环境监测中荧光碳点应用分析

环境监测中荧光碳点应用分析

叶毓婧

深圳市环境监测中心站

摘要：荧光碳点经钝化修饰后具有反应活性及靶向选择性，有效克服了传统有机荧光染料合成过程复杂、生物相容性差、在水溶液中容易自聚、荧光发射不稳定、易闪烁、荧光寿命短、难以进行多色同时标记等缺点。本文主要对环境监测中荧光碳点进行分析。

关键词：环境监测；荧光碳点；环境污染

前言

荧光碳点其钝化修饰的表面含有电子，在传递过程中可产生化学发光（简称CL）。虽然也有一些具有较高化学荧光强度的试剂如发光胺、光泽精、过氧草酸盐、高锰酸钾应用到化学荧光分析法，但这些试剂大多具有毒性较高，价格较贵，选择性差及线性范围窄的缺陷，很大程度上限制了化学荧光分析法的应用。而碳点优良的电子传递性能及光学性质无疑将成为化学荧光分析法中重要的新材料。以柠檬酸为原料，用PEG1500N钝化剂制备得到荧光碳点。该碳点可与H２O２和ＮaHSO3溶液共同组成CL系统，在该碳点的作用下H２O２-的化学荧光强度增大了60倍。研究表明碳点与H２O２及发生反应后生成的CD··－和CD·＋发生电子转移湮没，转变成激发态的CD，并由激发态的CD释放出来强烈荧光。H２O２--CDｓ系统为检测环境中的H２O２提供了新的方法。该系统制备简单、毒性低，有望取代传统的化学荧光系统。

一、在环境监测中的荧光碳点应用

（一）金属离子的检测

重金属在环境中的行为特性及归宿，是环境化学研究的前沿领域。重金属进入环境对生物个体、种群产生影响，进而对生态系统产生不良的生态效应。而大多经钝化修饰的碳点表面富含含氧基团，具有化学和生物多样性。大量的羰基、酚羟基等基团使荧光碳点可以通过螯合、离子交换和吸附作用结合生态环境中主要的金属离子生成各种形式的配合物。不同表面修饰的碳点对金属离子具有特异性选择。生成配合物的同时会引起碳点表面结构的变化而影响其荧光性能的强弱，达到检测金属离子的目的。近年来，越来越多的研究者将碳点用于Hg2+、Cr（VI）、Cu2+、Mn（Ⅱ）、Fe3+等金属离子的定性定量检测，较传统的检测方法具有更高的特异性和灵敏度。

以柠檬酸钠为原料制得Ｃ-Dots对Hg2+具有很好的选择性和敏感度，在其他金属离子的干扰下对Hg2+仍然表现出较好的选择性，Hg2+与碳点表面的羧基和羟基相互作用，使粒子间距离减小，粒子间通过有效的电子转移使光子通过非辐射的形式释放，降低了荧光的发射强度。研究表明：当Hg2+浓度在0～5μg/Ｌ时，荧光淬灭度与Hg2+浓度具有很高的线性关系（R２＝0.996），随着Hg2+浓度的增加碳纳米粒子的荧光强度逐渐减弱。与之前报道的使用荧光纳米金及荧光染料检测Hg2+的方法相比，该法更加简单、廉价和环保。

将制得的荧光碳点用二亚乙基三胺对其表面进行修饰。该碳点在358nm激发光下的发射波长为456nm，而Cr（VI）在这两个波段均有很好的吸收，即Cr（VI）不仅可以阻断激发光对碳点的激发，还能将碳点释放出来的荧光吸收掉。通过利用这种荧光内滤效应影响碳点荧光强度，可用来检测土壤及水体中的Cr（VI）。该法具有较高的特异性和灵敏度，荧光强度的变化与Cr（VI）浓度具有良好的线性关系；简单、方便、快捷，对环境中Cr（VI）的检测具有极大的应用价值。

（二）无机阴性离子污染物检测

无机阴离子在生化反应中扮演着关键角色，也对环境产生着巨大影响。荧光碳点不但可以用来检测环境中的重金属离子，还可利用其优良的理化性质检测无机阴离子污染物。

无机氟化物的气体或粉尘均属于高毒类污染物，是一种原浆毒物，神经细胞对它特别敏感，可经呼吸道、消化道及皮肤浸入人体，产生脑软化，胶质细胞增生，血管周围淋巴细胞浸润，心肌浊肿，间质水肿及出血等中枢神经系统及心肌毒性。用Zr（H２O）2EDTA与碳点表面的羧基相结合，当溶液中存在比羧基结合力更强的F-时，Zr（H２O）2EDTA将从碳点表面脱落与F-结合，碳点荧光强度也随之改变。有监测工作者发现碳点荧光强度的变化与F-浓度存在良好的线性关系，并用该法成功完成了对牙膏和水体中F-的定量检测，用该探针检测F-不但简单快捷，还具有较高的灵敏度和特异性，说明经过适当修饰的碳点，在环境监测上具有广泛的应用范围。

随着含磷洗洁剂的大量使用，磷酸盐（Pi）对水环境造成了严重危害，水体中磷酸盐含量已成为水体污染的重要指标。亚硝酸盐是一种在工业、建筑业和肉类食品液中都被广泛应用的无机化合物。由于亚硝酸盐易溶于水，中毒潜伏期短，一旦摄入超过一定剂量，对人体毒害巨大。因此，对环境中亚硝酸盐的监控十分必要。利用过氧亚硝酸在溶液中能诱导碳点产生化学荧光的性质，用荧光碳点来检测溶液中的亚硝酸盐。将亚硝酸盐与过氧化氢溶液混合后生成过氧亚硝酸盐，通过荧光光度分析方法检测C-Dots相对荧光强度，对溶液中亚硝酸盐的量进行定量检测。该法对亚硝酸盐的检测限可达5.8×10-8mol／L，并利用该法成功检测出池水、河水和纯牛奶中亚硝酸盐的量。

（三）有机污染物的检测

有机污染物作为一种典型的环境污染物，具有高毒性（可致畸、致癌、致突变）、长期残留性、半挥发性和高脂溶性的特征，易于在食物链中富集传递，并且能够通过多种传输途径在全球迁移分配，对人体健康和生态环境产生严重的危害，因此对环境中有机污染物的监测意义重大。常用的检测方法存在着成本高、操作复杂、检测时间长、不方便现场检测等缺点，而荧光碳点以其独特的光学性质和多样的反应活性，能对多种有机污染物实现快速、实时、准确的测定，对保护环境具有非常重要的意义。

碳点可通过疏水作用、配位交换和氢键作用吸附多环芳烃、多氯联苯、农药等有机污染物，导致碳点发生聚集而使原有荧光强度减弱。利用荧光强度的变化，可对有机污染物进行定量分析。碳点多样化的表面修饰，可对不同有机污染物进行选择性结合，达到检测不同污染物的目的。将制得的碳点分别用于检测DNP（2，4-二硝基苯酚）和4，8-DiMeIQｘ。质子化的DNP能与表面富含羟基的碳点通过氢键相互作用，引起碳点的荧光淬灭。在PH3.5的缓冲溶液中，DNP的最低检测浓度可达0.4mg／L，并具有良好的抗干扰性。检测液加入高浓度的对氯苯酚，也不会影响碳点与DNP作用时的荧光淬灭，而该碳点在PH7.0的缓冲溶液中，对检测4，8-DiMeIQｘ具有较强特异性，能很好的抗其他含氨基化合物（如组胺、苯丙氨酸、色氨酸、乙胺、三甲胺）的干扰。对4，8-DiMeIQｘ的检测限可达1.28mg／L，故该碳点可制成环境敏感性纳米传感器，用于废水中有机污染物的快速检测。

（四）对微生物的标记检测

微生物作为分解者在地球生态系统物质循环过程中起着“天然环境卫士”的作用。在污染物的转化降解、资源的再生利用、无公害产品的生产开发及生态保护等方面微生物都能发挥重要作用，微生物也是环境检测中很重要的指标。现常运用核酸探针、聚合酶链式反应技术（PCR技术）、生物传感器等生物技术进行环境中微生物的检测，核酸探针和PCR技术虽然灵敏度高、特异性强，但是需要借助较昂贵的检测仪器，不方便进行现场检测；生物传感器虽然能适应宽范围的pH和温度，利于在线应急监测，但也存在选择性差的缺点。而利用荧光碳点检测微生物可弥补上述两种方法的不足，受到越来越多研究者的关注。

以柠檬酸胺和甘露糖为原料制备得到对大肠杆菌具有选择性吸附的荧光碳点，该碳点能与大肠杆菌菌毛上的黏附蛋白FimH特异性结合，吸附碳点的大肠杆菌在激发光照射下发射出明亮荧光，可运用该原理对大肠杆菌进行定性定量检测。该法对大肠杆菌的检测限达450CFU/mL，且浓度在1.0×102～1.0×108CFU/mL时，吸附碳点荧光强度与浓度具有较好的线性关系，可对大肠杆菌进行定量检测。另外还有监测者利用该法成功对自来水、果酱及人尿液中大肠杆菌进行实时检测，该法具有成本低、操作简单快捷的优势，在快速筛选大肠杆菌上具有很高的潜在应用价值。由于碳点修饰的多样性，这也为针对不同菌种开发出特异的荧光碳点探针进行定性定量检测提供了可能。

二、结束语

环境监测在应用碳点还在起步阶段，虽然其优良的光学性质、低毒性及良好的生物相容性对其研究环境中污染物的迁移和相互作用，能有效运用于重金属、无机阴离子及有机污染物的检测中。随着人们对具有特殊性质荧光基团需求的增加，碳点的合成方法及其功能相关性质的研究也在不断增加，荧光碳点将会在环境保护领域上发挥更大的作用。