碳量子點熒光猝滅法檢測Hg2+及其猝滅機理研究

丁 玲，肖 文，錢詩卉，周 進，周盡暉，李世遷，唐欣偉

(1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢, 430081；2.武漢科技大學煤轉化與新型炭材料湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081；3.福建師范大學福清分校近海流域環境測控治理福建省高校重點實驗室，福建 福清，350300)

伴隨現代工業的迅速發展，部分重金屬離子通過多種途徑被排入江河湖海，對人體健康和環境造成了極大的危害[1-4]，其中Hg2+被世界野生動物基金會(WWF)確認為近70種環境因素中最危險且普遍存在的無機污染物之一，它通過水循環和食物鏈的富集效果[5-6]最終在人體內積累，對人類的健康和生命造成嚴重威脅，如大腦及中樞神經的損傷、腎臟衰竭、DNA 破壞等，對汞污染的研究逐漸成為各國環境工作者研究的熱點。目前對Hg2+的測定分析技術也較為成熟，如原子吸收光譜法[7]、電化學分析法[8]、生物傳感器法[9]、分光光度法[10]、電感耦合等離子體質譜法[11]等，但由于設備昂貴、樣品預處理復雜，這些方法均不太方便，因此迫切需要發展先進的Hg2+檢測分析技術。與上述多種方法相比，熒光光譜法檢測Hg2+具有靈敏度高、選擇性好、用量少、光學性質穩定和易于實現表面功能化等優點[12-14]。近年來，碳量子點的熒光分析已經成功應用于重金屬離子檢測之中，并獲得了良好的檢測分析效果。郭穎等[15]以氨基葡萄糖鹽酸鹽為碳源，通過水熱法合成了水溶性好的熒光碳量子點，發現Hg2+對碳量子點熒光有良好的猝滅作用，Hg2+濃度在1.6×10-6～5.1×10-5mol/L范圍內與碳量子點熒光猝滅強度呈良好線性關系，檢出限為6.7×10-7mol/L；胥月等[16]以蘋果汁為原料，通過一步水熱法合成得到水溶性好及穩定性高的藍色熒光碳量子點，發現Hg2+對碳量子點熒光有良好的猝滅作用，在pH=7.0磷酸鹽緩沖介質中碳量子點熒光猝滅強度與Hg2+濃度在5.0×10-9～1.0×10-7mol/L和1.0×10-6～5.0×10-5mol/L范圍內呈線性關系，檢出限為2.3×10-9mol/L。

本文以焦粉為原料，采用一步水熱法合成水溶性好的熒光碳量子點，將合成的碳量子點用于檢測環境水中的Hg2+，并對Hg2+與碳量子點的結合方式、反應機理等進行研究，探討Hg2+對碳量子點的熒光猝滅機理，以期為新型碳量子點檢測廢水中重金屬Hg2+提供參考。

1 試驗

1.1 原料和試劑

焦粉(取自武鋼焦化企業煉焦車間回收料)；硝酸、硫酸、氫氧化鈉(NaOH)、氯化汞(HgCl2)、氯化鋅(ZnCl2)、氯化亞鐵(FeCl2)、氯化錳(MnCl2)、氯化銅(CuCl2)、氯化鈷(CoCl2)、氯化鐵(FeCl3)、氯化鉛(PbCl2)、氯化鎳(NiCl2)、氯化鉀(KCl)、氯化鈉(NaCl)，以上試劑均為分析純；實驗室用水均為去離子水。

1.2 碳量子點的制備及表征

取經60目標準校驗篩篩取的焦粉0.10 g與12 mL混合酸(VH2SO4∶VHNO3=3∶1)在三口燒瓶中用油浴加熱至95 ℃，磁力攪拌，回流9 h后冷卻，取出原液，采用離心方法去除反應原料，離心速度為6000 r/min，離心時間為30 min;離心后取上層清液，并用5 mol/L的NaOH溶液中和至pH =9[17]，然后將濾紙折疊為雙層進行過濾，得到純化的碳量子點溶液。將所得碳量子點溶液稀釋數倍后用LS55熒光分光光度計(美國Perkinelmer公司)對其進行熒光光譜表征。

1.3 碳量子點對Hg2+的選擇性和抗干擾性試驗

取所制碳量子點溶液3 mL于4 mL比色皿中，用熒光分光光度計測定在激發波長為330 nm下碳量子點的熒光強度(F0)；分別配置濃度為1.0×10-4mol/L的Hg2+、Fe3+、Fe2+、Cu2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Co2+、K+、Na+鹽溶液，并用移液槍移取30 μL上述鹽溶液分別加入到3 mL相同濃度的碳量子點溶液中，在激發波長為330 nm下測定加入金屬離子后碳量子點的熒光強度(F)，并計算其相對熒光強度(ΔF=F/F0)。

在測定加入金屬離子后碳量子點的熒光強度后，再取30 μL濃度為1.0×10-5mol/L的Hg2+溶液加入到上述金屬離子存在的碳量子點溶液中，測定其加入Hg2+溶液后碳量子點的熒光強度，并計算在不同金屬離子存在條件下加入Hg2+溶液前、后碳量子點的相對熒光強度，分析金屬離子對碳量子點檢測Hg2+的干擾性。

1.4 Hg2+對碳量子點熒光猝滅試驗

在4 mL的比色皿中分別加入3 mL碳量子點溶液，用移液槍移取0、30、60、90、120、150 μL濃度為1.0×10-5mol/L的Hg2+溶液分別滴加到比色皿中，在300、313、323 K溫度下，用LS55熒光分光光度計測定其熒光強度，激發波長為330 nm，激發狹縫寬度為5.0 nm，發射狹縫寬度為6.0 nm，掃描波長范圍為200～800 nm，采用Stern-Volmer方程[18]分析碳量子點熒光猝滅程度(F0/F)與Hg2+濃度之間的關系，即

F0/F=1+Ksv[Q]

(1)

式中：F0、F分別為加入猝滅劑Hg2+前后碳量子點的熒光強度，a.u.；[Q]為加入猝滅劑Hg2+的總濃度，mol/L；Ksv為Stern-Volmer猝滅常數，L/mol。

2 結果與分析

2.1 碳量子點對Hg2+的選擇性

不同金屬鹽溶液對碳量子點相對熒光強度的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，與Fe3+、 Mn2+、Cu2+、Ni2+、Fe2+、Co2+、Pb2+、Zn2+、K+、Na+相比，Hg2+對碳量子點的熒光猝滅影響最大，由此表明，該碳量子點作為Hg2+檢測傳感器具有較好的單一選擇性。

圖1 不同金屬離子對碳量子點的相對熒光強度的影響

Fig.1Effectsofdifferentmetalionsontherelativefluorescenceintensityofcarbonquantumdots

2.2 碳量子點檢測Hg2+的抗干擾性

圖2為不同金屬鹽溶液存在的條件下添加Hg2+前(黑色)后(灰色)碳量子點的相對熒光強度。從圖2中可以看出，加入Hg2+后碳量子點相對熒光強度均減小，不同金屬離子的存在并不影響Hg2+對碳量子點熒光的猝滅，由此表明，碳量子點對Hg2+的測定具有較好的抗干擾性。

圖2不同金屬離子存在條件下添加Hg2+前(黑色)后(灰色)碳量子點的相對熒光強度

Fig.2Relativefluorescenceintensityofcarbonquantumdotsbefore(black)andafter(grey)additionofHg2+inthepresenceofdifferentmetalions

2.3 不同濃度Hg2+對碳量子點熒光光譜的影響

濃度級為10-7mol/L的不同濃度Hg2+對碳量子點熒光光譜的影響如圖3所示，并根據Stern-Volmer方程繪制其熒光猝滅曲線，如圖4所示。從圖3中可以看出，在一定濃度范圍內，Hg2+對碳量子點的熒光能產生明顯的猝滅效應，且隨著Hg2+濃度逐漸增大，碳量子點的熒光強度不斷減小。從圖4中可以看出，Hg2+濃度在1.0×10-7～5.0×10-7mol/L范圍內，碳量子點的熒光猝滅程度與Hg2+濃度存在良好的線性關系，其線性相關系數R2為0.9977。

圖3濃度級為10-7mol/L的不同濃度Hg2+對碳量子點熒光光譜的影響

Fig.3EffectsofHg2+withconcentrationlevelof10-7mol/Lonfluorescencespectraofcarbonquantumdots

圖4碳量子點熒光猝滅程度(F0/F)與濃度級為10-7mol/L的不同濃度Hg2+之間的關系

Fig.4Relationshipbetweenfluorescencequenchingdegree(F0/F)andHg2+withconcentrationlevelof10-7mol/L

濃度級為10-8mol/L的不同濃度Hg2+對碳量子點熒光光譜的影響如圖5所示，并根據Stern-Volmer方程繪制其熒光猝滅曲線，如圖6所示。從圖5中可以看出，10-8mol/L濃度級的Hg2+仍能對碳量子點的熒光產生猝滅效應，但隨著Hg2+濃度逐漸增大，碳量子點的熒光強度改變不明顯。從圖6中可以看出，Hg2+濃度在1.0×10-8～5.0×10-8mol/L范圍內，碳量子點的熒光猝滅程度與Hg2+濃度存在一定的線性關系，其線性相關系數R2為0.9839。

比較以上兩組不同濃度級的Hg2+對碳量子點的熒光猝滅效應可知，碳量子點對Hg2+的檢測范圍為1.0×10-8～1.0×10-7mol/L，檢出限為1.0×10-8mol/L，與雙硫腙分光光度法[19](國標測定方法)相比，檢測范圍更寬，更方便快捷，且低于同種用碳量子點熒光光譜法檢測Hg2+的檢出限值8.35×10-8mol/L[20]。

圖5濃度級為10-8mol/L的不同濃度Hg2+對碳量子點熒光光譜的影響

Fig.5EffectsofHg2+withconcentrationlevelof10-8mol/Lonfluorescencespectraofcarbonquantumdots

圖6碳量子點熒光猝滅程度(F0/F)與濃度級為10-8mol/L的不同濃度Hg2+之間的關系

Fig.6Relationshipbetweenfluorescencequenchingdegree(F0/F)andHg2+withconcentrationlevelof10-8mol/L

2.4 Hg2+對碳量子點熒光猝滅機理

引起熒光猝滅原因主要有：①激發態反應；②能量轉移；③碰撞猝滅(動態猝滅)；④形成配合物(靜態猝滅)。Hg2+與碳量子點相互作用的熒光猝滅機制，可用Stern-Volmer方程中的猝滅常數(Ksv)隨溫度的變化進行分析判斷，對于動態猝滅，猝滅過程依賴于分子的碰撞擴散，由于溫度的升高會導致碰撞擴散系數的增大，熒光物質的猝滅常數(Ksv)會隨溫度的升高而增大，有利于猝滅過程的進行；對于靜態猝滅，溫度升高會使猝滅劑Hg2+與碳量子點形成的配合物穩定性降低，不利于猝滅過程的進行，熒光物質的猝滅常數會隨溫度升高而減小。

不同溫度下Hg2+溶液對碳量子點的Stern-Volmer猝滅曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，碳量子點的熒光猝滅程度與Hg2+濃度存在良好的線性關系，這是靜態猝滅的跡象之一；在300、313、323 K溫度下，Stern-Volmer猝滅常數Ksv分別為8.984×105、4.693×105、3.066×105L/mol，即隨著溫度的升高，Stern-Volmer猝滅常數不斷地減小，這表明Hg2+對碳量子點的熒光猝滅并不是因為分子的動態碰撞和擴散而引起的動態猝滅，而是彼此形成的某種特定結構的基態配合物引起的靜態猝滅。

圖7不同溫度下Hg2+溶液對碳量子點的Stern-Volmer猝滅曲線

Fig.7Stern-VolmerquenchingcurvesofHg2+solutiontocarbonquantumdotsatdifferenttemperatures

靜態的猝滅數據可以用修正的Stern-Volmer 方程[18]進行處理，即

(2)

式中：fa為可被熒光猝滅劑接近的發色基團占總的發色基團的百分比；Ka為Hg2+對碳量子點的有效猝滅常數，可近似地認為是猝滅劑和受體體系中的表觀結合常數，L/mol。

以F0/(F0-F)對1/[Q]作圖來處理實驗數據，不同溫度下Hg2+溶液對碳量子點的修正的Stern-Volmer猝滅曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，Hg2+對碳量子點的熒光猝滅程度與Hg2+濃度存在良好的線性關系，并由其線性方程推算可得，在300、313、323 K溫度下，有效猝滅常數Ka分別為9.95×105、7.72×105、6.27×105L/mol，即隨著溫度的升高，Hg2+對碳量子點的有效猝滅常數不斷地減小，再次表明Hg2+對碳量子點的熒光猝滅并不是因為分子的動態碰撞和擴散而引起的動態猝滅，而是彼此形成的某種特定結構的基態配合物引起的靜態猝滅。

由于Hg2+對碳量子點的熒光猝滅是靜態猝滅，因此，碳量子點中可能與Hg2+存在某一結合位點。結合位點可以從碳量子點和Hg2+之間的相互作用中推斷出。碳量子點的熒光猝火程度和Hg2+濃度的關系可以用公式表示為：

圖8不同溫度下Hg2+溶液對碳量子點的修正的Stern-Volmer猝滅曲線

Fig.8ModifiedStern-VolmerquenchingcurvesofHg2+solutiontocarbonquantumdotsatdifferenttemperatures

(3)

式中：K為碳量子點和Hg2+的結合常數，L/mol；n為它們之間的結合位點數。

以lg[(F0-F)/F]對lg[Q]作圖來處理實驗數據，lg[(F0-F)/F]與lg[Q]的關系曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著溫度的升高，碳量子點和Hg2+的結合常數K不斷地減小，和前面分析的修正的Stern-Volmer猝滅常數Ka的變化趨勢一致；碳量子點和Hg2+在不同溫度下的結合位點數n均接近于1，表明碳量子點和Hg2+之間均只有一個結合位點。由公式(2)已推算得到，在300、313、323 K溫度下，Hg2+對碳量子點的有效猝滅常數Ka分別為9.95×105、7.72×105、6.27×105L/mol，前文提到可以將Ka近似地認為是猝滅劑和受體體系中的表觀結合常數；根據公式(3)推算可得，在300、313、323K溫度下，碳量子點和Hg2+的結合常數K分別為8.166×105、2.139×105、0.975×105L/mol，比較結合常數K和表觀結合常數Ka的值，兩者均在105數量級附近，因此，可以推斷碳量子點和Hg2+之間的反應結合常數為1.0×105L/mol，即二者此時的反應速度快且形成了穩定的化合物，表明碳量子點和Hg2+的熒光猝滅機理為靜態猝滅。

圖9碳量子點和Hg2+相互作用時lg[(F0-F)/F]與lg[Q]的關系曲線

Fig.9Relationshipcurvesbetweenlg[(F0-F)/F]andlg[Q]intheinteractionofcarbonquantumdotsandHg2+

2.5 碳量子點熒光猝滅熱力學分析

不同溫度下碳量子點和Hg2+之間的反應結合常數K與反應的焓變、熵變的關系可用Van’t Hoff 方程[18]表示，即

(4)

式中：ΔH為反應的標準焓變，kJ/mol；ΔS為反應的標準熵變，J/(mol·K)；R為氣體常數；T為反應溫度，K。

以lnK對1/T作圖來處理實驗數據，碳量子點與Hg2+作用的Van’t Hoff關系圖如圖10所示。從圖10中可以看出，擬合后的曲線具有較好的直線關系，相關系數R2=0.9942。由直線的斜率(-ΔH/R)和截距(ΔS/R)值，可求得ΔH和ΔS，則不同溫度下碳量子點和Hg2+之間的反應

自由能(ΔG)可表示為[18]：

ΔG=ΔH-TΔS

(5)

圖10 碳量子點與Hg2+作用的Van’t Hoff關系圖

Fig.10Van’tHoffdiagramofcarbonquantumdotsandHg2+

不同溫度下碳量子點溶液與Hg2+相互作用的熱力學參數如表1所示。從熱力學的觀點來看，任何化學、物理和生物的過程都伴隨能量的改變和一系列熱力學參數的變化，其中，自由能(ΔG)的變化可以用來判斷反應的自發性；焓變(ΔH)被看作是結合過程中分子內的鍵能交換的結果；熵變(ΔS)則是反應體系自由度或混亂度變化的指標。從表1中可以看出，碳量子點和Hg2+結合過程的ΔG、ΔH、ΔS均小于零，ΔG<0，表明它們的作用過程是一個自發進行的過程；ΔH<0和ΔS<0 表明反應過程中體系能量降低，自由度減小，熵變的不利因素由焓變進行了補償，推動了反應的發生，因此碳量子點和Hg2+結合過程是一種焓驅動過程。

表1 不同溫度下碳量子點溶液與Hg2+相互作用的熱力學參數

3 結論

(1)以焦粉為原料，采用一步水熱法合成的碳量子點在用于Hg2+檢測時具有較好的單一選擇性。

(2)Hg2+對碳量子點的熒光有猝滅效應，用碳量子點熒光猝滅法檢測Hg2+，方便快捷，靈敏度高，檢測范圍為1.0×10-8～1.0×10-7mol/L，檢出限為1.0×10-8mol/L。

(3)Hg2+對碳量子點猝滅方式為靜態猝滅，兩者的相互作用是自發進行的焓驅動過程，相互結合位點約為1，反應結合常數為1.0×105L/mol。