绿色可调的氮、磷和硫共掺杂碳点的制备及应用研究*

夏 艳，童玉莲，刘 丹，陈安银，王 渝，游传绪

(四川文理学院化学化工学院,四川 达州 635000)

汞和汞的化合物都为剧毒物质，能在人体内蓄积且半衰期长[1]，对人类健康有着极大的危害。因此建立一种简单、无毒、快速有效的汞离子检测方法具有重大的意义。检测汞离子的方法有很多，如原子发射光谱法[2]，原子吸收光谱法[3]和极谱法[4]及电化学传感[5]和光化学传感[6]等，但这些方法存在很多问题，如成本高，合成复杂，灵敏度低等，如何设计一种合成简单，灵敏度高的识别汞离子的探针有很大的价值。近年来，由于荧光量子点具有优良的特性，使得其应用领域越来越广泛，如化学生物传感器[7]、生物检测[8]、重金属检测[9]、生物成像[10]等，但很多荧光量子点是由重金属合成的无机纳米材料，存在毒性较大这个弱点，碳点具有绿色环保，水溶性好，制作成本低，生物兼容性好等特点正好解决了重金属合成的量子点的弱点，成为科研工作者的研究热点，近年来尤其以天然物质为碳源制备荧光型碳量子点成为众多科研工作者关注的焦点。

本课题拟以天然材料苦瓜汁为绿色前驱体，该原料绿色环保、价格低廉、来源广，是可再生的绿色物质。通过水热合成法合成了荧光性能稳定、水溶性良好的氮掺杂的碳点。研究发现向制备的新型碳点溶液中加入一定量的汞离子后，发生了荧光猝灭的现象，基于此将制备的碳点用作荧光探针来测定水溶液中的Hg2+浓度。

1 实 验

1.1 试剂和仪器

从当地菜市场购买的数根新鲜苦瓜；硝酸汞、硝酸银、氯化钠、氯化钙、氯化锌、氯化钴、氯化镁、氯化铁、氯化铜、硫酸铅、硫酸锰、硫酸镍、磷酸氢钠磷、酸二氢钠、氢氧化钠等均购于国药集团化学试剂有限公司；超纯水。其他试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

TECNAI 10型透射电镜，荷兰Philips-FEI公司；F-2700荧光分光光度计，日本日立公司；恒温真空干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；真空循环抽水泵，上海精宏实验设备有限公司；FA2004N型电子分析天平，上海精密仪器有限公司；PSHJ-5型酸度计，上海精密仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 荧光碳点的制备

使用榨汁机榨取新鲜苦瓜，然后经过抽滤后静置，重复操作三次，得到50 mL苦瓜汁。将50 mL苦瓜汁滤液放入内托聚四氟乙烯的高温反应釜中，将高温反应釜置于真空干燥箱中以120 ℃恒温水热反应8 h，待反应结束关闭电源，自然冷却至室温。取出悬浊液进行真空抽滤，再依次用0.45 μm和0.22 μm的水相微滤膜过滤，得到天然绿色苦瓜前驱体-掺杂氮、磷和硫的碳点。

1.2.2 二价汞离子的测定

将100 μL(2.0 g/L)碳点溶液放入5 mL塑料比色管中、然后2 mL PBS(pH=7.0)缓冲溶液，然后向其中加入不同浓度的汞离子溶液400 μL和蒸馏水定容至4 mL，然后在F-2700分光光度计上测定其荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 氮/硫/磷碳点表征

图1 氮-硫-磷掺杂碳点的TEM图Fig.1 TEM images of N/S/P-CDs

将合成的氮-硫-磷掺杂的碳点用透射电子显微镜(TEM)表征，见图1。TEM图像可知，该碳点较为均匀地分散，呈单分散的类球形或球形,粒径大小为6 nm左右。同时考察了碳点的红外光谱图，见图2，根据傅里叶红外光谱图可知，该碳点掺杂了氮、硫、磷元素。

图2 氮-硫-磷掺杂碳点的FIR图Fig.2 FTIR spectra of N/S/P-CDs

采用F-2700荧光光度计测定碳点的最佳荧光激发和发射波长(图3)。由图可知，苦瓜汁制备的天然碳点具有对称的激发和发射光谱，根据所测得的数据可知，最大激发波长为386 nm,最大发射波长为468 nm。

图3 荧光碳点荧光光谱图Fig.3 Fluorescence spectra of synthesized carbon dots

2.2 氮/硫/磷碳点的稳定性

考察了以苦瓜汁为原料水热合成的碳点的稳定性，实验分别对刚合成的碳点进行荧光强度追踪，实验结果表明该碳点在15天内冰箱冷藏保存荧光强度几乎不变，说明该碳点在一定时间范围内能稳定存在。

2.3 荧光碳点测定汞离子的光谱特征

取100 μL(2.0 g/L)碳点溶液、2 mL PBS(pH=7.0)缓冲溶液于入5mL塑料比色管中，在最佳实验条件下，向其中加入不同浓度的汞离子溶液，测定其荧光强度变化，实验结果见图4，从图中可以看出合成的氮-硫-磷碳点与汞离子结合后，随着汞离子的加入，荧光发生明显的猝灭，并且随着汞离子浓度的增加，碳点的荧光值降低越多，在一定的范围内呈线性关系，据此可以建立以苦瓜汁为原料合成氮-硫-磷碳点用于汞离子测定的新方法。

图4 不同浓度Hg2+下碳点的荧光光谱图Fig.4 Photoluminescent spectra of carbon dotsin the presence of differentconcentrations of Hg2+

2.4 pH的优化

本实验分别使用了多种缓冲溶液考察其对氮硫磷掺杂碳点—汞离子体系荧光强度的影响，如PB、PBS和HAc-NaAc，实验数据表明在PBS缓冲溶液中，汞离子对碳点的荧光猝灭效果最好，因此选择PBS作为本实验最佳缓冲试剂。探究在不同pH下汞离子对碳点的猝灭效果，本实验选取pH=7.0的介质环境作为最佳条件。

2.5 反应温度和离子强度的选择

按实验方法分别考察了制备的碳点在不同温度下其本身的荧光强度以及在不同温度下碳点-Hg2+体系的荧光强度变化，实验结果表明温度的变化对碳点荧光强度以及对Hg2+的测定基本没有影响。说明该体系对温度的要求不高，适用范围广。同时探究了水溶液中NaCl浓度对体系荧光强度的影响，结果显示，即使在离子浓度较高的情况下，碳点性质依旧稳定。

2.6 时间优化

考查了时间对该体系的影响，分别测定反应刚开始到反应2 h测定体系荧光强度的变化。实验结果显示当加入汞离子后,在2 min 内,体系的荧光强度值有较小的变化,之后荧光强度值几乎没有变化,说明此方法检测汞离子反应较迅速，该体系受反应时间的影响不大。本实验选取的的最佳反应时间为2 min。

2.7 碳点测定金属离子的选择性

该实验采用碳点作为荧光探针，探究不同金属离子对碳点荧光强度的影响(图5)。从图中可以看出，在相同条件下，汞离子对碳点的荧光猝灭效果最为明显，与此同时加入其他金属离子到荧光探针溶液中时，碳点荧光强度基本不变，由此可见本实验制备的碳点对汞离子具有良好的选择性。

图5 碳点检测Hg2+的选择性Fig.5 Selectivity of Hg2+detection using carbon dots

2.8 定量分析

图6 Hg2 +测定的标准曲线Fig.6 The linear calibration curveof Hg2 +

保持体系的最佳实验条件，考察了以氮硫磷掺杂的碳点为探针测定不同浓度汞离子的荧光强度变化，实验结果见图6，汞离子的加入使氮硫磷掺杂碳点的荧光发生猝灭，并且随着加入汞离子的量逐渐增大，荧光值降低的越多，并且荧光强度值和汞离子的浓度在一定范围内呈线性关系，根据标准曲线得到其线性回归方程为ΔF=1039.881x+15.336，该体系的线性范围是9.1×10-8mol·L-1-6.8×10-5mol·L-1之间，检出限为3.3×10-8mol·L-1，相关系数为0.999。

2.9 碳点对金属离子的抗干扰性能

根据建立的实验方法测试了该体系的抗干扰性能，进行了如下实验：试验了Mn2+、Ca2+、Fe3+、Ag+、Fe2+、Cu2+、Co2+、Ni2+、Mg2+、Zn2+、Na+、Pb2+对体系的干扰，实验结果误差在±5%以内，说明该体系的抗干扰性能强。

表2 干扰实验Table 2 Interference experiments

2.10 样品分析

探究我们所制备的Hg2+碳点体系在生活中的实际应用情况，我们采集了自来水和学校旁边的洲河水，将水样处理后加入一定量的Hg2+标准溶液进行加标回收试验。见表1，实验结果表明该方法的回收率较在99.7%～100.3%之间，该体系在实际测定样品时，具有一定的应用前景。

表3 实际水样Hg2+分析Table 3 Analysis of PA in real water samples

3 结 论

以天然易获得的原料苦瓜汁通过一步水热法处理苦瓜汁，合成了水溶性的氮-硫-磷掺杂的荧光碳点，并以该碳点作为荧光探针识别水溶液中的汞离子并在一定范围内定量检测其浓度。该实验碳点制备方法简单，原料绿色无污染且来源广。实验结果表明，该体系具有良好的选择性、稳定性和抗干扰性能，具有很大的应用价值。