王 強，胡旭虎

(中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢430074)

熒光碳點在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究

王 強，胡旭虎

(中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢430074)

為了解新型熒光碳點表面經(jīng)鈍化修飾后，賦予其相關(guān)的反應(yīng)活性及靶向選擇性，及碳點的日益多樣化應(yīng)用，特別是環(huán)境分析上廣闊的應(yīng)用前景，詳細(xì)地論述了熒光碳點應(yīng)用于檢測環(huán)境中的重金屬離子、微生物、無機(jī)陰離子及有機(jī)污染物等，并展望了碳點在環(huán)境監(jiān)測中的發(fā)展方向.

熒光碳點；環(huán)境污染；環(huán)境監(jiān)測

2004年，Xu等[1]在使用凝膠電泳分離電弧法制備的單壁碳納米微管時偶然得到了一種熒光碳納米材料.Sun等[2]有目的地制備并獲得了直徑小于10 nm且具有熒光性能的碳納米粒，并將其命名為碳點(簡稱C-Dots).碳點克服了傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料合成過程復(fù)雜、生物相容性差、在水溶液中容易自聚、熒光發(fā)射不穩(wěn)定、易閃爍、熒光壽命短、難以進(jìn)行多色同時標(biāo)記等缺點.與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點相比，在某些方面也具有獨特的優(yōu)勢，如具有良好的抗光漂白性、熒光發(fā)射尺寸相關(guān)性及低毒性.另外它比金屬熒光納米粒子具有更加低廉的制備成本，因此被廣泛應(yīng)用于生物傳感[3]、生化分析[4-6]、生物成像[6,7]和載藥治療[8]等領(lǐng)域.碳點經(jīng)鈍化修飾后，也賦予其一些特殊性能，如與其他有機(jī)物、無機(jī)物、高聚物及生物分子發(fā)生反應(yīng)的能力，兼具更高的化學(xué)穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性和特殊的化學(xué)發(fā)光性質(zhì).因而在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域同樣具有重要的應(yīng)用價值，在檢測環(huán)境中的重金屬離子、無機(jī)陰離子、有機(jī)污染物上具有其獨特的優(yōu)勢.此外，熒光碳點所表現(xiàn)出的優(yōu)異的生物相容性，也可用于標(biāo)記監(jiān)測環(huán)境中的微生物.本文主要針對熒光碳點的特性及其在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用進(jìn)行綜述，為今后的碳點研究提供參考.

1 熒光碳點的光學(xué)特性

目前，隨著對碳點認(rèn)識的不斷深入，從原料選擇到制備方法都變得日益多樣化.然而制備方法不同，鈍化修飾所用的試劑不同及分離純化后粒徑大小的不同，都會影響碳點的熒光性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，也造就了碳點應(yīng)用的多樣性.

以碳元素為基礎(chǔ)的納米材料中，發(fā)射光譜常存在激發(fā)光依賴性和尺寸依賴性[9-11]，該性質(zhì)為檢測樣品選擇合適的發(fā)射光譜提供了可能.Sun等[2]最早發(fā)現(xiàn)碳點存在多光子激發(fā)現(xiàn)象，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)很多碳點具有上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射的性能.隨著雙光子成像技術(shù)日漸廣泛地應(yīng)用于成像研究，基于熒光碳點的雙光子或多光子成像材料將更適于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究.實際上，目前熒光碳點的高效熒光性能在環(huán)境檢測及生物熒光標(biāo)記方面已獲得一定的研究和應(yīng)用，并且將利于其進(jìn)行檢測示蹤及對各種相關(guān)信號通路的研究.隨后研究表明：發(fā)射量子產(chǎn)率隨著熒光碳點的尺寸而有所改變，尺寸減小，熒光效率得以提高，說明熒光性能對粒徑有一定的依賴性，這一發(fā)現(xiàn)將有利于研發(fā)具有更佳性能的熒光碳點.另外，溶劑pH等因素對熒光碳點的熒光性能也有重要影響，提示設(shè)計熒光碳點傳感器的可能.

2 熒光碳點在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

碳點表現(xiàn)出獨特的光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性能及良好的生物相容性，受到環(huán)境科學(xué)研究者們廣泛的重視.利用碳點優(yōu)異的性能，廣泛地將其運用于重金屬、無機(jī)陰離子、有機(jī)污染物及微生物的檢測中.

2.1 金屬離子的檢測

重金屬在環(huán)境中的行為特性及歸宿，是環(huán)境化學(xué)研究的前沿領(lǐng)域.重金屬進(jìn)入環(huán)境對生物個體、種群產(chǎn)生影響，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不良的生態(tài)效應(yīng).而大多經(jīng)鈍化修飾的碳點表面富含含氧基團(tuán)，具有化學(xué)和生物多樣性.大量的羰基、酚羥基等基團(tuán)使熒光碳點可以通過螯合、離子交換和吸附作用結(jié)合生態(tài)環(huán)境中主要的金屬離子生成各種形式的配合物.不同表面修飾的碳點對金屬離子具有特異性選擇.生成配合物的同時會引起碳點表面結(jié)構(gòu)的變化而影響其熒光性能的強弱，達(dá)到檢測金屬離子的目的.近年來，越來越多的研究者將碳點用于Hg2+、Cr(VI)、Cu2+、Mn(Ⅱ)、Fe3+等金屬離子的定性定量檢測，較傳統(tǒng)的檢測方法具有更高的特異性和靈敏度.

Guo等[15]以檸檬酸鈉為原料制得C-Dots對Hg2+具有很好的選擇性和敏感度，在其他金屬離子的干擾下對Hg2+仍然表現(xiàn)出較好的選擇性， Hg2+與碳點表面的羧基和羥基相互作用，使粒子間距離減小，粒子間通過有效的電子轉(zhuǎn)移使光子通過非輻射的形式釋放，降低了熒光的發(fā)射強度.研究表明：當(dāng)Hg2+濃度在0 ～ 5 μg/L時，熒光淬滅度與Hg2+濃度具有很高的線性關(guān)系(R2=0.996)，隨著Hg2+濃度的增加碳納米粒子的熒光強度逐漸減弱.與之前報道的使用熒光納米金[16,17]及熒光染料[18]檢測Hg2+的方法相比，該法更加簡單、廉價和環(huán)保.

Zheng等[19]將制得的熒光碳點用二亞乙基三胺對其表面進(jìn)行修飾.該碳點在358 nm激發(fā)光下的發(fā)射波長為456 nm，而Cr(VI)在這兩個波段均有很好的吸收，即Cr(VI)不僅可以阻斷激發(fā)光對碳點的激發(fā)，還能將碳點釋放出來的熒光吸收掉.通過利用這種熒光內(nèi)濾效應(yīng)影響碳點熒光強度，可用來檢測土壤及水體中的Cr(VI).該法具有較高的特異性和靈敏度，熒光強度的變化與Cr(VI)濃度具有良好的線性關(guān)系；簡單、方便、快捷，對環(huán)境中Cr(VI) 的檢測具有極大的應(yīng)用價值.

Wei等[20]制得的C-Dots能選擇性與Cu2+發(fā)生螯合反應(yīng)，導(dǎo)致碳點的熒光發(fā)生明顯的淬滅.他們將其做成Cu2+傳感器，對Cu2+的檢測限達(dá)1 nmol/L，比之前報道的CdS量子點對Cu2+的檢測限更低.

Zhao等[21]分別以離子液(ionic liquids)[BMIM][Br]和[BMIM][BF4]為起始原料制備碳點.雖然兩種離子液只是陰離子不同，但是用于金屬離子檢測時發(fā)現(xiàn)，以[BMIM][Br]為原料制備的碳點對Cu2+具有較高的敏感性和選擇性; 而以[BMIM][BF4]為原料制得的碳點卻對Fe3+具有較高的敏感性和選擇性.對Cu2+和Fe3+的檢出限分別為51 nmol/L和201 nmol/L.所得碳點在較寬pH范圍內(nèi)(pH 2 ～ 8)顯現(xiàn)出良好的熒光性能，且細(xì)胞毒性低，故該金屬離子傳感器不但可以用于環(huán)境中Cu2+或Fe3+的檢測，也可以用于生物體內(nèi)兩種金屬離子的檢測.

Qin等[22]也制得對溶液中Mn(Ⅱ)具有高度敏感性的熒光碳點.在pH 7.4的緩沖溶液中該碳點的熒光強度的變化值與Mn(Ⅱ)濃度具有良好的線性關(guān)系，可對水體中的Mn(Ⅱ)進(jìn)行定性定量分析.

2.2 無機(jī)陰性離子污染物檢測

無機(jī)陰離子在生化反應(yīng)中扮演著關(guān)鍵角色，也對環(huán)境產(chǎn)生著巨大影響.熒光碳點不但可以用來檢測環(huán)境中的重金屬離子，還可利用其優(yōu)良的理化性質(zhì)檢測無機(jī)陰離子污染物.

無機(jī)氟化物的氣體或粉塵均屬于高毒類污染物，是一種原漿毒物，神經(jīng)細(xì)胞對它特別敏感,可經(jīng)呼吸道、消化道及皮膚浸入人體，產(chǎn)生腦軟化，膠質(zhì)細(xì)胞增生，血管周圍淋巴細(xì)胞浸潤，心肌濁腫，間質(zhì)水腫及出血等中樞神經(jīng)系統(tǒng)及心肌毒性.Liu等[23]用Zr(H2O)2EDTA與碳點表面的羧基相結(jié)合，當(dāng)溶液中存在比羧基結(jié)合力更強的F-時，Zr(H2O)2EDTA將從碳點表面脫落與F-結(jié)合，碳點熒光強度也隨之改變.Liu發(fā)現(xiàn)碳點熒光強度的變化與F-濃度存在良好的線性關(guān)系，并用該法成功完成了對牙膏和水體中F-的定量檢測，用該探針檢測F-不但簡單快捷，還具有較高的靈敏度和特異性，說明經(jīng)過適當(dāng)修飾的碳點，在環(huán)境監(jiān)測上具有廣泛的應(yīng)用范圍.

亞硝酸鹽是一種在工業(yè)、建筑業(yè)和肉類食品液中都被廣泛應(yīng)用的無機(jī)化合物.由于亞硝酸鹽易溶于水，中毒潛伏期短，一旦攝入超過一定劑量，對人體毒害巨大.因此，對環(huán)境中亞硝酸鹽的監(jiān)控十分必要.Lin等[25]利用過氧亞硝酸在溶液中能誘導(dǎo)碳點產(chǎn)生化學(xué)熒光的性質(zhì)，用熒光碳點來檢測溶液中的亞硝酸鹽.將亞硝酸鹽與過氧化氫溶液混合后生成過氧亞硝酸鹽，通過熒光光度分析方法檢測C-Dots相對熒光強度，對溶液中亞硝酸鹽的量進(jìn)行定量檢測.該法對亞硝酸鹽的檢測限可達(dá)5.8×10-8mol/L，并利用該法成功檢測出池水、河水和純牛奶中亞硝酸鹽的量.

2.3 有機(jī)污染物的檢測

有機(jī)污染物作為一種典型的環(huán)境污染物，具有高毒性(可致畸、致癌、致突變)、長期殘留性、半揮發(fā)性和高脂溶性的特征，易于在食物鏈中富集傳遞，并且能夠通過多種傳輸途徑在全球遷移分配，對人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，因此對環(huán)境中有機(jī)污染物的監(jiān)測意義重大.常用的檢測方法存在著成本高、操作復(fù)雜、檢測時間長、不方便現(xiàn)場檢測等缺點，而熒光碳點以其獨特的光學(xué)性質(zhì)和多樣的反應(yīng)活性，能對多種有機(jī)污染物實現(xiàn)快速、實時、準(zhǔn)確的測定，對保護(hù)環(huán)境具有非常重要的意義.

碳點可通過疏水作用、配位交換和氫鍵作用吸附多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥等有機(jī)污染物，導(dǎo)致碳點發(fā)生聚集而使原有熒光強度減弱.利用熒光強度的變化，可對有機(jī)污染物進(jìn)行定量分析.碳點多樣化的表面修飾，可對不同有機(jī)污染物進(jìn)行選擇性結(jié)合，達(dá)到檢測不同污染物的目的.Cayuela等[26]將制得的碳點分別用于檢測DNP (2,4-二硝基苯酚)和4,8-DiMeIQx.質(zhì)子化的DNP能與表面富含羥基的碳點通過氫鍵相互作用，引起碳點的熒光淬滅.在pH 3.5的緩沖溶液中，DNP的最低檢測濃度可達(dá)0.4 mg/L，并具有良好的抗干擾性.檢測液加入高濃度的對氯苯酚，也不會影響碳點與DNP作用時的熒光淬滅，而該碳點在pH 7.0的緩沖溶液中，對檢測4,8-DiMeIQx具有較強特異性，能很好的抗其他含氨基化合物 (如組胺、苯丙氨酸、色氨酸、乙胺、三甲胺) 的干擾.對4,8-DiMeIQx的檢測限可達(dá)1.28 mg/L，故該碳點可制成環(huán)境敏感性納米傳感器，用于廢水中有機(jī)污染物的快速檢測.

2.4 對微生物的標(biāo)記檢測

微生物作為分解者在地球生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程中起著“天然環(huán)境衛(wèi)士”的作用.在污染物的轉(zhuǎn)化降解、資源的再生利用、無公害產(chǎn)品的生產(chǎn)開發(fā)及生態(tài)保護(hù)等方面微生物都能發(fā)揮重要作用，微生物也是環(huán)境檢測中很重要的指標(biāo).現(xiàn)常運用核酸探針、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)(PCR技術(shù))、生物傳感器等生物技術(shù)進(jìn)行環(huán)境中微生物的檢測，核酸探針和PCR技術(shù)雖然靈敏度高、特異性強，但是需要借助較昂貴的檢測儀器，不方便進(jìn)行現(xiàn)場檢測；生物傳感器雖然能適應(yīng)寬范圍的pH和溫度，利于在線應(yīng)急監(jiān)測，但也存在選擇性差的缺點.而利用熒光碳點檢測微生物可彌補上述兩種方法的不足，受到越來越多研究者的關(guān)注[27].利用碳點對微生物進(jìn)行標(biāo)記及檢測的報道也在逐年增多.Mehta等[28]將制備的具有激發(fā)光依賴性的熒光碳點作為熒光探針用于大腸桿菌(E.coli)和酵母菌(Saccharomycescerevisiae)的細(xì)胞標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)碳點主要分散于大腸桿菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)，未出現(xiàn)在核內(nèi).而在酵母菌中，碳點分散于整個細(xì)胞中，包括細(xì)胞核，說明碳點對大腸桿菌和酵母菌顯影效果良好并具有很好的生物相容性，可將這種多色熒光碳點廣泛用于細(xì)菌的標(biāo)記和監(jiān)測.

Weng等[29]以檸檬酸胺和甘露糖為原料制備得到對大腸桿菌具有選擇性吸附的熒光碳點，該碳點能與大腸桿菌菌毛上的黏附蛋白FimH特異性結(jié)合，吸附碳點的大腸桿菌在激發(fā)光照射下發(fā)射出明亮熒光，可運用該原理對大腸桿菌進(jìn)行定性定量檢測.該法對大腸桿菌的檢測限達(dá)450 CFU/mL，且濃度在1.0×102～1.0×108CFU/mL時，吸附碳點熒光強度與濃度具有較好的線性關(guān)系，可對大腸桿菌進(jìn)行定量檢測.Weng等還利用該法成功對自來水、果醬及人尿液中大腸桿菌進(jìn)行實時檢測，該法具有成本低、操作簡單快捷的優(yōu)勢，在快速篩選大腸桿菌上具有很高的潛在應(yīng)用價值.由于碳點修飾的多樣性，這也為針對不同菌種開發(fā)出特異的熒光碳點探針進(jìn)行定性定量檢測提供了可能.

3 總結(jié)與展望

碳點優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)、低毒性及良好的生物相容性對其研究環(huán)境中污染物的遷移和相互作用具有重要意義，能有效運用于重金屬、無機(jī)陰離子及有機(jī)污染物的檢測中.隨著人們對具有特殊性質(zhì)熒光基團(tuán)需求的增加，碳點的合成方法及其功能相關(guān)性質(zhì)的研究也在不斷增加.為制備具有多色熒光和高量子產(chǎn)率的碳點并拓寬其應(yīng)用范圍，還須加大對其發(fā)光機(jī)理的研究，對熒光碳點長期毒性的研究內(nèi)容和深度也亟待加強和擴(kuò)展.研究碳點與鈍化試劑的相互作用和碳點修飾后的表面特征對于開發(fā)新型環(huán)境和生物傳感體系及構(gòu)建高性能化學(xué)傳感器具有重要意義.熒光碳點用于環(huán)境監(jiān)測的研究剛起步，仍須進(jìn)一步開發(fā)其應(yīng)用潛能，如提高碳點與檢測分子的穩(wěn)定性和反應(yīng)效率；通過對碳點固定化材料的修飾以及多體系的制備使得碳點可以在多成分或者實際樣品中同時并且有選擇性地對一些污染物進(jìn)行監(jiān)測.由于目前對于熒光碳點的研究大多數(shù)仍處于實驗室研究開發(fā)階段，離大規(guī)模的實際生產(chǎn)應(yīng)用還有很長一段距離，因此，如何將這種熒光傳感器系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可市場化的設(shè)備，以大范圍的應(yīng)用于環(huán)境污染監(jiān)測中也是面臨的主要難題.隨著研究的深入和問題的迎刃而解，熒光碳點將會在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域上發(fā)揮更大的作用.

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ResearchontheApplicationofFluorescentCarboninEnvironmentalMonitoring

WangQiang,HuXuhu

(College of Pharmacy, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

In order to lear more about the carbon dots endowed with relevant reactivity, target selectivity and diversified applications after passivation modification, especially their broad application prospects in environmental analysis, this review elaborated in detail the application of carbon dots in detecting heavy metal ions, microbes, inorganic anionic and organic pollutants in the environment. In addition, the prospects of fluorescent carbon dots used in environmental monitoring were also presented.

fluorescent carbon；environmental pollution；environmental monitoring

2016-01-02

王 強(1982-)，男，副教授，博士，研究方向：抗腫瘤小分子活性化合物的設(shè)計與合成，E-mail：wq@mail.scuec.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目(21102185)

X83

A

1672-4321(2017)04-0022-05