用于水中高选择性Cu2+离子检测及热传感应用的可持续碳量子点

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Sustainable carbon quantum dots for highly selective Cu2+ ion detection in water and thermal sensing applications

本研究采用绿色水热法制备了Trachyspermum ammi种子衍生碳量子点（CQDs），具有高荧光、优异稳定性和丰富表面官能团，兼具铜离子检测和温敏特性，为环境监测和生物医学传感提供可持续纳米材料。

　　

Avinash Kumar | Arvind K. Gathania

物理与光子科学系，印度哈米尔普尔国立技术学院，177005，H.P.

摘要

通过绿色水热法从Trachyspermum ammi种子中合成了碳量子点（CQDs）。这些CQDs具有强烈的荧光性、高稳定性和丰富的表面官能团。它们展现了双重功能：能够选择性检测有毒金属离子，并通过温度依赖性的光致发光实现纳米温度测量。这种环保的方法为多功能纳米材料提供了一条可持续的制备途径，这些材料在环境监测和分析传感领域具有广阔的应用前景。

引言

由于纳米材料独特的尺寸依赖性特性，它们在科学、技术、医学、环境、农业和消费品等多个领域产生了重大影响[[1], [2], [3]]。其中，碳量子点（CQDs）作为一种零维（0D）碳纳米材料脱颖而出，其尺寸通常小于10纳米。它们具有优异的光致发光性能、高量子产率、激发依赖的发射特性、强化学和热稳定性、易于表面修饰以及良好的生物相容性。与传统荧光材料相比，CQDs更易于合成、毒性更低、更环保且抗光漂白。CQDs于2004年首次被发现，当时Xu等人在纯化单壁碳纳米管的过程中分离出了微小的荧光碳纳米颗粒（约1纳米）[4]。这一发现引发了对其性质和应用的广泛研究。此后，CQDs被广泛应用于传感、生物成像、催化、药物输送、光动力疗法、光电子学、环境修复和能量存储等领域[[5], [6], [7], [8], [9]]，其中传感是最重要的应用之一。CQDs的合成方法主要有两种：自上而下的方法（如电弧放电、激光烧蚀、电化学氧化）和自下而上的方法（如水热法、溶剂热法、微波辅助法、热解法、化学气相沉积）[10,11]。其中，水热法特别具有吸引力，因为它简单、经济、无毒、环保且能制备出高纯度的材料。与前体选择同样重要的是合成方法。基于生物质的前体（如水果、蔬菜、植物材料、生物分子和农业废弃物）已被广泛研究。理想的前体应价格低廉、富含碳、无毒且可持续。

Trachyspermum ammi种子（Ajwain）在印度烹饪和传统医学中常用，符合这些要求。它们数量丰富、易于栽培、富含碳且对环境安全，是绿色合成CQDs的理想候选材料。种子中的天然生物分子（如蛋白质和黄酮类化合物）为CQDs引入了丰富的表面官能团（OH、COOH、NH?），这些官能团增强了CQDs的光稳定性、分散性和选择性。重要的是，这些CQDs具备双重功能，既能检测金属离子（Cu²⁺），又能进行温度传感。这种独特的表面化学性质和双重传感能力使它们区别于之前报道的生物质衍生CQDs。从Trachyspermum ammi种子合成的CQDs对Cu²⁺的检测限非常低，与许多先前报道的生物质衍生CQDs相当或更优[[12], [13], [14], [15], [16]]。铜（Cu²⁺是必需的微量元素，但超过世界卫生组织（WHO）规定的限值（31.48 μM）会导致严重的健康和环境风险。因此，迫切需要灵敏、经济且环保的检测方法。在本研究中，通过简单的水热法合成了Trachyspermum ammi种子衍生的CQDs，并证明了它们作为Cu²⁺检测和温度传感荧光探针的双重功能，从而扩展了它们在环境监测和生物医学传感中的潜在应用。

材料

Trachyspermum ammi种子购自印度哈米尔普尔的一家本地商店。研究中使用的化学品包括去离子水（DI）、丙酮（(CH?)?CO）、盐酸（HCl）、二氧化钛（TiO?，>98%）、氯化钾（KCl，>99%）、氯化镉（CdCl?·H?O，>99%）、氯化钙（CaCl?·2H?O，>98%）、氯化汞（HgCl?，>98%）、氯化亚锡（SnCl?·2H?O，>98%）、氯化锌（ZnCl?，>98%）、硝酸铅（Pb(NO?)?，>99%）、氯化镍（NiCl?·6H?O，>98%）

化学组成、结构特征和化学功能

使用高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）研究了合成CQDs的尺寸、形状、结晶度和分布情况。图2a–e展示了不同放大倍数下的HR-TEM图像，刻度分别为50纳米、20纳米、10纳米和2纳米。CQDs呈现为深色球形颗粒，并均匀分散。利用ImageJ软件分析的颗粒尺寸分布范围为1至8纳米，平均直径为3.3纳米。

温度传感

温度在日常生活以及科学、医疗、安全和环境监测等众多领域都起着至关重要的作用。因此，可靠的温度传感技术至关重要。传统的传感器（包括热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器、基于半导体的设备和红外传感器）被广泛用于这一目的。然而，基于碳量子点（CQD）的传感器相比这些传统系统具有明显优势

结论

在这项工作中，我们通过水热法成功合成了来自Trachyspermum ammi种子的CQDs。HRTEM、XPS和FTIR分析证实了它们的均匀分布、球形形态（平均直径3.3纳米）、元素组成（C、N和O）以及各种表面官能团的存在。CQDs在紫外线和白光下表现出优异的稳定性，在高盐浓度、不同溶剂和广泛的pH条件下也能保持稳定。由于其高选择性

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。