新型荧光碳点的制备及其在微量金属离子测定中的应用_刘娟娟.pdf

2020 年 3 月 March 2020 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 39，No． 2 174 －187 收稿日期 2019 －07 －10;修回日期 2019 －09 －09;接受日期 2019 －10 －21 基金项目国家自然科学基金项目 21675068 作者简介刘娟娟， 博士， 从事新型碳点荧光探针的合成及应用研究。E － mailjjliu14 lzu． edu． cn。 通信作者陈兴国， 教授， 博士生导师， 从事纳米材料在分析化学中的应用研究。E － mailchenxg lzu． edu． cn。 刘娟娟，陈永雷，陈兴国． 新型荧光碳点的制备及其在微量金属离子测定中的应用［ J］ ． 岩矿测试， 2020， 39 2 174 －187． LIU Juan － juan，CHEN Yong － lei，CHEN Xing － guo． A Review of the Preparation of Novel Fluorescent Carbon Dot and Its Application for the Determination of Trace Metal Ions［ J］ ． Rock and Mineral Analysis， 2020， 39 2 174 －187． 【DOI 10． 15898/j． cnki． 11 －2131/td． 201907100099】 新型荧光碳点的制备及其在微量金属离子测定中的应用 刘娟娟1， 2，陈永雷1，陈兴国1* 1． 兰州大学化学化工学院，甘肃 兰州 730000; 2． 兰州大学第二医院，甘肃 兰州 730030 摘要碳点 CD 具有粒径小、 抗光漂白性好、 荧光稳定性高、 发射光谱可调、 表面易功能化、 毒性低及生物相 容性好等优点， 已在催化、 生物成像、 药物传递、 荧光检测、 光电子器件等方面得到了广泛的应用。近年来， 利 用不同原料制备高性能荧光 CD 的合成方法备受关注。此外， 通过 CD 直接与目标分析物相互作用， 特异性 配体修饰后的 CD 与目标分析物相互作用、 CD 与其他物质形成复合物后与目标分析物相互作用构建荧光探 针， 并将其用于微量金属离子的检测得到了迅速发展和广泛应用。本文阐述了 CD 的光学性质和合成原料， 对其常用的自上而下法和自下而上法两类合成方法的过程及特点进行了总结。在此基础上， 详细评述了基 于 CD 与目标分析物的三种相互作用方式所构建的荧光探针在测定 Fe3 、 Zn2 、 Cu2 等具有生化作用的离子 和 Hg2 、 As3 、 Pb2 、 Cr6 、 Cd2 等重金属离子的应用进展。本文指出， 深入研究检测机理， 发展新型检测模 式， 针对特定金属离子和样品组成设计构建荧光探针， 建立可用于复杂样品的分析方法是开展构建新型 CD 荧光探针所面临的挑战和发展方向。 关键词碳点;荧光探针;光学性质;合成原料;金属离子 要点 1总结了 CD 的合成原料、 方法及其与目标分析物之间的相互作用方式。 2综述了基于 CD 构建的荧光探针在测定金属离子中的应用。 3指出构建新型 CD 荧光探针面临的挑战及发展方向。 中图分类号O657． 39;O614文献标识码A 荧光分析是一种有效的分析方法， 由于其具有 灵敏度高、 背景噪音低、 操作简单等优点， 在化学传 感、 生物成像等领域具有广泛应用 ［1 －4 ］。近几十年 来对荧光探针的研究主要集中在 CdSe、 CdTe 等半 导体量子点 ［5 ］及传统有机荧光染料［6 ］的制备及功 能化， 但是由于制备 CdSe、 CdTe 需引入 CdCl2等高 毒性的化学物质且耗时较长等问题， 传统有机荧光 染料的生物毒性较强且其抗光漂白性需进一步改善 等问题， 限制了半导体量子点和有机荧光染料在荧 光分析方法中的广泛应用［7 ］。因此， 寻找理想的、 有望替代半导体量子点和有机荧光染料的无毒或低 毒的新型荧光纳米材料并将其应用于构建新型荧光 探针， 已逐渐成为化学、 工程和生物医学等各个领域 的研究热点。 碳是一种以多种形式广泛存在于大气和地壳中 的常见元素之一， 它不仅对所有生命系统都是不可 或缺的， 而且在纳米材料的发展进程中起着至关重 要的作用 ［8 －9 ］。近年来， 碳纳米材料作为新型的荧 光纳米材料之一， 日益成为人们关注的对象。碳纳 米材料拥有众多的家族成员， 如富勒烯、 碳纳米管、 471 ChaoXing 石墨烯、 碳点、 纳米金刚石、 碳纳米洋葱及碳纳米角 等 ［10 －11 ］。其中， 富勒烯是 1985 年由 Kroto 等［12 ］发 现并报道的。碳纳米管和石墨烯这两种同素异形体 分别是在 1991 年和 2004 年被发现并报道的， 当时 在科 学 研 究 领 域 引 起 了 极 大 的 轰 动［13 －14 ］。 在碳纳米材料庞大的家族里， 碳点 CD 由于具有粒 径小、 抗光漂白性好、 荧光稳定性高、 发射光谱可调、 表面易功能化、 毒性低、 生物相容性好、 制备过程简 单等优点， 在催化、 生物成像、 药物传递、 荧光传感、 光电子器件等方面拥有广阔的应用前景而备受关 注 ［15 －19 ］。应指出的是， 在荧光传感领域碳点可直接 或间接地构建新型的荧光探针并用于测定一些重要 的金属离子、 非金属离子、 小分子及大分子物质等。 本文在对 CD 的性质、 合成原料及合成方法简要介 绍的基础上， 详细评述了基于 CD 荧光探针的设计、 构建机理及其在检测微量金属离子中的应用， 指出 了 CD 作为新型荧光传感纳米材料所面临的挑战和 发展方向。 1碳点的性质、 合成原料及合成方法 2004 年， Xu 等 ［20 ］在纯化单壁碳纳米管时发现 并报道了 CD。2006 年， Sun 等 ［21 ］提出了 CD 的概 念。CD 是具有无定型到纳米晶结构的准球形、 尺寸 不大于 10nm 的纳米颗粒， 一般由 sp2/sp3碳、 含氧/ 氮的官能团和一些后修饰的特定官能团组成［3 ］。 研究表明， CD 具有包括紫外可见吸收 ［22 －23 ］、 荧 光 ［8 ］、 上转换荧光［24 ］和电化学发光［25 －26 ］等在内的 诸多优异的光学性质。迄今为止， 众多课题组对 CD 合成和应用作了许多深入的研究， 旨在更好地探究 其复杂的光物理和光化学行为的起源， 以开发更好 的合成方法并进一步拓展其应用范围。 1． 1合成 CD 的原料 合成 CD 的原料非常丰富， 包括一些较大的碳 骨架材料、 小分子化学物质、 食品、 日用品、 生活废弃 物及植物器官等。 1． 1． 1碳骨架材料 Scrivens 等在应用电泳方法纯化单壁碳纳米管 的过程中发现并报道了 CD［20 ］。Liu 等［27 ］以蜡烛烟 灰为原料， 通过酸氧化处理的方法制备了尺寸小于 2nm 的水溶性多色荧光 CD， 并采用聚丙烯酰氨凝胶 电泳对其进行纯化， 得到了具有不同荧光发射的 CD， 它们的量子产率分别为 0． 8、 1． 9、 0． 8。 Qiao 等 ［28 ］以活性炭为碳源， 通过化学氧化方法 制备了尺寸约为 4． 5nm 的水溶性多色荧光 CD。该 CD 在 pH 1 ～13 范围内均具有良好的生物相容性和 较高的荧光量子产率 12． 6 。 1． 1． 2小分子化学物质 CD 的合成原料除了较大的碳骨架材料之外， 一 些小分子物质如柠檬酸经常被用作碳源来合成具有 高荧光量子产率的 CD， 但是这些 CD 一般呈现出蓝 色荧光。Zhu 等 ［29 ］以柠檬酸为碳源通过水热法制 备了荧光量子产率高达 80 的蓝色荧光 CD， 其不 仅能够检测生物体系中的 Fe3 ， 还可用作印刷油 墨。Krysmann 等 ［30 ］通过热解柠檬酸和乙醇胺制备 了荧光量子产率为 50 的蓝色荧光 CD， 并对其可 能的发光机理进行了探究。Dong 等 ［31 ］用柠檬酸和 半胱氨酸通过水热法制备了荧光量子产率高达 73的 CD， 该 CD 呈现出蓝色荧光且具有不依赖激 发的发射行为。 1． 1． 3食品、 日用品及生活废弃物 合成 CD 的原料丰富多彩。目前， 许多课题组 已经报道了采用常见的食品 草莓、 蜂蜜、 牛奶、 生 姜 ， 日用品 蚕丝 及生活中的废弃物 纸灰、 废煎 炸油 制备出荧光 CD 的工作 ［32 －38 ］。Wang 等［34 ］报 道了使用牛奶制备 CD 的绿色合成方法。该制备过 程环保、 简单、 高效。所制备的蓝色荧光碳点， 尺寸 约为 3nm、 荧光量子产率为 12， 可作为荧光探针 对人脑胶质瘤癌细胞进行高分辨成像。Hu 等 ［38 ］发 展了一种利用废煎炸油和浓硫酸制备蓝色荧光 CD 的方法， 所得到的 CD 尺寸均匀并显示出部分无序 的石墨结构且对 pH 变化非常敏感， 可用于测定 pH 值。 1． 1． 4植物器官 Zhu 等 ［39 ］发现热解不同的植物叶片可得到发 出明亮蓝色荧光的 CD， 其可用于化学传感、 图案印 刷及防伪技术等。该制备方法无需表面钝化处理或 使用有毒及昂贵的溶剂和原料， 为大规模生产 CD 提供了新的契机。 1． 1． 5含苯环结构的化合物 采用上述几类原料合成的 CD 多具有蓝色荧 光。由于生物样品的自荧光干扰较大， 从而限制了 其在生物样品分析和生物成像研究中的应用。相比 之下， 发射红光的 CD 可以有效解决生物样品的自 荧光干扰问题。增加共轭程度可能会使得 CD 的荧 光发射波长红移， 因此选择含有苯环结构的碳源可 能会有效改善 CD 的荧光性质。Jiang 等 ［40 ］以邻、 间、 对苯二胺为碳源， 分别得到了具有上述转换荧光 性质的蓝色、 绿色及红色荧光 CD， 其细胞毒性低， 具 571 第 2 期刘娟娟， 等新型荧光碳点的制备及其在微量金属离子测定中的应用第 39 卷 ChaoXing 有优异的多色细胞成像能力。Liu 等 ［41 ］用 2， 5 － 二 氨基苯磺酸和 4 － 氨基苯硼酸盐酸盐合成了荧光量 子产率为 5． 44 的红色荧光 CD， 其可用于比色和 荧光双模式检测 Fe3 。 图 2RYDE CD 和 RODE CD 的制备及 RYDE CD 作为比率荧光探针用于测定亚硝酸盐的示意图 Fig． 2Schematic illustration of the preparation of RYDE CD and RODE CD，and application of the RYDE CD as a ratiometric fluorescent probe for the detection of nitrite Ma 等 ［42 ］以间氨基苯酚和草酸为原料制备了 蓝/绿光双发射的 CD。当激发波长为 380nm 时， 所 制备的 CD 在 430nm 和 510nm 处具有双荧光发射 峰。首先， 对氨基苯酚和草酸小分子脱水形成了聚 合物簇。随着反应温度的进一步升高， 聚合物簇逐 渐被碳化最终生成了小颗粒状蓝/绿光双发射的 CD。该 CD 无需修饰可直接作为比率荧光探针检测 纺织品、 钢铁样品和工业废水中的六价铬离子。 Liu 等 ［43 ］以 2， 5 － 二氨基甲苯硫酸盐为碳源一 锅法制备了红/绿光双发射的 CD RGDE CD 。当 激发 波 长 为 370nm 时， RGDE CD 在 525nm 和 603nm 处具有两个荧光发射峰 图 1 。基于 RGDE CD 无需任何修饰即可作为 ONOO － 荧光探针的性 质， 建立了成本低廉、 响应速度快、 灵敏度高、 选择性 好的测定 ONOO － 的比率荧光新方法。通过分别计 算 RGDE CD 和 ONOO － 对应的 HOMO、 LUMO 能级， 深入研究了 ONOO － 导致 RGDE CD 荧光淬灭的机 理。该 比 率 荧 光 探 针 已 成 功 用 于 细 胞 内 痕 量 ONOO － 的测定。 此外， Liu 等 ［44 ］还以 2， 3 － 二氨基苯甲酸盐酸 盐为碳源一锅法合成了红/黄光双发射的碳点 RYDE CD 和红/橙光双发射的碳点 RODE CD 图 2 。当激发波长分别为 520nm 和 535nm 时， RYDE CD 和 RODE CD 分别在 566nm/621nm 和 595nm/644nm 处具有荧光发射峰。所制备的 RYDE CD 和 RODE CD 具有优异的抗光漂白性和良好的 耐盐性。基于 RYDE CD 无需修饰可直接作为亚硝 图 1 aRGDE CD 的制备及 b用于检测细胞中 ONOO － 的示意图 Fig． 1Schematic illustration of the apreparation of the RGDE CD probe and bits application for the detection of ONOO － in living cells 酸盐荧光探针的性质， 建立了高灵敏性和高选择性 测定熏肉、 香肠、 咸菜和牛奶等样品中痕量亚硝酸盐 的比率荧光新方法并深入研究了相应的检测机理; 基于温度对 RYDE CD 荧光强度的影响， 建立了检 测温度的比率荧光新方法。此外， RYDE CD 细胞毒 性低且生物相容性好， 可成功用于细胞成像。 1． 2CD 的合成方法 在过去几十年中， 人们不断地尝试发展了许多 合成 CD 的方法。根据合成原料 1． 1 节 可将 CD 的合成方法分为自上而下法和自下而上法两 大类 ［45 ］。 自上而下法是指将较大的碳骨架材料如碳纳米 管 ［20 ］、 活性炭［28 ］、 炭黑［27 ］、 纳米金刚石［46 ］等通过化 学或物理的方法不断进行剥离制备 CD 的过程。常 671 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2020 年 ChaoXing 见的自上而下法主要包括电弧放电法［47 ］、 激光烧蚀 法 ［21 ］和电化学法［48 ］等。自上而下法制备的 CD 的 荧光量子产率比较低， 通常需要将其表面进行化学 处理以提高荧光量子产率。此外， 由于剥离的过程 是非选择性的， 不能有效地控制 CD 的形态和粒径 分布。 为了克服自上而下法合成 CD 的荧光量子产率 较低等问题， 人们发展了在适当条件下依赖于有机 小分子碳源碳化或者逐步熔融的方式制备 CD 的化 学方法， 即自下而上法。自下而上法可以较好地控 制 CD 的尺寸、 形貌及物理化学性质。目前， 自下而 上法主要包括水热法［29 ］、 模板辅助法 ［49 ］、 微波法［50 ］ 和超声辅助法 ［51 ］等。这些方法所合成的 CD 在荧 光探针构建、 目标分析物检测、 生物成像等方面均有 广泛的应用 ［52 －54 ］。 2基于 CD 荧光探针的设计构建及其在 检测金属离子中的应用 2． 1基于 CD 荧光探针的设计构建及其对金属 离子的检测机理 由于 CD 具有优异的光学性质以及较低的细胞 毒性和良好的生物相容性［55 ］， 常被用于直接或间接 地设计构建新型的荧光探针来检测金属离子等目标 分析物 ［56 －57 ］。实际样品中通常存在多种金属离子。 因此， CD 荧光探针对金属离子的特异性识别对探针 的设计及测定结果的准确性至关重要。通常， 根据 CD 表面官能团和金属离子的特点及它们之间的特 异性作用来提高检测的选择性。迄今为止， 设计构 建对金属离子具有特异性识别能力的 CD 荧光探针 主要基于以下三种策略 ［3 ］ ①基于 CD 表面的官能 团直接特异性识别金属离子; ②通过特异性配体对 CD 进行修饰以提高其对金属离子的特异性识别能 力; ③将 CD 与其他物质如淬灭剂结合形成复合物 以提高其对金属离子的特异性识别能力。目前， CD 荧光探针对金属离子的检测主要有“Turn － off” ［58 ］ 和 “Turn － on” ［59 ］两种模式。这两种模式所涉及的 检测机理主要包括电子转移［60 ］、 内过滤效应 ［61 ］ 、 荧 光共振能量转移 ［59， 62 ］等。 2． 1． 1基于 CD 与目标分析物的直接相互作用 CD 与目标分析物直接相互作用会引起 CD 的 荧光信号发生变化。基于这种信号的变化， CD 可直 接作为荧光探针用于测定目标分析物的含量。CD 表面的官能团可以特异性地与金属离子发生配位作 用， 使得其荧光发生显著的淬灭， 因此常被用于直接 测定一些金属离子的含量。例如， 由于氢氧化铁的 Ksp4． 0 10 －38， 导致 Fe3 和酚羟基之间会发生强 烈的特异性配位作用， 因此表面富含酚羟基的 CD 可以实现对 Fe3 的选择性检测［3 ］。Zhu 等［29 ］合成 了荧光量子产率高达 80 的 CD， 其表面的酚羟基 与 Fe3 之间有很强的亲和力。当加入 Fe3 后， CD 激发态的电子会部分跃迁到 Fe3 的 d 轨道， 发生非 辐射电子跃迁， 导致 CD 的荧光淬灭。基于此， 该 CD 可直接作为荧光探针选择性检测 Fe3 。此外， CD 表面富含的大量氨基和 Cu2 之间会发生强烈的 配位作用， 形成的铜胺络合物紫外吸收光谱可以与 部分 CD 的荧光激发或发射光谱重叠， 发生内过滤 效应导致 CD 的荧光淬灭。Dong 等 ［61 ］制备了能与 Cu2 发生络合作用的表面富含氨基的 CD， 形成的 铜胺络合物和 CD 之间的内过滤效应使得 CD 荧光 淬灭， 从而实现了 CD 直接作为荧光探针对 Cu2 进行选择性检测。 2． 1． 2基于特异性配体修饰后的 CD 与目标分析 物相互作用 将 CD 进行后修饰再与分析物相互作用也是一 种策略。一般需要将已知的特异性配体修饰到 CD 表面以构建具有高灵敏度和高选择性的荧光探针。 例如， 将硼酸基团修饰到 CD 表面后， 硼酸基团和葡 萄糖的顺式二醇结构会形成稳定的络合物［63 ］。 基于此， 构建了很多用于高选择性检测葡萄糖的荧 光探针。此外， 胸腺嘧啶 T 化学结构简单， 已被证 明是能够以 T － Hg2 － T 复合物形式识别 Hg2 的 最具特异性的配体之一， 该过程不存在任何其他重 金属离子的干扰 ［64 ］。因此， 可以通过将 CD 和某些 生物识别组件 如胸腺嘧啶等 结合提高 CD 检测 Hg2 的选择性。Xu 等［64 ］基于 Hg2 可作为有效联 接邻近胸腺嘧啶的桥梁， 利用 CD 表面上共价修饰 胸腺嘧啶和 Hg2 的桥梁作用促使 CD 团聚， 导致 CD 荧光发生淬灭， 设计并构建了用于特异性检测 Hg2 的荧光探针。 2． 1． 3基于 CD 与其他物质形成复合物后与目标 分析物相互作用 CD 也可以与其他物质如淬灭剂［65 ］等结合形成 复合物使得其荧光发生淬灭， 加入目标检测物之后， 淬灭剂和目标检测物之间发生相互作用导致 CD 的 荧光得以恢复。例如， Li 等 ［59 ］将 CD 和钴氢氧化物 纳米片结合， 使得其荧光通过荧光共振能量转移发 生淬灭。然后加入还原性的抗坏血酸， 由于抗坏血 酸和钴氢氧化物纳米片发生了氧化还原反应， 从而 771 第 2 期刘娟娟， 等新型荧光碳点的制备及其在微量金属离子测定中的应用第 39 卷 ChaoXing 破坏了钴氢氧化物纳米片的片层结构， 使得 CD 的 荧光恢复。基于这种荧光响应信号， 实现了对抗坏 血酸及与抗坏血酸有关的酶的检测。此外， 将 CD 和其他荧光物质结合还可以构建比率荧光探针。如 Liang 等 ［62 ］基于 CD 和金纳米簇 AuNCs 间的荧光 共振能量转移成功构建了比率荧光探针 图 3 。加 入的 S2 －会竞争性地结合在 AuNCs 表面形成 Au 2S， 抑制荧光共振能量转移的发生， 使得 CD 的荧光增 强而 AuNCs 的荧光减弱。基于 CD 和 AuNCs 荧光 强度比值的变化， 实现了对环境样品中 S2 －的准确 测定。 图 3CD － AuNCs 比率荧光探针的构建及其用于检测 S2 － 的示意图 Fig． 3Schematic llustration of the fabrication of CD － AuNCs ratiometric probe and its application for the detection of S2 － 2． 2CD 荧光探针在检测金属离子中的应用 由于 CD 具有独特的结构和优异的光学性能， 已在生物成像、 荧光传感、 药物运载、 催化剂制备、 能 源开发等领域应用前景广阔［66 －69 ］。 近年来， 全球经济和工业化的快速增长引起了 越来越多的环境问题。重金属离子是一种易在生态 系统中富集的难降解污染物［70 ］。根据美国环境保 护署 EPA 的统计， 砷离子 As3 、 汞离子 Hg2 、 铅离子 Pb2 、 铜离子 Cu2 、 镉离子 Cd2 、 镍 离子 Ni2 和铬离子 Cr6 属于最具毒性的重金 属离子。人体内摄入低浓度的这些金属离子时， 可 导致极其严重的健康问题［71 ］。例如铁离子 Fe3 、 锌离子 Zn2 和铜离子 Cu2 等会参与人体新陈 代谢过程， 对人类健康至关重要。但是， 当这些金属 离子的浓度较高时， 它们会破坏人体免疫系统， 诱发 一系列严重的疾病 ［72 －73 ］。因此， 快速、 灵敏、 准确地 测定微量金属离子在环境保护、 食品科学和农业化 学以及材料学等领域具有重要意义。传统的检测痕 量金属离子的方法 ［74 －78 ］有原子吸收光谱法 AAS 、 毛细管电泳法 CE 、 电感耦合等离子体发射光谱法 ICP － OES 、 离子色谱 － 紫外可见光谱法 IC － UV － Vis 、 电感耦合等离子体质谱法 ICP － MS 、 微探 针法 MP 和 X 射线荧光光谱法 XRF 。这些方法 虽然具有高灵敏度和选择性， 但仪器成本高、 样品制 备复杂以及需要专业人员和预富集程序等操作。荧 光分析是一种有效的分析方法， 由于其具有灵敏度 高、 背景噪音低、 操作简单等优点而备受人们的关 注。下面对 CD 在荧光传感领域中检测金属离子的 应用进展进行评述。 2． 2． 1CD 荧光探针检测生物金属离子 1 铁离子 Fe3 铁是人体和动物体许多生理过程所必需的第一 微量元素。Fe3 可以和人体内多种调节蛋白质结 合， 在新陈代谢过程中扮演非常重要的角色。人体 内 Fe3 含量异常均可干扰细胞内环境平衡， 诱发各 种生理疾病 ［79 －80 ］。因此， 对 Fe3 的高灵敏检测具 有重要意义。目前， 基于金属纳米簇 ［81 ］、 有机染 料 ［82 ］、 半导体量子点［83 ］、 金属有机框架材料［84 ］等已 经发展了诸多荧光探针， 这些探针用于检测 Fe3 通 常具有较好的灵敏度和选择性。然而， 制备这些荧 光探针通常需要多步骤合成及纯化步骤， 比较耗时。 CD 已被证明其合成原料低廉、 制备过程简单、 细胞 毒性低、 生物相容性好， 是一种理想的可用于构建荧 光探针的新型荧光纳米材料。 Zhang 等 ［60 ］以柠檬酸为碳源、 聚乙烯二胺为氮 源， 通过固相合成法制备了氮掺杂 CD N － CD 。 结果表明， N 原子的掺杂使得 CD 的荧光量子产率 871 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2020 年 ChaoXing 从 9 提高到 31， 荧光量子产率的显著提高应该 源于 N 原子对 CD 化学结构和电子特性的调控。基 于 N － CD 表面的含氧官能团与 Fe3 之间的配位作 用使其荧光淬灭的现象， 实现了对生物样品中 Fe3 的测定 图 4 。 图 4N － CD 用于检测 Fe3 的示意图 Fig． 4Schematic illustration of the detection of Fe3 using N － CD 图 5基于 CD 的荧光探针的合成及其用于检测 Zn2 的示意图 Fig． 5Schematic illustration of the synthesis of the CD － based fluorescent probe and its application for the detection of Zn2 Feng 等 ［ 85 ］以胰蛋白酶和多巴胺为前驱体， 通过 一步法在低温条件下制备了荧光 CD。该步骤避免了 任何加热操作和使用有机试剂， 提供了一种 “绿色” 、 有效的合成策略。制备的 CD 具有良好的水溶性、 耐 盐性和光稳定性。基于内滤效应和静态淬灭的协同 作用， 实现了尿液和血清样品中 Fe3 的测定。 2 锌离子 Zn2 锌是人体中最常见的第二微量过渡金属元素， 在促进酶调节、 基因表达和神经相关信号传递等过 程中发挥重要作用。人体内 Zn2 含量异常会诱发 阿尔茨海默症等疾病 ［86 ］。因此， 对 Zn2 的高灵敏 检测对于探究某些疾病的生理过程和病因具有重要 意义。目前已报道的测定 Zn2 的方法有荧光分析 法 ［87 ］、 毛细管电泳法［88 ］和紫外可见吸收光谱法［89 ］ 等。尤其是荧光分析法具有灵敏度高、 背景噪音低、 操作简单等优点。因此， 发展基于低毒性 CD 荧光 探针的荧光分析新方法用于灵敏性、 选择性检测细 胞内 Zn2 非常重要。 Zhang 等 ［90 ］合成了喹啉衍生物修饰的 CD， 基于 喹啉衍生物对 Zn2 的特异性识别作用使得 CD 荧光 增强的现象， 建立了高灵敏、 高选择性检测 Zn2 的 荧光方法， 检测限为 6． 4nmol/L 图 5 。该方法还 可以实现细胞内 Zn2 的实时成像。 3 铜离子 Cu2 铜是人们日常生活中必不可少的过渡金属元 素， 常存在于海水、 河水、 湖水、 饮用水和自来水中。 Cu2 的存在对生物系统的正常免疫代谢过程起着 至关重要的作用。然而， 浓度较高的 Cu2 长期与人 体接触， 会产生较大的毒性， 引起许多神经退化性疾 病， 如威尔逊氏病、 朊病毒病和阿尔茨海默 症 等 ［91 －92 ］。因此， 对 Cu2 的高灵敏检测也十分重要。 迄今为止， 作为测定 Cu2 的探针主要包括半导体量 子点、 有机染料和小分子荧光探针 ［93 －95 ］。但是， 这 些荧光探针存在制备过程中需使用高毒性的化学物 质， 或合成过程复杂、 抗光漂白能力较差等问题。 971 第 2 期刘娟娟， 等新型荧光碳点的制备及其在微量金属离子测定中的应用第 39 卷 ChaoXing CD 作为一种新型的荧光纳米材料， 以其构建的荧光 探针可有效避免上述问题。 Gedda 等 ［96 ］以对虾壳为原料， 发展了一种简 便、 经济、 有效地合成绿色荧光 CD 的方法。所制备 的 CD 分散性高、 稳定性好、 水溶性好， 量子产率为 9。基于 Cu2 和 CD 之间内过滤效应和胺铜的形 成使得 CD 荧光淬灭的现象， 建立了高灵敏、 高选择 性检测 Cu2 的荧光新方法， 检测限为 5nmol/L。该 方法可用于饮用水、 河水、 海水等多种样品中 Cu2 的快速测定。 2． 2． 2CD 荧光探针检测其他重金属离子 通常， 检测重金属离子的传统方法如电感耦合 等离子体质谱、 原子吸收/发射光谱法等通常需要昂 贵的仪器设备及复杂的操作程序［97 －101 ］， 从而限制 了这些方法对 Hg2 、 As3 、 Pb2 、 Cr6 、 Cd2 等重金 属离子的实时检测， 而基于 CD 荧光探针建立的荧 光分析方法具有快速、 简便、 灵敏度高、 选择性好等 诸多优点， 对于建立选择性好、 灵敏度高的检测以上 微量重金属离子的方法具有实际意义。 1 汞离子 Hg2 Hg2 是一种最危险的、 广泛存在的污染物之 一， 已引发了严重的环境和健康问题［102 －103 ］。研究 表明 Hg2 很容易通过皮肤、 呼吸道和消化道组织导 致 DNA 损伤、 细胞分裂障碍和中枢神经系统的永久 性损害 ［104 ］。因此， 发展选择性好、 灵敏度高的检测 微量 Hg2 的方法十分重要。 Liu 等 ［105 ］以柠檬酸和 NH 43PO4分别作为碳 源和氮源， 通过固相合成法简单、 快速地制备了荧光 量子产率高达 36 的氮掺杂 CD N － CD 。基于 N － CD表面的类吡咯 N、 N － H 和 Hg2 之间的协同 配位作用导致其荧光淬灭的现象， 建立了一种简单、 快速地测定食品和化妆品等样品中 Hg2 含量的荧 光新方法。该 N － CD 具有低细胞毒性和良好的生 物相容性， 可成功用于细胞成像。基于 N － CD 的良 好水溶性， 还可作为荧光墨水使用。 Lu 等 ［106 ］以柚子皮为原料， 通过水热法制备了 水溶性的 CD， 荧光量子产率为 6． 9。该 CD 可直 接作为荧光探针对 Hg2 进行选择性检测， 检测限低 至0． 23nmol/L。Hg2 对 CD 的荧光淬灭可能是通过 有效的电子或能量转移过程促进了无辐射的电子/ 空穴复合湮灭。 2 砷离子 As3 饮用水中的砷污染在发展中国家是一个非常严 重的问题 ［107 ］。在砷元素的各种形式中， As3 被认 为是最有害的污染物。根据世界卫生组织的标准， 饮用 水 中 As3 的 最 大 允 许 量 为 10μg/L 133 nmol/L 。如果人体中 As3 的持续摄入量超过 10μg/L， 会诱发皮肤损伤、 免疫及代谢系统紊乱、 高 危肺癌和膀胱癌等， 严重威胁人类健康［99 ］。 Gupta 等 ［99 ］以柠檬酸和硫代硫酸钠为原料， 采 用微波辅助热解法合成了硫掺杂的多色荧光 CD。 所制备的 CD 经 GSH 修饰后与 As3 之间发生相互 作用形成复合物导致其荧光发生淬灭。基于上述现 象建立了高灵敏性、 高选择性检测 As3 的荧光及可 视化新方法， 检测限为 32pmol/L。此外， 应用该方 法成功实现了河水和自来水中 As3 的准确测定。 3 铅离子 Pb2 Pb2 被广泛应用于颜料、 水管、 蓄电池、 防腐涂 料、 合金中， 并以不同的方式释放于环境中。据报 道， 当血液中 Pb2 浓度高于 5μmol/L 时， 可导致贫 血、 生殖功能障碍、 神经系统功能障碍、 发育障碍等 疾病。此外， Pb2 浓度过高甚至会导致死亡［97， 108 ］。 Liu 等 ［97 ］以柠檬酸钠和聚丙烯酰胺为原料， 通 过水热法合成了蓝色荧光 CD。Pb2 和 CD 形成 CD － Pb2 复合物使得 CD 的荧光淬灭， 再加入能与 Pb2 络合的 PPi 可使 CD 荧光得以恢复。基于此现 象建立了检测 Pb2 和 PPi 的荧光新方法， 检测限分 别为 4． 6nmol/L、 54nmol/L。 4 铬离子 Cr6 Cr6 在电镀、 皮革鞣制、 染料等工业生产中有着 广泛的应用。但是， Cr6 具有致突变性和致癌性， 严 重威胁人类的身体健康［109 ］。 Ma 等 ［ 42 ］以间氨基苯酚和草酸为原料制备了蓝/ 绿光双发射的 CD。当激发波长为 380nm 时， 所制备 的 CD 在 430nm 和 510nm 处具有两个荧光发射峰。 该 CD 无需修饰可直接作为比率荧光探针对纺织品、 钢铁样品和工业废水中的 Cr6 含量进行测定。 Mutuyimana 等 ［110 ］以 4 － 氨基乙酰苯胺盐酸盐 和 4 － 乙酰氨基苯甲醛为原料， 通过一步法合成了 黄色荧光 CD。所制备的 CD 具有良好的水溶性、 耐 盐性和荧光稳定性。基于 Cr6 和 CD 之间发生静态 淬灭作用使得 CD 荧光被淬灭的现象， 建立了测定 Cr6 的荧光新方法， 检测限为 0． 13μmol/L。该方法 灵敏度高、 选择性好， 已成功应用于鱼肉和小虾米中 Cr6 的测定， 回收率结果良好。 5 镉离子 Cd2 镉元素广泛存在于塑料、 化肥、 农药和化石燃料 中。土壤、 水和食物中的 Cd2 污染通过食物链对人 081 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2020 年 ChaoXing 类身体健康构成了潜在的致命威胁 ［111 －112 ］， 可导致 骨质疏松症、 肾功能障碍、 癌症、 阿尔茨海默病、 帕金 森病和肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病。 Niu 等 ［101 ］将 CD 和金纳米团簇 AuNCs 相结合 构建了 CD － AuNCs 比率荧光探针。基于 AuNCs 表 面官能团和 Cd2 之间的静电吸附和配位作用导致 其荧光淬灭的现象， 建立了测定 Cd2 的比率荧光新 方法， 检测限为 32． 5nmol/L。 3发展问题与展望 全球经济和工业化的快速发展加剧了重金属污 染物向自然环境中的排放， 对人类和生态系统构成 了严重威胁， 高毒性且易在生态系统中富集的难降解 金属污染物对自然环境和人体健康造成的影响更为 严重。为了改善人类的生存质量， 急需发展高灵敏 度、 高选择性、 环境友好的测定方法。由于 CD 具有 荧光稳定性高、 表面易功能化、 毒性低等优点， 已成为 发展高灵敏度、 高选择性的测定微量金属离子的一种 优异的新型荧光探针并得到了较为广泛的应用。 本文认为， 为了使 CD 荧光探针能更好地满足 检测微量金属离子的要求， 今后应重点围绕以下四 个方面开展研究工作 ①深入研究相应的检测机理， 为新型荧光探针的设计构建提供坚实的理论指导; ②发展新的检测模式以拓宽 CD 荧光探针的应用范 围; ③针对待测的微量金属离子的性质和样品基质， 设计合成新型 CD 荧光探针; ④建立可用于复杂基 质样品的荧光新方法， 为复杂样品特别是生物样品 中微量金属离子的测定提供强有力的技术支持。 4参考文献 ［ 1］Xu X， He L， Long Y W， et al． S － doped carbon dots cappedZnCdTequantumdotsforratiometric fluorescence sensingofguanine ［J］ ． Sensorsand Actuators B Chemical， 2019， 279 44 －52． ［ 2］李庆霞， 刘亚轩， 陈卫明， 等． 荧光光谱法分析油气化 探样 品 中 的 芳 烃［J］ ． 岩 矿 测 试， 2014， 33 4 561 －569． Li Q X， Liu Y X， Chen W M， et al． Analysis of aromatic hydrocarbons in oil and gas geochemical exploration samples by fluorescence spectrometry［J］ ． Rock and Mineral Analysis， 2014， 33 4 561 －569． ［ 3］Sun X C， Lei Y． Fluorescent carbon dots and their sensing applications［J］ ． TrAC Trends in An