Photobio. A，2018，356： 312-320

    54?Manjunath R，Kannan P. Inorg. Chem. Commun.，2019，101： 177-183