一种基于荧光碳量子点阶梯式检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的方法
技术领域
本发明属于重金属检测技术领域，具体涉及一种基于荧光碳量子点阶梯式检测Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的方法。
背景技术
金属铬主要以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)两种形式存在，其中Cr(Ⅲ)是人体必需的微量元素，适量摄入能促进机体的脂质代谢，降低胆固醇和甘油三酯的含量，过量摄入会引起中毒症状；Cr(Ⅵ)具有很强的毒性，摄食Cr(Ⅵ)后可能会引发胃癌、肝癌等疾病。目前主要通过检测总铬含量来衡量检测对象的有害程度，但这会导致检测对象中的有益成分Cr(Ⅲ)被误认为有害成分。因此，当Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)同时存在的时候，需要分别检测两种价态铬离子的具体含量，从而更准确地对被检测物进行评价。
目前，铬的常规检测方法主要有分光光度法、原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)、电感耦合等离子原子发射光谱法(ICP-OES)和荧光光谱法等。但是分光光度法检测铬的结果稳定性较差，误差较大；原子吸收法只能检测总铬含量；ICP-MS、ICP-OES检测灵敏度高，可以分别对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)进行检测，但检测过程繁琐、操作复杂且仪器设备昂贵，难以满足现场快速检测和日常检测的需求。基于碳量子点（CDs）的重金属荧光检测法虽然具有简单快速、抗环境干扰能力强等优点，但目前建立的方法只能检测元素的单一价态，仅仅能检测出实际样品中Cr(Ⅵ)的含量，但无法检测样品中的Cr(Ⅲ)含量。
发明内容
为了克服现有检测技术的不足，本发明提供了一种基于荧光碳量子点阶梯式检测Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的方法。本发明中首先制备了荧光碳量子点，然后构建荧光体系分别考察Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)含量与荧光强度变化值之间的函数关系，进而通过比对荧光强度得出Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量。
本发明首先提供了一种荧光碳量子点，所述荧光碳量子点为单分散颗粒，无团聚，形貌接近球形。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于荧光碳量子点的阶梯式检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的方法，具体步骤如下：
（1）制备荧光碳量子点：
将碳源溶于超纯水中，混合搅拌均匀后加热至160～280°C，保温5～15 h，待反应结束后将溶液冷却至室温，然后离心取上清液、过滤、稀释，得到激发波长为W1 nm的荧光碳量子点，置于0～10°C下保存备用。
进一步地，所述碳源为柠檬酸铵，其与超纯水的质量比优选为1：50；所述加热温度为220～260°C，保温8～12 h。
进一步地，所述过滤优选使用0.22 µm孔径的微孔过滤膜进行过滤；所述荧光碳量子点的激发波长W1在310~380 nm内，发射波长在可见光范围内且对Cr(Ⅵ)有荧光响应。
（2）建立荧光体系，所述荧光体系为荧光碳量子点的荧光强度变化值与Cr(Ⅵ)、以及加入足量氧化剂后Cr(Ⅲ)的含量之间的关系：
设置3个小组，分别为荧光碳量子点溶液+超纯水混合体系、荧光碳量子点溶液+Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液+超纯水混合体系、荧光碳量子点+Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液+氧化剂+超纯水混合体系，静置后，采用荧光分光光度计在一定激发波长下分别检测3个混合溶液的荧光强度，记录峰值强度F0、F1、F2；
以Cr(Ⅵ)浓度、Cr(Ⅲ)浓度、荧光强度变化值，建立Cr(Ⅵ)含量
进一步地，步骤（2）中，所述3个小组中的荧光碳量子点添加量相同，并且其在混合体系中的终浓度相同，所述终浓度为0.2~20 mg/L。
进一步地，步骤（2）中，所述混合体系的总体积相同；所述激发波长在310~380 nm内。
进一步地，步骤（2）中，所述 Cr(Ⅵ)在混合体系中的终浓度为10~500 μM。
进一步地，步骤（2）中，所述Cr(Ⅲ)在混合体系中的终浓度为10~500 μM。
进一步地，步骤（2）中，所述氧化剂优选过氧化氢、过硫酸铵、高锰酸钾；所述添加量的判断依据为：在比色皿中加入CDs和在加入Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液后，将其置于配有365 nm紫外激发灯的暗箱中，逐滴加入氧化剂，直至比色皿内溶液颜色不再发生改变，记录氧化剂的添加量。
（3）阶梯式检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量：
待测液中同时含有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)，采用步骤（2）中的方法测定待测液的峰值强度并计算得到Cr(Ⅵ)与Cr(Ⅲ)的含量。
本发明的采用的原理是：
Cr(Ⅵ)的吸收光谱与CDs的激发光谱和发射光谱基本重叠，导致CDs的部分发射光和激发光分别被Cr(Ⅵ)吸收和屏蔽，即发生荧光共振能量转移（FRET），从而产生了荧光内滤效应（IFE），使CDs的荧光被Cr(Ⅵ)成功地猝灭；通过添加氧化剂，将溶液中的Cr(Ⅲ)氧化为Cr(Ⅵ)，使CDs的荧光再次发生猝灭。
本发明的有益效果：
本发明所制备的荧光碳量子点，在365 nm的紫外灯下发射蓝色荧光，向其中加入含有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的待测液后，荧光会发生猝灭，荧光强度明显变小；在当溶液中加入足量氧化剂后，其荧光再次发生猝灭，荧光强度变化明显，从而可实现阶梯式可视化检测。相对于其它只能检测单一价态铬元素的方法，该方法简单快速，能够更具体地实现水质安全性检测。并且，其相对于传统的半导体量子点，碳量子点除绿色环保外，还具有可调节荧光发射，易官能化和光化学稳定性等独特属性。
本发明采用了水热法合成荧光碳量子点，该方法简单，低成本，高效和环保，相对于传统的半导体量子点，还具有可调节荧光发射，易官能化和光化学稳定性等独特属性。该方法可在没有任何氧化或钝化等后处理情况下制备得到荧光量子产率较高的碳量子点，制备得到的碳量子点具有优异的光致发光性能，并对Cr(Ⅵ)离子具有高选择性、高灵敏性的荧光猝灭效应。
经实验研究，采用荧光碳量子点阶梯式检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)含量的方法操作简便、成本低，检测范围广、精度高，可实现对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的快速阶梯式检测研究，对检测饮用水中不同价态的铬元素以及维护食品安全有很重要的现实意义。
附图说明
图1为实施例1中所制备的CDs阶梯式检测Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)的荧光发射光谱示意图。
图2为实施例1中所制备的CDs的TEM图。
图3为实施例1中所制备的CDs在不同Cr(Ⅵ)离子浓度下的荧光发射光谱。
图4为实施例1中所制备的CDs的荧光强度与Cr(Ⅵ)浓度的关系曲线图。
图5为在足量氧化剂的存在下，实施例1中所制备的CDs在不同Cr(Ⅲ)离子浓度下的荧光发射光谱。
图6为在足量氧化剂的存在下，实施例1中所制备的CDs的荧光强度与Cr(Ⅲ)浓度的关系曲线图。
具体实施方法
下面结合一些具体实施例为本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1：制备荧光碳量子点
（1）将100 mg的柠檬酸铵和200 mg的双联频哪醇基二硼烷（BPDB）溶于5 mL超纯水中，混合搅拌均匀，转移至PPL内衬水热高压反应釜中，加热至240°C，保温10 h。待冷却至室温后，得到含热解产物的溶液a。
（2）将步骤（1）中得到的溶液a在8500 rpm速率下离心10 min，弃去下沉物，得到上清液。使用0.22 µm的微孔过滤膜过滤上清液，得到透明淡黄色溶液，并在365 nm紫外灯下发射蓝色荧光，即为CDs溶液原液，置于4°C下保存备用。
（3）将CDs溶液原液用超纯水稀释至终浓度为10 mg/L，备用。
（4）以硫酸奎宁二水合物（QY=54%，360n M，n=1.33）为标准样品，比较CDs溶液原液和标准样品的荧光强度，按照公式计算所制备碳量子点的荧光量子产率（QY）。
其中S下标为标准样品，即硫酸奎宁，
使用TEM表征碳量子点的结构形貌，由图2可以得知，制备的碳量子点为单分散颗粒，无团聚，形貌接近球形。使用荧光分光光度计进行三维扫描该碳量子点，得到其最佳激发波长为335 nm，最佳发射波长为414 nm且对Cr(Ⅵ)有荧光响应。
实施例2：构建荧光检测体系
（1）室温下，将100 µL实施例1中制备的CDs溶液与900 µL的超纯水混合均匀得到混合体系，混合体系中CDs溶液的浓度为10 mg/L。
将混合体系静置10～30 min后，采用荧光分光光度计在335 nm的激发波长下检测溶液的荧光峰峰值强度，记为
（2）配制10mg/L的Cr(Ⅵ)标准储备液和10 mg/L 的Cr(Ⅲ)标准储备液，然后将标准储备液与超纯水混合配制不同浓度的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液，备用。
（3）将100 µL CDs溶液与800 µL不同浓度的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合液以及100 µL的超纯水混合均匀得到混合体系。混合体系中CDs溶液的浓度为10 mg/L，Cr(Ⅵ)的终浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、300、400、500 μM，Cr(Ⅲ)的终浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500 μM。
将混合体系静置10～30 min后，采用荧光分光光度计在335 nm的激发波长下检测溶液的荧光强度，绘制CDs在不同Cr(Ⅵ)离子浓度下的荧光发射光谱（如图3所示）并记录荧光峰峰值，记为
以Cr(Ⅵ)浓度为横坐标，以荧光强度变化值（即
（4）将100 µL 10 mg/L CDs溶液与800 µL含不同浓度的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合液、50µL氧化剂以及50 µL超纯水混合均匀得到混合体系。混合体系中CDs溶液的浓度为10 mg/L，Cr(Ⅵ)的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、300、400、500 μM，Cr(Ⅲ)的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500 μM。将混合体系静置10～30 min后，采用荧光分光光度计在335nm的激发波长下检测溶液的荧光强度，绘制在足量氧化剂的存在下，CDs在不同Cr(Ⅲ)离子浓度下的荧光发射光谱。在不同Cr(Ⅵ)离子浓度下的荧光发射光谱（如图5所示）并记录荧光峰峰值，记为
以Cr(Ⅲ)浓度为横坐标，以荧光强度变化值（即
所用氧化剂为过氧化氢（体积分数为30%），所加量为足量，判断依据为，随着氧化剂的添加，荧光不再发生猝灭。
实施例3：阶梯式检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量及验证
分别向超纯水样品中加入Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液，使得Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的终浓度均为100 μM，利用实施例2中建立的荧光检测体系检测待测样品并计算Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量。
通过计算得到的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量分别为104.2±5.1 μM和98.7±6.5 μM，检测结果证明上述所建立的方法可对超纯水中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)进行阶梯式检测。
依据3σ/k原则（其中σ表示对空白溶液进行11次重复检测得到的标准差，k代表标准曲线的斜率）得到本荧光检测体系的检测限（LOD）为0.24 μM，远低于其它六价铬检测方法。
本实施例中制备上述荧光碳量子点还可对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的进行阶梯式可视化定性检测研究，将溶液b、c、d置于配有365 nm紫外激发灯的暗箱中，溶液c的荧光强度相对于溶液b明显降低，通过可视化即可判断待测液中含有Cr(Ⅵ)离子，溶液d的荧光强度相对于溶液c明显降低，通过可视化即可判断待测液中含有Cr(Ⅲ)离子。
实施例4
（1）制备荧光碳量子点：
将100 mg的柠檬酸铵和200 mg的BPDB溶于5 mL超纯水中，混合搅拌均匀，转移至PPL内衬水热高压反应釜中，加热至240°C，保温10 h。待冷却至室温后，得到含热解产物的溶液a。
将溶液a在8500 rpm速率下离心10 min，弃去下沉物，得到上清液。使用0.22 µm的微孔过滤膜过滤上清液，得到透明淡黄色溶液，将其稀释后置于4°C下保存备用。
（2）构建荧光检测体系
配制10mg/L的Cr(Ⅵ)标准储备液和10 mg/L 的Cr(Ⅲ)标准储备液，然后将标准储备液与超纯水混合配制不同浓度的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液，备用。
将100 µL CDs溶液与900 µL的超纯水混合均匀得到混合体系，混合体系中CDs溶液浓度为10 mg/L，然后静置10～30 min，采用荧光分光光度计在335 nm的激发波长下检测溶液的荧光峰峰值强度，记为
将100 µL CDs与800 µL不同浓度的待测液以及100 µL的超纯水混合均匀得到混合体系，混合体系中CDs溶液浓度为10 mg/L，Cr(Ⅵ)的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、300、400、500 μM，Cr(Ⅲ)的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500 μM。将混合体系静置10～30 min后，采用荧光分光光度计在335 nm的激发波长下检测溶液的荧光强度，绘制CDs在不同Cr(Ⅵ)离子浓度下的荧光发射光谱（如图3所示）并记录荧光峰峰值，记为
以Cr(Ⅵ)浓度为横坐标，以荧光强度变化值（即
室温下，将100 µL CDs与800 µL含不同浓度的待测液、50 µL氧化剂以及50 µL超纯水混合均匀得到混合体系，混合体系中CDs溶液浓度为10 mg/L，Cr(Ⅵ)的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、300、400、500 μM，Cr(Ⅲ)的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500 μM。。将混合体系静置10～30 min后，采用荧光分光光度计在335 nm的激发波长下检测溶液的荧光强度，绘制在足量氧化剂的存在下，CDs在不同Cr(Ⅲ)离子浓度下的荧光发射光谱。在不同Cr(Ⅵ)离子浓度下的荧光发射光谱（如图5所示）并记录荧光峰峰值，记为
以Cr(Ⅲ)浓度为横坐标，以荧光强度变化值（即
所用氧化剂为过氧化氢（体积分数为30%），所加量为足量，判断依据为，随着氧化剂的添加，荧光不再发生猝灭。
（3）阶梯式检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量：
分别向超纯水样品中加入Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液，使得Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的终浓度均为100 μM，利用步骤（2）中建立的荧光检测体系检测待测样品并计算Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的含量。使用电感耦合等离子体质谱法对相同浓度的样品进行检测，对实验结果进行验证。
利用荧光法检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的回收率分别为92.9%~ 103.2%和98.4%~107.1%。利用电感耦合等离子体质谱法对其同步测定，得到回收率为78.6%~ 112.0%。本章所建立的方法和标准法检测结果一致，证明该方法了建立的方法可对超纯水中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)进行阶梯式检测。
依据3σ/k原则得到本荧光检测体系的检测限（LOD）为0.24 μM，远低于其它六价铬检测方法。
利用荧光法检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的结果分别为102.2±5.1 μM和98.7±6.5 μM，检测结果证明上述所建立的方法可对超纯水中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)进行阶梯式检测。
依据3σ/k原则（其中σ表示对空白溶液进行11次重复检测得到的标准差，k代表标准曲线的斜率）得到本荧光检测体系的检测限（LOD）为0.24 μM，远低于其它六价铬检测方法。
实施例5：
本实施例步骤与实施例4中基本相似，仅有以下不同：混合体系中荧光碳量子点终浓度为0.2 mg/L。
利用上述所建立的荧光法检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的结果分别为106.7±7.2 μM和109.3±9.8 μM，检测结果证明上述所建立的方法可对超纯水中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)进行阶梯式检测。
依据3σ/k原则得到本荧光检测体系的检测限（LOD）为1.43 μM。
实施例6：
本实施例步骤与实施例4中基本相似，仅有以下不同：混合体系中荧光碳量子点终浓度为20 mg/L。
利用上述所建立的荧光法检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的回收率分别为92.9%~106.2%和91.4%~110.1%。利用电感耦合等离子体质谱法对其同步测定，得到回收率为78.6%~112.0%和86.4%~117.1%，检测结果一致，证明该方法可对超纯水中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)进行阶梯式检测。
依据3σ/k原则得到本荧光检测体系的检测限（LOD）为0.87 μM。
实施例7：
本实施例步骤与实施例4中基本相似，仅有以下不同：
待测液为经0.22 µm的微孔过滤膜过滤三次的真实水样（采自江苏大学内玉带河），并在水样中加入不同浓度的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的混合溶液（其中Cr(Ⅵ)的终浓度分别为10、100和500 μM，Cr(Ⅲ)的终浓度分别为10、100和500 μM），利用所建立的荧光检测体系对超纯水样品进行实际检测，计算回收率，并使用电感耦合等离子体质谱法对相同浓度的样品进行检测，对实验结果进行验证。
利用上述建立的荧光法检测Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的回收率分别为91.5%~104.1%和94.2%~108.7%。利用电感耦合等离子体质谱法对其同步测定，得到回收率为82.4%~115.2%和89.7%~119.3%，检测结果一致，证明该方法可对实际水样中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)进行阶梯式检测。
依据3σ/k原则得到本荧光检测体系的检测限（LOD）为0.58 μM。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
