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近年来，荧光纳米材料因在光催化、生物传感、消毒、离子检测、光电器件和污染物去除等许多领域具有广阔的应用前景而备受关注[1-4]. 荧光纳米材料包括半导体量子点、氮化碳、纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯量子点、碳点以及各种复合材料. 含重金属的量子点具有毒性，故环保型荧光纳米材料的制备和应用成为重要的发展趋势.
氮化碳是一种非常有前途的应用材料[5]，目前已广泛用于水分解、太阳能传输、污染物去除和检测等领域[6-8]，一般通过高温热解工艺由富含氮的前体（如三聚氰胺，氰胺和双氰胺）制备，所得的氮化碳通常具有粒径大、水溶性差、发光性能弱等特点. 近年来，光响应性能增强的氮化碳纳米薄膜和氮化碳量子点的制备和应用受到越来越多研究者的关注[9-10]. Liu等[11]利用有机胺制备光致发光氮化碳量子点，将其作为新型类过氧化物酶，运用比色法检测H2O2和葡萄糖. Zhang等[12]采用水热合成法制备具有光氧化还原催化性能的富碳氮化碳纳米薄膜. 石墨相C3N4纳米片的制备及应用于生物成像、生物传感和离子检测也有相关报道[13-20]. Qiao等[21]报道了硒掺杂石墨氮化碳纳米薄膜的合成方法，并应用于过氧化氢和黄嘌呤比色法检测. Zheng等[22]报道了磁性氮化碳纳米片的简便合成及其在食用油样品中多环芳烃磁性固相萃取中的应用. 研究利用简单的方法合成具有不同形态的氮化碳纳米材料，拓展其应用领域是很有意义的工作.
氯（Cl2）、次氯酸（HClO）和次氯酸根离子（ClO−）具有强氧化性，常用作水的消毒剂. 水中溶解的Cl2、HClO和ClO−的总和定义为游离氯[23]. 游离氯在水中的残留浓度不宜过高，监测其在水中的含量很有必要. 游离氯的测定方法包括碘滴定法[24]、比色法[25]、化学发光法[26]、离子色谱法[27]、液相色谱法[28]、流动注射分析[29]等. 尽管每种方法都有其优点，但仍普遍存在检测灵敏度低、选择性差、使用有毒试剂或应用程序复杂等缺点，开发简便、有效和环保的游离氯测定方法显得很重要.
本研究应用简便的微波辅助溶剂热法，以柠檬酸和三聚氰胺为前驱体制备荧光氮化碳纳米材料（CNNPs），以CNNPs为荧光探针建立对游离氯的定量测定方法，并用于真实水样中游离氯的测定.
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一水合柠檬酸（CA）、三聚氰胺和油酸均为分析纯，购自上海国药化学试剂有限公司（中国）；硫酸奎宁，分析纯，购自阿拉丁工业公司（中国上海）；超纯水通过Milli-Q系统（Millipore，Bedford，MA，美国）制备.其他试剂均为分析纯试剂，无需进一步纯化即可使用.
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利用简单的一步微波辅助溶剂热法制备CNNPs. 将1.5 g CA分别和1.5、0.75、0.5、0.3 g三聚氰胺置于30 mL反应管中，加入10 mL油酸，在1200 r·min−1的磁力搅拌条件下，将混合物置于微波合成器（Anton Paar Monowave 300，奥地利）中在220 ℃下加热15 min，反应过程中压力保持在2.32 MPa. 反应完成后，反应管自然冷却至室温，收集棕色沉淀物. 将沉淀物用正己烷充分洗涤，分散在超纯水中，并以5000 r·min−1离心30 min以除去大颗粒产物. 对应产物分别命名为：CNNPs-1、CNNPs-2、CNNPs-3、CNNPs-5.
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利用TEM（FEI Tecnai G2 F20）分析CNNPs材料的表面形貌，利用Bruker DAVINCI D8 ADVANCE衍射仪测定X射线衍射（XRD）光谱，利用Thermo ESCALAB 250XI多功能成像电子光谱仪（Thermo Fisher）测定X射线光电子能谱（XPS），利用Magna-IR 750傅里叶变换红外（FT-IR）光谱仪（Nicolet）测定FT-IR光谱，利用UV-2550分光光度计（Shimadzu）测定紫外-可见（UV-Vis）光谱，利用Cary Eclipse PL分光光度计（Varian）测定荧光光谱，使用Vario ELⅢ 元素分析仪（Elementar, Germany）测定元素组成.
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以硫酸奎宁为参比，通过比较积分荧光强度（PL）计算CNNPs的量子产率. 将硫酸奎宁溶解在0.1 mol·L−1硫酸中，并将获得的CNNPs溶解在超纯水中（η=1.33），所测吸光度保持在0.1以下. CNNPs的量子产率由以下方程式确定：
式中，Q为量子产率，I为积分荧光强度，η为溶剂的折射率，A为吸光度，下标R表示参比样品. 硫酸奎宁在激发波长350 nm下的量子产率为0.577，0.1 mol·L−1 硫酸溶液和超纯水的折射率均为1.33.
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实验中，CNNPs-5溶液的浓度均为2.5 μg·mL−1. 往CNNPs-5溶液中加入50 μmol·L−1的次氯酸钠，测定溶液在0—60 min内的荧光强度变化. 测定CNNPs-5溶液在添加30 μmol·L−1的次氯酸钠和未添加次氯酸钠时，荧光强度在pH 4—10范围内的变化，分别记为F和F0. 游离氯浓度检测实验中，往CNNPs-5溶液中分别添加0、2、4、6、8、10、15、30、50、60、70、80、90、100 μmol·L−1的次氯酸钠，测定425 nm处的发射荧光强度，根据3倍标准偏差规则（LOD=3Sd/s）计算检测限（LOD）.
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设置两个对照实验，在选择性响应实验中选取16种离子，包括ClO−、Cl−、
$\text{ClO}_{3}^{-}$ 、$\text{ClO}_{4}^{-}$ 、Br−、$\text{BrO}_{3}^{-}$ 、$\text{NO}_{2}^{-}$ 、$\text{NO}_{3}^{-}$ 、$\text{HPO}_{4}^{2-}$ 、$\text{PO}_{4}^{3-}$ 、$\text{SO}_{3}^{2-}$ 、$\text{SO}_{4}^{2-}$ 、Ca2+、Ag+、Cu2+和Pb2+，浓度均为100 μmol·L−1，分别加入到CNNPs-5水溶液中，并记录425 nm处的荧光强度响应. 其中阴离子添加的是其对应的钠盐，Ca2+、Ag+、Cu2+和Pb2+添加的分别是CaCl2、AgNO3、CuCl2和Pb(NO3)2. 在另一个对照干扰实验中，将100 μmol·L−1的ClO−溶液和300 μmol·L−1的上述离子加入CNNPs-5水溶液中，未添加干扰离子的溶液作为对照组，分别记录荧光猝灭响应. -
采集不同位置的2份自来水样品，自来水样品不经处理，添加3种不同浓度的游离氯溶液，运用上述检测方法对所含游离氯浓度进行检测，并计算相对标准偏差.
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本研究制备的CNNPs样品XRD谱图如图1（a）所示。可以看出，各样品的谱峰均集中在27.5°，与石墨相氮化碳的相关报道一致[5，30]，表明成功制备了CNNPs. 柠檬酸的用量越大，所制备的CNNPs水溶性增加，即相对其他3种合成CNNPs材料（CNNPs-1、CNNPs-2、CNNPs-3），CNNPs-5的水溶性最佳，后续选取CNNPs-5作进一步表征和实验. CNNPs-5的微观形貌和粒径分布如图1（b）—（d）所示：CNNPs-5为准球形粒子；具有明显的晶格条纹，测得晶格参数为0.281 nm，与石墨相氮化碳的（002）晶面一致[17]；随机测定TEM视野下CNNPs-5材料的50个颗粒粒径大小，结果显示粒径主要分布在4.0—6.0 nm的范围内.
CNNPs-5的XPS谱图（图2a)在285.4、398.4、531.3 eV处有3个峰，可分别归属于C-1s、N-1s和O-1s.C-1s光谱可分解为284.53、285.38、287.95、288.52 eV处的4个峰（图2b），表明存在4种类型的碳键：sp2 C=C或sp3 C—C，C—N或C—O，sp2 C=N，C=O. N-1s光谱的分解表明存在3种类型的氮键：C—N—C（398.66 eV）、N—(C)3（399.51 eV）和C—N—H（400.22 eV）（图2c）[31].
FT-IR光谱（图3a）在1405和1362 cm−1处显示两个特征峰，可归因于芳族C=N伸缩振动. 指纹区域中785 cm−1处的特征峰为s-三嗪环的呼吸振动模式[32]，1701 cm−1处的强峰归因于不对称的C=O和C=N的伸缩振动，3379 cm−1处的宽峰归因于N—H和O—H的伸缩振动.
紫外可见光谱（图3b）显示存在一个以335 nm为中心的特征峰，可归因于表面激发态能量的捕获[33]，吸收带延伸至550 nm. 激发依赖荧光光谱（图3c）显示，随激发波长在310—350 nm范围内增大，发射波长基本保持不变；随激发波长在350—390 nm范围内增大，发射波长由425 nm红移至460 nm. 随激发波长的增大，荧光强度先增大后减小，在340 nm的激发波长下，425 nm处可观察到最强发射峰，与氮化碳纳米粒子的UV-vis吸收特征相符. 使用硫酸奎宁作为参照，计算得CNNPs-5的量子产率为15.1 %. CNNPs-5在365 nm紫外光下显示出亮蓝色的荧光（图3b，插图）.
元素分析结果表明，产物元素组成（质量分数）包含33.11 %的碳，38.46 %的氮，4.15 %的氢和24.28 %的氧. 可以看出，CNNPs-5含有丰富的氧和氮，碳化程度相对较低，含氧和氮的官能团（如羟基和氨基）可能位于石墨氮化碳单元的边缘，这些官能团使产物具有良好的水溶性. Messina等[34]认为富氮碳纳米点的荧光源于壳表面的电子态，可认为本研究所获得的CNNPs-5为功能性氮化碳纳米粒子.
从上述表征结果分析，本研究合成方法具有反应温度较低、操作简便、回收率高、后处理简单等优点，借助微波场的反应时间相对较短，提供了一种合成水溶性氮化碳纳米粒子的简单方法. 合成的材料既具有氮化碳的结构，同时表面丰富的官能团赋予了纳米材料很好的水溶性.
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将获得的CNNPs-5用于游离氯的检测，结果如图4a所示，在425 nm处，最初1 min内，50 μmol·L−1次氯酸钠浓度下CNNPs-5的荧光强度猝灭率约为86%. 在接下来的60 min内，荧光强度基本保持稳定. 该结果表明，游离氯对所制备的CNNPs的荧光猝灭非常迅速，可用于溶液中游离氯的快速测定.
图4b显示了次氯酸盐作用下，不同pH值对CNNPs-5荧光响应的影响. 在没有游离氯的情况下，CNNPs-5的荧光强度在4—10的pH范围内基本保持不变，但在较高酸性（pH=3）或较大碱性（pH>10）的情况下明显降低. 在游离氯存在情况下，荧光随pH值变化的趋势与无游离氯时的相似，但在酸性介质中，游离氯对CNNPs-5荧光的猝灭程度比在碱性介质中更为显著. pH值会影响HClO、ClO−和Cl2之间的化学平衡，在酸性至弱碱性溶液（pH=3—9）中，游离氯主要为HClO；在强碱性溶液（pH>9）中，游离氯主要以ClO−的形式存在[35]. HClO的氧化能力比ClO−强，因此氧化可能是荧光猝灭的主要原因. 基于这些实验，该测定方法适用于酸性至弱碱性环境.
为了评估CNNPs-5测定游离氯方法的选择性，进行了两个对照实验（pH=7.0）. 其中选择性响应实验分别添加100 μmol·L−1与生物和环境密切相关的离子，实验结果如图5a所示，在加入ClO−的情况下可观察到明显的荧光猝灭，而其他离子的影响可忽略不计. 在另一个干扰实验中，将ClO−和选择性响应实验离子加入CNNPs-5水溶液的实验结果如图5b（红色条），未添加干扰离子的溶液作为对照组（黑色条，图5b）. 实验表明，其他共存离子对ClO−猝灭的影响可以忽略. 这两个对照实验表明，所制备的CNNP-5对ClO−具有高度选择性.
基于以上CNNPs-5的荧光猝灭结果，将不同浓度的ClO−添加到CNNPs-5水溶液中，随着ClO−浓度的增加，荧光强度逐渐降低. 图5c表明，在0—80 μmol·L−1的范围内，荧光强度与ClO−的浓度之间存在良好的线性关系（R2=0.9936）. 图5d显示添加各种浓度ClO−后CNNPs-5的荧光发射光谱. 根据3倍标准偏差规则（LOD=3Sd·s−1）计算得检测限（LOD）为0.22 μmol·L−1. 如表1所示，所获得的LOD较利用其他荧光探针的线性范围更宽，或检测限更低[23，36-41]. 表明该分析方法对ClO−离子具有出色的选择性和灵敏度. 不同批次合成的CNNPs-5对ClO−离子的响应一致.
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自来水样品在未经任何预处理的情况下，掺入不同浓度的ClO−离子，运用上述方法进行分析. 结果如表2所示，从不同位置采集的2份自来水样品中的游离氯浓度分别为1.12、1.09 μmol·L−1，样品的回收率为96.3%—107.5%，相对标准偏差（RSD）小于3.70%（n=3），表明该方法适用于天然水样品的检测.
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本研究建立了一种简单的利用微波辅助溶剂热法，在适中的反应温度下，利用柠檬酸和三聚氰胺在油酸介质中制备获得荧光氮化碳纳米材料（CNNPs），所制备的CNNPs具有中等的荧光量子产率（15.1%），简单纯化处理可直接用于测定水中游离氯浓度. 该方法简便、快速、低成本且环境友好，测试结果与比色法测试结果一致，可用于检测实际样品中的游离氯.
微波辅助法制备荧光氮化碳纳米材料及其在游离氯检测中的应用
Microwave-assisted preparation of fluorescent carbon nitride nanoparticles and their application in the detection of free chlorine
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摘要: 在220 ℃下借助微波辅助溶剂热法，利用柠檬酸和三聚氰胺制备荧光氮化碳纳米材料（CNNPs），通过多种分析技术表征了制备的CNNPs。基于游离氯能快速猝灭CNNPs的荧光，将CNNPs做为荧光探针用于游离氯的定量测定，其荧光猝灭速度小于1 min；选择性响应实验和干扰实验表明该测定方法具有较好的灵敏度和选择性，游离氯的线性响应范围为0—80 μmol·L−1，检测限低至0.22 μmol·L−1。该方法适用于实际水样中游离氯的检测。Abstract: Fluorescent carbon nitride nanoparticles (CNNPs) were prepared from citric acid and melamine by a facile microwave-assisted solvothermal method at moderate reaction temperature (220 ℃). The obtained CNNPs were characterized by multiple analytical techniques. Free dissolved chlorine can quench the fluorescence of the CNNPs with excellent sensitivity and selectivity. The quenching speed was rather quick (less than 1 min), selective response experiments and interference experiments showed that this determination method had excellent sensitivity and selectivity. The linear response range of free chlorine was from 0 to 80 μmol·L−1. The limit of detection was as low as 0.22 μmol·L−1. We conclude that this method is applicable to detect free chlorine in real water samples.
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Key words:
- carbon nitride nanoparticles /
- fluorescent quenching /
- free chlorine /
- melamine /
- citric acid
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图 1 CNNPs的XRD（a）谱图，CNNPs-5的TEM（b）、HRTEM（c）及尺寸分布（d）图
Figure 1. The XRD pattern (a) of the CNNPs, TEM (b) and HRTEM (c) images and the size distribution (d) of the CNNPs-5
图 2 CNNP-5的XPS（a）及对应的C-1s（b）和N-1s（c）光谱
Figure 2. The XPS (a) and the corresponding C-1s (b) and N-1s (c) spectra of the CNNP-5
图 3 CNNPs-5的IR光谱（a），UV-Vis光谱和光致发光光谱（b），激发依赖发射光谱（c）（b）中插图分别是在日光（左）和365 nm紫外光（右）下拍摄的照片
Figure 3. The IR spectrum (a), UV-Vis and photoluminescence spectrum (b), and excitation-dependent emission spectrum (c) of the CNNPs-5. The two illustrations in (b) were photos taken under daylight (left) and 365 nm ultraviolet light (right).
图 4 不同反应时间（a）和pH（b）条件下CNNPs-5对游离氯的荧光响应
Figure 4. Fluorescence response of CNNPs-5 to free chlorine under different reaction time (a) and pH (b) conditions
图 5 CNNPs-5对ClO−的选择性响应（a），干扰实验（b），浓度响应（c）和线性关系图（d）
Figure 5. The selective response (a), interference experiment (b), concentration response (c), and linerar relation of CNNPs-5 towards ClO−
表 1 不同方法检测ClO−的性能比较
Table 1. Comparison of performance of detecting ClO− by different methods
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表 2 自来水样品中游离氯的测定
Table 2. Determination of free chlorine in tap water samples
样品
Samples添加量/(µmol·L−1)
Added总氯/(µmol·L−1)
Total found样品值/(µmol·L−1)
Found回收率/%
Recovery相对标准偏差/%
RSD1 0.1 1.21 1.12 96.3 3.40 0.5 1.62 100.6 3.10 1.0 2.10 97.6 1.61 2 0.1 1.20 1.09 107.5 2.70 0.5 1.61 103.4 3.70 1.0 2.06 96.8 2.05
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