關(guān)鍵詞：碳量子點(diǎn)；對(duì)硝基苯酚；豆渣；熒光檢測(cè)

對(duì)硝基苯酚（p-nitrophenol，PNP）是一種苯酚類化合物，常作為重要的化工原料中間體，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、染料、殺蟲劑、藥物等領(lǐng)域。PNP具有致癌、致突變、致畸和高毒性，對(duì)人體健康造成威脅。免疫學(xué)法、電化學(xué)分析法、色譜分析法和毛細(xì)管電泳法等是目前常用的檢測(cè)PNP的方法，然而這些傳統(tǒng)方法普遍存在預(yù)處理復(fù)雜、需要大型儀器、成本高以及流程繁瑣等缺陷。

熒光分析法是通過熒光物質(zhì)經(jīng)紫外燈照射后產(chǎn)生的熒光信號(hào)變化，建立目標(biāo)物濃度與熒光強(qiáng)度之間的線性關(guān)系而進(jìn)行分析測(cè)定的一種方法。目前，熒光分析法所用的發(fā)光材料主要有3類，即有機(jī)染料、稀土材料和量子點(diǎn)，其中碳量子點(diǎn)（Carbonquantum dots，CQDs）因具有易功能化、低毒性、生物相容性和制備廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，可作為有機(jī)染料分子和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的替代物，而成為研究熱點(diǎn)。制備熒光coDs的材料主要分為天然生物質(zhì)碳源和人工合成試劑，其中天然生物質(zhì)碳源豐富、可重復(fù)再生、環(huán)境友好、價(jià)格低廉且來源廣泛，在材料領(lǐng)域炙手可熱，而天然生物質(zhì)碳源在制備CODs過程中常需摻雜其他元素來滿足檢測(cè)要求。豆渣是豆腐和豆?jié){制作過程中的副產(chǎn)物，具有含水量高、易變質(zhì)等特點(diǎn)，因此不可直接作為動(dòng)物飼料而常被廢棄。據(jù)農(nóng)村農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，2022年度我國(guó)豆渣的產(chǎn)量約為2000萬t，產(chǎn)量大且多被直接丟棄。利用豆渣進(jìn)行的相關(guān)研究相對(duì)較少。豆渣主要成分為蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等含碳化合物，通過一定的物理化學(xué)方法可將其制備成尺寸小、成分單一的CQDs;豆渣所含的雜原子和其他微量元素可以在制備過程中形成大量官能團(tuán)，并且自摻雜氮元素。因此，使用廢棄豆渣作為天然生物質(zhì)碳源和氮源制備coDs不僅可以降低成本、減少能耗，還可以減少對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生資源的再利用，做到“以廢治廢”，符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)與要求。

本研究采用一步水熱法，以低纖維素、低木質(zhì)素、高含水量、高氮元素含量的豆渣為碳源，在水熱過程中實(shí)現(xiàn)自摻雜，同時(shí)優(yōu)化水熱溫度、水熱時(shí)間、豆渣用量等合成條件，制備穩(wěn)定性好、熒光產(chǎn)率高的環(huán)境友好熒光碳量子點(diǎn)，建立針對(duì)環(huán)境中痕量PNP靈敏而高效的檢測(cè)方法。并結(jié)合熒光猝滅實(shí)驗(yàn)、抗干擾實(shí)驗(yàn)等研究所構(gòu)建的傳感器性能，探究PNP引起豆渣基氮摻雜碳量子點(diǎn)（N-CQDs）熒光猝滅行為的機(jī)理。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

1.1.1試劑

對(duì)硝基苯酚、鄰苯二酚、對(duì)苯二酚、間苯二酚、間苯二胺、對(duì)苯二胺購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸奎寧、濃硫酸（H2S04）、濃鹽酸（HCI）、氫氧化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCI）、二氯苯酚購(gòu)于天津市大茂化學(xué)試劑廠；過氧化氫（H202）購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)有限公司。各試劑均為分析純。

1.1.2儀器

離心機(jī)（TG16-WS）；電子分析天平（FA-2104）；真空干燥箱（DZF-6020MBE）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-OAB）；磁力攪拌器（HJ-2A）；水浴恒溫振蕩箱（SHA-2）；透射電鏡（Tecnai G2 F20）；瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀（Edinburgh FLS9）；紫外可見分光光度計(jì)（Evolution220）；熒光分光光度計(jì)（F97XP）；傅里葉變換紅外吸收光譜儀（ Spectrum TWO）。

1.2自含氮豆渣c(diǎn)oDs的制備

將豆渣在60℃條件下進(jìn)行干燥，干燥后的豆渣進(jìn)行研磨得到尺寸不超過2.0mm的小顆粒，稱取0.06g研磨后的干豆渣并將其均勻分散至10mL超純水中。將上述混合物轉(zhuǎn)移至50mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，200℃加熱反應(yīng)10h。反應(yīng)結(jié)束后，待反應(yīng)釜冷卻至室溫，加入超純水稀釋至30mL，過濾，并通過3000Da的透析膜進(jìn)一步透析48h，得到純凈的母液N-CQDs。

1.3熒光檢測(cè)過程

配制0.1mol·L-1的PNP溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，在10mL標(biāo)準(zhǔn)比色管中加入0.1mL的母液N-CQDs，并加入不同濃度的PNP標(biāo)準(zhǔn)溶液，用超純水定容至10mL，均勻混合后測(cè)定其熒光強(qiáng)度。檢測(cè)過程中熒光分光光度計(jì)的檢測(cè)條件均設(shè)置為：激發(fā)波長(zhǎng)為340nm，激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的狹縫寬度均為10nm，光電倍增管電壓為800 V，記錄的發(fā)射波長(zhǎng)范圍為360-550 nm，所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。本研究以富含氮元素的豆渣為碳源，僅以超純水為溶劑，采用一步法在200℃下對(duì)豆渣碳化10h，合成具有藍(lán)色熒光的N-CQDs，具體的合成路徑如圖1所示。

2結(jié)果與討論

2.1 N-CQDs制備及合成條件的優(yōu)化

由于合成條件對(duì)碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度和表面官能團(tuán)數(shù)量及種類起決定性作用，從而影響對(duì)PNP的檢測(cè)效果，因此為獲得具有最佳檢測(cè)性能的N-CQDs，對(duì)其合成條件包括碳源含量、合成溫度、合成時(shí)間等進(jìn)行優(yōu)化。

研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、碳源用量等條件會(huì)影響碳量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率的大?。▓D2）。含氮豆渣的有機(jī)質(zhì)成分在水熱過程中進(jìn)行水解、聚合及碳化過程，碳源的量會(huì)影響其轉(zhuǎn)化過程。通過單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入含氮豆渣0.06g時(shí)，制備的N-CQDs的熒光量子產(chǎn)率（Fluorescence

quantum Vield，F(xiàn)QY）最高，因此確定最佳含氮豆渣的加入量為0.06g。此外，單因素實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)溫度越高（含氮豆渣加入量為0.06g、反應(yīng)時(shí)間為10h）、時(shí)間越長(zhǎng)（含氮豆渣加入量為0.06g、反應(yīng)溫度為200℃），所得N-CQDs的FQY就越高。高溫環(huán)境的續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)有利于含氮豆渣充分碳化，但溫度過高及時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)N-CQDs的FQY的影響逐漸變小，因此考慮到能耗成本與綠色工藝，選擇200℃、10h為水熱反應(yīng)制備N-CQDs的最佳反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。此外，豆渣用量的條件優(yōu)化與反應(yīng)釜體系無關(guān)，實(shí)驗(yàn)制備過程中統(tǒng)一采用50mL反應(yīng)釜，所加超純水的體積一致，均為10mL。

2.2N-CQDs的透射電鏡分析

所制備的N-CQDs的高分辨率透射電鏡（TEM）圖譜如圖3所示，N-CQDs呈球形，尺寸為納米級(jí)，粒徑約為4.8nm，出現(xiàn)輕微團(tuán)聚現(xiàn)象，晶格間距約為0.317nm。上述微觀形貌符合碳量子點(diǎn)的定義，證明碳量子點(diǎn)已成功制備。

2.3 N-CQDs的紅外光譜分析

利用紅外光譜儀對(duì)N-CQDs的表面官能團(tuán)進(jìn)行分析，圖譜如圖4所示。3265cm-1處的峰屬于N-H的伸縮振動(dòng)，2119cm-1處的弱吸收峰是由C=C引起的，1635cm-1處的強(qiáng)吸收峰是由烯烴的C=C伸縮振動(dòng)引起的。上述結(jié)果表明在合成過程中，含氮豆渣在其表面形成官能團(tuán)，完成了氮元素的自摻雜過程。

2.4 N-CQDs的熒光穩(wěn)定性分析

熒光檢測(cè)結(jié)果是否具有可靠性與碳量子點(diǎn)的熒光穩(wěn)定性息息相關(guān)。因此，本研究探究了所制備的N-CQDs水溶液在H20：溶液、生理鹽水、氙燈照射和紫外光照射等條件下的熒光穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)的120min內(nèi)多次測(cè)量N-CQDs的熒光強(qiáng)度并觀察其變化情況。如圖5所示，從開始至120min，水溶液中N-CQDs的熒光值雖有下降，但波動(dòng)幅度不大，說明其在水中穩(wěn)定分散且傳感器熒光穩(wěn)定性良好。圖6（a）表明，N-CQDs的熒光強(qiáng)度隨著H202濃度的增加而持續(xù)降低，當(dāng)H202濃度為2.0mol·L-1時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度降到80%左右；圖6（b）表明，在濃度為0-2.0mol·L-1的NaCI溶液中N-CQDs的熒光強(qiáng)度波動(dòng)較小，表明其基本不受溶液中金屬離子和陽離子干擾；圖6（c）表明，N-CQDs經(jīng)過210min氙燈連續(xù)照射，其熒光強(qiáng)度保持在90%以上，光漂白現(xiàn)象較小；圖6（d）表明，N-CQDs的熒光強(qiáng)度隨紫外燈照射時(shí)間增加而降低，但依舊保持在80%以上。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了N-CQDs優(yōu)異的熒光穩(wěn)定性，表明其對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)應(yīng)用具有一定的可行性。

2.5 N-CQDs的熒光特性分析

碳量子點(diǎn)的典型特征之一是光致發(fā)光，如圖7（a）所示，所制備的N-CQDs顯示出的光致發(fā)光特性與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)不同，其發(fā)射光譜依賴于激發(fā)，且發(fā)射光譜較寬，波長(zhǎng)隨熒光強(qiáng)度的降低而發(fā)生擴(kuò)展，這種激發(fā)依賴波長(zhǎng)的熒光行為可能是由于N-CQDs表面官能團(tuán)的π－n躍遷。如圖7（b）所示，N-CQDs的最佳激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)分別位于340 nm和415nm處，此時(shí)熒光強(qiáng)度最高。

2.6N-CQDs檢測(cè)條件的優(yōu)化

2.6.1pH對(duì)檢測(cè)體系的影響

一般大多數(shù)碳量子點(diǎn)對(duì)環(huán)境酸堿度較為敏感，pH對(duì)熒光傳感器的檢測(cè)性能也有較大影響，因此，本研究對(duì)N-CQDs在不同pH溶液中的熒光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。N-CQDs在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境中熒光值均下降，僅為原來的80%，當(dāng)pH為7時(shí)，N-CQDs的熒光強(qiáng)度最高，因此選擇pH為7作為最佳檢測(cè)條件。

2.6.2溶液濃度對(duì)傳感器檢測(cè)效果的影響

除pH外，N-CQDs的濃度也會(huì)影響傳感器的熒光性質(zhì)及猝滅率，進(jìn)而影響其檢測(cè)效果。本研究通過檢測(cè)不同濃度N-CQDs的熒光強(qiáng)度及加入30umol．L-1PNP后的猝滅率，確定N-CQDs的最佳檢測(cè)濃度，結(jié)果如圖9所示。隨N-CQDs濃度增大，其熒光強(qiáng)度也增大，但其猝滅率降低，這是因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)的量子點(diǎn)個(gè)數(shù)隨濃度的增加而增加，傳感器的熒光強(qiáng)度也增加，但一定量的PNP所猝滅的量子點(diǎn)個(gè)數(shù)是一定的，因此單位體積內(nèi)量子點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，猝滅率越低。為同時(shí)兼顧熒光傳感器的熒光性質(zhì)和猝滅率，本研究將10mL母液溶于1L超純水中作為N-CQDs檢測(cè)的最佳濃度。

2.6.3響應(yīng)時(shí)間對(duì)檢測(cè)體系的影響

在檢測(cè)過程中，目標(biāo)物與熒光傳感器接觸后需要一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，因此檢測(cè)時(shí)間的確定對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本研究記錄了將30umol·L-1PNP加入傳感器溶液后不同時(shí)刻的熒光強(qiáng)度變化情況。如圖10所示，將PNP加入到檢測(cè)體系后，N-CQDs的熒光強(qiáng)度持續(xù)下降，在15s時(shí)趨于穩(wěn)定，因此選擇15s為最佳檢測(cè)時(shí)間。

2.7 N-CQDs對(duì)PNP的定量檢測(cè)

為評(píng)估熒光傳感器對(duì)目標(biāo)物PNP的實(shí)際檢測(cè)性能，在最佳檢測(cè)條件下，研究不同濃度PNP對(duì)N-CQDs檢測(cè)體系的猝滅效果，結(jié)果如圖11（a）所示。N-CQDs在365nm紫外光下的藍(lán)色熒光隨PNP的加入而發(fā)生猝滅，且檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度隨所加入PNP的濃度增大而減小。當(dāng)PNP濃度在0.4-40umol·L-1范圍內(nèi)時(shí)，其濃度與N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性擬合方程為/F=0.025 05 CPNP+1.028 48（表示未加PNP的N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度；F表示加入不同濃度PNP后N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度；CPNP表示所加入的PNP的濃度），相關(guān)系數(shù)R2=0.998 01，按照3k法[代表空自測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=10）；代表擬合方程的斜率]計(jì)算得出其檢測(cè)限為132 nmol·L-1。

2.8檢測(cè)體系抗干擾能力分析

為探究實(shí)際水環(huán)境中可能存在的干擾物質(zhì)對(duì)N-CQDs檢測(cè)體系應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的影響，本研究選用結(jié)構(gòu)相似的6種干擾物包括鄰苯二酚（Catechol，CT）、間苯二酚（Resorcinol）、對(duì)苯二酚（Hydroquinone，HQ）、間苯二胺（m-Phenylenediamine，MPD）、對(duì)苯二胺（p-Phenylenediamine．PPD）、二氯苯酚（Dichlorophenol，DCP）各30umol．L-1，對(duì)N-CQDs傳感器的抗干擾能力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示。在最佳檢測(cè)條件下，各干擾物質(zhì)的加入并未使原N-CQDs檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，但加入30umol·L-1PNP后，熒光強(qiáng)度明顯降低，表明所構(gòu)建的N-CQDs檢測(cè)體系具有良好的抗干擾能力。

2.9實(shí)際樣品的檢測(cè)

為了評(píng)價(jià)N-CQDs檢測(cè)體系在實(shí)際環(huán)境應(yīng)用中的可行性，將其應(yīng)用于檢測(cè)自來水樣品中的PNP。由于自來水水樣中未檢測(cè)到PNP，因此通過向水樣中加入不同濃度的PNP進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，并對(duì)PNP的濃度進(jìn)行測(cè)定和分析。如表1所示，PNP的加標(biāo)回收率為96.1%-106.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.9%-5.5%，表明N-CQDs應(yīng)用于實(shí)際水樣中PNP分析的檢測(cè)體系可行性良好。

2.10熒光機(jī)理探究

熒光猝滅機(jī)制主要包括光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）、內(nèi)濾效應(yīng)（IFE）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）以及動(dòng)態(tài)或靜態(tài)猝滅等。首先，由圖13可知，PNP的紫外發(fā)射光譜與N-CQDs的激發(fā)、發(fā)射光譜存在很大程度的重疊，這表明PNP猝滅N-CQDs的機(jī)制可能是IFE或FRET。而IFE和FRET機(jī)制區(qū)別在于IFE是由于輻射能量的傳遞，其供體的能量變化發(fā)生在基態(tài)，而FRET過程受分子鄰近距離的控制。IFE過程只會(huì)使量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度降低而不改變其熒光壽命。本研究使用與時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)法記錄加入PNP前后的N-CQDs熒光壽命衰減曲線，從而進(jìn)一步確定PNP的猝滅機(jī)理。如圖14所示，PNP加入前后N-CQDs熒光壽命衰減曲線幾乎重疊，表明PNP加入后并不會(huì)改變量子點(diǎn)的熒光壽命。因此FRET不是PNP猝滅N-CQDs的熒光猝滅機(jī)理，真正的猝滅機(jī)理為內(nèi)濾效應(yīng)。

通過雙指數(shù)模型（式1）對(duì)熒光壽命衰減曲線進(jìn)行擬合：

3結(jié)論

（1）本研究以廢棄含氮豆渣為碳源經(jīng)一步水熱法制備了一種綠色、環(huán)保、合成簡(jiǎn)單的生物質(zhì)熒光傳感器，該傳感器檢測(cè)條件溫和，無需復(fù)雜的預(yù)處理過程，無需再摻雜過程，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際環(huán)境水樣中痕量對(duì)硝基苯酚（PNP）的檢測(cè)，而且為廢棄生物質(zhì)資源進(jìn)行再利用提供了一種可行的方案，符合綠色環(huán)保理念，可實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”。

（2）當(dāng)所制備的摻氮碳量子點(diǎn)（N-CQDs）稀釋100倍，響應(yīng)時(shí)間為15s，pH為7時(shí)檢測(cè)效果最佳，且在最優(yōu)檢測(cè)條件下，PNP濃度為0.4-40umol·L-1時(shí)，N-CQDs檢測(cè)體系的熒光猝滅比值（Fo/F）與PNP濃度有良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）為0.99801，檢出限為132nmol·L-1，可較準(zhǔn)確地定量檢測(cè)PNP。且該傳感器受其他酚類物質(zhì)影響較低，表明該傳感器具有良好的抗干擾能力。

（3）通過光譜表征、熒光衰減壽命曲線測(cè)定和排除分析等手段對(duì)檢測(cè)機(jī)理進(jìn)行充分研究，表明PNP對(duì)N-CQDs的猝滅機(jī)理是基于內(nèi)濾效應(yīng)。