基于核桃殼碳量子點的制備及在痕量Hg2+檢測中的應(yīng)用

張嘉沂，徐守芳，公維貴

(1.山東省臨沂第一中學(xué),山東 臨沂 276000; 2.臨沂大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 臨沂 276000)

碳量子點(Carbon quantum dots,CDs)被認(rèn)為是有潛力的代替金屬量子點的材料之一。CDs是以粒徑小于10 nm的碳質(zhì)骨架和表面基團(tuán)構(gòu)成的熒光納米材料[1]。作為新型的“零維”碳納米材料，CDs不僅具有類似于傳統(tǒng)量子點的發(fā)光性能與小尺寸特性，而且還具有水溶性好、生物毒性低和導(dǎo)電性好的優(yōu)勢，使其在生物成像、生物標(biāo)記、傳感器、光催化、發(fā)光二極管等領(lǐng)域受到極大關(guān)注[2-3]。關(guān)于CDs制備方法及性能的研究還處于初步階段，常用的合成方法主要分為自上而下和自下而上兩大類。自上而下的方法是指通過物理或化學(xué)的方法將大尺寸的石墨烯、碳納米管等材料切割成小尺寸的量子點，如激光剝離、電化學(xué)氧化、弧光放電法等[4]；自下而上的方法則是指通過小分子作為前驅(qū)體，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)制備CDs，如微波輔助法[5]、溶劑熱法、水熱反應(yīng)法[6]等。其中，水熱反應(yīng)法無強(qiáng)氧化及腐蝕性反應(yīng)物參與、低消耗、無毒，同時可以實現(xiàn)一步制備，實驗簡單。通過選擇不同的有機(jī)碳源，如檸檬酸[7]、甘油[8]、牛血清白蛋白[9]、果汁[10]、抗壞血酸[11]等，可以合成具有不同性質(zhì)與組成的CDs，因此目前在CDs 合成領(lǐng)域該法應(yīng)用最為廣泛。

汞離子(Hg2+) 是毒性較高的重金屬離子之一。它能夠通過食物鏈產(chǎn)生富集效果，最終在人體內(nèi)積累，對人類的健康和生命造成嚴(yán)重威脅，如大腦及中樞神經(jīng)的損傷、腎臟衰竭、DNA 破壞等。因此，對汞污染的研究和測定逐漸成為各國環(huán)境工作者研究的熱點。目前，Hg2+的檢測方法有比色法[12]、電化學(xué)法[13]、熒光光譜法[14]及等離子體質(zhì)譜法[15]等。相比于其它幾種方法，熒光光譜法具有靈敏度高、選擇性好、用樣量少、方法簡便、工作曲線線性范圍寬等優(yōu)點。

目前我國核桃種植面積和產(chǎn)量僅次于美國，居世界第二位，每年有大量的核桃殼被丟棄，不僅浪費資源，而且污染環(huán)境。"節(jié)能環(huán)保、變廢為寶"的理念加快了人們對核桃殼的認(rèn)知及利用。研究表明，干核桃殼的組成成分為：灰分0.66%，苯醇抽出物3.71%，木質(zhì)素38.05%，纖維素30.88%，半纖維素27.26%，所以含碳豐富。

本文以核桃殼為碳源，通過水熱法合成氮摻雜碳量子點，采用紫外光譜、紅外光譜、熒光光譜、掃描電鏡對量子點進(jìn)行表征，利用汞對碳量子點熒光的猝滅效應(yīng)建立了測定汞的方法，用于實際水樣中汞的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

RF-5301PC熒光分光光度計(日本島津公司)；JEM-2100透射電子顯微鏡(日本電子株式會社)；ZF-6051真空干燥箱(上海一恒科技有限公司)；聚四氟乙烯襯里不銹鋼高壓反應(yīng)釜(50 mL)；ZF-1B三用紫外分析儀(上海和勤分析儀器有限公司)。

尿素(CH4N2O)、Hg(NO3)2·0.5H2O、Al(NO3)3·9H2O、CaCl2、BaCl2、CuSO4·5H2O、CoCl2·6H2O、FeSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Mg(NO3)2·6H2O、Pb(NO3)2、MnSO4·H2O、NiSO4·6H2O、SrCl2·6H2O、Cd(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·6H2O、AgNO3、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O、NaOH、鹽酸、硝酸均為分析純；實驗用水均為二次蒸餾水。

核桃殼(云南產(chǎn)薄皮核桃)：洗凈烘干，粉碎過篩，待用。

1.2 實驗方法

1.2.1 氮摻雜碳量子點的制備

稱取0.5 g核桃殼粉加入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加25 mL二次蒸餾水，加入0.3 g尿素，攪拌1 h。將反應(yīng)釜放入烘箱中在220 ℃下加熱14 h。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。用孔徑為0.22 μm 微孔濾膜將反應(yīng)液過濾后，將濾液在15000 r/min 轉(zhuǎn)速下離心30 min，除去大顆粒雜質(zhì)。將純化后的溶液蒸發(fā)近干，放在真空干燥箱中干燥72 h 后，得到氮摻雜碳量子點，配制成濃度為1 g /L 的溶液，在4℃下保存。

為了對照，還制備了碳量子點，除了不加尿素，其他步驟同上。

1.2.2 產(chǎn)品性能測試

因為要根據(jù)熒光的變化測定汞離子，所以要對量子點的熒光性質(zhì)進(jìn)行測試。為了弄清量子點長什么樣，需要借助顯微鏡來觀察，但是量子點太小，通過查閱文獻(xiàn)，確定用高分辨透射電子顯微鏡觀察。

1.2.2.1 熒光光譜測試

將制備的碳量子點和氮摻雜碳量子點分散在磷酸鹽緩沖溶液(pH值=7.0)中，在波長331 nm的紫外光下，記錄量子點的熒光光譜。

1.2.2.2 透射電鏡觀測

氮摻雜碳量子點的形態(tài)由JEM-2100高分辨透射電子顯微鏡觀察。將一定濃度純化好的氮摻雜碳量子點分散液滴在超薄碳膜支撐銅網(wǎng)上，自然干燥后，在200 kV加速電壓下測定。

1.2.3 Hg2+的測定

在2個容量瓶中分別加入50 μL 氮摻雜碳量子點溶液(1 g/L)，其中1個加入一定量的Hg2+溶液，另外1個不加Hg2+溶液，分別用磷酸鹽緩沖溶液(pH值=7.0)稀釋至5 mL，混合均勻，室溫下反應(yīng)20 min，測定熒光強(qiáng)度，分別記為F和F0。計算氮摻雜碳量子點的熒光猝滅程度，用F/F0來表示。

1.2.4 樣品分析

沂河、祊河、涑河、柳青河是流經(jīng)臨沂市的主要河流，采集4條河流的水樣，立即通過0.22 μm濾膜過濾得到濾液。取2 mL濾液，按照1.2.3的實驗方法測定Hg2+。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮摻雜碳量子點的制備

制備量子點的關(guān)鍵是提高量子點的熒光強(qiáng)度，影響量子點熒光強(qiáng)度的因素很多，本實驗中有核桃殼粉的粉碎程度(粒度)和用量，尿素用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間。實驗對這些因素逐一進(jìn)行了考察。最佳制備條件為：核桃殼粉粒度為180目，核桃殼粉用量為 0.5 g，尿素的用量為0.30 g，制備溫度為220 ℃，反應(yīng)時間為14 h。

2.2 量子點的性能測試

2.2.1 熒光光譜

圖1 碳量子點的熒光光譜(A)和氮摻雜碳量子點的熒光光譜(B)

圖1A為碳量子點的熒光光譜，圖1B為氮摻雜碳量子點的熒光光譜。插圖中a和b分別為碳量子點和氮摻雜碳量子點在紫外燈下的照片。由圖可知，在434 nm處量子點熒光最強(qiáng)，摻雜尿素可以顯著提高量子點的熒光強(qiáng)度。因此后續(xù)實驗中使用的都是氮摻雜碳量子點，測定的都是434 nm處的熒光強(qiáng)度。

2.2.2 透射電鏡照片

圖2 氮摻雜量子點的透射電鏡圖

氮摻雜碳量子點的透射電鏡照片如圖2所示，圖中黑點為量子點。所制備的氮摻雜碳量子點分散性好，大小比較均勻，它的粒徑約為4 nm。

2.3 Hg2+測定方法的確立

實驗發(fā)現(xiàn)，Hg2+能夠減弱氮摻雜碳量子的熒光，減弱程度與Hg2+的含量有定量關(guān)系，根據(jù)這一點要建立一種測定Hg2+的方法。

一種分析方法的建立需要考察影響靈敏度的因素，確定最佳測定條件，繪制工作曲線，給出線性方程、線性范圍和檢出限，還要研究共存物質(zhì)對待測物質(zhì)的影響。

2.3.1 Hg2+測定條件的考察

本實驗中影響分析方法靈敏度的因素有氮摻雜碳量子點的濃度、溶液的pH值以及Hg2+與量子點反應(yīng)的時間。分析方法的靈敏度可以用F/F0來表示，F(xiàn)/F0越小方法越靈敏。

2.3.1.1 氮摻雜碳量子點濃度的影響

改變氮摻雜碳量子點濃度8，10，12，14，16mg/L。隨著量子點濃度的增加，F(xiàn)/F0呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當(dāng)量子點濃度為10 mg/L時，F(xiàn)/F0最小且穩(wěn)定。因此選擇10 mg/L 氮摻雜碳量子點進(jìn)行實驗。

2.3.1.2 pH值的影響

熒光減弱程度與pH值密切相關(guān)，改變?nèi)芤旱膒H值5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5。pH值為7.0時，F(xiàn)/F0最小，減弱程度最大。因此，實驗選擇在pH值為7.0的磷酸鹽緩沖液中測定Hg2+。

2.3.1.3 反應(yīng)時間的影響

實驗考察了反應(yīng)時間對熒光減弱的影響，改變反應(yīng)時間5，10，15，20 ，25 ，30 min。隨著反應(yīng)時間的延長，F(xiàn)/F0迅速降低，當(dāng)超過20 min后，F(xiàn)/F0趨于穩(wěn)定，故后續(xù)測定Hg2+選擇20 min。

2.3.2 工作曲線和檢出限

固定上述測定條件：氮摻雜碳量子點濃度10 mg/L，溶液pH值為7，反應(yīng)時間20 min，改變加入Hg2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的量，使反應(yīng)體系中Hg2+的濃度分別為0.0001，0.001，0.002，0.004，0.006，0.008，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，1，2，4，6，8，10，20，40，60，80、100 μmol/L。測定反應(yīng)后體系的熒光強(qiáng)度，計算熒光減弱程度F/F0。

圖3 Hg2+對熒光強(qiáng)度(A)和熒光減弱(B)的影響

圖3A表明，隨著Hg2+濃度的增加，反應(yīng)體系的熒光強(qiáng)度迅速下降。圖3B表明，F(xiàn)/F0與Hg2+在2個濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，分別為4～100 nmol/L和1～60 μmol/L，對應(yīng)的線性方程分別為F/F0=0.99008～0.6611c(μmol/L)和F/F0=0.8993～0.0077c(μmol/L)，相關(guān)系數(shù)分別為0.994 4和0.986 3。對空白溶液的熒光變化測定11次，計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，用3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率求得該方法在2個濃度范圍內(nèi)的檢出限分別為3.0 nmol/L和0.25 μmol/L，可以看出，方法的靈敏度較高。

2.3.3 共存離子的影響

圖4 不同金屬離子對熒光減弱的影響

考察了17 種常見金屬離子與氮摻雜碳量子點的相互作用，圖4表明，Hg2+對氮摻雜碳量子點的熒光具有較強(qiáng)的減弱作用，而其它金屬離子如Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Pb2+、Mg2+、Ag+、Al3+等對氮摻雜碳量子點的熒光強(qiáng)度影響很小。Fe3+、Cr3+，Ca2+有微弱的干擾。

2.4 樣品分析

沂河、祊河、涑河、柳青河的水樣處理后按照1.2.3的實驗方法測定，將F/F0代入工作曲線，計算水樣中Hg2+的含量。4個水樣均未檢出Hg2+，然后做加標(biāo)回收實驗，結(jié)果見表1。

表1 環(huán)境水樣中Hg2+的測定結(jié)果(n=6)

每個樣品平行測定6次，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.9%～2.4%，加標(biāo)回收率為94%～105%。為了考察所建立的分析方法的準(zhǔn)確性，采用氫化物發(fā)生-原子熒光法進(jìn)行方法對照實驗，2種方法所得結(jié)果相近。

3 結(jié)論

采用核桃殼為碳源，尿素為氮源，通過一步水熱法可以制備出水溶性好、熒光強(qiáng)度大的氮摻雜碳量子點。得到的氮摻雜碳量子點粒度均一，粒徑約為4 nm，量子點表面有豐富的羥基、氨基，因此在水中的分散性較好。將制得的氮摻雜碳量子點用于汞離子的測定，建立了測定汞離子的方法，方法的線性范圍較寬，靈敏度較高，抗干擾能力強(qiáng)。建立的分析方法用于河水水樣中Hg(Ⅱ)的測定，結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定。