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(xué)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(xué)煤轉(zhuǎn)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(xué)福清分校近海流域環(huán)境測控治理福建省高校重點實驗室，福建 福清，350300)

伴隨現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)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(huán)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(huán)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(huán)和食物鏈的富集效果[5-6]最終在人體內(nèi)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(jīng)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(huán)境工作者研究的熱點。目前對Hg2+的測定分析技術(shù)也較為成熟，如原子吸收光譜法[7]、電化學(xué)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(zhì)譜法[11]等，但由于設(shè)備昂貴、樣品預(yù)處理復(fù)雜，這些方法均不太方便，因此迫切需要發(fā)展先進的Hg2+檢測分析技術(shù)。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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和易于實現(xiàn)表面功能化等優(yōu)點[12-14]。近年來，碳量子點的熒光分析已經(jīng)成功應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(nèi)與碳量子點熒光猝滅強度呈良好線性關(guān)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(wěn)定性高的藍色熒光碳量子點，發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(nèi)呈線性關(guān)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(huán)境水中的Hg2+，并對Hg2+與碳量子點的結(jié)合方式、反應(yīng)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(yè)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(jīng)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(yīng)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(shù)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(fā)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(fā)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(fā)波長為330 nm，激發(fā)狹縫寬度為5.0 nm，發(fā)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(guān)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(shù)，L/mol。

2 結(jié)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(jù)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(nèi)，Hg2+對碳量子點的熒光能產(chǎn)生明顯的猝滅效應(yīng)，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(nèi)，碳量子點的熒光猝滅程度與Hg2+濃度存在良好的線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)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(guān)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(jù)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(chǎn)生猝滅效應(yīng)，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(nèi)，碳量子點的熒光猝滅程度與Hg2+濃度存在一定的線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)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(yīng)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(guān)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(fā)態(tài)反應(yīng)；②能量轉(zhuǎn)移；③碰撞猝滅(動態(tài)猝滅)；④形成配合物(靜態(tài)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(shù)(Ksv)隨溫度的變化進行分析判斷，對于動態(tài)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(dǎo)致碰撞擴散系數(shù)的增大，熒光物質(zhì)的猝滅常數(shù)(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(tài)猝滅，溫度升高會使猝滅劑Hg2+與碳量子點形成的配合物穩(wěn)定性降低，不利于猝滅過程的進行，熒光物質(zhì)的猝滅常數(shù)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(guān)系，這是靜態(tài)猝滅的跡象之一；在300、313、323 K溫度下，Stern-Volmer猝滅常數(shù)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(shù)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(tài)碰撞和擴散而引起的動態(tài)猝滅，而是彼此形成的某種特定結(jié)構(gòu)的基態(tài)配合物引起的靜態(tài)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(tài)的猝滅數(shù)據(jù)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(fā)色基團占總的發(fā)色基團的百分比；Ka為Hg2+對碳量子點的有效猝滅常數(shù)，可近似地認為是猝滅劑和受體體系中的表觀結(jié)合常數(shù)，L/mol。

以F0/(F0-F)對1/[Q]作圖來處理實驗數(shù)據(jù)，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(guān)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(shù)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(shù)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(tài)碰撞和擴散而引起的動態(tài)猝滅，而是彼此形成的某種特定結(jié)構(gòu)的基態(tài)配合物引起的靜態(tài)猝滅。

由于Hg2+對碳量子點的熒光猝滅是靜態(tài)猝滅，因此，碳量子點中可能與Hg2+存在某一結(jié)合位點。結(jié)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(guān)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(jié)合常數(shù)，L/mol；n為它們之間的結(jié)合位點數(shù)。

以lg[(F0-F)/F]對lg[Q]作圖來處理實驗數(shù)據(jù)，lg[(F0-F)/F]與lg[Q]的關(guān)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(jié)合常數(shù)K不斷地減小，和前面分析的修正的Stern-Volmer猝滅常數(shù)Ka的變化趨勢一致；碳量子點和Hg2+在不同溫度下的結(jié)合位點數(shù)n均接近于1，表明碳量子點和Hg2+之間均只有一個結(jié)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(shù)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(jié)合常數(shù)；根據(jù)公式(3)推算可得，在300、313、323K溫度下，碳量子點和Hg2+的結(jié)合常數(shù)K分別為8.166×105、2.139×105、0.975×105L/mol，比較結(jié)合常數(shù)K和表觀結(jié)合常數(shù)Ka的值，兩者均在105數(shù)量級附近，因此，可以推斷碳量子點和Hg2+之間的反應(yīng)結(jié)合常數(shù)為1.0×105L/mol，即二者此時的反應(yīng)速度快且形成了穩(wěn)定的化合物，表明碳量子點和Hg2+的熒光猝滅機理為靜態(tài)猝滅。

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

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

2.5 碳量子點熒光猝滅熱力學(xué)分析

不同溫度下碳量子點和Hg2+之間的反應(yīng)結(jié)合常數(shù)K與反應(yīng)的焓變、熵變的關(guān)系可用Van’t Hoff 方程[18]表示，即

(4)

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

以lnK對1/T作圖來處理實驗數(shù)據(jù)，碳量子點與Hg2+作用的Van’t Hoff關(guān)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(guān)系，相關(guān)系數(shù)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(yīng)

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(guān)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(xué)參數(shù)如表1所示。從熱力學(xué)的觀點來看，任何化學(xué)、物理和生物的過程都伴隨能量的改變和一系列熱力學(xué)參數(shù)的變化，其中，自由能(ΔG)的變化可以用來判斷反應(yīng)的自發(fā)性；焓變(ΔH)被看作是結(jié)合過程中分子內(nèi)的鍵能交換的結(jié)果；熵變(ΔS)則是反應(yīng)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(jié)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(fā)進行的過程；ΔH<0和ΔS<0 表明反應(yīng)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(yīng)的發(fā)生，因此碳量子點和Hg2+結(jié)合過程是一種焓驅(qū)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(xué)參數(shù)

3 結(jié)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(yīng)，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(tài)猝滅，兩者的相互作用是自發(fā)進行的焓驅(qū)動過程，相互結(jié)合位點約為1，反應(yīng)結(jié)合常數(shù)為1.0×105L/mol。