碳點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)金（III）離子的分析化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

莊欠粉， 王 勇

（南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院，南昌 330031）

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，高等教育必須主動(dòng)適應(yīng)國(guó)家社會(huì)發(fā)展新需求和世界科技前沿發(fā)展新趨勢(shì)，才能培養(yǎng)出創(chuàng)新型、應(yīng)用型和復(fù)合型的高素質(zhì)人才［1-6］。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)、化工、環(huán)境、材料、食品和制藥類等大學(xué)本科生必修的實(shí)驗(yàn)課程，在培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代分析技術(shù)方面起著至關(guān)重要的作用［2-6］。然而現(xiàn)階段的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡(jiǎn)單陳舊，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)未能充分體現(xiàn)新時(shí)代分析化學(xué)的學(xué)科發(fā)展前沿和國(guó)家需求［7-8］，同時(shí)在現(xiàn)階段分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中主要講授分析儀器的構(gòu)造、使用步驟及其檢測(cè)原理，而常常忽略分析化學(xué)的基礎(chǔ)要素和學(xué)科發(fā)展前沿的材料制備和使用的講授，使得分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容講授不完整，未能充分體現(xiàn)分析化學(xué)集成創(chuàng)新的特點(diǎn)；此外當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中各個(gè)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的方法單一且內(nèi)容孤立，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目常常獨(dú)立講授，缺乏關(guān)聯(lián)，直接導(dǎo)致不能對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分析方法進(jìn)行全面系統(tǒng)比較，從而無法深刻理解各分析方法之間的性能特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和適用范圍。以上問題嚴(yán)重制約了學(xué)生科研思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力的提升，不利于創(chuàng)新型、應(yīng)用型和復(fù)合型高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

基于以上不足，立足于國(guó)家需求和科學(xué)前沿，從最新科研成果中提煉并設(shè)計(jì)出一個(gè)分析化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)新項(xiàng)目“碳點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)金（III）離子”，并在本科生分子光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)課中進(jìn)行了實(shí)踐和探索，取得了一定成效。通過本綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成功實(shí)施，加深了學(xué)生對(duì)紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法定量分析的理解，激發(fā)了學(xué)生探索創(chuàng)新的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力，促進(jìn)了學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)踐動(dòng)手能力的相互滲透融合，并強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)新材料作為分析化學(xué)基本要素的重要性和分析化學(xué)面向科學(xué)前沿和國(guó)家需求的集成創(chuàng)新特征的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

金（III）離子能結(jié)合DNA 和酶，會(huì)對(duì)生物體的神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟和腎等造成損傷，嚴(yán)重危害生物健康，但近年來工業(yè)上對(duì)金的大量提煉和加工以及廣泛使用產(chǎn)生了廢液，給環(huán)境水體造成嚴(yán)重污染，因此快速檢測(cè)工業(yè)廢水中痕量金（III）離子非常有必要，符合國(guó)家對(duì)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和控制的需求［9-10］。然而，常規(guī)的化學(xué)滴定或質(zhì)量分析法耗時(shí)，因此適合于快速檢測(cè)的現(xiàn)代分子光譜分析法是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是采用現(xiàn)代分子光譜分析法直接檢測(cè)工業(yè)廢水中痕量金（III）離子無法或難以滿足檢測(cè)所需的靈敏度和選擇性。為此，有必要引入作為光學(xué)探針的新材料，并結(jié)合分子光譜儀器構(gòu)建基于新材料的靈敏選擇光學(xué)傳感分析方法，而傳感方法的原理就是通過新材料與待測(cè)物之間特定的物化相互作用導(dǎo)致新材料的光學(xué)性質(zhì)變化來間接檢測(cè)工業(yè)廢水中痕量金（III）離子，其中性能優(yōu)良的新材料制備很自然就成為解決上述國(guó)家需求應(yīng)用技術(shù)背后的科學(xué)前沿。

碳點(diǎn)（Carbon dots，CDs）是一種粒徑小于10 nm新型碳納米材料，由碳、氫、氧、氮等元素組成，其中碳元素既包含sp2雜化碳又有sp3雜化碳，這種材料不僅有優(yōu)良的熒光、氧化還原和催化性質(zhì)，而且有比表面積大，水溶性好、光穩(wěn)定性高、毒性低、生物兼容性好、易于合成和功能化等優(yōu)點(diǎn)，因此碳點(diǎn)成為光學(xué)傳感定量分析領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)［11-14］。當(dāng)前碳點(diǎn)合成方法很多，但是考慮到教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)安全、綠色環(huán)保、儀器設(shè)備、制備條件以及項(xiàng)目課時(shí)的要求，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中用于學(xué)生實(shí)際操作的碳點(diǎn)制備步驟內(nèi)容選用前期微波固相輻射一步快速合成法的科研成果［14］。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

制備后所得的碳點(diǎn)熒光通常起源于帶隙躍遷、晶格缺陷和（或）表面缺陷［11-12］。當(dāng)一些物質(zhì)與碳點(diǎn)發(fā)生物化作用后會(huì)引起碳點(diǎn)熒光源的變化，特別碳點(diǎn)表面缺陷熒光源對(duì)表面狀態(tài)非常敏感，某些物質(zhì)與碳點(diǎn)的表面發(fā)生相互作用后會(huì)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的變化，基于此原理可以實(shí)現(xiàn)待測(cè)物質(zhì)的定性定量熒光分析檢測(cè)［11-12］。此外，碳點(diǎn)也是一種溫和的還原劑，它們表面富電子基團(tuán)如碳基、羥基和氨基等能成為電子的供體，使許多金屬陽(yáng)離子能還原成它們各自的金屬納米粒子［15-16］，而這些金屬納米粒子常常會(huì)出現(xiàn)特定的紫外可見吸收譜帶，利用譜帶吸收強(qiáng)度的變化可以實(shí)現(xiàn)待測(cè)物質(zhì)的定性定量光度分析檢測(cè)。

在本實(shí)驗(yàn)中，合成的碳點(diǎn)表面含有豐富的羧基和羥基等富電子基團(tuán)，能與金（III）離子發(fā)生絡(luò)合繼而發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將金（III）離子還原成金原子，進(jìn)一步以這些表面富電子位點(diǎn)和金原子通過氫鍵和親金等相互作用成核形成金納米粒子［15-16］，這個(gè)過程將會(huì)使碳點(diǎn)熒光發(fā)生顯著猝滅，根據(jù)碳點(diǎn)猝滅的程度可以通過熒光分光光度計(jì)或直接可視化實(shí)現(xiàn)金（III）離子的熒光檢測(cè)。在這個(gè)檢測(cè)過程中，熒光猝滅的原因有非熒光絡(luò)合物的形成所導(dǎo)致的靜態(tài)猝滅、金納米粒子和碳點(diǎn)之間發(fā)生的短距離能量轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移，以及內(nèi)濾效應(yīng)等。與此同時(shí)，碳點(diǎn)熒光猝滅也伴隨著金納米粒子的形成，而金納米粒子可通過局域表面等離子共振效應(yīng)吸收特定波長(zhǎng)的光而給出遠(yuǎn)高于有機(jī)染料消光系數(shù)的紫外可見吸收譜帶，繼而通過紫外可見分光光度計(jì)利用這一吸收譜帶的吸光度變化或直接觀察顏色變化來實(shí)現(xiàn)金（III）離子的定性定量分析檢測(cè)。通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所合成的碳點(diǎn)僅對(duì)金（III）離子表現(xiàn)出極高的猝滅程度和極大的吸收光譜變化，對(duì)金（III）離子有很高的選擇性，因此利用本實(shí)驗(yàn)可判斷廢水中金（III）離子是否存在，繼而結(jié)合不同濃度金（III）離子存在下熒光猝滅程度和吸光度值的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以定量分析檢測(cè)金（III）離子。

1.3 教學(xué)設(shè)計(jì)

碳點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)金（III）離子的分析化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)分為3 個(gè)階段。

（1）課前預(yù)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)開展前，學(xué)生提前做好準(zhǔn)備工作，通過圖書館數(shù)據(jù)庫(kù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和教師推薦的相關(guān)文獻(xiàn)或教材，了解碳點(diǎn)的基本概念、合成方法、發(fā)光源、其他物化性質(zhì)和發(fā)展前沿，并掌握熒光分光光度計(jì)、紫外可見分光光度計(jì)和比色分析的基本工作原理以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中碳點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)金（III）離子的傳感原理，這個(gè)過程不僅鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，而且還引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)利用課堂之外大量時(shí)間去完成查閱資料和閱讀文獻(xiàn)等任務(wù)，使學(xué)生意識(shí)到綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)與其他實(shí)驗(yàn)的不同之處。

（2）課堂實(shí)驗(yàn)。①實(shí)驗(yàn)開始前，教師就學(xué)生課前從文獻(xiàn)和教材中自主學(xué)習(xí)的知識(shí)采取提問、考查或測(cè)驗(yàn)等方式進(jìn)行互動(dòng)，并對(duì)學(xué)生掌握情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)根據(jù)學(xué)生反饋的信息，簡(jiǎn)要介紹上述相關(guān)知識(shí)，并從科學(xué)前沿和國(guó)家需求兩方面展現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的意義，同時(shí)重點(diǎn)講授本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中微波固相法制備納米碳點(diǎn)以及基于碳點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)金（III）離子的步驟、注意事項(xiàng)以及方法特點(diǎn)，這個(gè)過程能考查學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果，還能針對(duì)性地加深學(xué)生對(duì)上述相關(guān)知識(shí)的理解；②學(xué)生利用檸檬酸作為源料一步快速制備納米碳點(diǎn)，這個(gè)過程培養(yǎng)學(xué)生安全、綠色環(huán)保和創(chuàng)新等意識(shí)；③學(xué)生利用熒光分光光度計(jì)、紫外可見分光光度計(jì)和比色法來對(duì)金（III）離子的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，這個(gè)過程可以讓學(xué)生了解到直接利用紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法無法解決廢水中痕量金（III）離子的檢測(cè)原因；④引入新材料碳點(diǎn)作為光學(xué)探針，并結(jié)合熒光分光光度計(jì)、紫外可見分光光度計(jì)和比色法來對(duì)金（III）離子進(jìn)行間接檢測(cè)，在這個(gè)過程中可以讓學(xué)生了解到新材料碳點(diǎn)引入的目的，加深學(xué)生對(duì)新材料作為分析化學(xué)基本要素的認(rèn)知和分析化學(xué)集成創(chuàng)新的特征，同時(shí)通過比較檢測(cè)金（III）離子的3 種分析方法（紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法）的性能、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍來加深分析化學(xué)理論課程中相關(guān)方法的理解；⑤將建立的光學(xué)分析方法用于廢水中金（III）離子檢測(cè)，這個(gè)過程讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到分析化學(xué)是貼近生產(chǎn)生活的學(xué)科，是面向國(guó)家需求并能解決實(shí)際問題的。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后。學(xué)生應(yīng)自學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件（如Origin軟件和Excel 軟件）并將實(shí)驗(yàn)過程中儀器記錄和個(gè)人記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，并參照期刊論文格式撰寫實(shí)驗(yàn)論文，在實(shí)驗(yàn)論文撰寫過程中，不僅鍛煉學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力、繪圖能力和文字表達(dá)能力，而且還加強(qiáng)學(xué)生邏輯思維能力和科研能力的培養(yǎng)，這些能力的提高有助于學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握解決實(shí)際問題的基本方法和思路，進(jìn)一步提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)以指導(dǎo)者和管理員的身份參與其中，幫助學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)困難，糾正錯(cuò)誤操作，排除安全隱患，使學(xué)生順利地完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)規(guī)范實(shí)驗(yàn)記錄的重要性，使得學(xué)生準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)；本實(shí)驗(yàn)納入分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，面向化學(xué)、化工、環(huán)境、材料、食品和制藥類等專業(yè)的本科生開設(shè)，可安排8 學(xué)時(shí)，其中4 學(xué)時(shí)包括碳點(diǎn)固相微波制備和表征、金（III）離子的光學(xué)性質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)以及基于碳點(diǎn)光學(xué)定性檢測(cè)金（III）離子，另4 學(xué)時(shí)包括基于碳點(diǎn)光學(xué)定量檢測(cè)金（III）離子、碳點(diǎn)對(duì)金（III）離子的選擇性以及廢水中金（III）離子的檢測(cè)；實(shí)驗(yàn)成績(jī)按照3 階段來考核，其中實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告占20%、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)操作占30%、互動(dòng)占20%和實(shí)驗(yàn)論文占30%，按此比重加權(quán)得出最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

紫外可見分光光度計(jì)、熒光分光光度計(jì)、透射電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀、分析天平、微波爐、超聲清洗器、離心機(jī)、0.22 μm 過濾器、吸量管（0.5 mL、1.0 mL和5.0 mL）、容量瓶（50 mL）、比色皿、10 mL 燒杯、2 mL塑料試管。

檸檬酸、HAuCl4溶液（0.4 nmol/L、4 nmol/L、40 nmol/L、400 nmol/L、4 μmol/L、40 μmol/L、200 μmol/L、400 μmol/L、600 μmol/L）、NaCl 溶液（200 μmol/L）、AgNO3溶液（200 μmol/L）、CaCl2溶液（200 μmol/L）、MgCl2溶液（200 μmol/L）、ZnSO4溶液（200 μmol/L）、Cu（NO3）2溶液（200 μmol/L）、FeSO4溶液（200 μmol/L）、BaCl2溶液（200 μmol/L）、AlCl3溶液（200 μmol/L）、Cr（NO3）3溶液（200 μmol/L）、Cd（NO3）2溶液（200 μmol/L）、Pb（NO3）2溶液（200 μmol/L）、Hg（NO3）2溶液（200 μmol/L），NaH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液（PBS，pH 5），所有試劑均來自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

2.2 熒光碳點(diǎn)的制備

熒光碳點(diǎn)根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道方法合成［14］：利用分析天平準(zhǔn)確稱取1.000 0 g 檸檬酸置于10.0 mL干燥的小燒杯中，然后放入微波爐中，微波700 W 反應(yīng)4 min，冷卻至室溫，然后加入5.00 mL水，超聲5 min使其溶解混勻，然后用吸量管吸取5.00 mL 碳點(diǎn)溶液至50 mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度，搖勻備用。

2.3 基于碳點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)金（III）離子

取10 個(gè)2 mL試管，用吸量管分別加入1.00 mL碳點(diǎn)溶液，0.50 mL PBS緩沖溶液（pH 5），0.50 mL不同濃度的金標(biāo)準(zhǔn)溶液（0、0.4 nmol/L、4 nmol/L、40 nmol/L、400 nmol/L、4 μmol/L、40 μmol/L、200 μmol/L、400 μmol/L、600 μmol/L），搖勻放置5 min，利用比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法分析檢測(cè)金（III）離子。觀察加入不同濃度的金（III）離子后碳點(diǎn)溶液的顏色變化，根據(jù)顏色進(jìn)行判斷金（III）離子的濃度；在紫外可見光光度計(jì)上，用1 cm 的比色皿，以蒸餾水為參比溶液，在517 nm 下測(cè)量各溶液的吸光度值（A517nm），以金（III）離子濃度（c）為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，用Origin 軟件繪制光譜圖和標(biāo)準(zhǔn)曲線；在熒光光度計(jì)上，用1 cm的比色皿，以蒸餾水為參比，以360 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)量各溶液的熒光發(fā)射峰（468 nm）的強(qiáng)度，以金（III）離子濃度（c）為橫坐標(biāo)，熒光發(fā)射峰的強(qiáng)度變化比值（F0/F，F(xiàn)和F0分別為有無金（III）離子時(shí)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度）為縱坐標(biāo)，用Origin軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.4 金（III）離子的選擇性

取14 個(gè)2 mL 試管，用吸量管分別加入1.00 mL碳點(diǎn)溶液，0.50 mL PBS 緩沖溶液（pH 5），0.50 mL 200 μmol/L金屬離子溶液（鈉離子、銀離子、鈣離子、鎂離子、鋅離子、銅離子、亞鐵離子、鋇離子、金（III）離子、鋁離子、鉻離子、鎘離子、鉛離子和汞離子），搖勻放置5 min后，觀察含有不同金屬離子的碳點(diǎn)溶液的顏色，同時(shí)利用紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法分析判斷碳點(diǎn)對(duì)金（III）離子的選擇性。

2.5 廢水中金（III）離子的檢測(cè)

將鍍金廠附近的廢水用離心機(jī)離心10 min （轉(zhuǎn)速12 000 r/min），然后上清液再用0.22 μm 過濾器過濾，濾液備用。在相同的條件下，分別利用比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法研究廢水中金（III）離子的濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 熒光碳點(diǎn)的表征

通過利用紫外分光光度計(jì)和熒光分光光度計(jì)表征制備的碳點(diǎn)的光譜性質(zhì)［見圖1（a）、（b）］，并與文獻(xiàn)報(bào)道的光譜［11］進(jìn)行比對(duì)，從而確認(rèn)熒光碳點(diǎn)是否制備成功。同時(shí)如果條件允許的話，可采用透射電子顯微鏡（TEM）和傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）對(duì)碳點(diǎn)進(jìn)行形貌和表面組成研究，并與文獻(xiàn)報(bào)道［11］進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)一步加深對(duì)熒光碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理解。圖1（c）所示為樣品TEM形貌及尺寸等信息；圖1（d）所示為FTIR獲取的碳點(diǎn)表面官能團(tuán)信息。

圖1 熒光碳點(diǎn)幾種分析方法下的譜圖

3.2 金（III）離子的光學(xué)性質(zhì)分析

如圖2 所示，自然光下不同濃度的金（III）離子溶液幾乎是透明的，因此無法通過顏色判斷金（III）離子的濃度［見圖2（a）］；利用紫外可見吸收光譜法可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)金（III）離子濃度高達(dá)50 μmol/L 時(shí)在300 nm左右出現(xiàn)一個(gè)吸收峰［見圖2（b）］；利用分子熒光光譜法分析金（III）離子溶液可以發(fā)現(xiàn)，在360 nm 激發(fā)下，由于金（III）離子無熒光，所以其溶液的熒光強(qiáng)度幾乎為零［見圖2（c）］。上述結(jié)果說明利用比色法和紫外可見吸收光譜法直接快速檢測(cè)金（III）離子的靈敏度較低，而由于金（III）離子無熒光，所以無法直接利用分子熒光法快速檢測(cè)金（III）離子。為此，作為光學(xué)探針的新材料有必要引入，并結(jié)合分子光譜儀器構(gòu)建基于新材料的靈敏光學(xué)傳感分析方法，從而實(shí)現(xiàn)痕量金（III）離子的間接快速檢測(cè)。

圖2 不同濃度金（III）離子溶液的光學(xué)性質(zhì)

3.3 基于碳點(diǎn)檢測(cè)金（III）離子及其選擇性

為了實(shí)現(xiàn)金（III）離子的快速靈敏選擇檢測(cè)，引入了性能優(yōu)良的碳點(diǎn)材料作為光學(xué)探針構(gòu)建傳感分析方法，從而加深學(xué)生對(duì)新材料作為分析化學(xué)基本要素的認(rèn)識(shí)。圖3 所示為基于碳點(diǎn)材料的比色法分析金（III）離子，學(xué)生可以觀察到自然光下碳點(diǎn)溶液為淡黃色，加入金（III）離子后，發(fā)現(xiàn)在低濃度下（0 ～1 μmol/L）顏色幾乎沒有發(fā)生明顯變化，當(dāng)濃度高達(dá)10 μmol/L時(shí)，溶液呈淡紅色，并且隨著濃度增加，紅色逐漸加深，這說明在高濃度下可以通過比色法分析金（III）離子，檢測(cè)范圍為10 ～150 μmol/L，利用比色法最低可檢出金（III）離子濃度為10 μmol/L。圖4（a）所示為基于碳點(diǎn)材料的紫外可見吸收光譜法分析金（III）離子，可以看出碳點(diǎn)溶液在300 nm 左右有明顯吸收峰，當(dāng)加入金（III）離子后，在517 nm處出現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)吸收峰，隨著金（III）離子濃度的增加，517 nm處的吸收強(qiáng)度（A517nm）增加，并且發(fā)生紅移，根據(jù)A517nm與金（III）離子的濃度，可以得到標(biāo)準(zhǔn)曲線［見圖4（b）］及線性方程：A517nm＝0.004 31c ＋0.009 52 （r ＝0.993）。此外在0.1 ～100 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為30 nmol/L。圖5（a）所示為基于碳點(diǎn)材料的分子熒光光譜法分析金（III）離子。可見，在360 nm激發(fā)下，碳點(diǎn)發(fā)射峰在468 nm，加入不同濃度的金（III）離子后，隨著濃度增加，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸減弱，根據(jù)不同濃度金（III）離子溶液的熒光發(fā)射峰強(qiáng)度變化比值（F0/F），得到標(biāo)準(zhǔn)曲線［見圖5（b）］及線性方程：F0/F ＝0.032 2c ＋1.279 （r ＝0.995）。此外在0.001 ～150 μmol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為0.1 nmol/L。

圖3 含有不同濃度金（III）離子的碳點(diǎn)溶液在自然光下的溶液顏色變化圖（左-右：0、0.1 nmol/L、1 nmol/L、10 nmol/L、100 nmol/L、1 μmol/L、10 μmol/L、50 μmol/L、100 μmol/L、150 μmol/L）

圖4 金（III）離子的碳點(diǎn)溶液紫外光譜圖

圖5 金（III）離子的碳點(diǎn)溶液熒光譜圖

另外，在自然光下，加入金（III）離子后的碳點(diǎn)溶液呈紅色，而廢水中常見的其他金屬離子在高達(dá)50 μmol/L時(shí)其顏色幾乎沒有發(fā)生明顯變化［見圖6（a）］；當(dāng)碳點(diǎn)溶液加入金（III）離子后在517 nm 處出現(xiàn)了強(qiáng)吸收峰，其他金屬離子在517 nm處幾乎沒有吸收［見圖6（b）］；同時(shí)與其他金屬離子相比，只有金（III）離子加入能強(qiáng)烈地猝滅碳點(diǎn)熒光［見圖6（c）］。所有這些說明基于碳點(diǎn)對(duì)金（III）離子有高選擇性。

圖6 碳點(diǎn)對(duì)金（III）離子的選擇性

3.4 不同光學(xué)分析法檢測(cè)金（III）離子的性能

由上述基于碳點(diǎn)的不同光學(xué)分析法檢測(cè)金（III）離子的性能（檢出限、選擇性、檢測(cè)速度、準(zhǔn)確性和線性范圍）可見，①比色法檢出限高（10 μmol/L），紫外可見吸收光譜法檢出限中等（30 nmol/L），分子熒光光譜法檢出限高（0.1 nmol/L）；②比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法對(duì)金（III）離子均有高的選擇性；③比色法、紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法對(duì)金（III）離子的檢測(cè)速度快，反應(yīng)僅需5 min；④比色法僅能定性或半定量檢測(cè)金（III）離子，紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法均能精準(zhǔn)定量檢測(cè)金（III）離子；⑤比色法檢測(cè)的范圍較窄（10 ～150 μmol/L），紫外可見吸收光譜法的檢測(cè)/線性范圍中等（0.1 ～100 μmol/L），分子熒光光譜法的檢測(cè)/線性范圍寬（0.001 ～150 μmol/L）；⑥比色法不需儀器僅用肉眼即可檢測(cè)，紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法均需儀器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。上述基于碳點(diǎn)的不同光學(xué)分析法檢測(cè)金（III）離子的性能分析見表1，可以總結(jié)出3種基于碳點(diǎn)的光學(xué)分析法的優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)速度快和選擇性高；比色法的優(yōu)勢(shì)在于不需儀器即可檢測(cè)，不足在于不能精準(zhǔn)定量檢測(cè)、檢出限高和線性范圍窄，適合于野外的快速檢測(cè)；紫外可見吸收光譜法和分子熒光光譜法的優(yōu)勢(shì)在于能精準(zhǔn)定量檢測(cè)、檢出限低和線性范圍寬，且分子熒光光譜法的檢出限比紫外可見吸收光譜法更低，而線性范圍更寬，不足在于它們均需要昂貴的儀器，適合于實(shí)驗(yàn)室快速檢測(cè)。這些分析方法的全面系統(tǒng)比較，可加深對(duì)分析化學(xué)課程中相關(guān)光譜分析方法的認(rèn)識(shí)和理解。

表1 不同光學(xué)分析法檢測(cè)金（III）離子性能優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.5 樣品測(cè)定

當(dāng)廢水加到碳點(diǎn)溶液中后，碳點(diǎn)溶液顏色幾乎沒有太明顯的變化，受限于比色法的檢出限和檢測(cè)濃度范圍，因此利用比色法不能判斷廢水中含有的金（III）離子的濃度。當(dāng)廢水加到碳點(diǎn)溶液前后517 nm 處吸光度幾乎沒有明顯的變化，受限于紫外可見吸收光譜法的檢出限和線性范圍，因此利用紫外可見吸收光譜法不能準(zhǔn)確測(cè)定廢水中含有的金（III）離子的濃度。當(dāng)廢水加到碳點(diǎn)溶液前后468 nm 處的熒光強(qiáng)度值發(fā)生了較明顯的減弱，根據(jù)F0/F 值，從相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線可以獲得廢水中含有的金（III）離子的濃度為4.9 nmol/L。因此，利用比色法和紫外可見吸收光譜法無法準(zhǔn)確判斷廢水中含有的金（III）離子的濃度，而利用分子熒光光譜法可以準(zhǔn)確測(cè)定廢水中痕量金（III）離子的濃度。

4 教學(xué)成效

該實(shí)驗(yàn)自成功開發(fā)出來后，作為一個(gè)本科生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)用在我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等課程中，取得了良好的成效。通過對(duì)學(xué)生的課內(nèi)外信息反饋，普遍發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情顯著提高，能夠?qū)ψ贤饪梢娢展庾V法、分子熒光光譜法和比色法的基本原理和應(yīng)用以及這些方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍有清楚的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)新材料作為分析化學(xué)基本要素的重要性有了重新理解，同時(shí)也讓學(xué)生意識(shí)到分析化學(xué)面向科學(xué)前沿和國(guó)家需求的集成創(chuàng)新特征。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、綜合能力和總體素質(zhì)整體提升，到目前為止已有9 位本科生通過查閱文獻(xiàn)，自己擬定題目并獲批國(guó)家級(jí)或校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，有4 位已在國(guó)際SCI 雜志上公開發(fā)表科研論文。所有這些將對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型和復(fù)合型高素質(zhì)人才具有重要意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

從科研成果中提煉和設(shè)計(jì)出一個(gè)碳點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)金（III）離子分析化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)新項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合性、系統(tǒng)性和研究性強(qiáng)，通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成功實(shí)施，加深學(xué)生對(duì)紫外可見吸收光譜法、分子熒光光譜法和比色法的理解，并加強(qiáng)對(duì)新材料作為分析化學(xué)基本要素的重要性和分析化學(xué)面向科學(xué)前沿和國(guó)家需求的集成創(chuàng)新特征的認(rèn)識(shí)。相信通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)案例的成功實(shí)施，能進(jìn)一步推動(dòng)更多的教學(xué)工作者立足于國(guó)家需求和科學(xué)前沿提煉出更多的適合于大學(xué)本科生分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例。通過這些大學(xué)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的豐富和更新，勢(shì)必能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新意識(shí)和綜合能力，從而全面地提高大學(xué)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。

·名人名言·

實(shí)驗(yàn)室和發(fā)明是兩個(gè)有密切關(guān)系的名詞，沒有實(shí)驗(yàn)室，自然科學(xué)就會(huì)枯萎；科學(xué)家一經(jīng)離開了實(shí)驗(yàn)室，就變成戰(zhàn)場(chǎng)上繳了械的戰(zhàn)士。

——巴斯德