大学化学, 2020, 35(12): 206-211 doi: 10.3866/PKU.DXHX201911003

化学实验

碳点的合成及对锰离子的比色检测——推荐一个大学化学综合实验

李天荣, 苏军霞, 陈凤娟, 李华, 海军, 梁永民, 汪宝堆,

Synthesis of Carbon Dots and Its Application in Colorimetric Detection of Manganese Ions

Li Tianrong, Su Junxia, Chen Fengjuan, Li Hua, Hai Jun, Liang Yongmin, Wang Baodui,

通讯作者: 汪宝堆, Email: wangbd@lzu.edu.cn

收稿日期: 2019-11-4   接受日期: 2019-11-28  

Received: 2019-11-4   Accepted: 2019-11-28  

摘要

本实验以柠檬酸为原料使用水热法制备了碳点;利用Mn2+对碳点和3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)混合体系中TMB的催化氧化变色,实现了对Mn2+的比色检测;利用紫外-可见吸收光谱研究了检测的选择性和灵敏度。本实验涵盖了纳米材料的制备、表征和分析检测等方面的内容,不仅锻炼了学生对知识和实验技能的综合运用能力,而且利于开阔学生的学术视野。

关键词: 碳点 ; 3, 3', 5, 5'-四甲基联苯胺 ; 锰离子 ; 比色检测

Abstract

In this experiment, carbon dots were prepared by hydrothermal method with citric acid as raw material. The colorimetric detection of Mn2+ was realized via the catalytic oxidation discoloration of Mn2+ to 3, 3', 5, 5'-tetramethylbenzidine (TMB) in the mixed system of carbon dots and TMB. Selectivity and sensitivity of the detection were studied by UV-Vis absorption spectrum. This comprehensive experiment covers the preparation and characterization of nanomaterials and the analysis and detection to important substances. It not only exercises students' comprehensive ability to use knowledge and experimental skills, but also helps to broaden students' academic vision.

Keywords: Carbon dots ; 3, 3', 5, 5'-tetramethylbenzidine ; Mn2+ ; Colorimetric detection

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李天荣, 苏军霞, 陈凤娟, 李华, 海军, 梁永民, 汪宝堆. 碳点的合成及对锰离子的比色检测——推荐一个大学化学综合实验. 大学化学[J], 2020, 35(12): 206-211 doi:10.3866/PKU.DXHX201911003

Li Tianrong. Synthesis of Carbon Dots and Its Application in Colorimetric Detection of Manganese Ions. University Chemistry[J], 2020, 35(12): 206-211 doi:10.3866/PKU.DXHX201911003

1 概述

伴随着工农业的快速发展和人类物质生活的不断丰富,水体污染、大气污染等环境污染问题日趋严重。对水体中重金属离子快速地检测和监控,对于预报和防治水体污染显得尤为重要。目前的检测方法主要集中在荧光检测、电化学检测、生物学检测等[15],而这些方法需要使用大型仪器设备,不利于现场快速检测。在高校本科实验教学中,结合科研领域的最新发展方向,通过制备一些新的检测物质或新的检测体系,对重金属离子进行选择性、灵敏性、便捷性地检测,并设计为综合实验,对于培养学生综合应用知识的能力、学生的创新意识,帮助学生了解学科发展动向具有重要意义。

近年来,基于纳米科学和技术的发展,制备出重复性好、操作简便的传感器变得可能。碳点(carbon dots,CDs)是一种尺寸小于10 nm的新型碳材料,不仅具有类似传统无机半导体量子点的发光性能,而且具备制备方法比较简便、制备成本低廉、生物毒性低、生物相容性良好等特点,使得碳点在生物成像、太阳能电池、光催化等领域展现出广阔的应用前景[6]。在本综合实验中,利用水热法制备碳点,通过向碳点与3, 3’, 5, 5’-四甲基联苯胺(TMB)的混合水检测体系中加入Mn2+,经365 nm紫外光照后,可观察到体系从无色变为蓝色,可实现对Mn2+的比色检测。通过该体系对Mn2+的紫外-可见光谱滴定和相关测试结果的数据分析,学生可以学会检测限的计算方法。该实验适合于化学、材料化学和环境化学专业本科四年级学生的综合分析化学实验。

2 实验目的

(1)学习碳点的制备方法。

(2)掌握紫外-可见光谱仪的基本操作规程和相应的图谱分析。

(3)学习纳米探针检测Mn2+的方法。

(4)掌握检测限的计算方法。

(5)学习科学前沿热点问题,拓展学生知识面。

3 试剂和仪器

3.1 试剂

柠檬酸(99%),乙二胺(99%),乙二胺四乙酸二钠盐(99%),3, 3’, 5, 5’-四甲基联苯胺(TMB,99%),Mn(NO3)2·4H2O (98%),Mg(NO3)2·6H2O (99%),Ba(NO3)2 (99.5%),Cu(NO3)2·6H2O (99.99%),Cd(NO3)2·4H2O (99%),Zn(NO3)2·6H2O (99.99%),Ni(NO3)2·6H2O (99.99%),Co(NO3)2·6H2O (98%),Pb(NO3)2 (99%),Hg(NO3)2·H2O (AR),Al(NO3)3·H2O (99.99%),Cr(NO3)3·9H2O (99.95%),Fe(NO3)2·9H2O (98%),Fe(NO3)3·9H2O (99.99%)。以上试剂均为分析纯,购自百灵威试剂公司。去离子水通过Milli-Q超纯水纯化装置制备。

3.2 实验仪器

电子分析天平(Sartorius,BSA124S),水热反应釜,透射电子显微镜(FEI,Tecnait G2 F30),紫外-可见分光光度计(PerkinElmer,Lambda 950),荧光分光光度计(Shimadzu,RF-5301)。

3.3 计算公式

对Mn2+的检测限(LOD),依据Mn2+对TMB的紫外-可见光谱滴定实验,通过计算得到。计算公式LOD = 3σ/k中,σ为利用紫外-可见光谱重复测量TMB溶液11次所得到的空白标准偏差值;k为滴定曲线的斜率。

4 实验步骤

4.1 碳点的合成

碳点通过柠檬酸和乙二胺的水热合成法制备。在10 mL烧杯中,将乙二胺(335 μL)和柠檬酸(1.0500 g)溶解在去离子水中(5 mL)。之后将溶液转移到具有Teflon衬里(10 mL)的高压釜中,在200 ℃下加热5 h。待自然冷却至室温后打开高压釜,得到棕黑色透明溶液,用截留分子量为1000 Da的透析袋纯化,经冷冻干燥后得到碳点粉末。

4.2 金属离子水溶液的配制

分别使用Mg(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Mn(NO3)2·4H2O、Fe(NO3)2·9H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Cu(NO3)2·6H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Cd(NO3)2·4H2O、Ba(NO3)2、Hg(NO3)2·H2O和Pb(NO3)2固体,配制金属离子浓度为10−5 mol∙L−1的贮备液。

4.3 对Mn2+的选择性实验

对不含EDTA的检测体系:碳点的水分散液(100 µL,100 µg∙mL−1),TMB的乙醇溶液(160 µL,10 mmol∙L−1)和金属离子的水溶液(200 µL)用磷酸二氢钠和磷酸氢二钠缓冲溶液(PB缓冲溶液,pH = 7.0)定容至2 mL;用365 nm的紫外光照10 s后,测溶液的紫外-可见吸收光谱。

对含有EDTA的检测体系:碳点的水分散液(100 µL,100 µg∙mL−1),TMB溶液(160 µL,10 mmol∙L−1),EDTA水溶液(200 µL,10 mmol∙L−1)和金属离子水溶液(200 µL)用PB缓冲溶液(pH = 7.0)定容至2 mL;用365 nm的紫外光照10 s后,测溶液的紫外-可见吸收光谱。

4.4 对Mn2+的竞争性实验

移取碳点的水分散液(100 µL,100 µg∙mL−1),TMB溶液(160 µL,10 mmol∙L−1),EDTA水溶液(200 µL,10 mmol∙L−1)和某种金属离子的水溶液(200 µL),用PB缓冲溶液(pH = 7.0)定容至2 mL;用365 nm的紫外光照10 s后,测溶液的紫外-可见吸收光谱。之后再加入Mn2+的水溶液(200 µL),用365 nm的紫外光照10 s后,再次测定溶液的紫外-可见吸收光谱。

4.5 视觉色彩观察

TMB氧化变色的照片通过手机照相机拍摄。

4.6 对Mn2+的紫外-可见吸收光谱滴定实验

碳点水分散液(100 µL,100 µg∙mL−1),TMB溶液(160 µL,10 mmol∙L−1),EDTA溶液(200 µL,10 mmol∙L−1)和5 μL不同浓度的Mn2+,用PB缓冲溶液(pH = 7.0)定容至2 mL,用365 nm的紫外光照10 s后,测定溶液的紫外-可见吸收光谱。

5 结果与讨论

5.1 碳点的表征

图1A所示,所制备的碳点均匀分散,无明显团聚,颗粒的粒径为2‒6 nm。碳点水分散液在340 nm的光激发下,发射波长为443 nm (图1B);在365 nm紫外灯照射下,发出亮蓝色荧光(图1B插图)。紫外-可见吸收光谱显示,该分散液的最大吸收波长位于344 nm处(图1C)。

图1

图1   碳点表征

(A)碳点TEM;(B)碳点分散液的荧光谱图,插图为在365 nm紫外灯照射下分散液的照片;(C)碳点分散液的紫外吸收光谱图,插图为可见光下分散液的照片
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5.2 对Mn2+比色检测的机理

TMB常用作酶免疫分析法(EIA)和酶联免疫吸附检验法(ELISA)等免疫检测的显色剂,可与氧化剂反应生成在370和652 nm有特征吸收的水溶性蓝色产物(氧化态TMB) [7]

本实验中,①单纯的TMB溶液(pH = 7.0)、②仅含有碳点的TMB溶液、③仅含有Mn2+的TMB溶液,这三种溶液在可见光下均为无色澄清状;在被365 nm的光照射后,三种溶液的颜色和紫外-可见吸收光谱均未有明显变化(图2A2B)。而对上述含有碳点的TMB溶液,向其中加入Mn2+后,若用365 nm的光照射10 s,则溶液可由无色变为蓝色(图2A),且在652 nm处产生了新的吸收峰(图2B);若不经紫外光照射,则该溶液无颜色的变化也没有吸收光谱的改变(图2A2B)。

图2

图2   不同实验条件对TMB溶液的影响

(A)不同实验条件下TMB溶液的照片(1:单纯的TMB溶液;2:含有碳点的TMB溶液;3:含有Mn2+的TMB溶液;4、5:同时含有碳点、TMB和Mn2+的溶液;1、2、3、5均经历了紫外光照射,4未经紫外光照射);(B)它们的紫外-可见吸收光谱图
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通过以上现象的对比,可看出:只有在碳点和Mn2+同时存在,且在365 nm的光照条件下,TMB才会发生氧化,导致颜色的改变。因此,利用这一现象,可以使用“碳点和TMB的混合水溶液”(简称“碳点/TMB”体系)实现对Mn2+的比色检测。

据文献报道,碳点在365 nm紫外光照下可产生单线态氧[8]。对于上述碳点/TMB体系中加入Mn2+后变色的现象,我们推测在365 nm的光照下,碳点产生的单线态氧可把Mn2+氧化成Mn3+,Mn3+又进一步氧化TMB变色,即在整个过程中含Mn3+的盐作为氧化酶促进了TMB的氧化变色(图3)。

图3

图3   Mn2+催化TMB变色的机理示意图


5.3 对Mn2+的选择性和竞争性实验

为了评价碳点/TMB体系对Mn2+检测的选择性,本实验选取13种常见的金属离子作为对照(包括Mg2+、Al3+、Cr3+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Ba2+、Hg2+和Pb2+)。如图4A所示,对不含EDTA的检测体系,测量各溶液的紫外-可见吸收光谱后,发现含Mn2+的体系在652 nm处的吸收显著升高,而含其他离子的体系变化不大。当向检测体系中增加EDTA后,在检测Mn2+时652 nm处的吸光度会变得比无EDTA的体系更大一些,这主要是由于Mn3+在水中不稳定导致的。EDTA作为良好的络合剂,增加了Mn3+在水中的稳定性,进而增加了对TMB的氧化,使得变色更加明显。但对于其他金属离子,EDTA造成的影响并不明显。故在后续的所有实验中,均使用含有EDTA的碳点/TMB体系做相关检测。

图4

图4   检测体系对Mn2+的选择性和竞争性

(A)向碳点/TMB体系加入不同金属离子后,体系吸光度的变化和颜色变化(插图);(B)竞争性实验中其他金属离子对碳点/TMB体系检测Mn2+产生的影响
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当含有各种金属离子的碳点/TMB检测体系经紫外光照后,只有含Mn2+的体系产生了氧化TMB的特征蓝色,而含有其他13种离子的体系颜色没有明显变化(图4A插图),说明该检测体系对Mn2+有良好的选择性,并且可以实现裸眼检测。值得注意的是,虽然Fe3+是一种常见的具有氧化性的离子,但在实验中,并没有观察到Fe3+使TMB氧化变色。可能原因是,Fe3+/Fe2+和Mn3+/Mn2+电对的标准电极电势分别是0.771和1.51 V [8, 9],由电极的能斯特方程可以知,对于不包含H+或OH的电极反应,当两个标准电极电势相差大于0.2 V时,在本实验进行的条件下(热力学非标准状态),Mn3+仍会显示较Fe3+强的氧化性[9]。故由碳点/TMB体系结合Mn2+所产生的Mn3+可以氧化TMB,而Fe3+相对弱的氧化性并没有使该体系中的TMB氧化。

为了评价其他金属离子是否会干扰碳点/TMB体系对Mn2+的检测,实验中使用上述13种金属离子作为干扰离子。竞争性实验结果表明,在干扰离子和Mn2+共存时,Mn2+仍能显著性地导致TMB的变色(图4B),亦能说明该体系对Mn2+具有良好的选择性。

5.4 对Mn2+的检测限

基于碳点/TMB体系对Mn2+检测的特异性,实验测试了该方法对Mn2+的检测限。在利用紫外-可见吸收光谱对Mn2+的滴定实验中,随着Mn2+的加入,发现氧化态的TMB位于652 nm的特征吸收峰逐渐增强(图5A)。通过读取652 nm处的吸光度,得到滴定曲线的斜率(图5B);基于计算,得出该方法对Mn2+的检测可以低至5 nmol∙L−1。与文献报道的测定结果相比[10],该体系是Mn2+最灵敏的比色检测方法之一。因此,碳点/TMB体系可用作Mn2+的选择性、灵敏性、便捷性的比色检测探针。

图5

图5   检测体系对Mn2+的紫外和荧光滴定

(A)随着Mn2+浓度的增加,碳点/TMB体系的紫外-可见吸收光谱的变化;(B)碳点/TMB体系在652 nm处的吸光度与Mn2+浓度的关系曲线,插图为在低浓度区域时的线性关系
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6 实验特点及教学组织运行方式

6.1 实验特点

(1)研究主题紧密联系实际问题,有利于激发学生的学习兴趣。

本实验基于当前人类所面临的重金属离子对水体的污染问题而提出,实验主题很接近生活实际,易激发学习的兴趣。学生通过查阅文献,对环境污染物的来源会有一定的了解和认识,之后通过进行该实验,可让学生学习到科学研究的思路、手段和方法。

(2)实验内容综合性强,可增强学生的理论和实践联系。

本实验可以让学生认识和理解纳米材料丰富和独特的性能。通过查阅文献达到独立运用所学知识和实验技术解决实际课题的能力。

6.2 教学组织运行方式和教学方法

(1)实验学时安排和运行方式。

本实验为16学时的综合化学实验,学生需要在实验课前进行文献的调研,并在第一次实验的前一天,使用1个学时配制碳点的反应液并将反应的温度升至200 ℃并恒温。在第一次实验的7个学时中,先用2个学时让学生汇报环境污染以及纳米材料制备和检测方面的背景知识,再用5个学时进行碳点的纯化和冷冻干燥。第二次的8个学时,配制碳点水分散液,并对金属离子做相应的检测,同时交叉进行电镜表征。

(2)教学方法。

教师在讲解时要注意将学生所学的相关理论知识和实验内容相结合,并运用启发式教学,以调动学生对实验的积极性,促进学生深入思考,培养学生创新意识。实验结束后,组织学生对实验中出现的问题进行总结交流,讨论实验的成功、失败及经验,对于一些有创新的成果进行汇编。有兴趣的学生可加入到教师的课题组,自行设计相关实验。

7 结语

本实验为分析化学前沿型综合实验,通过水热法制备了碳点,利用碳点在365 nm的光照射下产生单线态氧将Mn2+氧化成Mn3+,之后Mn3+可以使TMB氧化变色。利用这一性质实现了对水溶液中Mn2+的比色检测。该方法与荧光方法相比,背景干扰小,无需复杂的荧光检测设备,不需要任何标记,甚至用肉眼就可以实现检测。此实验的开设,有助于使学生的自学能力、探索精神、创新意识、解决实际问题的能力得到极大的提升。

参考文献

Liu D. B. ; Wang Z. ; Jiang X. Y. Nanoscale 2011, 3, 1421.

DOI:10.1039/c0nr00887g      [本文引用: 1]

Cui T. Y. ; Cui F. ; Zhang J. H. ; Wang J. Y. ; Huang J. ; C. L. ; Chen Z. M. ; Yang B. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 6298.

DOI:10.1021/ja060517w     

Poehlmann C. ; Sprinzl M. Anal. Chem. 2010, 82, 4434.

DOI:10.1021/ac100186p     

Liu Y. ; Liang P. ; Guo L. Talanta 2005, 68, 25.

DOI:10.1016/j.talanta.2005.04.035     

Wang L. ; Li T. ; Du Y. ; Chen C. G. ; Li L. ; Zhou M. ; Dong S. J. Biosens. Bioelectron. 2010, 25, 2622.

DOI:10.1016/j.bios.2010.04.027      [本文引用: 1]

Guo Y. M. ; Wang Z. ; Shao H. W. ; Jiang X. Y. Carbon 2013, 52, 583.

DOI:10.1016/j.carbon.2012.10.028      [本文引用: 1]

Gao L. Z. ; Zhuang J. ; Nie L. ; Zhang J. B. ; Zhang Y. ; Gu N. ; Wang T. H. ; Feng J. ; Yang D. L. ; Perrett S. ; et al Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 577.

DOI:10.1038/nnano.2007.260      [本文引用: 1]

Zhang J. Y. ; Wu S. H. ; Lu X. M. ; Wu P. ; Liu J. W. Nano Lett. 2019, 19, 3214.

DOI:10.1021/acs.nanolett.9b00725      [本文引用: 2]

南京大学《无机及分析化学》编写组. 无机及分析化学, 第5版 北京: 高等教育出版社, 2015, 122.

[本文引用: 2]

Das R. ; Vecitis C. D. ; Schulze A. ; Cao B. ; Ismail A. F. ; Lu X. ; Chen J. ; Ramakrishna S. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 6946.

DOI:10.1039/C6CS00921B      [本文引用: 1]

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