聚乙烯亞胺修飾的碳點熒光探針用于檢測汞離子

陳麗娟　劉仁勇　趙丹　閆葉寒

摘 要 以維生素C（Vc）為碳源，以聚乙烯亞胺（PEI）為摻雜氮劑， 通過一步水熱合成法制備了可發射藍色熒光的水溶性碳點熒光探針（PEI-Vc CDs）。基于Hg2+對PEI-Vc CDs探針良好的熒光猝滅效果，建立了一種快速檢測Hg2+的方法。在0.022～20 μmol/L濃度范圍內，PEI-Vc CDs探針熒光猝滅程度與Hg2+濃度呈良好的線性關系，檢出限為22 nmol/L（S/N=3）。其它金屬離子 （Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Ba2+和Pb2+）不會引起探針熒光強度的顯著改變，表明此探針對Hg2+具有高的選擇性。將此探針用于河水、自來水和礦泉水等實際水樣中Hg2+的檢測，結果令人滿意。

關鍵詞 汞離子; 重金屬離子; 聚乙烯亞胺; 碳點; 熒光分析

1 引 言

汞離子（Hg2+）是一種高毒性重金屬離子，易被生物體吸收，但不能被生物體降解，最終通過食物鏈富集，對人或動物的神經系統、免疫系統、腎臟和心臟造成危害，導致認知功能和運動功能障礙[1～3]。我國生活飲用水國家標準規定，飲用水中Hg2+含量不得超過5.0 nmol/L[4]，因此，檢測水環境中的Hg2+對保護人類健康具有重要的意義。檢測Hg2+的傳統方法主要有原子吸收光譜法[5，6]、原子發射光譜法[7，8]、電感耦合等離子體質譜法[9，10]、電化學方法[11～13]和分光光度法[14，15]等。這些方法靈敏度高，能夠滿足痕量分析的需求，但是存在儀器設備昂貴、測試成本高、操作繁瑣等問題。相對而言，熒光分析法具有靈敏度高、選擇性好、響應速度快、操作簡單等優點，已被用于檢測多種重金屬離子[16～28]。

碳點（Carbon dots， CDs）粒徑通常小于10 nm，主要由sp2/sp3碳和氧/氮基團構成，是一種具有熒光特性的碳基顆粒，廣泛用于生物和化學傳感以及食品分析、環境監測等領域。Goncalves等[18]通過激光消融法制備碳點，對Hg2+有良好的猝滅作用，然而該方法在活化碳點的過程中需用大量濃HNO3，導致碳點熒光量子產率降低。Yuan等[19]利用二硫代氨基甲酸銅（CuDTC2）修飾碳點，實現了對Hg2+高靈敏度和選擇性檢測，方法簡單，但是采用了Cu2+，引入了新的重金屬污染物。發展簡單、低成本、可大規模制備高品質碳點的方法，是目前研究的熱點。水熱法是一種簡單、高效合成碳點的方法。胥月等[20]采用水熱合成法處理蘋果汁，制備高品質的碳點，對Hg2+具有高靈敏度、高選擇性的響應。采用氨基化合物作為摻雜氮源，可提高碳點的熒光量子產率[21，22]。

本研究選用廉價易得的維生素C（Vitamin C，Vc）為碳源，以聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）為氮摻雜劑，通過一步水熱法合成了一種環境友好的新型碳點熒光探針（PEI-Vc CDs）。利用Hg2+對PEI-Vc CDs的選擇性猝滅效應，建立了檢測Hg2+的方法，并用于實際水樣中Hg2+的測定。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

RF-5301PC熒光光譜儀（日本島津公司）;JEM-2100 PLUS高分辨率透射電鏡（日本電子公司）;iS50FT-IR傅里葉-紅外光譜儀、iCAP-RQ電感耦合等離子體質譜儀（美國Thermo Fisher Scientific公司）;Milli-Q超純水處理系統（美國Millipore公司）。

KCl、NaCl、無水CaCl2、MgCl2、Fe（NO3）3、CoCl2、Hg（NO3）2、Pb（NO3）2和AgNO3（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）;硫酸喹啉、聚乙烯亞胺（Mn=600）、NiSO4、Mn（Ac）2、MgCl2、Vc和CdCl2（分析純，阿拉丁生化科技股份有限公司）。實驗用水為超純水。

2.2 PEI-Vc CDs熒光探針的合成

參照文獻[23]的方法合成PEI-Vc CDs探針并稍作改進，采用Vc代替檸檬酸作為碳源，PEI代替乙醇胺作為氮摻雜劑，并采用水熱法合成。具體步驟如下： 取10 mL 0.5 mol/L Vc溶液置于50 mL反應釜中，再緩慢滴入10 mL 0.5 mol/L PEI溶液，所用PEI與Vc的摩爾比為1：1。在200℃水熱反應6 h。冷卻至室溫，得到的棕色液體過0.45 μm濾膜，除去懸浮顆粒。產物在超純水中透析8 h，然后冷凍干燥，獲得PEI-Vc CDs粉末，將其分散在超純水中，配制成濃度為100 μg/mL的探針溶液，備用。

2.3 對Hg2+的熒光檢測

為抑制Hg2+水解，其儲備溶液采用等濃度的稀HNO3溶液配制。取1.7131 g Hg（NO3）2·H2O溶解在100 mL 0.05 mol/L HNO3溶液中， 得到0.05 mol/L Hg2+標準儲備液。適當稀釋儲備液得到工作液，將不同濃度的Hg2+工作液（0.0， 2.5， 5.0， 7.5， 10.0， 12.5， 17.5和20 μmol/L）與PEI-Vc CDs探針溶液（2 μg/mL）混合孵育。在350 nm激發光下，測量380～600 nm范圍的熒光光譜。以熒光猝滅效率為縱坐標（（F0-F）/F0（其中， F0代表探針未加入Hg2+的熒光強度，F代表加入Hg2+后的熒光強度），Hg2+濃度為橫坐標，繪制標準曲線。

2.4 選擇性實驗

利用各金屬離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Ba2+和Pb2+）的可溶性鹽配制其工作溶液，濃度均為0.1 mol/L，采用與2.3節相同相同方法，測定金屬離子與探針混合體系的熒光光譜，考察PEI-Vc CDs探針體系的選擇性。

2.5 熒光量子產率的測定

以硫酸奎寧（Quinine sulfate）為標準參照物，在0.1 mol/L H2SO4中，其熒光量子產率為54.6%。測定待測樣品和標準參照物兩種稀溶液的熒光積分面積（350 nm激發）和溶液的吸光度（350 nm），以熒光積分面積為縱坐標，吸光度為橫坐標，繪制標準曲線，按式（1）計算樣品的量子產率：

ΦF sample=ΦF standard·AstandardAsample·FsampleFstandard·η2sampleη2standard（1）

其中， ФF為熒光量子產率，A和ΣF為激發波長（350 nm）處的吸光度和熒光積分面積， η為所用溶劑的折射率，下標Standard和Sample分別表示標準參照物硫酸奎寧和待測樣品PEI-Vc CDs探針。

3 結果與討論

3.1 探針的表征 以廉價易得的Vc為碳源，水溶性良好的氨基化合物PEI為氮摻雜劑，通過一步水熱法制備了一種熒光碳點（PEI-Vc CDs），合成路線如圖1所示。采用透射電鏡（TEM）和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）表征了PEI-Vc CDs的形貌和結構。由TEM圖（圖2）可見，PEI-Vc CDs在水中分散性良好，粒徑約為3 nm。與PEI和Vc分子的紅外光譜比較（圖3），PEI-Vc CDs的紅外光譜在3425 cm1處出現NH的伸縮振動，2962和2841 cm1處的峰是CH的伸縮振動峰，1636 cm1處的峰為CO的特征振動峰，表明PEI-Vc CDs表面存在羰基和氨基基團。圖4A是PEI-Vc CDs探針在不同激發波長（310～380 nm）下的熒光光譜，最大激發波長為350 nm，吸收光譜（圖4B曲線a）中最大吸收峰位于350 nm處，最大熒光發射峰位于441 nm（圖4B曲線b）。以硫酸奎寧為參照物，測得PEI-Vc CDs探針量子產率為34.6%。

3.2 探針的穩定性

考察了PEI-Vc CDs探針的熒光穩定性。在室溫條件下，使用20 kW脈沖氙燈作為紫外燈光源，激發波長為350 nm，探針溶液與光源的距離約為70 cm，每隔5 min記錄探針溶液的熒光光譜，結果見圖5。 經過100 min連續照射， 最大發射波長441 nm處的熒光強度幾乎未變， 表明PEI-Vc CDs探針熒光穩定性好，抗光漂白能力強，可用于分析檢測。

3.3 可行性分析

考察了Hg2+對PEI-Vc CDs探針的熒光猝滅性能，如圖6A所示，當溶液中不存在Hg2+時，探針發射很強的熒光;當Hg2+濃度為2 μmol/L時，探針熒光強度下降，Hg2+濃度為20 μmol/L時，熒光強度顯著下降，猝滅率達到90%。為排除Hg2+儲備液中HNO3的干擾，將等濃度的HNO3與PEI-Vc CDs探針溶液混合，未見探針熒光強度下降（圖6B）。上述結果表明，探針熒光的猝滅是由Hg2+引起的，且Hg2+濃度越大，熒光淬滅程度越大，因此，可采用PEI-Vc CDs探針檢測Hg2+。

3.4 PEI-Vc CDs探針用于Hg2+檢測

考察了Hg2+與探針之間的動力學響應，如圖7A所示，加入Hg2+后，體系熒光強度快速下降，2 min后達到穩定，說明Hg2+和PEI-Vc CDs探針的反應速度快，可迅速達到平衡。因此，后續實驗的反應時間選擇2 min。進一步考察了探針濃度對Hg2+的影響（圖7B），結果表明，

探針溶液濃度為2 μg/mL時， Hg2+對其熒光猝滅程度最大。2 μg/mL PEI-Vc CDs探針溶液在不同濃度Hg2+存在下的熒光光譜如圖8A所示，隨著Hg2+濃度從0逐漸增加至20 μmol/L，探針的熒光逐漸被猝滅。Hg2+濃度在0.022～20 μmol/L范圍內，探針熒光猝滅程度（（F0-F）/F0）與Hg2+濃度呈良好的線性關系（圖8B），線性關系為（F0-F）/F0=0.0964+0.0404[Hg2+]，相關系數（R2）為0.9878，檢出限（LOD，S/N = 3）為22 nmol/L。隨著Hg2+濃度從0逐漸增加至20 μmol/L，探針的量子產率由34.6%降至0.64%。與基于聚合物[19～21]、有機小分子[22～24]、無機納米顆粒[25～27]制備的Hg2+熒光探針相比（表1），本研究合成的PEI-Vc CDs探針具有水溶性好、線性范圍寬等優點。

3.5 Hg2+選擇性響應

選擇常見的金屬離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Ba2+和Pb2+，探究其對PEI-Vc CDs探針的熒光響應。如圖9A所示，2 μmol/L Hg2+引起探針熒光強度顯著下降，10倍濃度的上述常見金屬離子對探針的熒光強度影響非常小，表明PEI-Vc CDs探針能夠選擇性識別Hg2+。對于20 μmol/L Hg2+，50 倍濃度的Na+、K+、Ca2+、Mg2+， 20 倍濃度的 Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Ba2+、Pb2+ 共存時，對探針的熒光強度的影響很小（圖9B）。上述結果表明，PEI-Vc CDs探針對Hg2+的選擇性高，抗干擾能力強。

3.6 實際樣品分析

實際水樣包括六安市淠河河水、自來水以及市售礦泉水。測定前，河水需過濾，去除懸浮顆粒;礦泉水和自來水均直接進行測定。采用PEI-Vc CDs探針體系，對3種水樣進行檢測，均未檢出Hg2+。同時，利用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）做對照測試，在3種水樣中也未檢出Hg2+。加標回收實驗結果見表2， 3個濃度水平下的加標回收率在94.0%～105.5%之間，表明PEI-Vc CDs探針體系具有良好的實用性和分析性能，可用于實際水樣中Hg2+的分析。

4 結 論

采用水熱合成法制備了一種新型PEI-Vc CDs熒光探針，探針水溶性好，粒徑均勻。Hg2+濃度在0.022～20 μmol/L 范圍內，探針熒光猝滅程度與Hg2+濃度呈良好的線性關系，檢出限為22 nmol/L。將本方法用于實際水樣中Hg2+的測定，結果令人滿意。本研究構建的PEI-Vc CDs熒光探針在水環境監測與分析方面有良好的應用潛能。

References

1 DAI Shu-Gui. Environmental Chemistry， Higher Education Press， 2006： 165

戴樹桂. 環境化學（第二版）. 高等教育出版社，? 2006： 165

2 Zhang Y， Jiang H， Wang X. Anal. Chim. Acta，? 2015， 870： 1-7

3 Nolan E M， Lippard S J. Chem. Rev.，? 2008， 108（9）： 3443-3480

4 GB 5749-2006. Sanitary Standard for Drinking Water Quality. National Standards of the Peoples Republic of China

生活飲用水衛生標準. 中華人民共和國國家標準. GB 5749-2006

5 Vicentino P D O， Brum D M， Cassella R J. Talanta，? 2015， 132： 733-738

6 Panichev N A， Panicheva S E. Food Chem.，? 2015， 166： 432-441

7 LUO Hong， HOU Xian-Deng， LONG Zhou. Chinese J. Anal. Chem.，? 2015， 43（9）： 1291-1295

羅 虹， 侯賢燈， 龍 舟.? 分析化學， 2015， 43（9）： 1291-1295

8 Yuan X， Yang G， Ding Y， Li X M， Zhan X F， Zhao Z J， Duan Y X. Spectrochim. Acta B，? 2014， 93（2）： 1-7

9 Ma S S， He M， Chen B B， Deng W C， Zheng Q， Hu B. Talanta，? 2016， 146： 93-99

10 Cheng H Y， Chen X P， Shen L H， Wang Y C， Xu Z G， Liu J H. J. Chromatogr. A，? 2018， 1531： 104-111

11 Chen D M， Gao Z F， Jia J， Li N B， Luo H Q. Sens. Actuators B，? 2015， 210： 290-296

12 Kanchana P， Sudhan N， Sukeri A， Jayaraman M， Manisankar P， Sekar C. RSC Adv.， ?2015， 5（84）： 68587-68594

13 ZHU Xi， CHEN Li-Fen， LIN Zhen-Yu， CHEN Guo-Nan. Chinese J. Anal. Chem.，? 2009， 37（3）： 131

朱 希， 陳麗芬， 林振宇， 陳國南.? 分析化學，? 2009， 37（3）： 131

14 Ulusoy H I. J. AOAC Int.，? 2014， 97（1）： 238-244

15 Chen L， Li J H， Chen L X. ACS Appl. Mater. Interfaces，? 2014， 6（18）： 15897-15904

16 Childress E S， Roberts C A， Sherwood D Y， Leguyader C L M， Harbron E J. Anal. Chem.，? 2012， 84（3）： 1235-1239

17 Yan Y， Krishnakumar S， Yu H， Ramishetti S， Deng L W， Wang S H. J. Am. Chem. Soc.，? 2013， 135（14）： 5312-5315

18 Goncalves H， Jorge P A S， Fernandes J R A， Joaquim C G E. Sens. Actuators B，? 2010， 145： 702-707

19 Yuan C， Liu B H， Liu F， Han M Y， Zhang Z P. Anal. Chem.，? 2014， 86（2）： 1123-1130

20 XU Yue， TANG Chun-Jing， HUANG Hong， SUN Chao-Qun， ZHANG Ya-Kun， YE Qun-Feng， WANG Ai-Jun. Chinese J. Anal. Chem.，? 2014， 42（9）： 1252-1258

胥 月， 湯純靜， 黃 宏， 孫超群， 張亞鯤， 葉群峰， 王愛軍.? 分析化學，? 2014， 42（9）： 1252-1258

21 Zhu S J， Meng Q N， Wang L， Zhang J H， Song Y B， Han J， Zhang K， Sun H C， Wang H Y， Yang B. Angew. Chem.， Int. Ed.，? 2013， 52（14）： 3953-3957

22 Qu D， Zheng M， Zhang L G， Zhao H F， Xie Z G， Jing X B， Haddad R E， Fan H Y， Sun Z C. Sci. Rep.，? 2014， 4： 5294

23 Zhang Y， Liu X， Fan Y，Guo X， Zhou L， Lv Y， Lin J. Nanoscale，? 2016， 8： 15281-15287

24 Wei Y， Li B M， Wang X， Duan Y X. Analyst，? 2014， 139（7）： 1618-1621

25 Yan F Y， Shi D C， Zheng T C， Yun K Y， Zhou X G， Chen L. Sens. Actuators B，? 2016， 224： 926-935

26 Lan M H， Zhang J F， Chui Y S， Wang P F， Chen X F， Lee C S， Kwong H L， Zhang W J. ACS Appl. Mater. Interfaces，? 2014， 6（23）： 21270-21278

27 Yan Y H， Yu H， Zhang K， Sun M T， Zhang Y J， Wang X K， Wang S H. Nano Res.，? 2016， 9（7）： 2088-2096

28 PENG Tao， WANG Jian-Yi， XIE San-Lei， YAO Kai， SUN Shu-Juan， ZENG Yu-Yang， JIANG Hai-Yang. Chinese J. Anal. Chem.，? 2018， 46（3）： 373-378

彭 濤， 王見一， 謝三磊， 姚 凱， 孫淑娟， 曾于洋， 江海洋.? 分析化學，? 2018， 46（3）： 373-378

29 Huang W J， Wu W H. J. Appl. Polym. Sci.，? 2012， 124： 2055-2061

30 Fan L J， Zhang Y， Wayne E J. Macromolecules，? 2005， 38（7）： 2844-2849

31 Wan C F， Lin H Y， Chien C， Wu A T. Luminescence，? 2014， 29（6）： 698-701

32 Petdum A， Panchan W， Sirirak J， Promarak V， Sooksimuang T， Wanichacheva N. New J. Chem.，? 2018， 42（2）： 1369-1402

33 Wang S， Liu R Q， Li C C. Nanoscale Res. Lett.，? 2018， 13（1）： 235-241

34 Yuan C， Zhang K， Zhang Z P， Wang S H. Anal. Chem.，? 2012， 84（3）： 9792-9801

A Novel Fluorescent Probe for Mercury Ion Detection

Based on Polyethyleneimine Modified Carbon Dots

CHEN Li-Juan1， LIU Ren-Yong1， ZHAO Dan2， YAN Ye-Han*2

1（College of College of Materials and Chemical Engineering， West Anhui University， Luan 237012， China）

2（College of Environment and Tourism， West Anhui University， Luan 237012， China）

Abstract A novel carbon dots （CDs） fluorescent probe was prepared by pyrolyzing the mixture of ascorbic acid （Vc） and polyethyleneimine （PEI） aqueous solution through hydrothermal method for rapid， simple and on-site detection of mercuric ion. The particle size of CDs was characterized by TEM to be 3 nm with a good dispersivity. The fluorescence of the CDs could be quenched by Hg2+， while remained nearly constant when exposed to other metal ions including Na+， K+， Ca2+， Mg2+， Mn2+， Fe3+， Co2+， Ni2+， Zn2+， Cd2+， Ag+， Ba2+ and Pb2+， implying its good selectivity. A good linear relationship between the fluorescence quenching degree （F0-F）/F0 of probe and Hg2+ concentration was obtained with correlation coefficient （R2） of 0.9878， and the detection limit （S/N=3） for Hg2+ was 22 nmol/L in aqueous solution. In addition， the probe was used to determine Hg2+ in real water samples， and the recoveries ranged from 94.0% to 105.5% in river water， tap water and mineral water samples， proving its good practical applicability for detection of Hg2+ in complex water samples.

Keywords Mercury ion; Heavy metal ions; Polyethyleneimine; Carbon dots; Fluorescence analysis

（Received 29 August 2019; accepted 28 May 2020）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No. 21804100）， the Natural Science Foundation of Anhui Province （Nos. KJ2018A0416， 1808085QB and the Science Foundation of West Anhui University （Nos.WXZR201801， WGKQ201702020）.

2019-08-29收稿; 2020-05-28接受

本文系國家自然科學基金項目（No. 21804100）和安徽省自然科學基金項目（Nos.KJ2018A0416， 1808085QB資助

* E-mail： yanyh@mail.ustc.edu.cn