| 标题 | 煤基碳点的制备及其在检测痕量Cu2+中的应用 |
| 范文 | 张卜+哈丽丹·买买提+张云飞+戴艳秋 摘 要 以新疆五彩湾煤炭为原料，通过混酸（H2SO4+HNO3）/超声结合法制得煤基碳点（Cdots）， 对其结构进行了表征，考察了其作为荧光探针检测水体中金属离子的性能。结果表明，此煤基Cdots是一类具有sp2碳构筑的多层石墨烯碎片结构环壁，且链接了硝基等含氧基团的稠环芳烃结构粒子，粒径为（8±4）nm，具有良好的吸收和荧光发射能力及水分散性； 在痕量Cu2+存在下，此Cdots能够选择性地发生荧光猝灭，对Cu2+的检出限低至9.6 nmol/L，是一种极为有效的Cu2+荧光检测剂。 1 引 言 碳点（Cdots）是2004年Xu等在分离和纯化单壁碳纳米管时发现的一类粒径小于 10 nm 的近球形颗粒[1]，因具有卓越的光稳定性和水溶性、优异的生物相容性和低毒性、良好的化学稳定性以及响应性的荧光猝灭/增强等性质而得到了广泛应用[2～5]，特别是在生化分析及环境监测等领域，Cdots因具有较高的选择性和灵敏度， 已成为离子检测方面的常用探针[6，7]。如Zhang等[8] 采用亚硫酰氯（SOCl2）氯化及乙二胺钝化等步骤制得纤维素基荧光纳米粒子（NCCEDA），将其作为荧光探针，用于检测水体中的Pb2+，检出限为24 nmol/L； Yan等[9]制备了聚乙烯亚胺（BPEI） 功能化的碳点（BPEICQDs），并成功用于Cu2+的检测，检出限达到6 nmol/L。然而，具有良好应用价值的纳米粒子（荧光量子产率较高）大多需要进行功能化修饰，制备过程繁杂且价格昂贵； 另外，采用不同原料及方法制得的荧光Cdots的结构和性质迥异，对环境中离子或其它物质产生的特异性荧光响应也不同[10]。因此，选择廉价易得的原料，采用更简便的方法制备荧光Cdots，并探索其结构、性能及应用，具有重要的实际应用价值。 Cu2+作为众多酶的辅因子，在生物体的生理活动中起着非常重要的协同催化作用[10，11]； 但如果生物体摄入的Cu2+过多， 又会打破细胞内的稳态， 从而导致一些类似阿耳茨海默症的神经性疾病[12～14]。美国环境保护署的饮用水标准提出人体摄入的Cu2+不能超过1.3 mg/L[15]， 而我国饮用水标准中总铜含量不能超过1.0 mg/L。因此， 发展一种能高效、快速的检测环境与生物体内Cu2+的荧光探针，具有重要的应用价值。 本研究选择易于制备碳材料的新疆五彩湾煤炭[16]为原料，通过混酸（H2SO4+HNO3）/超声结合法制备煤基Cdots，并在表征结构及光学性能的同时，将此煤基Cdots作为荧光探针， 用于检测水体中的金属离子，考察了其对Cu2+的选择性猝灭效应。 2 实验部分 2.1 仪器、试剂与材料 Fluorolog3型荧光光谱仪（法国HORIBA公司）； M18XHF22SRA型X射线衍射仪（MAC公司）； Eclipse TiS型荧光显微镜（20 × 物镜，日本Nikon公司）； UV3900H型紫外可见分光光度仪（日本HITACHI公司）。 集热式磁力加热搅拌器（金坛市医疗仪器厂）； KQ5200E型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）； SFTGL12C型高速离心机 （上海菲恰尔分析仪器有限公司）。H600型透射电子显微镜（TEM，日本日立公司）； ESCALAB 250型X射线光电子能谱仪（美国Thermo Fisher公司）。 H2SO4、HNO3等试剂均为分析纯； 实验用水均为二次蒸馏水。Spectrumiabs即用型透析袋（截留分子量100～500，上海通善生物科技有限公司）。煤样取自中国新疆准东煤田的五彩湾煤矿，研磨并过200目筛后，在105℃下干燥4 h备用。 2.2 煤基Cdots的制备 按文献[17]的方法制备煤基Cdots： 煤样过200目筛，称取1 g加入2.5 mol/L HNO3溶液，室温搅拌24 h后再回流搅拌24 h，冷却至室温，离心，沉淀出煤粉渣，吹干后取0.5 g置入溶解瓶中，按比例加入25 mL H2SO4HNO3 （3∶1， V/V），60℃下超声分散12 h，之后移至离心管中，用30 mL 水分3次洗涤沉淀物，离心分离（10000 r/min）除去洗液后（测得体系pH=0.01～1.21），加入20 mL水振荡1 min，待沉淀物分散后，进行离心分离，取上层液（此时体系pH=1.99～4.09），并将其置入透析袋中，在水中透析72 h至中性，得煤基Cdots的水分散体，将其吹干，得0.0618 g黑褐色煤基Cdots。 2.3 形貌和成分表征 取煤基Cdots水分散体滴在铜网上晾干后，采用TEM观察其形貌结构； 纳米激光粒度仪测定煤基Cdots的粒径； 采用X射线衍射仪对煤基Cdots进行XRD表征； 采用X射线光电子能谱仪（XPS）分析煤基Cdots的表面状态。 分 析 化 学第45卷 第10期张卜等： 煤基碳点的制备及其在检测痕量Cu2+中的应用 2.4 光学性能测试 将稀释的煤基Cdots水分散体放入比色皿中，测定其UVvis吸收光谱，以及不同激发波长下的发射光谱； 将煤基Cdots水分散液滴在盖玻片上晾干后， 使用荧光显微镜观察煤基Cdots在不同波长光激发下的发光特性，并拍摄照片。 2.5 煤基Cdots对Cu2+的检测 荧光纳米粒子与半导体量子点类似，可通过与目标物作用，改变其表面电子空穴对之间的复合效率，导致荧光的增强或猝灭，从而实现对目标物的定性或定量分析[18]。为了检测本研究制备的煤基Cdots对Cu2+的荧光响应性，考察了15种常见金属离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Hg2+、Cr3+）对煤基Cdots荧光强度的影响，实验步骤如下：配制0.25 g/L煤基Cdots溶液，分别移取1.00 mL，置入0～15号100 mL容量瓶中，再用PBS缓冲溶液（pH=7）定容，得0～15号煤基Cdots的PBS溶液。在1～15号溶液中分别加入1.00 mL（30 μmol/L）不同金属离子溶液，测定其荧光发射光谱强度（F），并与未加入金属离子溶液的空白溶液（0号）的荧光强度（F0）进行对比， 考察煤基Cdots对Cu2+的选择性。配制一系列不同浓度的Cu2+溶液（0～50 μmol/L），取0.1 mL滴在煤基Cdots的PBS溶液中，混匀并测定其荧光发射光谱强度（F），观察发光强度的变化（F/F0）， 考察煤基Cdots對Cu2+的灵敏度。选择性及灵敏度实验平行测定3次，结果取平均值。 3 结果与讨论 3.1 煤基Cdots的结构 煤分子是由脂肪链或醚键链接芳香砌块结构的交联状高分子，在有机溶剂中只能溶胀而不能溶解[19]，但通过混酸/超声处理后，其分子结构发生了根本变化。如图1所示，在强酸及超声作用下，链接煤炭分子中稠环芳烃结构的脂肪链或醚键首先断裂，分布在其中的芳烃小分子流出，并与断裂的脂肪链分子一同被酸氧化而键联上大量的含氧官能团溶入水相（体系pH=0.01～1.21）； 之后，随着水洗次数增多，体系中的酸含量逐渐降低， pH值逐步增大，当酸水的比例达到某个特定值时（此时pH=1.99～4.09），体系中会产生大量的硝化质子·NO2，并向芳环结构发起亲电子攻击[20]，导致煤炭中的稠环芳烃结构分子进一步氧化脱水，链接上硝基等含氧基团而溶入水中。该解聚物的颗粒尺寸恰好与量子点相当，且具有sp2碳构筑的多层石墨烯碎片结构环壁，是典型的荧光Cdots结构物质[21]。 图2为本实验制备的煤基Cdots的结构表征结果。由图2A可见，通过混酸氧化法剥离除灰后的五彩湾煤炭制备的煤基Cdots为粒径分布在（8±4）nm的近球形颗粒。其高分辨率透射电镜图像显示该纳米颗粒为环状物（如图2A插图，应为煤炭中的芳环结构物质），环壁具有类似石墨结构 3.2 煤基Cdots的光学性质 由混酸/超声结合法制得的煤基Cdots水分散体的吸收及荧光光谱（图3A）可见，制备的煤基Cdots在紫外及可见光区域均有广泛吸收。这可能与煤基Cdots结构中的大π键在紫外区发生的π→π*跃迁和其表面链接的CO， CN， CS，NO2等杂原子生色基团在可见光区发生的n→π*跃迁有关[28]。当采用360～540 nm的光激发煤基Cdots时，其荧光发射峰为单峰，强度是先增后降，且随激发波长的增长而红移，在500 nm左右达到最佳激发波长，在550 nm 左右出现最强发射峰。这说明本研究制备的煤基Cdots具有激发依赖的发射性质[29]。 将煤基Cdots水分散体滴在盖玻片上晾干后，在荧光显微镜下观察其形貌及发光特征，发现使用不同通道（既不同波长）的激发光，煤基Cdots会发出不同色的荧光，结果如圖3B～3D：图3B是在340～380 nm激发光下发射蓝色荧光的煤基Cdots的荧光显微镜照片； 采用465～495 nm的激发通道时，煤基Cdots发出绿色荧光（如图3C）； 而采用540 nm的光激发时，煤基Cdots会发射红色荧光（如图3D）。这一结果与煤基Cdots的荧光光谱一致，进一步证明了煤基Cdots激发依赖的发射性质[29]。另外，采用340～540 nm的光激发上千次后的拍摄结果见图3B～3D，在此过程中未发现明显的发射光强度衰减现象，说明此煤基Cdots具有一定的光稳定性。 3.3 煤基Cdots用于荧光探针检测Cu2+的灵敏性和选择性 按照前述实验方法，考察K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Hg2+和Cr3+对煤基Cdots荧光强度的影响，结果见图4A。 图4A中纵坐标表示加入不同金属离子后煤基Cdots的荧光强度F和未加金属离子时煤基Cdots的荧光强度F0的比值（F/F0）。从图4A可见，当Cdots水分散液中存在K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Cd2+或 Hg2+时， Cdots的荧光几乎未衰减； 在Fe3+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Co2+或Cr6+存在时， Cdots的荧光强度稍有下降，但降幅不明显； 然而当煤基Cdots水分散液中存在Cu2+时， 煤基Cdots的荧光强度下降显著， 说明Cu2+对煤基Cdots具有一定的选择猝灭效应。 为了揭示Cu2+对煤基Cdots的荧光具有选择性猝灭的原因，在2.5 μg/mL煤基Cdots的PBS缓冲溶液中加入2 mL 30 μmol/L Cu2+溶液，当Cdots的荧光完全淬灭后， 采用TEM观察混合液其中Cdots形貌结构的变化，发现Cu2+已吸附于煤基Cdots表面（图4B），可能是Cu2+与存在于煤基Cdots表面的羧基、羟基、环氧基、磺酸基、硝基等含氧官能团发生了螯合作用，从而导致煤基Cdots的荧光淬灭。为了验证此结论， 在上述实验液中加入了过量的强螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA），使其与溶液中的Cu2+充分螯合，再次测试溶液的荧光光谱，发现荧光强度几乎能完全恢复到未加Cu2+时的水平。通过上述分析， 可以推断之前煤基Cdots水分散体的荧光淬灭是由加入的Cu2+与存在于煤基Cdots表面的含氧官能团发生螯合作用而引起的。 图5是体系pH值、煤基Cdots与Cu2+的反应时间对煤基Cdots荧光强度的影响。 体系pH值既影响煤基Cdots的表面电荷特征，又影响Cu2+的水解行为及其在溶液中的存在形态，因此会强烈影响煤基Cdots与Cu2+的螯合。由图5A可见，体系pH<3时，Cu2+对煤基Cdots的荧光淬灭效果不佳。因为此时，煤基Cdots表面会附着有大量的H+而占据Cdots与Cu2+的结合位点； 而且在酸性条件下，Cu2+ 又以[Cu（H2O）6]2+ 的形态存在[30]，同种电荷的排斥作用也降低了Cu2+与Cdots的结合能力。随着体系pH值增大，煤基Cdots表面所附着的H+被释放，链接在Cdots的COOH、OH等含氧基团上的H+也会被解离，这不仅使Cdots表面结合Cu2+的位点增加，而且还能使Cdots表面负电荷增加。而此时，Cu2+ 是以[Cu（OH）（H2O）6]+ 的形态存在的[30]，Cdots表面结合位点的增多，以及异性电荷的相吸，均能促进Cu2+与Cdots的螯合作用，从而使Cu2+对煤基Cdots的荧光淬灭效果增强。本研究采用pH=7的PBS缓冲溶液维持检测体系处于中性。 4 结 论 以新疆五彩湾煤炭为原料，通过混酸（H2SO4+HNO3）/超声结合法制备了粒径为（8±4） nm的煤基Cdots。TEM、XRD、XPS等测试结果表明其是一种具有sp2碳构筑的多层石墨烯碎片结构环壁，且链接了羧基、羟基、环氧基、磺酸基、硝基等含氧基团的稠环芳烃结构环状粒子，具有良好的水分散性。将煤基Cdots作为荧光探针检测水体中的金属离子，在痕量Cu2+离子存在下，煤基Cdots能够选择性的发生荧光猝灭，对Cu2+的检出限低达9.6 nmol/L，是一种极为有效的Cu2+荧光检测剂。 |
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