陈宽，何瑜，宋功武

(湖北大学化学化工学院， 湖北 武汉 430062)

0 引言

碳点(CDs)是一类新型荧光纳米材料，因其优异的发光性质、成本低廉的制备方法以及良好的生物相容性而受到越来越多的关注[1].这些显著的优点，让CDs在各个方面尤其是在荧光传感方面得到了广泛的应用[2].到目前为止，大多数CDs的发光集中在蓝绿色，只有少数CDs具有长波长发射[3].这可能是由于缺乏足够的理论和实验结果来帮助我们了解CDs的光致发光机制，导致合理地设计具有更加优异发光性能的CDs仍具有挑战性.尽管如此，越来越多的实验结果让我们找到了修饰CDs的方法，如在合成CDs的过程中引入杂原子，杂原子会参与碳核的形成，可以改善CDs的发光，进一步扩展CDs的应用[4].如Galal等人利用柠檬酸和胺基硫脲合成高荧光氮、硫共掺杂CDs(N,S-CDs)，作为荧光纳米传感器，首次在不进行衍生化的情况下，直接进行盐霉素和马杜拉霉素的灵敏荧光光谱测试，有效地应用于6种原料中分析物的测定[5].Shen等报道了葡萄糖和间苯二胺一步水热合成高效蓝光氮碳量子点(N-CQDs)的方法,并建立了荧光传感来检测铁离子和铬酸盐[6].Ren等以酒石酸和三乙基四胺为原料通过微波辅助法合成高效蓝色荧光氮掺杂CDs，并通过内滤效应检测甲硝锉[7].由此可见，合成新的掺杂CDs应用在荧光检测上仍然很有前景.

2,4,6-三硝基苯酚(TNP)俗名苦味酸，是一种硝基芳烃类碳氢化合物.它被广泛用于合成烟花、炸药、燃料、药品的前体[8].但TNP具有高毒性、良好的水溶性且不易降解，过度的使用会对环境，特别是地下水和土壤造成严重的污染.高浓度的TNP会腐蚀人的粘膜和皮肤，抑制人的中枢神经系统、心血管系统，损害肝肾功能[9].因此，快速、灵敏地检测TNP有重要意义.目前为止，已通过质谱法[10]、高效液相色谱法[11]、气相色谱法[12]、表面增强拉曼光谱法[13]、电化学法[14]和比色法[15]检测TNP.这些方法复杂或耗时，涉及昂贵仪器的复杂操作，阻碍了它们的广泛应用.然而基于荧光的化学传感因其仪器成本低、响应时间短、灵敏度高和选择性高等优点而受到人们的广泛关注.

据报道，在多共轭体系中引入吸电子的氟原子可以引起荧光红移[16]，受此启发，本研究以4-氟邻苯二胺和多巴胺为原料，水热一步法合成氮、氟共掺杂CDs(N,F-CDs).该碳点具有570 nm处的橙色荧光，然后对其结构和性质进行表征，证明氟元素成功地掺杂到CDs中.由于N,F-CDs的激发光谱和TNP的紫外吸收光谱有很大重叠，TNP可以通过内滤效应的机制猝灭N,F-CDs的荧光.基于此，我们设计快速、灵敏地检测TNP的荧光探针，并成功应用于实际水样的检测.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器主要仪器：Spectrum One傅里叶红外光谱仪(Thermo Scientific)、Tecnai G20 透射电子显微镜(美国FEI公司)，JEM-2100 UHR高分辨透射电子显微镜(日本电子JEOL)、LS55荧光分光光度计(美国Perkin-Elmer公司)、Lambda 35紫外-可见光分光光度计(美国Perkin-Elmer公司)、VGEscalab 200 X线光电子能谱仪(美国赛默飞公司).

主要试剂：4-F邻苯二胺和多巴胺购于上海麦克林生化科技有限公司，罗丹明B购于上海阿拉丁试剂有限公司，乙醇、2,4,6-三硝基苯酚(TNP)、硝基苯(NB)、4-硝基苯酚(NP)、4-硝基甲苯(NT)、2,4-二硝基甲苯(DNT)、2,4-二硝基苯酚(DNP)、三硝基甲苯(TNT)、苯酚(PHE)等均购于上海国药集团化学试剂有限公司.以上试剂的纯度为分析纯，实验室用水均为超纯水.

1.2 实验方法

1.2.1 N,F-CDs的制备 采用水热法一步合成N,F-CDs.取4-氟邻苯二胺0.252 g、多巴胺0.153 g、5 mL超纯水充分混合后转移到50 mL的聚四氟乙烯衬里的高压反应釜中，在150 ℃下反应6 h.冷却至室温后，得到棕红色悬浮液，离心(8 000 r/min)10 min，取上清液微孔膜(0.22 μm)过滤，透析6 h后干燥，得到纯化的N,F-CDs固体，配制成溶液(2 mg/mL)备用.

1.2.2 相对荧光量子产率的测定 以罗丹明B作荧光标准物，用相对测量法测定N,F-CDs的相对荧光量子产率.移取所需浓度的N,F-CDs溶液和罗丹明B的乙醇溶液，配置好合适的浓度(在该浓度下后续测量的吸光度的值小于0.05)，在紫外-可见光分光光度计上测定其吸收光谱曲线，分别测定它们在410 nm处的吸光度.移取上述相同溶液至荧光比色皿，分别测定它们激发波长为410 nm时的荧光发射光谱.

结果处理：(1)记录上述吸光度；(2)计算上述荧光发射光谱的相对积分面积；(3)根据公式(1)计算相对量子产率

(1)

其中YU、YS分别为N,F-CDs溶液和罗丹明B的乙醇溶液的荧光量子产率(这里YS=0.89)，FU、FS分别为待测物质和参比物质的积分荧光强度，AU、AS分别为N,F-CDs溶液和罗丹明B的乙醇溶液的吸光度，ηu、ηs分别为溶剂的折射率.

1.2.3 TNP的检测 在检测TNP的过程中，取上述N,F-CDs溶液50 μL和不同浓度的TNP 10 μL分别配成3 mL溶液(TNP最终浓度为0～50 μmol/L)，在荧光分光光度计上测定各溶液在410 nm激发波长下的荧光光谱并记录570 nm处的荧光强度.

1.2.4 实际水样中TNP的检测 为了测试N,F-CDs传感器的实用性，采用标准添加法测定3种水样(东湖水，沙湖水和自来水)中TNP的浓度.水样在使用之前，先将水样离心(10 000 r/min)10 min，然后取上清液用微孔膜(0.22 μm)过滤，再分别添加标准量的TNP，每个样测3个平行数据，计算加标回收率.

2 结果与讨论

2.1 N,F-CDs合成条件优化通过水热法合成N,F-CDs，研究反应物比例、反应温度、反应时间对其荧光性能的影响.如图1实验结果表明，合成N,F-CDs的最佳条件为4-氟邻苯二胺与多巴胺的物质的量之比为2∶1，反应温度为150 ℃，反应时间为6 h.

图1 N,F-CDs合成条件优化(a) 4-氟邻苯二胺与多巴胺物质的量之比；(b)反应温度；(c)反应时间

图2 N,F-CDs的光学性质表征(a)荧光图谱; (b)紫外-可见光吸收图谱

图3 N,F-CDs的结构表征(a)透射电镜图；(b)粒径分布图；(c)红外图谱；(d)XPS总谱；(e)C1s谱；(f)N1s谱；(g)O1s谱；(h)F1s谱

2.3 N,F-CDs作为荧光探针检测TNP

2.3.1 N,F-CDs检测TNP的可行性 为了探究N,F-CDs的荧光能否被TNP猝灭从而实现检测TNP的目的，我们进行可行性实验.如图4所示,在加入一定量的TNP后，N,F-CDs在570 nm处的荧光强度有明显下降，证明用N,F-CDs来检测TNP是可行的.

图4 N,F-CDs检测TNP的可行性

2.3.2 N,F-CDs检测TNP的线性范围 如图5所示，随着TNP的浓度逐渐上升，N,F-CDs在570 nm处的荧光强度逐渐下降，且在TNP的浓度在13.3～50 μmol/L范围内有良好的线性关系，通过拟合得到的工作曲线为F0/F=0.082[C]+0.22(其中F0/F为加入TNP前后N,F-CDs的荧光强度比值，[C]为TNP的浓度，单位μmol/L),线性相关系数为0.98.根据3σ/k原则，计算出检测限(LOD)为37 nmol/L.

图5 N,F-CDs检测TNP的荧光图及对应的线性关系图

2.3.3 N,F-CDs检测TNP的选择性 为了探究N,F-CDs的选择性，我们对比了同浓度(50 μmol/L)下，TNP的类似物(PHE、DNP、TNT、DNT、NB、NT)和一些常见无机离子(K+、CO32-、Cl-、Br-、SO42-、Co22+、S2O32-、Cu2+、Zn2+、Ca2+、Ba2+、Mn2+、Mg2+、Al3+、Hg2+、Cr2+)对于N,F-CDs荧光强度的影响，从图6中我们可以看出，同浓度下只有TNP对N,F-CDs的荧光有显著影响，说明N,F-CDs检测TNP的选择性良好.

图6 N,F-CDs对TNP的选择性(a) N,F-CDs的荧光对50 μmol/L TNP类似物的响应； (b)N,F-CDs的荧光对50 μmol/L无机离子的响应

2.4 N,F-CDs检测TNP的机理探究我们对TNP猝灭N,F-CDs的机理进行了探究.如图7所示，TNP的紫外吸收和N,F-CDs激发光谱有很大重叠，因此考虑该猝灭机理可能为内滤效应或荧光共振能量转移.随后又测试了Zeta电位，N,F-CDs和TNP的表面电荷分别为-1.55 mV和-3.05 mV，这意味着N,F-CDs和TNP之间存在静电斥力，导致N,F-CDs和TNP之间的距离超过10 nm，难以发生有效的荧光共振能量转移过程.因此我们判断TNP猝灭N,F-CDs的机理主要是内滤效应.

图7 (a) N,F-CDs的激发与发射光谱和TNP的紫外-可见光吸收光谱和(b)N,F-CDs与TNP的Zeta电位

2.5 N,F-CDs检测实际水样中的TNP对于实际水样中TNP的检测，结果如表所示，TNP的回收率在95%到104%之间，RSD值小于5.1%，表明了该方法具有在实际水样中定量检测TNP的应用潜力.

表1 N,F-CDs对实际水样中TNP的检测

3 结论

通过一步水热法成功合成了具有橙色荧光的N,F-CDs，并通过TEM、FT IR、XPS 等检测手段对制得的N,F-CDs进行了表征；TNP可以通过IFE猝灭N,F-CDs的荧光，从而实现N,F-CDs对TNP的检测，且选择性良好，线性范围为13.3 ～50 μmol/L，检测限37 nmol/L；该检测方法可用于实际水样中TNP的检测，并有望在水质检测中得到应用.