锌硼共掺杂碳点的制备及其在检测亚硫酸根中的应用

Preparation of Zinc and Boron co-Doped Carbon Dots and Their Application in the Detection of Sulfite

摘要

亚硫酸根常作为食品添加剂用于抑制酶促、非酶促反应过程和微生物的生长，但过量摄入亚硫酸根对人体有害。因此，发展用于快速检测自来水和食品中微量亚硫酸根的方法十分必要。本文利用邻氨基苯硼酸和ZnCl₂为原料通过一步水热法制备了能够发射黄色荧光（535 nm）的锌硼共掺杂碳点（ZnB-CDs），并对其形貌和性质进行了表征。基于亚硫酸根降低ZnB-CDs的表面缺陷使其荧光增强的现象，建立了亚硫酸根的荧光检测新方法。在最优条件下，该方法的线性范围为4~160 μmol/L，检出限为1.24 μmol/L，应用于自来水、白砂糖和冰糖中亚硫酸根含量的测定，回收率为96.7%~107.2%。

Abstract

Sulfite is often utilized as food additives to inhibit the process of enzymatic, non-enzymatic reaction and microbial growth, but excessive intake of sulfite is harmful to human body. Therefore, it is necessary to develop methods for rapid detection of trace sulfite in tap water and food. In this work, a simple one-pot hydrothermal treatment for preparation of the zinc and boron co-doped carbon dots (ZnB-CDs), which exhibits yellow fluorescence (535 nm), from 2-aminophenylboronic acid hydrochloride and ZnCl₂ as the precursors was presented, and the morphology and properties of the products were characterized. Based on the phenomenon that the surface defects of the ZnB-CDs are decreased by sulfite, a new fluorescence method for the determination of sulfite was established. Under the optimized conditions, the fluorescence intensity difference was proportional to the logarithm of sulfite concentration in the range of 4-160 μmol/L with a limit of detection of 1.24 μmol/L. The turn-on fluorescence sensing strategy was utilized to the determination of sulfite in tap water, granulated sugar and crystal sugar, with a recovery of 96.7%-107.2%.

Graphical abstract

关键词

碳点 / 荧光探针 / 亚硫酸根 / 食品安全

Key words

carbon dots / fluorescence probe / sulfite / food safety

0　 引 言

碳点（carbon dots，CDs）作为新型的碳纳米材料，由于简单的合成路线、良好的化学和光稳定性、可调的激发和发射光谱，已引起了广泛的关注^［1，2］。已有报道指出，表面功能化和杂原子掺杂能够有效调控CDs固有的荧光性质。其中，杂原子掺杂因易于操作已引起大量的研究，如Gong等^［3］报道了一种低温、绿色合成发射黄光CDs的方法，并将其应用于pH传感和细胞成像；Xu等^［4］以葡萄糖和H₃PO₄为前驱体制备了发射黄光的氮磷共掺杂碳点（NP-CDs），并将其应用于Cr（Ⅵ）的检测；Tian等^［5］以3-氨基苯硼酸为单一原料制备了发射黄光的氮硼共掺杂碳点（NB-CDs）。然而，大量研究都集中在制备非金属掺杂CDs，低成本的金属掺杂CDs的制备鲜有报道。Yang等^［6］采用溶剂热辅助微波法合成了具有过氧化酶活性的铁氮共掺杂碳点（FeN-CDs）；Yang等^［7］大规模制备了可调控荧光性质的重金属掺杂CDs。但是由于合成路线复杂，限制了其广泛应用。因此，设计步骤简单、成本低的制备金属掺杂CDs的方法十分必要。

亚硫酸根常用作食品添加剂以抑制酶促、非酶促反应过程和微生物的生长^［8］。而工业生产释放出大量的SO₂，会造成严重的环境污染。过量接触SO₂或食用亚硫酸根可能导致过敏反应、哮喘、低血压等疾病，低浓度接触也有一定的危害^［9~11］。因此，亚硫酸根的检测对食品质量监控和环境保护非常必要。

基于此，本文采用一步水热法处理邻氨基苯硼酸和ZnCl₂得到锌硼共掺杂碳点（ZnB-CDs）并以其为探针建立了简单、快速荧光检测亚硫酸根的新方法（图1）。

1　 实验部分

1.1　试剂和仪器

试剂：邻氨基苯硼酸购自上海泰坦科技有限公司；氯化锌和亚硫酸钠购自天津光复化学试剂有限公司；实验用超纯水由18202V AXL型净水系统制备。

仪器：紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱由TU-1901紫外可见分光光度计（北京普析通用有限仪器公司）测得，石英比色池厚度为1 cm；荧光光谱由RF-5301PC荧光光谱仪（Shimadzu公司）测得，激发和发射的狭缝宽度均为5 nm；量子产率由FLS920光谱仪（爱丁堡仪器公司）测得；ZnB-CDs的形貌和尺寸用Hitachi-600透射电子显微镜（TEM，Hitachi公司）表征；X射线光电子能谱（XPS）由PHI 5702光谱仪 （物理电子公司） 测得；Fourier变换红外（FT-IR）光谱由Nicolet Nexus 670光谱仪（Nicolet公司）测得。

1.2　ZnB-CDs的制备

ZnB-CDs的制备步骤如下：将21.7 mg 邻氨基苯硼酸和34.0 mg ZnCl₂加入到含有5.0 mL超纯水的烧瓶中，混合均匀后转移至50 mL高压反应釜中，于200 ℃反应12 h。反应结束后自然冷却至室温，在12 000 r/min转速下离心10 min，以除去较大颗粒，得到的ZnB-CDs溶液置于室温下储存备用。

不加ZnCl₂，按上述方法制备硼掺杂碳点（B-CDs）。

1.3　亚硫酸根的检测

将100 μL ZnB-CDs溶液加入到2.85 mL（10 mmol/L，pH 4.0）HAc-NaAc缓冲溶液中，加入30 μL不同浓度的亚硫酸根溶液，混匀。室温下孵化5 min后，以460 nm为激发波长，于535 nm处测量溶液的荧光强度F。根据F-F₀与亚硫酸根浓度绘制工作曲线，F₀为ZnB-CDs溶液未加入亚硫酸根时的荧光强度。

1.4　实际样品处理和亚硫酸根含量的测定

自来水样品取自实验室并通过滤膜（0.22 μm）过滤备用。白砂糖和冰糖购自兰州市超市，用文献报道方法^［12］预处理。分别将白砂糖和冰糖溶于超纯水中配制成0.1 g/mL的溶液，用滤膜（0.22 μm）处理后备用。经处理的样品溶液按1.3节方法测量亚硫酸根的含量。

2　 结果与讨论

2.1　制备条件优化

为了获得最高的荧光强度，实验考察了两种反应物的摩尔比（molar ratio）、反应温度和反应时间对ZnB-CDs荧光强度的影响。如图2所示，当邻氨基苯硼酸和ZnCl₂的摩尔比为1∶2时，荧光强度最高（图2A）；当反应温度从180 ℃增加至200 ℃时，荧光强度明显增加，进一步增加反应温度至210 ℃，荧光强度反而下降（图2B）；当反应时间增加至12 h，荧光强度不断增加，当反应时间大于12 h时，荧光强度反而下降（图2C）。因此，选择邻氨基苯硼酸和ZnCl₂的摩尔比为1∶2，反应温度为200 ℃，反应时间为12 h。

2.2　ZnB-CDs的表征

采用TEM表征ZnB-CDs的形貌和尺寸。如图3A所示，ZnB-CDs近似球状形貌，分散性良好。对图3A中大约100个颗粒的粒径进行统计，可知ZnB-CDs的粒径范围是1.3~2.3 nm，平均粒径约为1.7 nm（图3B）。

采用FT-IR和XPS表征ZnB-CDs的表面组成。如图4所示，3 203 cm^-1处的吸收峰归属于N—H的伸缩振动^［13］；1 627 cm^-1和1 596 cm^-1处的两个吸收峰归属于C=C/C=N/C=O的振动^{［14，15］}；1 465 cm^-1和1 190 cm^-1处的两个吸收峰分别代表C—N和C—B的伸缩振动^［16］。1 407和1 028 cm^-1处的吸收峰源于B—O和B—O—H的振动^［17］；450 cm^-1处的吸收峰属于Zn—O，表明氧与金属形成了配合物^［18］。通过对比B-CDs和ZnB-CDs的FT-IR光谱，发现ZnB-CDs特征峰3 590 cm^-1（—OH）和1 627 cm^-1（C=O）的强度明显降低^［18］。上述结果表明ZnB-CDs已成功合成。

图5表明ZnB-CDs存在6种元素：碳、氧、氮、硼、锌和氯。根据图5拟合得到图6：C 1s高分辨能谱存在C—B（284.2 eV）、C—C/C=C（285.0 eV）和C—N（285.8 eV）（图6A）^［17］；N 1s高分辨能谱存在N—N（400.5 eV）和N—（C）₃（401.8 eV）（图6B）^［19］；B 1s高分辨能谱存在B—C（189.8 eV）和B—CO ₂（192.7 eV）（图6C）^［20］；Zn 2p的高分辨能谱（图6D）出现1 023 eV和1 046 eV为中心的峰^［18］。上述结果表明Zn²⁺已成功掺杂到CDs之中。

2.3　ZnB-CDs的稳定性

为了研究ZnB-CDs的稳定性，考察了离子强度、光照时间、pH值和温度对荧光强度的影响。如图7A所示，向ZnB-CDs溶液中加入不同浓度（0~500 mmol/L）的NaCl，ZnB-CDs的荧光强度基本不变，表明离子强度对ZnB-CDs的影响很小。如图7B所示，当氙灯（460 nm）照射ZnB-CDs溶液60 min后，ZnB-CDs的荧光强度未发生明显变化，表明该ZnB-CDs具有优良的光稳定性。如图7C所示，在不同温度（20~60 ℃）下孵化5 min，荧光强度几乎不变，表明该ZnB-CDs具有优良的热稳定性。如图7D所示，ZnB-CDs的荧光强度在pH 4.0~7.0范围内较强且稳定。上述结果表明，ZnB-CDs在实际应用方面具有很大的潜力。

2.4　ZnB-CDs的光学性质

ZnB-CDs的UV-Vis吸收光谱和荧光发射光谱如图8所示。ZnB-CDs的UV-Vis吸收光谱中，位于207 nm和230 nm处明显的吸收峰归属于C=C的π—π*跃迁，278 nm处吸收峰源自C=O的n—π*跃迁^［21］。从荧光光谱可以看出，ZnB-CDs的发射波长为535 nm。

2.5　检测条件优化

缓冲溶液的pH值和孵化时间与方法的灵敏度密切相关。当pH值从3.0变化到4.0，荧光强度缓慢增加；当pH继续增加，荧光强度逐渐降低。在室温下向反应体系中加入100 μmol/L亚硫酸根后，5 min反应达到平衡，即荧光强度没有明显变化。因此，选择pH 4.0和5 min分别作为最佳pH值和孵化时间。

2.6　方法性能

如图9A所示，ZnB-CDs的荧光强度随着加入亚硫酸根浓度的增加逐渐增加。基于此，建立了荧光检测亚硫酸根新方法。如图9B所示，在最佳条件下，ΔF与亚硫酸根浓度的对数lgc存在两个线性范围，分别为4~50 μmol/L和50~160 μmol/L，线性方程分别为ΔF=97.03lgc-39.83（R²=0.995 3）和ΔF=250.83lgc-299.30（R²=0.995 7）。经计算可知^［22］，检出限（LOD）为1.24 μmol/L。与其他方法^[23~28]相比（见表1），该方法具有较高的灵敏度。

2.7　选择性

选择100 μmol/L不同阴离子（Cl^-、Br^-、I^-、CO₃^2-、HCO₃^-、PO₄^3-、HPO₄^2-、H₂PO₄^-、SCN^-、SO₄^2-、HSO₄^-、NO₃^-、NO₂^-、S₂O₃^2-、S^2-、F^-）、半胱氨酸（cysteine）和谷胱甘肽（glutathione）作为干扰物质，考察该方法对100 μmol/L亚硫酸根的选择性。从图10可以看出，在相同条件下，浓度为100 μmol/L的干扰物质未引起明显的荧光增强现象，表明该方法对于亚硫酸根具有良好的选择性。

2.8　检测机理

加入检测物后出现CDs的荧光增强现象可能是由两种机理造成的，一是聚集诱导发射增强，二是表面缺陷降低^{［29，30］}。研究发现，加入亚硫酸根前后，材料的形貌和分散状态均未发生明显变化，FT-IR谱图的主要吸收峰也未发生明显变化，但UV-Vis吸收光谱中ZnB-CDs的吸光度明显增强（图11），表明亚硫酸根加入ZnB-CDs后出现的荧光增强是因为降低了材料表面缺陷。

2.9　样品分析

用该方法对自来水、白砂糖和冰糖样品中亚硫酸根的含量进行测定，考察方法的实用性。如表2所示，方法的回收率为96.7%~107.3%，3次测量结果的相对标准偏差（RSD）均低于5%，表明该方法可用于实际样品中亚硫酸根的测定。

3　 结 语

本文发展了一种以邻氨基苯硼酸和ZnCl₂为前驱体制备ZnB-CDs的新方法，并对所制备的ZnB-CDs进行了表征。基于亚硫酸根降低ZnB-CDs的表面缺陷导致荧光增强的现象，建立了简便、快速检测亚硫酸根的荧光新方法。与已报道的CDs检测亚硫酸根的方法^［28］相比，该方法无须加入金属离子即可检测亚硫酸根的含量。该方法可应用于自来水、白砂糖和冰糖中亚硫酸根含量的测定，为监控食品的质量提供了一种新的选择。

参考文献

[1] JIANG K， GAO X L， FENG X Y， et al. Carbon dots with dual-emissive， robust， and aggregation-induced room-temperature phosphorescence characteristics ［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2020， 59（3）： 1263-1269. DOI：10.1002/anie.201911342 .

[2] KRYSMANN M J， KELARAKIS A， DALLAS P， et al. Formation mechanism of carbogenic nanoparticles with dual photoluminescence emission ［J］. Journal of the American Chemical Society， 2012， 134（2）： 747-750. DOI：10.1021/ja204661r .

[3] GONG X J， LU W J， LIU Y， et al. Low temperature synthesis of phosphorous and nitrogen co-doped yellow fluorescent carbon dots for sensing and bioimaging ［J］. Journal of Materials Chemistry B， 2015， 3（33）： 6813-6819. DOI：10.1039/c5tb00575b .

[4] XU Z Z， WANG C X， JIANG K L， et al. Microwave- assisted rapid synthesis of amphibious yellow fluorescent carbon dots as a colorimetric nanosensor for Cr（Ⅵ） ［J］. Particle & Particle Systems Characterization， 2015， 32（12）： 1058-1062. DOI：10.1002/ppsc.201500172 .

[5] TIAN T， HE Y， GE Y L， et al. One-pot synthesis of boron and nitrogen co-doped carbon dots as the fluorescence probe for dopamine based on the redox reaction between Cr（Ⅵ） and dopamine ［J］. Sensors and Actuators B： Chemical， 2017， 240： 1265-1271. DOI：10.1016/j.snb.2016.09.114 .

[6] YANG W Q， HUANG T T， ZHAO M M， et al. High peroxidase-like activity of iron and nitrogen co-doped carbon dots and its application in immunosorbent assay ［J］. Talanta， 2017， 164： 1-6. DOI：10.1016/j.talanta.2016.10.099 .

[7] YANG S W， SUN J， LI X B， et al. Large-scale fabrication of heavy doped carbon quantum dots with tunable-photoluminescence and sensitive fluorescence detection ［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2014， 2（23）：8660-8667. DOI： 10.1039/C4TA00860J .

[8] MCFEETERS R F. Use and removal of sulfite by conversion to sulfate in the preservation of salt-free cucumbers ［J］. Journal of Food Protection， 1998， 61（7）： 885-890. DOI：10.4315/0362-028x-61.7.885 .

[9] BAI J， LEI P， ZHANG J， et al. Sulfite exposure-induced hepatocyte death is not associated with alterations in p53 protein expression ［J］. Toxicology， 2013， 312： 142-148. DOI：10.1016/j.tox.2013.08.004 .

[10] CARDWELL T J， CHRISTOPHERSEN M J. Determination of sulfur dioxide and ascorbic acid in beverages using a dual channel flow injection electrochemical detection system ［J］. Analytica Chimica Acta， 2000， 416（1）： 105-110. DOI：10.1016/s0003-2670（00）00866-7 .

[11] SANG N， YUN Y， YAO G Y， et al. SO₂ ^- induced neurotoxicity is mediated by cyclooxygenases-2-derived prostaglandin E2 and its downstream signaling pathway in rat hippocampal neurons ［J］. Toxicological Sciences， 2011， 124（2）： 400-413. DOI：10.1093/toxsci/kfr224 .

[12] LI H. Rapidly responsive and highly selective fluorescent probe for sulfite detection in real samples and living cells ［J］. Analytica Chimica Acta， 2015， 897： 102-108. DOI：10.1016/j.aca.2015.09.037 .

[13] JIA X F， LI J， WANG E K. One-pot green synthesis of optically pH-sensitive carbon dots with upconversion luminescence ［J］. Nanoscale， 2012， 4（18）： 5572. DOI：10.1039/c2nr31319g .

[14] JIANG K， SUN S， ZHANG L， et al. Red， green， and blue luminescence by carbon dots： Full-color emission tuning and multicolor cellular imaging ［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2015， 54（18）： 5360-5363. DOI：10.1002/anie.201501193 .

[15] PAN D Y， ZHANG J C， LI， Z， et al. Hydrothermal route for cutting graphene sheets into blue-luminescent graphene quantum dots ［J］. Advanced Materials. 2010， 22（6）：734-738. DOI： 10.1002/adma.200902825 .

[16] ZHANG L， ZHANG Z Y， LIANG R P， et al. Boron-doped graphene quantum dots for selective glucose sensing based on the “abnormal” aggregation-induced photoluminescence enhancement ［J］. Analytical Chemistry， 2014， 86（9）： 4423-4430. DOI：10.1021/ac500289c .

[17] WANG Y， LU L L， PENG H， et al. Multi-doped carbon dots with ratiometric pH sensing properties for monitoring enzyme catalytic reactions ［J］. Chemical Communications， 2016， 52（59）： 9247-9250. DOI：10.1039/c6cc02874h .

[18] CHENG J， WANG C F， ZHANG Y， et al. Zinc ion-doped carbon dots with strong yellow photoluminescence ［J］. RSC Advances， 2016， 6（43）： 37189-37194. DOI：10.1039/c5ra27808b .

[19] DEY S， GOVINDARAJ A， BISWAS K， et al. Lumine-scence properties of boron and nitrogen doped graphene quantum dots prepared from arc-discharge-generated doped graphene samples ［J］. Chemical Physics Letters， 2014， 595/596： 203-208. DOI：10.1016/j.cplett.2014.02.012 .

[20] LAN M， ZHANG J， CHUI Y S， et al. A recyclable carbon nanoparticle-based fluorescent probe for highly selective and sensitive detection of mercapto biomolecules ［J］. Journal of Materials Chemistry B， 2015， 3（1）： 127-134. DOI：10.1039/c4tb01354a .

[21] WANG Z G， LONG P， FENG Y Y， et al. Surface passivation of carbon dots with ethylene glycol and their high-sensitivity to Fe³⁺ ［J］. RSC Advances， 2017， 7（5）： 2810-2816. DOI：10.1039/c6ra25465a .

[22] SHU W， YAN L G， WANG Z K， et al. A novel visual and far-red fluorescent dual-channel probe for the rapid and sensitive detection of hypochlorite in aqueous solution and living cells ［J］. Sensors and Actuators B： Chemical， 2015， 221： 1130-1136. DOI：10.1016/j.snb.2015.07.066 .

[23] WANG L， XU L. Cyclic voltammetric determination of free and total sulfite in muscle foods using an acetylferrocene-carbon black-poly（vinyl butyral） modified glassy carbon electrode ［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2014， 62（42）： 10248-10253. DOI：10.1021/jf503339v .

[24] RODRÍGUEZ-DÍAZ R C， AGUILAR-CABALLOS M P， GÓMEZ-HENS A. Usefulness of ytterbium（Ⅲ） as analytical reagent for total sulfite determination in white wine samples ［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2004， 52（26）： 7777-7781. DOI：10.1021/jf048826y .

[25] QIN W， SU L， YANG C， et al. Colorimetric detection of sulfite in foods by a TMB-O₂-Co₃O₄ nanoparticles detection system ［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2014， 62（25）： 5827-5834. DOI：10.1021/jf500950p .

[26] WU M Y， HE T， LI K， et al. A real-time colorimetric and ratiometric fluorescent probe for sulfite ［J］. The Analyst， 2013， 138（10）： 3018. DOI：10.1039/c3an00172e .

[27] XIE H F， JIANG X H， ZENG F， et al. A novel ratiometric fluorescent probe through aggregation-induced emission and analyte-induced excimer dissociation ［J］. Sensors and Actuators B： Chemical， 2014， 203： 504-510. DOI：10.1016/j.snb.2014.07.012 .

[28] CHEN S F， SONG Y， LI Y， et al. A facile photolumine-scence modulated nanosensor based on nitrogen-doped graphene quantum dots for sulfite detection ［J］. New Journal of Chemistry， 2015， 39（10）： 8114-8120. DOI：10.1039/c5nj01353d .

[29] VEDAMALAI M， PERIASAMY A P， WANG C W， et al. Carbon nanodots prepared from o-phenylenediamine for sensing of Cu²⁺ ions in cells ［J］. Nanoscale， 2014， 6（21）： 13119-13125. DOI：10.1039/c4nr03213f .

[30] LIU J M， LIN L P， WANG X X， et al. Highly selective and sensitive detection of Cu²⁺ with lysine enhancing bovine serum albumin modified-carbon dots fluorescent probe ［J］. The Analyst， 2012， 137（11）： 2637. DOI：10.1039/c2an35130g .

基金资助

国家自然科学基金(21675068)