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user: 3. 结果与讨论 3.1. CDs的表征 图1(a)是CDs的TEM图，从图上可知CDs都具有典型的球形结构，平均粒径为2.25 nm。利用FT-IR光谱确认了CDs表面的官能团，如图1(b)所示，在769.49 cm −1 处有一个吸收峰，它是C=C的拉伸振动峰，在1384.64 cm −1 、1766.48 cm −1 处的吸收峰分别归因于C-N，C=O的弯曲振动引起的，3016.49 cm −1 和3431.83 cm −1 处的双宽峰与N-H和O-H伸缩振动有关，以上结果表明已经成功合成CDs。 图1(c)显示了在不同激发波长(300~450 nm)条件下CDs的荧光发射光谱。可以看出CDs的发射光谱表现出明显的激发波长依赖性，在激发波长300~450 nm的范围内，荧光发射波长，随着激发波长的增加而红移。荧光发射强度(Ex 300~390 nm)也随着激发光增加而增加，在390 nm处达到最大发射强度，之后随激发波长进一步增加而减弱。CDs的荧光光谱显示，最佳激发波长为390 nm，最大发射峰位于470 nm。 图1(d)所示，研究了pH对CDs荧光强度的影响。CDs的荧光强度在酸性介质中，具有较强荧光，且随pH增大荧光强度变化不大；CDs的荧光强度在碱性介质中，明显降低，在强碱性条件(pH > 11)下，CDs荧光强度继续极大的降低。 图1. (a) CDs的TEM图像，(b) FT-IR光谱，(c) CDs在不同激发波长(300~450 nm)条件下的发射光谱图，(d) 在不同pH条件下CDs的荧光强度 3.2. p-NP的荧光传感分析 3.2.1. CDs对p-NP的传感分析性能 由于p-NP在碱性条件下，在400 nm处有明显的吸收峰，与CDs的激发光谱有较大重叠。实验发现，在pH10条件下，p-NP对CDs荧光具有猝灭作用。 如图2所示，在不同浓度的p-NP条件下，CDs的荧光强度被不同程度的猝灭。随着p-NP浓度的增加，CDs的荧光强度逐渐降低。p-NP浓度(0.5 μM~80 μM)与lg(I 0 /I)之间呈良好的线性关系，线性方程是lg(I 0 /I) = 0.0106C + 0.0082，相关系数R 2 为0.9994，相对标准偏差(RSD)为4.09% (c = 10 μM)，根据IUPAC的定义(3σ)，该方法的检出限为0.13 μM。表1列出了文献报道的不同荧光探针检测p-NP的分析性能，可以看出本方法具有与其他分析方法相当的线性范围和检出限；不过，与其他文献报道的荧光探针复杂、繁琐、耗时的制备过程相比，本方法所用CDs制备方法简单、快速，制备与分离纯化仅需要40 min。 3.2.2. p-NP传感分析的选择性 为了评估CDs对p-NP的选择性，研究了硝基芳香族化合物、有机化合物和金属离子对CDs荧光强度的影响。如图3(a)和图3(b)所示，浓度为10 μM的硝基芳香族化合物(NB，DCP，p-NT，p-CP，DNP)，浓度为100 μM的有机物(Lac，Glu，Met，His，D-Man)，及浓度为100 μM的金属离子对存在或不存在p-NP (10 μM)的CDs的荧光几乎没有影响(Hg 2+ ，Cu 2+ ，Fe 2+ 浓度为10 μM时则对其荧光几乎没有影响)。结果表明CDs对p-NP的选择性较高，为检测水样中p-NP提供了实验依据。 图2. p-NP (0.5~80 μM)对CDs的荧光内滤作用(IFE) Table 1 Comparative data from some studies on fluorescent probes for p-N 纳米荧光探针 检测机理 线性范围(µM) 检出限(µM) 参考文献 Polymer carbon dots IFE 0.5~60 0.26 [ 14 ] N-doped carbon dots Static quenching 0.1~39 0.05 [ 15 ] N-doped carbon dots Dynamic quenching 0.72~79 0.16 [ 16 ] Dual-emissive GNCs IFE 0.05~5 0.0138 [ 17 ] Carbon dot grafted YVO 4 :Eu 3+ ET 0~12 0.15 [ 26 ] ZnO quantum dots ET 1~40 0.34 [ 18 ] MIP-capped CdTeQDs ET 1~30 0.04 [ 19 ] CdTeQDs Dynamic quenching 20~100 0.05 [ 20 ] CDs IFE 0.5~80 0.13 This work 表1. 不同纳米荧光探针检测p-NP的方法及性能 图3. (a) 硝基芳香族化合物，有机化合物及(b) 金属离子对CDs分析体系的影响 3.3. p-NP的传感机理 为了推断p-NP对CDs可能的荧光猝灭机理，测定了CDs的荧光发射光谱和p-NP的紫外–可见吸收光谱(图4(a))。从图4(a)可以看出，p-NP的吸收光谱(400 nm处的吸收峰)与CDs的荧光发射光谱之间存在较大的光谱重叠，这可能是由IFE或FRET引起的荧光猝灭机制。为了进一步确定荧光猝灭机理，可用Stern-Volmer方程表示猝灭效率：F 0 /F = Ksv[Q] + 1 = Kqτ 0 [Q] + 1，其中F和F 0 分别是有和没有猝灭剂时的荧光强度，[Q]是猝灭剂浓度，Ksv是Stern-Volmer猝灭常数(M −1 )，Ksv = Kqτ 0 ，其中Kq是分子猝灭常数，τ 0 是没有猝灭剂的荧光寿命。对CDs-p-NP体系，Ksv = 0.04962 μM −1 和τ 0 = 2.90 ns，计算得Kq = 1.71 × 10 13 M −1 s −1 ，高于最大扩散控制的猝灭速率(2.0 × 10 10 M −1 s −1 ) [ 27 ] [ 28 ]。且同时CDs的平均荧光寿命在存在p-NP (2.93 ns)和不存在的p-NP (2.90 ns)时无显著差异(图4(b))。因此，荧光猝灭机理不是FRET，可能是IFE [ 29 ]。为了确认CDs的IFE猝灭机理，根据IFE的数学模型对荧光光谱进行了校正 [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]。通过激发波长和发射波长处的吸光度计算出CDs的校正荧光强度，计算结果表明，随着p-NP浓度的增加，CDs的校正荧光强度几乎保持不变。因此，可以证明p-NP对CDs的荧光猝灭主要是由于IFE，也有可能是静态猝灭 [ 33 ]。为了进一步排除静态猝灭的存在，考查了CDs，p-NP和CDs-p-NP混合物的吸收光谱。当p-NP与CDs混合时，CDs-p-NP混合物的吸收光谱与CDs和p-NP的光谱的加和值没有显著差异(图4(c))，结果表明没有形成络合物，因此证实了CDs的荧光猝灭机理是IFE。 图4. (a) p-NP紫外–可见吸收光谱(蓝线)，CDs激发光谱(黑线)和发射光谱(红线)图，(b) 荧光寿命，(c) 紫外–可见吸收光谱(CDs，p-NP，CDs-p-NP混合物)和吸光度的加和值(CDs与p-NP) 3.4. p-NP的传感机理 为了评估所建立分析方法的可行性，将所建立的分析方法应用于，河南工业大学环境工程学院提供的不同环境水样中痕量p-NP的测定，同时进行加标回收实验。结果如表2所示，加标回收率在90.2%至97.8%之间。 Table 2 Determination of p-NP in real samples (n = 3， mean (SD， µM 样品 加标量 检测值 回收率(%) 沉沙池水 0 - - 10 8.3 ± 0.2 95.2 20 17.1 ± 0.2 92.0 新甸铺镇河道废水 0 - - 10 8.8 ± 0.2 92.5 20 17.7 ± 0.6 90.8 池塘水 0 - - 10 9.4 ± 0.3 97.8 20 17.6 ± 0.4 90.2 表2. 实际水样中p-NP的测定(n = 3， mean ± SD， μM)