CN114456807A - 一种水体中重金属离子检测的荧光探针及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水体中重金属离子检测的荧光探针及检测方法，该荧光探针为氮掺杂碳点‑碳纳米管复合材料，该检测方法包括以下步骤：S1、配制成探针溶液；S2、向探针溶液中加入待测水体样品，搅拌，静置3‑15min；S3、将溶液置于波长为300‑350nm的激发光下，检测溶液在450‑500nm处的荧光强度；S4、利用预先建立的标准曲线，计算得到待测水体样品中的重金属离子含量。本发明构建了一种氮掺杂碳点‑碳纳米管复合材料作为荧光探针，并用以进行水体中的重金属离子检测，通过对常规碳点材料进行改进，藉由改性碳纳米管作为载体并进行氮掺杂，可克服传统的碳点易团聚等缺陷，能够实现水体中重金属离子的高灵敏度检测。

Description

一种水体中重金属离子检测的荧光探针及检测方法

技术领域

本发明涉及环境检测领域，特别涉及一种水体中重金属离子检测的荧光探针及检测方法。

背景技术

水体中重金属含量过高会对自然环境和人类健康造成严重危害，水体中重金属含量的快速检测具有重要意义。常规的检测方法，例如火焰原子吸收(FAAS)、电感耦合－等离子质谱法(ICP-MS)、电感耦合－等离子发射光谱(ICP-OES)、电热原子吸收光谱(ETAAS)等存在步骤繁琐、灵敏度低或需采用昂贵的仪器等问题，一些新的检测手段已被开发出来。例如，基于基于荧光分析技术来检测重金属离子已经被证实为一种行之有效的方法，常见的荧光检测材料包括有机分子、量子点、贵金属颗粒和稀土荧光体等，碳量子点因其高发光量、高性价比、高稳定性等特点，已被越来越广泛使用。例如专利CN106520116B公开了一种红色发光碳量子点及其制备方法和应用，但其提供的碳量子点仅限于检测Cu²⁺。专利CN113265245A公开了一种纳米荧光探针、其制备方法及应用，其采用碳点作为荧光探针，可实现多种重金属离子的检测。碳点具有纳米尺寸（传统的碳点直径在3-10nm左右），比表面积高，这也为其带来了不可避免的缺点：易团聚，碳点的团聚会导致其荧光发射强度会大幅度降低，而作为探针对重金属离子进行检测时，会因大量碳点表面的活性位点无法充分发挥其功效而无法与重金属离子结合导致未能成功发生荧光猝灭，从而会降低检测灵敏度和精度，无法充分发挥碳点的特性。显然，上述两专利中直接采用碳点进行重金属离子检测时，需无法避免的面对碳点团聚带来的检测性能上的损害。所以，如何克服碳点的上述缺陷，是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种水体中重金属离子检测的荧光探针及检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种水体中重金属离子检测的荧光探针，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂，加热反应，反应结束后产物在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品进行研磨，然后加入到氢氟酸中浸泡，之后清洗、干燥，得到碳纳米管；

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管；

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将改性碳纳米管分散于超纯水中制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热，再向碳纳米管分散液中加入甲硫氨酸、硫代卡巴肼和KH791，超声搅拌；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到反应釜中，于加热条件下反应；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物离心，去除沉淀，离心液用透析袋透析；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针，该荧光探针用于对水体中的重金属离子进行检测，所述重金属离子包括Cu²⁺、Fe^{3 +}、Cr⁶⁺、Hg²⁺、Pb²⁺。

优选的是，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂，加热至600-800℃，反应1-4小时，在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品加入到磨机中研磨5-30分钟，然后加入到氢氟酸中，浸泡4-24小时，清洗，干燥，得到碳纳米管；

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管；

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将改性碳纳米管分散于超纯水中制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热到70-100℃，再向碳纳米管分散液中加入甲硫氨酸、硫代卡巴肼和KH791，超声搅拌0.5-2小时；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到反应釜中，于120-200℃下反应4-10小时；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物于8000-14000r/min下离心，去除沉淀，离心液用截断分子量为6000-12000Da的透析袋透析8-24小时；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针。

优选的是，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂，加热至75℃，反应2.5小时，在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品加入到球磨机中研磨10分钟，然后加入到体积分数为30%的氢氟酸水溶液中，浸泡10小时，清洗，干燥，得到碳纳米管；

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管；

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将80mg改性碳纳米管加入到150mL的超纯水中，超声分散制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热到75℃，再向碳纳米管分散液中加入200mg甲硫氨酸、100mg硫代卡巴肼和25mg KH791，超声搅拌1小时；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，于170℃下反应6小时；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物于9000r/min下离心，去除沉淀，离心液用截断分子量为7000Da的透析袋透析10小时；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针。

优选的是，所述步骤1）的混合气体中正己烷和氢气的体积比为3:2。

优选的是，所述步骤2）具体包括：将碳纳米管平铺，置于波长245-275nm的紫外灯光下，辐射距离30-60mm，辐射6-24小时，制得改性碳纳米管。

优选的是，所述荧光探针的激发波长为250-430nm，发射波长为400-570nm。

优选的是，所述改性碳纳米管的孔径为8-25nm,平均孔径为12nm，直径100-160nm；所述碳点的粒径为3.6-4.5nm。

本发明还提供一种水体中重金属离子检测的方法，该方法包括以下步骤：

S1、将如权利要求1-7中任意一项所述的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成探针溶液；

S2、向所述探针溶液中加入待测水体样品，搅拌，静置3-15min;

S3、将步骤S2得到的溶液置于波长为300-350nm的激发光下，检测溶液在450-500nm处的荧光强度；

S4、根据步骤S3的结果，利用预先建立的表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线，计算得到待测水体样品中的重金属离子含量。

优选的是，所述步骤S4中，表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线的建立方法包括以下步骤：

S4-1、称取干燥的如权利要求1-7中任意一项所述的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成浓度为C₀的探针溶液；

S4-2、将步骤S4-1得到的探针溶液均分为N份，向N份探针溶液中依次加入体积均为V₀、具有一定浓度梯度的重金属离子溶液，搅拌，静置7min，得到N混合溶液；

S4-3、将步骤S4-2得到的N混合溶液分别置于波长为335nm的激发光下，检测混合溶液在475nm处的荧光强度，将荧光强度值作为y轴，对应的重金属离子浓度作为x轴，拟合得到所述标准曲线。

优选的是，该方法包括以下步骤：

S1、将如权利要求1-7中任意一项所述的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成浓度为C₀的探针溶液；

S2、向所述探针溶液中加入体积均为V₀的待测水体样品，搅拌，静置7min;

S3、将步骤S2得到的溶液置于波长为335nm的激发光下，检测溶液在475nm处的荧光强度；

S4、根据步骤S3的结果，利用预先建立的表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线，计算得到待测水体样品中的重金属离子含量。

本发明的有益效果是：

本发明构建了一种氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料作为荧光探针，并用以进行水体中的重金属离子检测，通过对常规碳点材料进行改进，藉由改性碳纳米管作为载体并进行氮掺杂，可克服传统的碳点易团聚等缺陷，能够实现水体中重金属离子的高灵敏度检测。

本发明结合水热法，在改性后的碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，其一：本发明藉由甲硫氨酸和硫代卡巴肼为原料，使得制得的碳点表面具有丰富的巯基(-SH)、氨基（-NH₂）、羧基(-COOH)等官能团，从而提供大量的连接位点，既作为碳点与重金属例子络合的活性位点，又作为碳点与碳纳米管附着连接的负载位点；同时通过硫代卡巴肼能够为碳点引入氮元素，从而合成氮掺杂碳点使得碳点的发光强度、分散性能和稳定性得到了提高；其二：本发明首先通过氮掺杂和引入KH791改善了碳点本身的分散性能；然后利用直径100-160nm的具有高度易分散性能的改性碳纳米管来负载碳点，借助碳纳米管和碳点表面丰富的官能团作为连接位点，使得碳点可稳定负载于改性碳纳米管上；藉由改性碳纳米管的高度易分散性能，使得碳点可在体系中呈现高度分散的碳点形态，能充分暴露碳点表面的官能团，使其荧光发射强度大幅度提高；作为探针对重金属离子进行检测时，更易于与溶液中的重金属离子结合，最终可提高其检测重金属离子的灵敏度和精度。

本发明的荧光探针藉由对重金属离子的双重猝灭机理实现对重金属离子的指示作用，能够大大提高荧光探针对重金属离子检测的响应灵敏度和精度。其双重猝灭机理包括：1、体系中存在重金属离子时，碳点表面的巯基、氨基等官能团能与重金属离子迅速络合配位，形成配位化合物而使碳点的荧光猝灭；2、高度分散的碳纳米管通过其上的官能团同样能够捕获连接体系中游离的重金属离子，然后通过重金属离子再连接其他的碳纳米管，使得藉由重金属离子作为“桥梁”组件成“碳纳米管-重金属离子-碳纳米管-重金属离子...”的链状或层状复合物，最终形成沉淀而使荧光猝灭；类似的，重金属离子作为“桥梁”还能组件成“碳纳米管-碳点-重金属离子-碳点-碳纳米管...”的链状或层状复合物，同样通过重金属离子的桥接形成沉淀而猝灭荧光。

本发明通过紫外辐射对碳纳米管进行改性，藉由紫外辐射引发表面氧化反应，在碳纳米管表面形成如-OH、-COO、-CO、-COOH等官能团，从而提高了其比表面积、氧气含量、CEC值，既能为碳点提供丰富的连接位点，使碳点在碳纳米管上原位合成、均匀分布，又能提供重金属离子的捕获位点，从而可与重金属离子连接，能够在碳纳米管表面提供更多的连接官能团，利于捕获重金属以及表面连接碳点。

附图说明

图1为本发明的实施例1制得的荧光探针的荧光激发和荧光发射光谱；

图2为本发明的实施例1制得的荧光探针的荧光强度与重金属离子浓度关系的实验结果；

图3为本发明的实施例2中构建的标准曲线；

图4为本发明的对比例1制得的荧光探针的荧光激发和荧光发射光谱；

图5为本发明的对比例1制得的荧光探针的荧光强度与重金属离子浓度关系的实验结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供了一种水体中重金属离子检测的荧光探针，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂，加热反应，反应结束后产物在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品进行研磨，然后加入到氢氟酸中浸泡，之后清洗、干燥，得到碳纳米管。

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管：将碳纳米管平铺，置于紫外灯光下，进行辐射处理，制得改性碳纳米管。

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将改性碳纳米管分散于超纯水中制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热，再向碳纳米管分散液中加入甲硫氨酸、硫代卡巴肼和KH791，超声搅拌；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到反应釜中，于加热条件下反应；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物离心，去除沉淀，离心液用透析袋透析；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针，该荧光探针用于对水体中的重金属离子进行检测，所述重金属离子至少包括Cu^{2 +}、Fe³⁺、Cr⁶⁺、Hg²⁺、Pb²⁺。

本发明制得的荧光探针的激发波长为250-430nm，发射波长为400-570nm（绿色或黄绿色荧光）。其中，制得的改性碳纳米管的孔径为8-25nm，平均孔径为12nm，直径100-160nm；所述碳点的粒径为3.6-4.5nm。

本发明通过改性碳纳米管作为载体，在其上原位合成能发出明亮绿色或黄绿色荧光的碳点，从而形成一种氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，该复合材料具有对重金属离子荧光猝灭的特性，从而可以用于水体中重金属离子的高灵敏度检测。

首先本发明中通过催化裂解的方法制备出碳纳米管粗产品，通过研磨处理使部分碳纳米管被打断，使得其尺寸更加均匀，且能增大表面积，利于后续酸处理；然后通过氢氟酸浸泡去除杂质，得到纯化后的碳纳米管。

接着通过紫外辐射对碳纳米管进行改性，藉由紫外辐射引发表面氧化反应，在碳纳米管表面形成如-OH、-COO、-CO、-COOH等官能团，从而提高了其比表面积、氧气含量、CEC值（阳离子交换量），既能为碳点提供丰富的连接位点，使碳点在碳纳米管上原位合成、均匀分布，又能提供重金属离子的捕获位点，从而可与重金属离子连接，能够在碳纳米管表面提供更多的连接官能团，利于捕获重金属以及表面连接碳点。

最后结合水热法，在改性后的碳纳米管原位合成氮掺杂碳点：

其一，本发明中采用甲硫氨酸和硫代卡巴肼为原料制备碳点，使得制得的碳点表面具有丰富的巯基(-SH)、氨基（-NH₂）、羧基(-COOH)等官能团，从而提供大量的连接位点，既作为碳点与重金属例子络合的活性位点，又作为碳点与碳纳米管附着连接的负载位点；同时通过硫代卡巴肼能够为碳点引入氮元素，从而合成氮掺杂碳点（由于N原子与C原子具有近似的原子半径，且最外层具有一对孤对电子，可以作为电子供体以取代的方式对碳点进行掺杂），通过氮掺杂使得碳点的分散性能和稳定性得到了提高，且具有较宽的吸收峰，并能提高碳点的发光强度；更进一步的，制备碳点的原料中还加入了KH791（N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂），KH791对碳点的形成具有促进作用（KH791水解后可产生大量羟基，对碳点的自组装产生诱导作用），并且还能对阻止碳点团聚起到一定的促进作用。

其二，改性后的碳纳米管表面具有丰富的官能团，能够为其表面负载连接大量碳点提供便利，且其具有高度易分散的性能。常规的碳点的尺寸仅有数纳米，具有高比表面积，极易团聚，导致其荧光发射强度会大幅度降低；而作为探针对重金属离子进行检测时，会因大量碳点表面的活性位点无法充分发挥其功效而无法与重金属离子结合导致未能成功发生荧光猝灭，从而会降低检测灵敏度和精度。本发明中，首先通过氮掺杂和引入KH791改善了碳点本身的分散性能；然后利用直径100-160nm的具有高度易分散性能的改性碳纳米管来负载碳点，借助碳纳米管和碳点表面丰富的官能团作为连接位点，使得碳点可稳定负载于改性碳纳米管上；藉由改性碳纳米管的高度易分散性能，使得碳点可在体系中呈现高度分散的碳点形态，能充分暴露碳点表面的官能团，使其荧光发射强度大幅度提高；作为探针对重金属离子进行检测时，更易于与溶液中的重金属离子结合，最终可提高其检测重金属离子的灵敏度和精度。

本发明的探针中，通过碳点提供了其荧光发射性能，改性碳纳米管作为载体；该探针对重金属离子检测的原理是利用重金属离子对探针的荧光猝灭作用实现的，其猝灭机理至少包括以下两方面：

1、体系中存在重金属离子（至少包括Cu²⁺、Fe³⁺、Cr⁶⁺、Hg²⁺、Pb²⁺）时，碳点表面的巯基、氨基等官能团能与重金属离子迅速络合配位，形成配位化合物而使碳点的荧光猝灭；

2、高度分散的碳纳米管通过其上的官能团同样能够捕获连接体系中游离的重金属离子，然后通过重金属离子再连接其他的碳纳米管，使得藉由重金属离子作为“桥梁”组件成“碳纳米管-重金属离子-碳纳米管-重金属离子...”的链状或层状复合物，最终形成沉淀而使荧光猝灭；类似的，重金属离子作为“桥梁”还能组件成“碳纳米管-碳点-重金属离子-碳点-碳纳米管...”的链状或层状复合物，同样通过重金属离子的桥接形成沉淀而猝灭荧光。

本发明通过以上的双重猝灭过程，能够大大提高荧光探针对重金属离子检测的响应灵敏度和精度。

本发明还进一步提供了采用该荧光探针进行水体中重金属离子检测的方法，步骤为：

S1、将如上所述的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成探针溶液；

S2、向所述探针溶液中加入待测水体样品，搅拌，静置3-15min;

S3、将步骤S2得到的溶液置于波长为300-350nm的激发光下，检测溶液在450-500nm处的荧光强度；

S4、根据步骤S3的结果，利用预先建立的表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线，计算得到待测水体样品中的重金属离子含量。

以上为本发明的总体构思，以下提供更为详细的实施例，以对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例提供一种水体中重金属离子检测的荧光探针，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的体积比为3:2的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂（混合气体和钴颗粒的摩尔比为20:1，钴颗粒的粒径为0.5-5μm），加热至75℃，反应2.5小时，在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品加入到球磨机中研磨10分钟，然后加入到体积分数为30%的氢氟酸水溶液中，浸泡10小时，清洗，干燥，得到碳纳米管。

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管：将碳纳米管平铺，置于波长250nm的紫外灯光下，辐射距离40mm，辐射10小时，制得改性碳纳米管。

所述改性碳纳米管的孔径为8-25nm,平均孔径为12nm，直径100-160nm。

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将80mg改性碳纳米管加入到150mL的超纯水中，超声分散制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热到75℃，再向碳纳米管分散液中加入200mg甲硫氨酸、100mg硫代卡巴肼和25mg KH791，超声搅拌1小时；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，于170℃下反应6小时；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物于9000r/min下离心，去除沉淀，离心液用截断分子量为7000Da的透析袋透析10小时；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针。

其中，所述碳点的粒径为3.6-4.5nm。

本实施例制得的荧光探针可在激发光的激发下发出明亮的绿色荧光。参照图1，为该荧光探针的荧光激发和荧光发射光谱，所述荧光探针的激发波长为250-430nm，激发峰为335nm附近；发射波长为400-570nm，发射峰为475nm附近。

该荧光探针的元素成分分析结果为：6.14%的氮，1.07%的硫、10.27%的氧，余量为C和可接收的杂质，以上为质量分数。

本实施例制得的荧光探针包括两部分：碳纳米管以及负载在碳纳米管上的碳点，碳纳米管和碳点上均具有大量的官能团。

碳纳米管上富含如-OH、-COO、-CO、-COOH等官能团，使其具有较高的比表面积、氧气含量、CEC值（阳离子交换量），既能为碳点提供丰富的连接位点，使碳点在碳纳米管上原位合成、均匀分布，又能提供重金属离子的捕获位点，从而可与重金属离子连接。

碳点表面富含巯基(-SH)、氨基（-NH₂）、羧基(-COOH)等官能团，巯基、氨基等官能团能与重金属离子（Cu²⁺、Fe³⁺、Cr⁶⁺、Hg²⁺、Pb²⁺）迅速络合配位，形成配位化合物而使碳点的荧光猝灭。且丰富的羧基、巯基等官能团也利于碳点与碳纳米管的结合，使其能够均匀、稳定负载于碳纳米管上，借助于本实施例的碳纳米管高度易分散的特点以及氮掺杂对碳点分散性能的提升作用，使得碳点能够高度分散在溶液中，可以显著提高其荧光发射强度；另外藉由高度分散的碳点形态，能充分暴露碳点表面的官能团，更易于与溶液中的重金属离子结合，通过重金属离子对荧光探针的双重猝灭机理，最终可提高其检测重金属离子的灵敏度和精度。

将实施例1制备的荧光探针配制成若干份探针溶液，将系列浓度（0、1、2、3、4、5、6mM，如图中箭头表示了各曲线对应的浓度）的Pb²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺、Fe³⁺离子溶液分别加入到1份探针溶液中，检测溶液在335nm的激发光下475nm位置处的荧光强度，检测结果如图2（A）-2（E）所示；同样的将系列浓度（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10mM）的Pb²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺和Fe³⁺离子的混合溶液加入到1份探针溶液中，然后进行荧光检测，检测结果如图2（E）所示。可以看出，单独加一种重金属离子或是加入5种重金属离子的混合物时，荧光探针的绿色荧光强度随离子浓度增加而下降，说明这些重金属离子对本实施例的荧光探针具有显著的淬灭效果，从而可以利用该荧光探针进行重金属离子的检测。

实施例2

本实施例一种水体中重金属离子检测的方法，该方法包括以下步骤：

一、构建表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线：

1-1、称取干燥的实施例1制备的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成浓度为0.1mg/mL的探针溶液；

1-2、将步骤1-1得到的探针溶液均分为16份，向16份探针溶液中依次加入体积均为V₀、具有一定浓度梯度的重金属离子溶液（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0mM），搅拌，静置7min，得到16混合溶液;

1-3、将步骤1-2得到的16混合溶液分别置于波长为335nm的激发光下，检测混合溶液在475nm处的荧光强度，将荧光强度值作为y轴，对应的重金属离子浓度作为x轴，拟合得到所述标准曲线。参照图3，为本实施例中得到的拟合曲线，可以看出其具有很好线性相关度，R²=0.9994。

2、称取干燥的实施例1制备的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成浓度为0.1mg/mL的探针溶液；；

3、向步骤2得到的所述探针溶液中加入待测水体样品，搅拌，静置7min;

4、将步骤3得到的溶液置于波长为335nm的激发光下，检测溶液在475nm处的荧光强度；

5、根据步骤S3的结果，利用构建的标准曲线，计算得到待测水体样品中的重金属离子含量。

对比例1

本例中采用与实施例1类似方法制备的碳点作为荧光探针，用于进行重金属离子检测，并进行相关性能测试，以对本发明进行进一步说明。

本例中提供的荧光探针为单独的碳点（不采用改性碳纳米管负载），且制备原料和方法与实施例1基本相同，具体通过以下方法制备得到：

1、将200mg甲硫氨酸、100mg硫代卡巴肼和25mg KH791加入到150mL的超纯水中混合，超声搅拌1小时；

2、将步骤1得到的混合物转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，于170℃下反应6小时；

3、反应结束后，冷却至室温，反应产物于9000r/min下离心，去除沉淀，离心液用截断分子量为7000Da的透析袋透析10小时；

4、收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点，即所述荧光探针。

参照图4，为本例中的荧光探针的荧光激发和荧光发射光谱，该荧光探针可在激发光的激发下发出明亮的绿色荧光，激发波长为240-415nm，激发峰为330nm附近；发射波长为390-555nm，发射峰为470nm附近。可以看出，其荧光激发和荧光发射光谱的特性与实施例1基本相同，稍有一些偏移，主要原因是碳纳米管负载碳点使碳点的荧光发射和激发波长出现了小量的偏移；也可以说明实施例1中的荧光发光性能是由碳点提供的。最大区别点是本例的荧光强度较实施例1大幅度降低，主要原因是本例中碳点的团聚。

该荧光探针的元素成分分析结果为：8.22%的氮，0.85%的硫、9.13%的氧，余量为C和可接收的杂质，以上为质量分数。

将本例制备的荧光探针配制成若干份探针溶液，将系列浓度（0、1、2、3、4、5、6mM）的Hg²⁺、Cu²⁺离子溶液（以该2种为例，未再单独列出其他离子）分别加入到1份探针溶液中，检测溶液在330nm的激发光下470nm位置处的荧光强度，检测结果如图2（A）和2（B）所示；同样的将系列浓度（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10mM）的Pb²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺和Fe³⁺离子的混合溶液加入到1份探针溶液中，然后进行荧光检测，检测结果如图2（C）所示。可以看出，单独加一种重金属离子或是加入5种重金属离子的混合物时，荧光探针的绿色荧光强度随离子浓度增加而下降，其对重金属离子的猝灭性能与实施例1是类似的，且曲线形状大致相同，因为本例的碳点与实施例1中提供荧光性能的碳点制备方法、性能是类似的。主要区别基础在于：

1）本例中的荧光探针的荧光强度（重金属离子浓度为0时，）显著低于实施例，其归因于实施例1中改下碳纳米管为碳点带来的高度分散性能，能够极大降低碳点的团聚，使实施例1中荧光发射强度大幅度提高。而本例中，由于大量碳点团聚，导致荧光发射强度显著降低；

2）本例中荧光强度对重金属离子的响应强度明显减弱（浓度0和1mM的离子曲线的峰值之间的距离减小，其他相邻的离子浓度曲线的峰值之间的距离也减小了）；其归因于本例中的荧光猝灭只存在单一的荧光猝灭过程：重金属离子与碳点表面的巯基、氨基等官能团能络合配位而使碳点的荧光猝灭；缺失了因实施例1中因金属离子的桥接形成沉淀而猝灭荧光的功能，使得同样的离子浓度下，实施例1中荧光强度减弱更加明显。

通过本对比例可以充分说明：1、本发明的荧光探针的荧光性能来自于碳点；2、本发明通过改性碳纳米管负载碳点构建的复合型荧光探针更易于分散，对于重金属离子检测具有更高的灵敏度和精度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种水体中重金属离子检测的荧光探针，其特征在于，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂，加热反应，反应结束后产物在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品进行研磨，然后加入到氢氟酸中浸泡，之后清洗、干燥，得到碳纳米管；

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管；

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将改性碳纳米管分散于超纯水中制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热，再向碳纳米管分散液中加入甲硫氨酸、硫代卡巴肼和KH791，超声搅拌；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到反应釜中，于加热条件下反应；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物离心，去除沉淀，离心液用透析袋透析；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针，该荧光探针用于对水体中的重金属离子进行检测，所述重金属离子包括Cu²⁺、Fe³⁺、Cr^{6 +}、Hg²⁺和Pb²⁺。

2.根据权利要求1所述的水体中重金属离子检测的荧光探针，其特征在于，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂，加热至600-800℃，反应1-4小时，在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品加入到磨机中研磨5-30分钟，然后加入到氢氟酸中，浸泡4-24小时，清洗，干燥，得到碳纳米管；

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管；

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将改性碳纳米管分散于超纯水中制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热到70-100℃，再向碳纳米管分散液中加入甲硫氨酸、硫代卡巴肼和KH791，超声搅拌0.5-2小时；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到反应釜中，于120-200℃下反应4-10小时；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物于8000-14000r/min下离心，去除沉淀，离心液用截断分子量为6000-12000Da的透析袋透析8-24小时；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针。

3.根据权利要求2所述的水体中重金属离子检测的荧光探针，其特征在于，其通过以下方法制备得到：

1）制备碳纳米管：将正己烷和氢气的混合气体通入石英管中，使用钴颗粒作催化剂，加热至75℃，反应2.5小时，在氮气气氛下冷却至室温，得到碳纳米管粗产品；

将碳纳米管粗产品加入到球磨机中研磨10分钟，然后加入到体积分数为30%的氢氟酸水溶液中，浸泡10小时，清洗，干燥，得到碳纳米管；

2）对碳纳米管进行紫外辐射改性处理，制得改性碳纳米管；

3）在改性碳纳米管上原位合成氮掺杂碳点，制得荧光探针：

3-1）将80mg改性碳纳米管加入到150mL的超纯水中，超声分散制得碳纳米管分散液，将碳纳米管分散液加热到75℃，再向碳纳米管分散液中加入200mg甲硫氨酸、100mg硫代卡巴肼和25mg KH791，超声搅拌1小时；

3-2）将步骤3-1）得到的混合物转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，于170℃下反应6小时；

3-3）反应结束后，冷却至室温，反应产物于9000r/min下离心，去除沉淀，离心液用截断分子量为7000Da的透析袋透析10小时；

3-4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到氮掺杂碳点-碳纳米管复合材料，即所述荧光探针。

4.根据权利要求3所述的水体中重金属离子检测的荧光探针，其特征在于，所述步骤1）的混合气体中正己烷和氢气的体积比为3:2。

5.根据权利要求3所述的水体中重金属离子检测的荧光探针，其特征在于，所述步骤2）具体包括：将碳纳米管平铺，置于波长245-275nm的紫外灯光下，辐射距离30-60mm，辐射6-24小时，制得改性碳纳米管。

6.根据权利要求3所述的水体中重金属离子检测的荧光探针，其特征在于，所述荧光探针的激发波长为250-430nm，发射波长为400-570nm。

7.根据权利要求3所述的水体中重金属离子检测的荧光探针，其特征在于，所述改性碳纳米管的孔径为8-25nm,平均孔径为12nm，直径100-160nm；所述碳点的粒径为3.6-4.5nm。

8.一种水体中重金属离子检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、将如权利要求1-7中任意一项所述的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成探针溶液；

S2、向所述探针溶液中加入待测水体样品，搅拌，静置3-15min;

S3、将步骤S2得到的溶液置于波长为300-350nm的激发光下，检测溶液在450-500nm处的荧光强度；

S4、根据步骤S3的结果，利用预先建立的表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线，计算得到待测水体样品中的重金属离子含量。

9.根据权利要求8所述的水体中重金属离子检测的方法，其特征在于，所述步骤S4中，表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线的建立方法包括以下步骤：

S4-1、称取干燥的如权利要求1-7中任意一项所述的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成浓度为C₀的探针溶液；

S4-2、将步骤S4-1得到的探针溶液均分为N份，向N份探针溶液中依次加入体积均为V₀、具有一定浓度梯度的重金属离子溶液，搅拌，静置7min，得到N混合溶液;

S4-3、将步骤S4-2得到的N混合溶液分别置于波长为335nm的激发光下，检测混合溶液在475nm处的荧光强度，将荧光强度值作为y轴，对应的重金属离子浓度作为x轴，拟合得到所述标准曲线。

10.根据权利要求9所述的水体中重金属离子检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、将如权利要求1-7中任意一项所述的荧光探针加入到超纯水中，分散均匀，配制成浓度为C₀的探针溶液；

S2、向所述探针溶液中加入体积均为V₀的待测水体样品，搅拌，静置7min;

S3、将步骤S2得到的溶液置于波长为335nm的激发光下，检测溶液在475nm处的荧光强度；

S4、根据步骤S3的结果，利用预先建立的表征荧光强度与重金属含量关系的标准曲线，计算得到待测水体样品中的重金属离子含量。

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