基于锰、氯、氮共掺杂碳点的光学双模和智能手机成像检测Cr（Ⅵ）

梁美琪，王子涵，刘 洋，董 川，弓晓娟

（山西大学 环境科学研究所，山西 太原 030006）

铬（Cr）是一种存在于岩石、土壤和火山灰中的重金属元素［1］，具有多种氧化态，其中最稳定的是六价铬［Cr（Ⅵ）］和三价铬［Cr（Ⅲ）］。Cr（Ⅲ）是维持人类和动物健康必需的微量元素之一［2］，而Cr（Ⅵ）具有急性毒性、致突变性和致癌性。Cr（Ⅵ）进入人体后，可能被还原为Cr（V）、Cr（Ⅳ）或Cr（Ⅲ），并产生对人体有害的巯基、羟基自由基等，这些物质会攻击体内的蛋白质、DNA 和细胞膜，进而破坏细胞的完整性［3］。Cr（Ⅵ）已被国际癌症研究机构（IARC）列为Ⅰ类致癌物［4］。因此，准确测量水体和细胞中的Cr（Ⅵ）含量对人类健康具有重要意义。

已报道的Cr（Ⅵ）检测方法包括紫外-可见分光光度法（UV）［5］、离子色谱法（IC）［6］、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）［7］、原子吸收光谱法［8］、荧光法［9］等。但这些检测方法或成本昂贵、或测试过程繁琐，虽然光学检测能克服这些缺陷，但它们多数为单模检测，易受外部因素干扰，检测结果的准确度较差。荧光、比色及智能手机成像三位一体的检测方法，可使分析检测更加高效便捷。因此，开发一种光学双模和智能手机成像共同检测Cr（Ⅵ）的传感器具有广阔的应用前景。

碳点（CDs）是一种新型的零维荧光纳米材料，具有水溶性好、毒性低、量子产率高等优异性能，被广泛应用于传感、生物成像和催化等领域。杂原子掺杂是增强碳点理化性能的有效途径，而金属元素掺杂碳点具有更优异的性能，在环境和生物学等领域具有广阔的应用前景［10］。Zhang 等［11］将具有橙色荧光的钴掺杂碳点（Co-CDs）用于Cr（Ⅵ）检测，但由于荧光单模检测Cr（Ⅵ）易受外部环境干扰，导致其检测结果不准确。因此，亟需开发一种快速、灵敏、精准的荧光、比色和智能手机联合检测Cr（Ⅵ）的传感器。

本文以邻苯二胺、对氨基苯甲酸和氯化锰为反应前体，以浓盐酸为pH调节剂，通过一步水热法合成锰、氯、氮共掺杂碳点（Mn，Cl，N-CDs）。Mn，Cl，N-CDs 具有优异的水溶性和良好的荧光稳定性，基于其建立的荧光和比色光学双模传感器可实现Cr（Ⅵ）的精准检测。基于此提出了智能手机成像定量检测Cr（Ⅵ）的新方法，并获得了更灵敏、更便携的检测方法。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

JEM-1011 透射电子显微镜（日本JEOL）、AXIS ULTRA DLD X 射线光电子能谱仪（英国Kratos）、Paragon 1000 傅里叶变换红外光谱仪（美国Perkin Elmer）、Cary 300 紫外-可见分光光度计（美国Varian）和FLS920荧光光谱仪（英国Edinburgh）。

邻苯二胺、对氨基苯甲酸、氯化锰（MnCl2）、浓盐酸、重铬酸钾、H2O2、氯化钾等化学试剂均购自中国上海阿拉丁试剂公司，乙醇等有机溶剂购自中国成都科隆化学试剂厂。所有化学试剂均为分析纯，实验用水为超纯水（18.25 MΩ·cm）。

1.2 Mn，Cl，N-CDs制备

准确称量0.054 0 g 邻苯二胺、0.068 5 g 对氨基苯甲酸和0.062 9 g MnCl2，与10 mL 超纯水和150µL浓HCl混合，超声分散均匀后，在聚四氟乙烯反应釜中于200 ℃加热8 h。待其冷却至室温后，将所得溶液于10 000 r/min 离心20 min，上清液经100 Da 透析袋处理2 h，得到Mn，Cl，N-CDs 溶液，冷冻干燥即获得Mn，Cl，N-CDs固体粉末。

1.3 Mn，Cl，N-CDs表征

通过表征分别获得Mn，Cl，N-CDs 的透射电子显微镜（TEM）图像、X 射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），并通过测量获得Mn，Cl，N-CDs的紫外光谱和荧光光谱。

1.4 Mn，Cl，N-CDs荧光量子产率测定

以溶于乙醇的甲酚紫（ΦST= 0.51）为参比，Mn，Cl，N-CDs的荧光量子产率采用下式计算：

式中：Φ为量子产率，K为荧光面积与吸光度线性图的斜率，η为溶剂的折射率，“ST”和“X”分别为甲酚紫和Mn，Cl，N-CDs。甲酚紫和Mn，Cl，N-CDs均溶解在乙醇中，故η2X/η2ST= 1。

1.5 荧光与比色双模式检测Cr（Ⅵ）

将50 mg Mn，Cl，N-CDs 固体粉末溶解于10 mL 超纯水中，配制成5.0 mg/mL 的Mn，Cl，N-CDs母液。将200 µL Mn，Cl，N-CDs 母液加入1.0 mL 超纯水与1.0 mL 无水乙醇的混合溶液中，混合均匀后加入不同浓度的Cr（Ⅵ），测定并记录混合溶液在649 nm处的荧光强度及360 nm处的吸光度，并计算各自的线性范围与检出限。

1.6 智能手机成像检测Cr（Ⅵ）

为保证拍摄图像时光源的稳定性，在暗室中分别固定白色LED 灯和365 nm紫外灯以模拟可见光和紫外光。在预设光源辐照下，选择固定的角度和位置，用智能手机相机记录反应溶液的颜色和图像后，基于安装在智能手机上的取色器软件读取R、G、B值并进行图像处理。

1.7 选择性及抗干扰实验

为了评估Mn，Cl，N-CDs 的选择性，将15 种浓度为0.1 mol/L 的金属离子（Li+、K+、Ag+、Na+、Zn2+、Cu2+、Sn2+、Ba2+、Mg2+、Mn2+、Cd2+、Co2+、Al3+、In3+、Fe3+）和17种浓度为0.1 mol/L的阴离子（F-、）分别加入到由1.0 mL 超纯水、1.0 mL 无水乙醇和200 µL Mn，Cl，N-CDs 母液配制的混合溶液中，充分反应后记录混合溶液的荧光强度。

为了评估Mn，Cl，N-CDs 的抗干扰性能，将上述金属离子、阴离子分别加入到由1.0 mL 超纯水、1.0 mL 无水乙醇和200 µL Mn，Cl，N-CDs 母液配制的混合溶液中，记录混合溶液的荧光强度与吸光度。再将Cr（Ⅵ）加入到上述混合溶液中，充分反应后记录荧光强度与吸光度。

1.8 实际样品检测

选择自来水、汾河水以及人正常肝细胞裂解液（LO2）为实际样品，验证所构筑传感器在实际样品检测中的可行性。将自来水和汾河水用0.45 µm 滤膜过滤后直接使用；LO2 细胞经破碎处理后，离心取上清液，并稀释15倍后使用。通过荧光法、比色法和智能手机成像法分别测试实际样品的Cr（Ⅵ）含量和加标回收率。

2 结果与讨论

2.1 Mn，Cl，N-CDs结构表征

由透射电镜图（图1A）可知：Mn，Cl，N-CDs 呈球形，粒径范围为1.0~4.0 nm，平均粒径为2.75 nm，晶格间距为0.18 nm。XPS总谱图（图1B）显示Mn，Cl，N-CDs在639.0、529.0、397.0、282.0和196.0 eV 处有5个特征峰，分别对应Mn 2p、O 1s、N 1s、C 1s和Cl 2p。通过分析XPS 特征谱的峰面积和原子灵敏度因子（RSF），得到Mn，Cl，N-CDs 中C、N、O、Cl 和Mn 的含量分别为53.57%、11.30%、17.55%、6.37%和11.21%。高分辨C 1s 谱（图1C）被分裂为3 个峰，分别对应284.3 eV（C—Mn）、284.9 eV（C—C）和285.7 eV（C—N）［12］。N 1s 谱（图1D）中含有3 个含氮官能团，即吡啶N（399.4 eV）、吡咯N（400.3 eV）和N—H（401.9 eV）［13-14］。高分辨O 1s谱（图1E）呈现出3个特征峰，表明氧元素主要以O—C（531.5 eV）、O=C（532.2 eV）和O—Cl（533.0 eV）［12-13］3种形式存在。Cl 2p谱（图1F）可分解为3个峰，分别为198.2 eV（Cl—N）、198.9 eV（Cl—O）和200.2 eV（Cl—C）［12-13］。高分辨Mn 2p谱（图1G）中的3 个峰分别对应641.4 eV（Mn—OH）、642.8 eV（Mn—Cl）和646.9 eV（Mn—C）［12］。红外光谱图（图1H）显示Mn，Cl，N-CDs 在3 432、3 011、1 606、1 481、1 411、1 094、748、532 cm-1处的峰分别对应O—H 伸缩振动［12］、饱和C—H 伸缩振动［15］、C=O 伸缩振动［15］、N—H 变形振动［16］、C—N 伸缩振动［12］、C—O伸缩振动［16］、C—Cl伸缩振动［13］和Mn—O伸缩振动［12］。上述结果充分证明Mn、Cl、N已经成功掺杂到Mn，Cl，N-CDs 中，且Mn，Cl，N-CDs 含有丰富的C—C、C—N、C—O、C—Cl、C—Mn、Cl—N、Mn—Cl等官能团，为Mn，Cl，N-CDs传感器的构筑奠定了基础。

图1 Mn，Cl，N-CDs的TEM图（A）（插图为粒径分布图和晶格图）、XPS总谱图（B）、C 1s分谱图（C）、N 1s分谱图（D）、O 1s分谱图（E）、Cl 2p分谱图（F）、Mn 2p分谱图（G）及FTIR图（H）Fig. 1 TEM image（A）（inset：particle size distribution and lattice fringe image），XPS survey scan（B），C 1s XPS（C），N 1s XPS（D），O 1s XPS（E），Cl 2p XPS（F），Mn 2p XPS（G） and FTIR spectrum（H） of Mn，Cl，N-CDs

2.2 Mn，Cl，N-CDs光学特性

为了探究Mn，Cl，N-CDs的光学性能，测试了其紫外-可见吸收光谱和荧光光谱（图2A）。Mn，Cl，N-CDs在230 nm 和284 nm 处有两个特征吸收峰，分别对应芳香族苯环sp2杂化的π→π*跃迁和C=O的n→π*跃迁［13，17］。Mn，Cl，N-CDs的最佳激发和发射波长分别为581 nm 和649 nm，斯托克斯位移为68 nm。Mn，Cl，N-CDs 溶液在可见光下呈黄棕色，在365 nm 紫外光辐照下发红色荧光（图2A 插图）。当激发波长由530 nm 移动到610 nm 时，Mn，Cl，N-CDs 的发射波长基本保持在649 nm 附近（图2B），表明Mn，Cl，N-CDs 具有非激发波长依赖性。以甲酚紫为参比，按“1.4”公式计算得到Mn，Cl，NCDs在乙醇中的相对荧光量子产率为5.3%。

图2 Mn，Cl，N-CDs的紫外-可见吸收光谱（粉色线）和荧光激发发射光谱（紫色线）（A）（插图为0.5 mg/mL Mn，Cl，NCDs在可见光（左）和紫外光（右）辐照下的摄像图），Mn，Cl，N-CDs在不同激发波长下的三维荧光发射光谱图（B）Fig.2 UV-Vis absorption（pink line），fluorescence excitation（purple line） and emission（purple line） spectra of Mn，Cl，NCDs（A）（inset：photographs of 0.5 mg/mL Mn，Cl，N-CDs under the irradiation of visible light（left） and ultraviolet light（right）），three-dimensional fluorescence emission spectra of Mn，Cl，N-CDs at different excitation wavelengths（B）

为了拓宽Mn，Cl，N-CDs的应用范围，详细研究了其在盐溶液、过氧化氢（H2O2）、紫外光辐照和不同pH 值中的荧光稳定性。结果显示，在1.0 mol/L 的KCl 溶液、2.0 mol/L 的H2O2溶液、紫外光辐照180 min和较宽pH（3.0~9.0）范围内，Mn，Cl，N-CDs的荧光强度未发生明显变化，说明该共掺杂碳点具有良好的耐盐性、抗氧化性能、抗光漂白能力和pH 稳定性。Mn，Cl，N-CDs 优异的荧光稳定性为其进一步应用奠定了良好的基础。

2.3 荧光法与比色法检测Cr（Ⅵ）

选择“1.7”所述的15种金属离子和17种阴离子评估Mn，Cl，N-CDs对Cr（Ⅵ）的选择性和抗干扰性。结果表明：只有Cr（Ⅵ）能猝灭Mn，Cl，N-CDs 的荧光，且在其他金属离子或阴离子存在时，Cr（Ⅵ）仍能猝灭Mn，Cl，N-CDs的荧光，不会受到任何干扰。

如图3A 所示，随着Cr（Ⅵ）的加入，Mn，Cl，N-CDs 在649 nm 处的荧光强度逐渐降低。其荧光强度变化值（IF0-IF）/IF0与Cr（Ⅵ）浓度（c，µmol/L）呈现良好的线性关系，线性方程、线性范围和检出限（由3σ/S计算，σ表示10 个空白测量值的标准偏差，S为校准图的斜率）分别为（IF0-IF）/IF0= 0.001 6c+0.101 5（r2=0.995 7）、33.8~469.5 µmol/L 和28 nmol/L（图3B），其中IF0和IF分别为未加入和加入Cr（Ⅵ）后Mn，Cl，N-CDs 的荧光强度。同样地，随着Cr（Ⅵ）的加入，Mn，Cl，N-CDs 在360 nm 处的吸光度逐渐增大（图3C）。A/A0与Cr（Ⅵ）浓度（c，µmol/L）呈线性关系，线性方程、线性范围和检出限（LOD）分别为A/A0= 0.255 4c+ 0.603 4（r2= 0.994 5）、2.4~80.7 µmol/L 和34 nmol/L（图3D），其中A0和A分别为未加入和加入Cr（Ⅵ）后Mn，Cl，N-CDs在360 nm处的吸光度。与已报道的Cr（Ⅵ）检测方法相比（表1），本文所构筑的检测方法具有较低的检出限和较宽的线性范围，且检出限远低于世界卫生组织规定的饮用水中Cr（Ⅵ）的安全限度（960 nmol/L）。

表1 已报道方法与本文所构筑方法检测Cr（Ⅵ）的性能比较Table 1 Comparison of Cr（Ⅵ） detection performance between the reported methods and the as-constructed method

图3 Mn，Cl，N-CDs中加入不同浓度Cr（Ⅵ）后的荧光光谱图（A），Cr（Ⅵ）浓度与（IF0-IF）/IF0之间的线性关系图（B），Mn，Cl，N-CDs中加入不同浓度Cr（Ⅵ）后的紫外-可见吸收光谱图（C），Cr（Ⅵ）浓度与A/A0之间的线性关系图（D）Fig.3 Fluorescence spectra of Mn，Cl，N-CDs with different concentrations of Cr（Ⅵ）（A），the linear relationship between Cr（Ⅵ） concentration and（IF0-IF）/IF0（B），UV-Vis absorption spectra of Mn，Cl，N-CDs with different concentrations of Cr（Ⅵ）（C），the linear relationship between Cr（Ⅵ） concentration and A/A0（D）

2.4 智能手机成像检测Cr（Ⅵ）

随着Cr（Ⅵ）的加入，在可见光和紫外光辐照下，Mn，Cl，N-CDs溶液颜色发生明显变化，可基于此利用智能手机成像法检测Cr（Ⅵ）。采用智能手机摄像头捕捉一系列可见光和紫外光辐照下Mn，Cl，N-CDs 溶液的图像，再通过智能手机安装的取色器软件识别所拍摄图像的数据信息，并将其转换为对应的R、G、B数值；最后，利用智能手机软件（WPS Office）获得R、G、B值与Cr（Ⅵ）浓度之间的线性关系。随着Cr（Ⅵ）浓度增加，Mn，Cl，N-CDs 在可见光下的颜色由淡黄色变为深黄色（图4A），且在20.0~160.0 µmol/L 范围内，R/R0与Cr（Ⅵ）浓度（c，µmol/L）之间存在良好的线性关系（图4B），线性方程为R/R0=-0.000 58c+1.108 3（r2=0.995 6），LOD 为493 nmol/L，其中R0和R分别为Mn，Cl，N-CDs中未加入和加入Cr（Ⅵ）所采集图像的R值。随着Cr（Ⅵ）浓度增加，Mn，Cl，N-CDs在365 nm紫外灯下的颜色由明亮的浅黄色变为暗沉的深黄色（图4C）。在80.0~170.0 µmol/L 范围内，G/G0与Cr（Ⅵ）浓度之间的线性方程为G/G0=-0.005c+1.347 9（r2=0.990 5），LOD 为470 nmol/L（图4D），其中G0和G分别为Mn，Cl，N-CDs中未加入和加入Cr（Ⅵ）所采集图像的G值。基于Mn，Cl，N-CDs构筑的智能手机成像法检测Cr（Ⅵ）能抵抗其他离子的干扰，在实际样品检测中具有可行性，是一种检测Cr（Ⅵ）的新方法。

图4 Mn，Cl，N-CDs与不同浓度Cr（Ⅵ）混合后在可见光下的摄像图和颜色信息（从左至右依次为R、G、B数值）（A），R/R0与Cr（Ⅵ）浓度之间的线性关系图（B），Mn，Cl，N-CDs与不同浓度Cr（Ⅵ）混合后在紫外光辐照下的摄像图和颜色信息（从左至右依次为R、G、B数值）（C），G/G0与Cr（Ⅵ）浓度之间的线性关系图（D）Fig.4 The images and color information（the R，G and B values from left to right） under visible light after Mn，Cl，N-CDs mixed with different concentrations of Cr（Ⅵ）（A），the linear relationship between R/R0 and Cr（Ⅵ） concentration（B），the images and color information（the R，G and B values from left to right） under UV irradiation after Mn，Cl，N-CDs mixed with different concentrations of Cr（Ⅵ）（C），the linear relationship between G/G0 and Cr（Ⅵ） concentration（D）

2.5 Mn，Cl，N-CDs检测Cr（Ⅵ）机理研究

为了确定Mn，Cl，N-CDs 检测Cr（Ⅵ）的机理，详细研究了Mn，Cl，N-CDs 的紫外-可见吸收光谱、动态光散射图（DLS）、透射电镜图和荧光寿命。Cr（Ⅵ）的吸收光谱与Mn，Cl，N-CDs 的激发和发射光谱没有重叠（图5A），说明Mn，Cl，N-CDs 与Cr（Ⅵ）之间不存在荧光共振能量转移和内滤效应。如图5B 所示，Cr（Ⅵ）加入到Mn，Cl，N-CDs 中后，360 nm 处出现了新的吸收峰，与Cr（Ⅵ）的吸收峰（350 nm）相比发生了明显的红移，表明Mn，Cl，N-CDs与Cr（Ⅵ）结合后，可能产生聚集体，且其表面结构发生了显著变化。随着Cr（Ⅵ）的加入，Mn，Cl，N-CDs的流体动力学粒径逐渐增加（图5C），推断Cr（Ⅵ）使Mn，Cl，N-CDs 发生了聚集。进一步利用透射电镜研究了加入Cr（Ⅵ）后Mn，Cl，N-CDs 的状态，如图5D 所示，Cr（Ⅵ）的加入使Mn，Cl，N-CDs 形成更大的聚集体，完全不同于单分散状态下的Mn，Cl，N-CDs（图1A），充分证明Cr（Ⅵ）能诱导Mn，Cl，N-CDs 发生聚集，从而导致荧光猝灭。详细比较了Mn，Cl，N-CDs 中未加入和加入Cr（Ⅵ）后的荧光寿命衰减曲线（图5E）和平均寿命（表2），结果表明：Mn，Cl，N-CDs的平均寿命为5.03 ns，而加入不同浓度Cr（Ⅵ）后，其平均寿命介于3.26~2.85 ns 之间，衰减率为35.19%~43.40%，表明Cr（Ⅵ）能动态猝灭Mn，Cl，N-CDs 的荧光。综上，推断Cr（Ⅵ）能诱导Mn，Cl，N-CDs发生聚集，使Mn，Cl，N-CDs的荧光猝灭，且猝灭过程是动态的。

表2 Mn，Cl，N-CDs中加入不同浓度Cr（Ⅵ）后衰减曲线的双指数拟合结果Table 2 Bi-exponential fitting results of attenuation curves of Mn，Cl，N-CDs with different concentrations of Cr（Ⅵ）

图5 Cr（Ⅵ）的紫外-可见吸收光谱及Mn，Cl，N-CDs的激发和发射光谱（A），Mn，Cl，N-CDs、Cr（Ⅵ）和Mn，Cl，NCDs+Cr（Ⅵ）的紫外-可见吸收光谱（B），Mn，Cl，N-CDs与不同浓度Cr（Ⅵ）混合后的DLS图（C），Mn，Cl，N-CDs与Cr（Ⅵ）混合后的TEM图（D），Mn，Cl，N-CDs与不同浓度Cr（Ⅵ）混合后的荧光寿命衰减曲线图（E）Fig.5 UV-Vis absorption spectrum of Cr（Ⅵ） and excitation and emission spectra of Mn，Cl，N-CDs（A），UV-Vis absorption spectra of Mn，Cl，N-CDs，Cr（Ⅵ） and Mn，Cl，N-CDs+Cr（Ⅵ）（B），DLS results of Mn，Cl，N-CDs mixed with different concentrations of Cr（Ⅵ）（C），TEM image of Mn，Cl，N-CDs mixed with Cr（Ⅵ）（D），fluorescence lifetime decay curves of Mn，Cl，N-CDs mixed with different concentrations of Cr（Ⅵ）（E）

2.6 实际样品中Cr（Ⅵ）检测

以自来水、汾河水以及人正常肝细胞（LO2）裂解液为研究对象，考察了所构筑传感器在实际应用中的可行性（表3、表4）。荧光法、比色法和智能手机成像法检测Cr（Ⅵ）的加标回收率介于94.9%~106%之间，相对标准偏差（RSD）均小于5.0%，表明所构筑的传感器具有良好的选择性、稳定性和抗干扰性，可用于实际样品检测，是极具应用前景的Cr（Ⅵ）传感器。

表3 基于Mn，Cl，N-CDs的荧光法和比色法检测实际样品中的Cr（Ⅵ）Table 3 Determination of Cr（Ⅵ） in real samples by fluorimetry and colorimetry based on Mn，Cl，N-CDs

表4 基于Mn，Cl，N-CDs的智能手机成像法检测实际样品中的Cr（Ⅵ）Table 4 Determination of Cr（Ⅵ） in real samples by smartphone imaging method based on Mn，Cl，N-CDs

3 结 论

本文以邻苯二胺、对氨基苯甲酸、氯化锰和浓盐酸为反应前体，通过一步水热法快速制备了具有红色荧光及优异性能的Mn，Cl，N-CDs。基于聚集诱导和动态猝灭效应，Cr（Ⅵ）能高效猝灭Mn，Cl，N-CDs的荧光，基于此，构建了荧光、比色和智能手机成像三位一体的Cr（Ⅵ） 灵敏检测方法。该传感系统具有高选择性、宽线性范围和低检出限的优点，已被成功应用于实际样品中Cr（Ⅵ）的检测。本文提供了一种低成本、多模式、便携的Cr（Ⅵ）检测方法，为基于碳点设计新型传感器提供了新思路。