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氮掺杂碳量子点荧光猝灭法检测水中Hg2+

更新时间:2016-07-05

Hg2 + 是毒性较高的重金属离子之一,被公认为最危险且普遍存在的污染物之一[1],它能够通过食物链产生富集效果,最终在人体内累积,破坏人体中枢神经及内分泌系统,对人类的健康和生命造成严重威胁[2]。Hg2+的检测方法有比色法[3]、电化学法[4]、荧光光谱法[5]及原子发射光谱法[6]等。目前,国内检测Hg2+常用的方法为原子荧光光谱法,相比于其它几种分析方法,荧光探针技术[7]因具有高灵敏度、高效率的优点[8]而成为研究的热点。

1.2.4.4 稳定性试验。分别称取同一咖啡生豆供试品溶液1份、焙炒咖啡豆供试品溶液1份,按“1.2.3”色谱条件,分别于0、2、4、8、12、16、24 h进样,以绿原酸、葫芦巴碱、咖啡酸、D-(-)-奎宁酸的峰面积作为考察指标,计算RSD值。

荧光碳量子点(CQDs) 是一种尺寸在10 nm 以内且单分散性的准球形荧光碳纳米材料[9 - 10],它是继富勒烯、碳纳米管及石墨烯之后最热门的碳纳米材料之一。CQDs凭借其优异的生物安全性,绿色环保性,光致发光性,亲水性,化学及光稳定性,易于功能化及电子学特性等,使其已开始应用于荧光探针[11]、细胞显影[12]、生物标记[13]等领域。合成CQDs的碳源包括无机和有机两种,无机碳源主要为石墨、活性碳、单/多壁碳纳米管和油烟等;有机碳源主要为碳水化合物、柠檬酸及柠檬酸铵盐和其他含碳化合物等。制备的方法包括电弧放电法[9]、激光刻蚀法[14]、化学氧化法[15]、水热法[16]、超声处理[17]和微波辐射法[18]。其中,水热法被认为是一种简单、高效制备荧光CQDs点的方法。

本文以乙二胺为氮源、柠檬酸为碳源,采用一步水热法制备了一种氮掺杂的,具有高荧光量子产率、良好荧光稳定性和水溶性的蓝色氮掺杂碳量子点(N-CQDs)。研究了N-CQDs对Hg2+的识别效果,在痕量Hg2+存在下,能够选择性的发生荧光猝灭。猝灭率(F/F0)与Hg2+浓度在0.01~1.0 mg/L之间存在良好的线性关系,检出限达8.6 μg/L,是一种极为有效的Hg2+的荧光检测剂。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

G9800A荧光分光光度计(美国,安捷伦公司);Tecnai G2 TF30场发射透射电子显微镜(荷兰,FEI公司);TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪(德国,BRUKER公司);X-射线光电子能谱仪(赛默飞世尔科技);SK-1型快速混匀器(金坛市国旺实验仪器厂);HC-3018R型高速离心机(安徽中科中佳科学仪器有限公司);120 mL聚四氟乙烯内衬水热反应釜(上海-凯实验仪器有限公司);电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)。

甘氨酸(阿拉丁试剂),柠檬酸、乙二胺、NaH2PO4、NaOH、MgCl2、AlCl3·6H2O、Pb(NO3)2、CuCl2、ZnCl2、SnCl2·2H2O、FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、AgNO3、HgCl2、CdCl2、CoCl2·6H2O,均为分析纯(天津市化学试剂三厂)。实验用水为超纯水。

参考文献

1.2 实验方法

2.2.1 pH值 不同pH值溶液中N-CQDs的荧光强度见图4(A),在酸性和碱性条件下荧光强度有明显差异。N-CQDs体系随着pH的增加,荧光强度逐渐增强,在pH值为9.0时达到最大,随后荧光强度逐渐减弱。在酸性条件下,N-CQDs易发生质子化,导致荧光强度降低;在碱性条件下,N-CQDs易发生去质子化,也导致荧光强度降低。

[5] Li H L,Zhai J F,Tian J Q,et al.Biosens Bioelectron,2011,26(12):4656.

Φx = ΦS(nx/nS)2(AS/Ax)(Fx/FS)

(1)

[9] Xu X Y,Ray R,Gu Y L,et al.J Am Chem Soc,2004,126(40):12736.

1.2.3 测定方法 取适量储存溶液,用甘氨酸-NaOH缓冲溶液(pH=7.0)稀释5 000倍得到无色透明的N-CQSs点溶液,于激发波长λex=350 nm,发射波长λem=440 nm处测定荧光强度。室温下加入不同量的Hg2+,涡旋使充分混匀,静置反应10 min后,测定相应的荧光强度。实验过程如图1所示。

老福签了字,端起了那个软塌塌的纸茶杯,他发现这种杯子的功能很适合这个地方,它能装烧开了的水,但没让人喝茶,因为没有足够的时间把茶泡开,客人也无法用手指头捏着那滚烫的开水真喝,这杯茶只是表示应有的客气,不是让人喝的。他明白,陈律师在等着他告辞,可是他没打算马上走。

图1 氮掺杂碳量子点(N-CQDs)的制备及检测Hg2+的原理示意图 Fig.1 Schematic illustration showing the preparation of nitrogen doped carbon quantum dots(N-CQDs) and their application for Hg2+ detection

2 结果与讨论

2.1 N-CQDs的表征及性质研究

图2(A)为N-CQDs的透射电镜(TEM)图。从图中可以看出,所制备的N-CQDs呈圆球形,分散性好,且尺寸均一,平均尺寸3 nm左右。图2(B)为N-CQDs的傅里叶变换红外(FI-IR)光谱图。如图2(B)所示,在1 669、3 181 cm-1处分别为N-H的伸缩振动和弯曲振动[19]。在1 047、1 175、1 402 cm-1处分别为C-H、C-C和C=C的伸缩振动,3 181、1 669 cm-1处分别是O-H和C=O的伸缩振动[20]。说明N-CQDs表面有氨基、羧基和其他含氧官能团的存在。

采用X-射线衍射仪(XRD)对N-CQDs进行分析,图2(C)为所得谱图,扫描范围为5°~90°,N-CQDs具有一定的晶型结构,其衍射峰在2θ= 25.98°处出现宽峰,为碳的特征衍射峰。采用X-射线光电子能谱(XPS)对N-CQDs的组成和结构进行了分析,图2(D)为N-CQDs的XPS全谱图,在533.6、283.3 eV处有两个峰,分别为O ls和C ls。图2(E)为N-CQDs的C ls谱图,图2(F)为N-CQDs的O ls谱图,可以发现283.3、401.0、533.6 eV的三个强特征峰分别为C ls、N ls和O ls,N-CQDs主要由碳元素、氧元素、氮元素组成。从图2(E)中C ls 分峰可知,N-CQDs表面的碳元素主要形成了sp2杂化的C=C/C-C(283.3 eV),C-N(285.1 eV)以及C=O(287.15 eV)。说明碳点掺杂N,并且表面富含羟基、羧基等基团,与红外光谱分析相吻合。

图2 N-CQDs的透射电镜(TEM)图(A),红外(IR)光谱图(B),X-射线衍射(XRD)谱图(C),XPS谱图(D),C ls高分辨率XPS谱图(E)和O ls高分辨率XPS谱图(F) Fig.2 TEM image of the N-CQDs(A),IR spectrum of N-CQDs(B),XRD pattern of the N-CQDs(C),XPS spectrum of N-CQDs(D),C ls high-resolution XPS spectrum(E) and O ls high-resolution XPS spectrum(F)

图3为N-CQDs的荧光光谱(A)和不同激发波长下的发射光谱(B),(Ex/Em=350/440 nm)。这与365 nm紫外灯下N-CQDs发出明亮的蓝色荧光一致(图3(A)插图)。图3(B)是N-CQDs在不同激发波长下的荧光发射光谱图。随着激发波长的增大,N-CQDs的荧光发射峰出现红移,证明其具有荧光转换性质。

图3 N-CQDs的荧光光谱(A)和不同激发波长下的发射光谱(B)(插图:碳量子点溶液在自然光(a)和紫外灯(b)下的图片) Fig.3 Fluorescence spectra (A) and emission spectra (B) of the N-CQDs with excitation of different wavelength(Insets:the photographs of the N-CQDs in aqueous solution under visible light(a) and UV light(b))

2.2 反应条件的优化

1.2.1 N-CQDs的制备 准确称取0.5 g柠檬酸,溶于100 mL超纯水,超声10 min后,再加入3 mL乙二胺,室温下搅拌10 min,将溶液倒入聚四氟乙烯内衬水热反应釜中,于180 ℃恒温加热5 h,反应完成后自然冷却至室温,得深蓝色溶液。将所得溶液过0.22 μm滤膜以除去大颗粒杂质,再经10 000 r/min高速离心15 min,得到N-CQDs,并于4 ℃下储存,备用。

2.2.2 反应时间 研究了反应时间对体系荧光强度的影响。测试间从1 min到60 min,每隔5 min测定一次体系荧光强度,体系荧光强度随着时间的延长而减弱,10 min后达到稳定。

2.2.3 N-CQDs对Hg2+的选择性 研究了N-CQDs对Hg2+的选择性。如图4(B)所示,在相同实验条件下,50 μg/L的Al3+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Sn2+、Cd2+、Ag+、Pb2+、Fe2+等对N-CQDs的荧光强度几乎无影响。在其它金属离子(浓度为100 μg/L)存在时,Cu2+和Fe3+对Hg2+测定有微弱影响,而其余离子几乎无干扰。这些结果表明,N-CQDs作为Hg2+探针具有较好的选择性。与其它金属离子相比,这可能是由于Hg2+与N-CQDs表面的羧基、羟基之间作用力更强。

杨力生暗暗思量:哦,她这一定是听吴玉梅说起父母不是之处了。急忙向她解释:“不管如何,咱们最终不还是结婚了嘛!老人看问题有偏见不假,但他们毕竟是父母,咱们的一切都是老人留下的,不能跟老人计较过去的枝节小事。”

图4 pH(A)和金属离子(B)对N-CQDs体系的荧光强度影响 Fig.4 Effect of pH (A)and metal ions(B) on the fluorescence intensity of N-CQDs

2.2.4 N-CQDs对Hg2+的响应 图5(A)是不同浓度Hg2+对N-CQDs体系荧光强度的影响。Hg2+浓度在0.01~1.0 mg/L时与N-CQDs荧光猝灭率呈线性关系:F/F0=-0.3239+0.4064,R=0.9984。检出限(S/N=3)达到8.6 μg/L。图5(B)是不同浓度Hg2+对N-CQDs荧光光谱的影响。

系统通过OPC技术实现和DCS之间的通信,通过SIS,ITCC内部协议实现与SIS,ITCC的通信。在该公司8套装置现有OPC Server节点上各加1块网卡并配置独立于现有各DCS的网段和IP地址,统一通过报警管理数据采集Buffer机进行通信。为了保证安全,1号加氢SIS和ITCC设立单独的数据采集机后再连接到报警管理数据采集Buffer机。

图5 (A)F/F0值与Hg2+的浓度关系曲线;(B)不同Hg2+浓度对N-CQDs荧光强度的影响(插图:不同浓度的Hg2+在N-CQDs溶液中自然光(a)和紫外灯(b)下的图片) Fig.5 (A)A correlation of F/F0 values with the concentration of Hg2+;(B)Fluorescence response of the N-CQDs upon the addition of different concentrations of Hg2+(Inset:The photographs of the different concentration of Hg2+ in N-CQDs aqueous solution under visible light (a) and UV light (b))

2.3 水样的检测

考察了此方法在水样(湖水、自来水和实验室废水)中Hg2+含量测定的可行性。用0.22 μm微孔滤膜将水样过滤,在15 000 r/min下离心15 min,除去水样中悬浮的大颗粒物质,每个样品平行测定5次,水样中没有检测到Hg2+。加标回收率在95.1%~104.9% 之间,相对标准偏差(RSD)小于4.0%。同时,采用原子荧光光谱法对照测试(国家环境保护标准HJ694-2014),结果表明两种方法没有显著差异(表1)。因此,此方法可用于水样中Hg2+的测定。

表1 水样中Hg2+的测定(n=5)

Table 1 Analytical results of Hg2+ in water samples(n=5)

SampleAdded(μg/L)ThismethodFound(μg/L)Recovery(%)RSD(%)HJ694-2014method(μg/L)Lakewater15.014.395.13.114.8Tapwater15.014.898.73.515.1Wastewater15.015.7104.92.615.2

3 结论

本研究以柠檬酸和乙二胺为碳源,通过一步水热法合成了具有高稳定性、高荧光量子产率的水溶性氮掺杂碳量子点(N-CQDs),所合成的N-CQDs尺寸均匀,大小约为3 nm,其表面富含-OH、-COOH、-NH2、-CO等官能团,使N-CQDs具有良好的水溶性。N-CQDs在紫外光照射下发蓝色荧光,其荧光量子产率高达20.03%。作为荧光探针,N-CQDs对Hg2+检测具有高选择性和高灵敏性,检测限达8.6 μg/L。

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对照组患者采用常规护理,主要内容包括:①护理人员遵医嘱予以患者抗凝、溶栓等抗卒中药物治疗;②指导患者保持正确体位,将肢体进行合适放置,定时协助患者进行翻身等动作,并对其患侧进行相应按摩,以缓解患者身体不适感;③做好室内清洁、通风工作,同时将室内温度、湿度调整至合理范围之内,一般以25℃、60℃较为适宜,创设温馨舒适的住院环境。

据统计,我国高等学校科研人员数量近年来连续增长,投入经费持续增加,发明专利申请量和授权量增长显著,但是高等学校作为卖方的技术合同数量及成交金额连年下降,技术合同成交金额仅占全国技术合同成交金额的3%左右。

[1] Clarkson T W,Magos L.Crit Rev Toxicol,2006,36(8):609.

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1.2.2 量子产率的测定 N-CQDs配制成溶液后,测试其紫外-可见吸收光谱及荧光光谱(λex=350 nm)。将荧光峰的积分面积F及相应的吸收值A(λem=440 nm)代入如下公式:

[6] Han F X,Patterson W D,Xia Y J,et al.Water Air Soil Pollut,2006,170(4):161.

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虽然史上最严停复牌制度已经让部分公司“苏醒”,但是由于部分公司长期停牌,公司基本面及市场环境都会发生变化,复牌后的命运往往充满变数。

式中,Φx为测试样品的荧光量子效率,ΦS表示标准物质的荧光量子效率,n表示溶剂的折光指数。实验中采用的标准物为硫酸奎宁(荧光量子效率为84%)。计算得到的荧光量子产率为20.03%。

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2.2 王屋镇各树种“古树之最”的生境 调查表明,王屋镇各树种“古树之最”位于家户门前、寺庙周边、景区之内、道路边(表2),海拔为389~981 m,坡向多为南向,坡度为0~30°,坡位多为中、下位,土质多为褐土。

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著名哲学家洛克说“儿童不是用规则可以教得好的,规则总是会被他们忘掉的。习惯一旦培养成功之后,便用不着借助记忆,很容易地自然地就能发生作用了。”养成良好的行为习惯很重要,及时地更正学生的不良课堂习惯,习惯需要教师长期抓反复抓。例如:在足球教学热身部分的熟悉球性。很多学生会忽略这一部分,草草了事,只想着热身完了,早点踢比赛,殊不知好的热身活动对一节课的主要技术练习有很大的影响。

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马克思主义认为,社会作为一个有机体是由多个子系统集成的,社会整体观要求我们看到整体联动的优越性,要求我们确立整体大于部分观念。习近平指出,共产党人的初心就是为了实现人民的根本利益,就是要坚持以人民为中心的发展思想,这也是对社会各子系统运行的总规范。具体说来要把握好以下三个理念:

陈志燕,孟冬玲,华建豪,杨亚玲
《分析科学学报》 2018年第02期
《分析科学学报》2018年第02期文献

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