高荧光量子产率硼掺杂碳点的制备及其对水中2，4，6-三硝基苯酚的测定

2023-09-21李俊丽何梦瑶闫新雨向国强江秀明何丽君

分析测试学报 2023年9期

李俊丽，何梦瑶，闫新雨，向国强，江秀明，何丽君

（河南工业大学化学化工学院，河南郑州 450001）

2，4，6-三硝基苯酚（TNP）是一种非常典型且常用的硝基芳香类炸药，被广泛应用于染料、化工、烟花等行业［1-2］。TNP 具有良好的水溶性，过度使用会对土壤和地下水造成严重污染［3］。TNP 不仅会引起一系列环境问题，还会对人体产生许多负面影响。比如腐蚀人的粘膜和皮肤，损害人体肝脏和肾脏的功能［4-5］。因此，开发简便、灵敏、选择性检测TNP的方法具有重要意义［6］。

迄今为止，已有较多方法用于硝基芳香类炸药的检测，如高效液相色谱法［7-8］、质谱法［9］、电化学方法［10］等。但这些方法存在一些弊端，如分析成本高、样品处理复杂、仪器昂贵等［11］。相比之下，荧光分析法因灵敏度高、操作简单、分析成本低受到广泛关注［12］，基于碳基纳米材料的荧光分析方法已成功应用于TNP的检测。碳点（Carbon dots，CDs）是一种新型零维碳纳米材料［13］，其分散性良好，粒径小于10 nm，微观上近乎准球形。碳点体积小，表现出有别于其他碳基纳米材料的独特的光致发光特性［14］。CDs 的荧光量子产率是评价其荧光性能的重要指标之一，目前许多已合成的CDs 的荧光量子产率相对较低，多集中在20%以下，并且所得产物的提纯过程复杂，不利于批量生产，大大限制了CDs的分析应用。因此探索高荧光量子产率CDs 的制备方法是提升CDs 分析性能的重要方向，而掺杂则是提升CDs 荧光量子产率的有效手段之一［15-16］。相较于量子产率较高的金属掺杂，非金属掺杂毒性小，对环境友好。硼（B）是碳原子的左邻，可以作为一种有效掺杂剂掺杂到CDs中。硼的掺杂不仅有助于提高发光效率，而且可提高碳点的辐射复合率，且硼掺杂碳点（B-CDs）合成工艺简单、成本低，合成的碳点水溶性好、毒性低、生物相容性好［17］。

本文采用3-氨基苯硼酸（3-APBA）作为前体，通过水热法制备了B-CDs。由于3-APBA 同时含有B元素和N元素，而B和N均为元素周期表中C的近邻，其原子半径与C相近，因此可以有效修饰CDs的性质［18］。该B-CDs的荧光量子产率高达51．43%，且在紫外区域具有发射带（373 nm），该发射带与TNP的吸收光谱（356 nm）有较大的光谱重叠，这使得TNP 对B-CDs 产生显著的荧光内滤效应（IFE）。基于该IFE建立了痕量TNP的分析方法，并成功应用于环境水样中TNP的测定。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与样品

RF-6000 荧光光谱仪（日本岛津公司）；UV2450 紫外-可见分光光度计（日本岛津公司）；WQF-510傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，北京北分瑞利分析仪器有限责任公司）；Escalab 250Xi XPS 光电子能谱仪（美国Thermo Fisher 公司）；FL-TCSPC 荧光分光光度计（法国Horiba Jobin Yvon 公司）；JEM-2011透射电子显微镜（日本电子株式会社）；Molecular分析型1040D纯水机（重庆摩尔水处理设备有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（北京市永光明医疗仪器有限公司）。

3-APBA（上海麦克林生化科技有限公司）；邻硝基苯酚（o-NP）、苯酚（PHE）、2，4，6-三硝基甲苯（TNT）、对苯二酚（HQ）、三氯苯酚（TCP）、对氯苯酚（p-CP）、间硝基苯酚（m-NP）、组氨酸（His）、赖氨酸（Lys）、甘氨酸（Gly）、果糖（Fru）、乳糖（Lac）、金属盐（生工生物工程股份有限公司）；去离子水由Molecular分析型1040D纯水机制备。

湖水、雨水、自来水均采集于河南工业大学校园；矿泉水购于郑州市某本地超市。

1.2 实验方法

1.2.1 B-CDs 的制备称取0．2 g 的3-APBA 溶于20 mL 去离子水中，将溶液转入Teflon 反应釜（100 mL），180 ℃下水热反应10 h。反应完成后，反应釜自然冷却至室温，用滤纸过滤后得B-CDs溶液。将B-CDs 和水以体积比1∶1 混合后，按20∶1（mL∶g）的比例加入活性炭粉，磁力搅拌2 h 后，溶液由棕黄色变为淡黄色。经高速离心（8 000 r/min，5 min）分离收集活性炭粉，采用盐酸溶液对活性炭上吸附的物质进行解吸，解吸溶液（pH 值与吸附上清液相同）几乎没有荧光信号，由此确定活性炭上未吸附B-CDs。所得上清液即为纯化后的B-CDs 溶液，上清液经冷冻干燥得到淡黄色B-CDs 粉末（0．165 g）。将所得B-CDs粉末分散于去离子水中用于后续表征和分析。

1.2.2 荧光分析TNP将1 mL B-CDs 溶液、1 mL pH 6．0 的伯瑞坦-罗宾森（Britton-Robinson，B-R）缓冲溶液、不同浓度的TNP 标准溶液（或样品溶液）依次加入到试管中，用去离子水定容到5 mL。设置激发波长为310 nm，记录发射波长373 nm处的荧光强度I，同时做空白实验，对应荧光强度为I0，计算lg（I0/I）的值用于后续TNP定量分析。

2 结果与讨论

2.1 B-CDs的表征

图1A 为B-CDs 的TEM 图像，可看出制备的B-CDs 呈典型球形，无明显聚集现象，平均粒径为5．8 nm（图1B）。从图1C 可观察到B-CDs 明显的晶格条纹，晶格间距为0．203 nm。这可能归因于石墨烯的sp2（1120）石墨晶相［19］。

采用FT-IR 光谱对B-CDs 表面的官能团进行考察（图2A）。结果显示，B-CDs 在3 500 cm-1处有一个强吸收峰，归因于N—H 的伸缩振动；3 174 cm-1处的峰与O—H 的伸缩振动有关；由3 043、1 693、1 511、760 cm-1处的几个吸收峰，可判断B-CDs 中苯环的存在；1 400 cm-1处为B—O 键的伸缩振动吸收峰。

图2 B-CDs的傅里叶红外光谱图（A）、B-CDs的XPS全扫描光谱图（B）、高分辨率C1s谱图（C）、高分辨率B1s谱图（D）、高分辨率N1s谱图（E）、高分辨率O1s谱图（F）Fig．2 FT-IR spectrum of B-CDs（A），XPS analysis of B-CDs in full spectra（B），high-resolution C1s peak（C），high-resolution B1s peak（D），high-resolution N1s peak（E）and high-resolution O1s peak（F）of B-CDs

采用X-射线光电子能谱（XPS）研究了B-CDs 的元素组成与状态，从图2B 可知，B-CDs 主要由C、N、O、B 4 种元素组成。C1s 的高分辨谱图（图2C）中，284．24、284．81、285．96 eV 处的3 个峰，分别代表C—B、C=C、C—N；B1s 的高分辨谱图（图2D）证明了B-CDs 中B 的存在，191．44 eV 和192．78 eV 处的峰分别归因于B—C 和B—O［20］。N1s的高分辨谱图（图2E）在399．49、400．05、401．67 eV 处有3峰，分别归因于C—N—C、N—C、N—H；O1s 的高分辨谱图（图2F）中532．29 eV 和533．04 eV 处的峰分别归因于O—B 和O—H［21］。上述结果表明，XPS 获得的B-CDs 元素组成与官能团信息与FT-IR 结果一致。

通过荧光光谱和紫外-可见吸收光谱考察了B-CDs 的光学性质。从图3A 可看出，B-CDs 具有两个紫外吸收峰（230 nm 和290 nm），分别归因于苯环中C=C—N 的n-π*跃迁和C=C 键的π-π*跃迁［22］。图3B 是B-CDs 的荧光光谱图，在激发波长280～340 nm 范围内，B-CDs 的荧光发射峰位于373 nm 处，且随着激发波长的增大，荧光强度出现先增大后降低的趋势，当激发波长为310 nm 时，荧光发射强度最大。同时，以硫酸奎宁为参考，测得B-CDs的荧光量子产率为51．43%，相比于近期报道的其它B掺杂CDs荧光探针，荧光量子产率有较大幅度提升［23-26］。

图3 B-CDs的紫外-可见吸收光谱图（A）、不同激发波长下的荧光光谱图（B）、pH值（C）、盐浓度（D）、温度（E）及放置时间（F）对B-CDs 荧光强度的影响Fig．3 UV-Vis absorption spectrum of B-CDs（A），fluorescence spectra at different excitation wavelengths of B-CDs（B），effects of pH value（C），salt concentration（D），temperature（E） and time（F） on the fluorescence intensity of B-CDs

此外，研究了pH值、盐浓度、温度对B-CDs荧光强度的影响。图3C表明B-CDs的荧光强度在pH 5．0～8．0范围内几乎保持恒定，在pH 1．0～3．0和pH 10．0～14．0的条件下荧光强度显著降低。这可能是由于强酸性条件下B-CDs 表面的—NH2结合H+，强碱性条件下B-CDs 表面的—B（OH）2结合OH-，从而改变了B-CDs 的表面电子态，导致B-CDs 的荧光强度降低。图3D 表明，盐浓度NaCl（0～4 mol/L）对BCDs的荧光几乎不产生影响，说明B-CDs具有优良的盐耐受能力。从图3E可看出，温度从25 ℃升高到60 ℃时，B-CDs 的荧光强度仅出现缓慢降低，表明B-CDs 具有良好的热稳定性［27］。在四个月的时间内考察了B-CDs荧光性质的稳定性（图3F），结果表明B-CDs具有优秀的长期稳定性。以上结果表明，BCDs的光学性质具有高稳定性。

2.2 基于IFE的TNP测定

实验发现，TNP 可有效猝灭B-CDs 的荧光，考察了pH 值和温度对TNP 猝灭作用的影响。结果表明，随着pH 值的增大，猝灭效率（I0-I）/I0呈现先增大后降低的趋势，在pH 6．0时，可获得最大猝灭效率（图4A）；随着温度的升高，IFE 效率逐渐降低，室温时获得最大猝灭效率（图4B）。因此，选择pH 6．0和室温为最佳实验条件。在最佳实验条件下，记录B-CDs在373 nm处的荧光光谱，在TNP浓度（c）0．5～100 μmol/L 范围内，B-CDs 的强度呈规律性降低（图4C），TNP 浓度与猝灭程度lg（I0/I）呈现良好的线性关系，线性方程为lg（I0/I）=0．01c+0．022 86（r2=0．999 78）。根据3σ规则计算得到检出限为86 nmol/L，相对标准偏差（RSD）为1．3%（c=10 μmol/L，n=13）。

图4 pH 值（A）和温度（B）对TNP分析的影响及不同TNP浓度（0．5～100 μmol/L）下B-CDs的荧光强度（C）Fig．4 Effect of pH value（A） and temperature（B） on the quenching behavior of TNP，the fluorescence intensity of B-CDs in the presence of different concentrations of TNP（0．5-100 μmol/L）（C）

为了确证TNP 猝灭B-CDs荧光的机理，首先考察了B-CDs荧光发射光谱与TNP 吸收光谱的重叠情况（图5A）。TNP的紫外吸收波长位于356 nm处，与B-CDs的荧光发射光谱（373 nm）有较大重叠。由此可推断B-CDs 的荧光猝灭机理可能为IFE［28-29］。IFE 又称表观猝灭，是指吸收体对荧光体激发光或发射光的吸收，造成荧光体荧光强度降低的现象［30］。IFE不会使CDs的荧光寿命发生变化，由于其不属于静态或动态猝灭过程，所以吸收体和荧光体之间不会生成新物质。对B-CDs 荧光寿命的测定结果表明，B-CDs的荧光寿命在与TNP混合前后无明显变化（图5B）。因此TNP对B-CDs的猝灭机理可能为静态猝灭或IFE。用紫外-可见分光光度计分别扫描B-CDs、TNP 和B-CDs-TNP 混合体系的紫外吸收曲线（图5C），结果显示，B-CDs 和TNP 的加和曲线（Sum value）与B-CDs-TNP 混合体系（Mixture）的吸收曲线完全重合，表明TNP 和B-CDs 混合体系中没有复合物生成，可以排除静态猝灭机理。因此，TNP 对BCDs的荧光猝灭机理确证为IFE［31］。

图5 TNP的紫外-可见光谱和B-CDs 的发射光谱（A），B-CDs 和 B-CDs-TNP的荧光寿命图（B），B-CDs、TNP及其混合体系的紫外-可见吸收光谱（C）Fig．5 UV-Vis absorption spectrum of TNP and fluorescence emission spectrum of B-CDs（A），fluorescence lifetime curves of B-CDs and B-CDs-TNP（B），UV-Vis absorption spectra of B-CDs，TNP and their mixture solution（C）

2.3 方法选择性

为了评估荧光分析TNP 的选择性，考察了典型干扰物对B-CDs 荧光强度的影响。图6A 为在TNP（10 μmol/L）存在和不存在的情况下，金属离子对B-CDs 荧光强度的影响。可以看出，金属离子对BCDs的荧光强度无明显影响。图6B展示了硝基芳族化合物、氨基酸和糖类对B-CDs荧光的影响。结果表明，上述有机分子（10-4mol/L）均对B-CDs 荧光无明显影响。以上结果表明，B-CDs 荧光分析TNP 具有高选择性。

图6 金属离子（A）和有机小分子（B）对TNP分析的影响Fig．6 Effects of metal ions（A） and organic small molecules（B） on the detection of TNP Fe2+，Fe3+，Hg2+，Al3+：5 μg/mL；other metal ions were 10 μg/mL