Nb 掺杂 SnO2量子点荧光探针：船舶燃油氮含量检测新利器与荧光猝灭机制解析

为解决船舶燃油氮含量（FNC）检测难题，研究人员以 Nb 掺杂 SnO2量子点（QDs）为荧光探针展开研究。建立了低成本、高精准检测方法，确定荧光猝灭机制为光致电子转移（PET），为 QDs 应用及探针开发提供依据。

　　在全球贸易蓬勃发展的当下，海上运输宛如经济动脉，承载着大量货物在各国间穿梭，有力推动着全球经济增长。然而，船舶燃油燃烧带来的环境污染问题却如影随形，成为大气污染的一大 “元凶”。船舶燃油中含有碳（C）、氢（H）、硫（S）、氮（N）等多种元素，燃烧时会释放出二氧化碳（CO₂）、氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）以及颗粒物（PM）等污染物。据国际海事组织（IMO）统计，柴油动力船舶每年向大气中排放约 1000 万吨 NO_x和 850 万吨 SO_x 。为了遏制这一污染趋势，国际海事组织制定了 MARPOL 公约，对船舶发动机的氮氧化物排放设定了严格限制。在此背景下，快速、准确地检测船舶燃油氮含量（Fuel Nitrogen Content，FNC）就显得至关重要，它是控制船舶排放、守护大气环境的关键一环。

此前，检测燃油氮含量的方法虽多，但都存在不少弊端。比如经典的凯氏定氮法，需要使用浓硫酸和多种催化剂来消解样品，后续还要进行长时间蒸馏，操作繁琐又危险，而且对于低氮含量的石油样品检测难度极大；氧化燃烧化学发光检测技术，虽能测定氮含量，但它需要在 1050℃的高温下持续运行，设备每天都得校准，无法实现快速、安全的检测；中红外衰减全反射（ATR）光谱法，在测量不同的残留油时得进行专门校准，而且光谱中各种物质的信号相互重叠，严重影响检测的准确性。因此，寻找一种更高效、可靠的检测方法迫在眉睫。

为了攻克这些难题，来自国内的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于半导体量子点（Quantum Dots，QDs），这种尺寸在 1 - 10nm 的材料，凭借独特的量子限域效应和随尺寸变化的光学特性，在众多领域展现出巨大潜力。研究人员选择了经典半导体材料 SnO₂，并对其进行 Nb 掺杂，制备出 Nb - SnO₂ QDs 荧光探针，用于船舶燃油氮含量的检测。通过一系列实验和分析，研究人员取得了丰硕成果。他们建立了一种低成本、操作简便、精度高且检测限低的 FNC 检测方法，该方法在 0.51% m/m 至 0.66% m/m 的范围内呈良好线性关系，检测限低至 0.011% m/m，相关系数 R² = 0.99512，回收率在 95.79% 至 102.2% 之间。此外，借助密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算，研究人员深入分析了 - NH₂、-SH、-COOH 和 - OH 这四种典型官能团在 Nb - SnO₂ (110) 表面的吸附结构，明确了检测过程中的吸附能和电荷转移情况。研究发现，Nb 掺杂显著增强了 SnO₂ QDs 对 - NH₂的吸附能力。最终确定，Nb - SnO₂ QDs 的荧光猝灭机制为光致电子转移（Photoinduced Electron Transfer，PET）。这一研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为后续量子点的掺杂调制以及其他荧光探针的开发提供了重要的理论依据和实践指导，对推动船舶燃油检测技术的发展、减少船舶污染具有重要意义。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是水热法，通过该方法合成了 SnO₂ QDs 和 Nb - SnO₂ QDs；二是 DFT 计算，利用这一方法分析了燃料中官能团在量子点表面的吸附结构、吸附能和电荷转移情况；三是多种表征技术，如高分辨透射电子显微镜（HRTEM）用于观察量子点的形貌和晶格间距，以此来研究量子点的结构特征。

研究结果

1. 量子点的表征：通过 HRTEM 观察发现，SnO₂ QDs 和 Nb - SnO₂ QDs 均呈球形，且二者的晶格间距都约为 0.32nm，对应金红石相 SnO₂的 (110) 平面，这表明 Nb 掺杂并未改变 SnO₂的原始结构形态。同时，SnO₂ QDs 的粒径主要分布在 5.5 - 8.5nm 之间。
2. 检测方法的建立：基于 Nb - SnO₂ QDs 的荧光猝灭现象，研究人员建立了检测 FNC 的方法。实验数据显示，该方法具有良好的线性范围、低检测限、高准确度和出色的回收率，能够有效检测船舶燃油中的氮含量。
3. 吸附特性分析：运用 DFT 计算研究四种典型官能团在 Nb - SnO₂ (110) 表面的吸附结构，结果表明 Nb 掺杂增强了 SnO₂ QDs 对 - NH₂的吸附能力，这有助于提高检测的选择性。
4. 荧光猝灭机制确定：结合荧光寿命、紫外吸收光谱、价态光谱以及有机分子的 HOMO/LUMO 计算等多种手段，最终确定 Nb - SnO₂ QDs 的荧光猝灭机制为 PET。

研究结论与讨论

本研究成功制备了 Nb - SnO₂ QDs 荧光探针用于船舶燃油氮含量检测，建立了高效的检测方法，并明确了荧光猝灭机制。这不仅为船舶燃油氮含量的检测提供了新途径，也为量子点在荧光检测领域的应用拓展了思路。通过 DFT 计算深入了解官能团的吸附特性，有助于进一步优化量子点的性能，提高检测的灵敏度和选择性。而确定的 PET 荧光猝灭机制，为后续量子点的掺杂调制和其他荧光探针的开发提供了重要理论基础。未来，有望基于此研究成果，开发出更先进、更便捷的检测技术和设备，助力船舶行业更好地控制排放，为环境保护贡献更多力量。