王晓敏，范哲锋

(山西师范大学 化学与材料科学学院，山西 临汾 041004)

2-巯基苯并噻唑(MBT)应用于工业中的各个方面，可用于抗生素的合成、硫化促进剂、金属腐蚀抑制剂及非食用农药[1-2]。但MBT是一种有毒且生物降解性差的环境污染物，由于MBT在工业中的广泛应用使其存在于水系统中，对水生生物及人类造成了很大危害，可诱发人类肿瘤和过敏，已引起了人们的广泛关注[3-5]。因此，开发水系统中MBT的检测方法具有重要意义。目前，检测MBT的方法有液相色谱法[6]、气相色谱法[7]、电化学法[8-9]等，但这些方法操作繁琐、灵敏度低、耗时长且费用昂贵，因此，建立一种经济、灵敏、快速且操作简单的分析方法具有重要意义。

石墨烯量子点(GQDs)是横向尺寸小于100 nm的石墨烯片，零维GQDs因具有与量子限制和边缘效应相关的突出特性，而显示出新的化学和物理性质：低毒性、高稳定性、良好的生物相容性与水溶性等[10-12]。GQDs作为荧光传感器可用于检测生物和化学物质，如生物成像[13]、离子检测、小分子检测等[14]。然而，GQDs具有较大的带隙，为了改善GQDs的带隙，提高量子产率(QY)和荧光寿命，在其中掺杂杂原子如氮、磷和硼，可极大地改变它们的光学性质和电子特性，并提供更多的活性位点[15-17]。

本研究通过一步水热合成法制备氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，构建了N-GQDs/Cu2+体系用于快速检测环境水样中的MBT。该方法操作简单、选择性好、灵敏度高，可应用于实际水样中MBT的检测，并获得了满意的结果。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LS-55发光光谱仪(Perkin Elmer，USA)；Cary 300紫外可见(UV-Vis)分光光度计(Varian，USA)；Invia拉曼光谱仪(Renishaw，UK)；Tecnai G2 F20透射电子显微镜(TEM，FEI，USA)；Nicolet 380傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR，Thermo Electron Corp.，USA)；Ultima IV-I85 X射线衍射光谱仪(XRD，Rigaku，Japan)。

尿素、柠檬酸(天津市光复科技发展有限公司)；十二水磷酸氢二钠、二水磷酸二氢钠(天津市风船化学试剂科技有限公司)；五水硫酸铜(天津市申泰化学试剂有限公司)；2-巯基苯并噻唑(MBT)、苯并噻唑(BT)(阿拉丁试剂(上海)有限公司)；所有化学试剂均为分析级试剂；实验过程中均使用超纯水。

1.2 氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)的合成

在0.18 g(3 mmol)尿素和0.21 g(1 mmol)柠檬酸中加入5 mL水，搅拌至形成透明澄清溶液，将澄清液移至25 mL特氟龙内衬的不锈钢高压釜中于160 ℃下保持4 h，待产物自然冷却至室温，向产物中加入乙醇，5 000 r/min离心5 min，洗涤3次，60 ℃的真空干燥箱中干燥24 h后得到水溶性良好的固体[18]。

1.3 分析方法

将合成的N-GQDs用水稀释至0.1 g/L备用，将70 μL 0.1 g/L的N-GQDs和250 μL PBS缓冲溶液(0.2 mol/L，pH 8.5)加至10 mL比色管中，依次加入不同浓度的Cu2+标准溶液，用水稀释至5 mL，充分混合溶液并放置5 min后，将激发波长设定在365 nm，测量380～630 nm范围内的荧光光谱。

将70 μL 0.1 g/L 的N-GQDs，250 μL PBS缓冲溶液(0.2 mol/L，pH 8.5)和6.0 μmol/L Cu2+标准溶液加至10 mL比色管中，充分摇匀并放置5 min后，依次加入不同浓度的MBT标准溶液，用水稀释至5 mL，充分混合并放置5 min后进行荧光检测。

2 结果与讨论

2.1 N-GQDs的表征

通过紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱对N-GQDs的光学性质进一步表征。图2为GQDs和N-GQDs的UV-Vis吸收光谱及荧光光谱。可观察到GQDs在360 nm处显示出强烈的UV吸收，而N-GQDs在330 nm处有显著的UV吸收，与GQDs相比，N-GQDs的吸收峰蓝移30 nm，由此可以判断氮原子已掺入GQDs中。曲线c为在365 nm处激发时N-GQDs的荧光光谱，可观察到445 nm处出现最大发射峰。

图2 GQDs(a)与N-GQDs(b)的UV-Vis吸收光谱，以及N-GQDs的荧光光谱(c)Fig.2 UV-Vis absorption spectra of GQDs(a) and N-GQDs(b),and fluorescence spectrum of N-GQDs(c)

2.2 实验条件的优化

2.2.1 pH值的影响分别研究了不同pH值(5.0、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)的PBS缓冲液对体系荧光强度猝灭和恢复的影响，并采用等式进行计算：ΔFq=F0-F；ΔFr=Fr-F。式中，F0和F分别表示不存在和存在Cu2+时N-GQDs在445 nm处的荧光强度;Fr表示在相同pH下添加MBT时N-GQDs/ Cu2+体系的荧光强度;如图3所示，当pH范围在5.0～8.0时，Cu2+对N-GQDs的猝灭强度随pH值的增大而逐渐增加，在pH值为8.0～8.5时稳定，但当pH值大于8.5时，荧光猝灭强度减小。这是由于 N-GQDs表面的羟基和羧基在酸性条件下会质子化，导致Cu2+与这些基团的络合反应受到影响，而当pH大于8.0时，量子点表面的这些基团被去质子化，Cu2+与N-GQDs的络合反应增强，并在pH 8.0～8.5时荧光猝灭强度达到最大值。当加入MBT时，荧光强度随着pH值在5.0～8.5范围内逐渐恢复，且在pH 8.5时恢复强度达到最大值，当pH值大于8.5时，恢复强度显著降低。因此，本实验选择最佳pH值为8.5。

图3 pH值对体系荧光强度的影响Fig.3 Effect of pH value on fluorescence intensity of the systema:fluorescence intensity(ΔFq) for the quenched N-GQDs,b:fluorescence intensity(ΔFr) for the recovered N-GQDs/Cu2+ system

图4 不同过渡金属离子对N-GQDs荧光猝灭的影响Fig.4 Effects of different transition metal ions on fluorescence quenching of N-GQDs metal ion(1-8):QDs，Cd2+，Fe3+，Zn2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cu2+

2.2.2 猝灭剂的影响考察了过渡金属离子对N-GQDs荧光猝灭的影响，结果如图4所示，从图中可以看出，在相同实验条件下，Cd2+、Fe3+、Zn2+、Mn2+的猝灭程度很小，Co2+、Ni2+可以猝灭N-GQDs的荧光，Cu2+的猝灭效率最大，因此实验选择Cu2+作为猝灭剂。

2.2.3 反应时间的影响考察了反应时间对N-GQDs与Cu2+以及MBT与N-GQDs/Cu2+作用的影响，结果表明，体系几乎不受时间的影响，本实验均在反应5 min后进行测定。

2.2.4 Cu2+浓度的影响Cu2+加至N-GQDs中可以有效地猝灭荧光，该机理可以用N-GQDs的π-系统，其边缘和表面上大量的羟基和羧基来解释，即Cu2+很容易吸附于其表面，通过电子或能量转移导致表面缺陷或电子-空穴复合消失，从而猝灭N-GQDs的荧光[20]。

如图5所示，在最佳pH值下，随着Cu2+浓度的增加，N-GQDs的荧光强度逐渐被猝灭，当Cu2+浓度为6.0 μmol/L时达到平台，进一步增加Cu2+浓度时，体系的荧光强度保持稳定。

2.3 不同浓度MBT的检测

将MBT加至N-GQDs/Cu2+溶液中，可观察到体系的荧光强度快速恢复，这可能是由于MBT结构中存在硫醇基团，巯基和Cu2+间的强作用力导致发生更强的络合反应[21]，MBT与N-GQDs竞争Cu2+，使得Cu2+从N-GQDs表面解离下来，体系荧光得到恢复。

在最佳实验条件下，研究不同浓度MBT对N-GQDs/Cu2+体系的影响。如图6所示，随着MBT浓度的增加，N-GQDs的荧光强度逐渐恢复，且445 nm处的荧光强度与MBT的浓度在0.4～40.0 μmol/L范围内呈线性，其线性方程为：ΔFr=9.541[MBT]+13.89(μmol/L)，r2为0.995 5，检出限为0.1 μmol/L。

图5 不同浓度Cu2+ 对N-GQDs的荧光猝灭光谱Fig.5 Fluorescence quenching spectra of different concentrations of Cu2+ for N-GQDs

图6 不同浓度MBT对N-GQDs/Cu2+体系的荧光恢复光谱Fig.6 Fluorescence recovery spectra of different concentrations of MBT for N-GQDs/Cu2+ system inset：a linear relationship between MBT concentration and fluorescence recovery intensity

将该方法与文献报道的检测MBT的方法进行对比(见表1)，结果显示，本文构建的体系操作简单、耗时少、成本低，具有较宽的线性范围以及较低的检出限等优点。与Li等[22]同样采用量子点的检测方法相比，此量子点为非金属量子点，其毒性较小，易于制备，且灵敏度更高。

表1 该方法与文献报道的MBT检测方法的比较Table 1 Comparison between this method and the MBT detection method reported in the literature

图7 干扰物质对体系荧光强度的影响Fig.7 Effect of interfering substance on fluorescence intensity of the system

2.4 共存物质的影响

2.5 实际样品的分析

使用上述构建的体系检测环境水样中的MBT。将所收集水样在4 000 r/min离心10 min，上清液通过0.2 μm水膜过滤和适当稀释后，进行MBT检测以及加入不同浓度MBT标准溶液(10.0、15.0 μmol/L)进行回收率研究。结果如表2所示，水样中均未检出MBT，其加标回收率为95.0%～101%，相对标准偏差(RSD,n=3)为1.7%～2.5%。表明该方法可应用于实际水样中MBT的检测。

表2 实际水样中MBT的检测Table 2 Detection of MBT in real water samples

*no detected

3 结 论

本文基于Cu2+可以有效地猝灭N-GQDs的荧光，添加MBT后使得N-GQDs/Cu2+体系荧光恢复的特性，构建了N-GQDs/Cu2+体系的高灵敏荧光传感器用于环境水样中MBT的检测。方法具有良好的线性范围和较低的检出限，并成功用于实际样品的测定。该方法简单、环保、成本低，有望应用于各种水样中MBT的分析和检测。