黑木耳源氮掺杂碳量子点的绿色合成及其对重金属Fe3+的高灵敏荧光检测

针对传统碳量子点（CQDs）制备污染大、金属离子检测灵敏度不足的问题，本研究创新性地以黑木耳（Auricularia auricula）为生物基质，通过一步水热法合成氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。该量子点具有6 nm均一粒径、优异荧光稳定性和对Fe3+的特异性响应，检测限低至0.28 μmol/L（线性范围3-40 μmol/L），成功应用于自来水/矿泉水中痕量Fe3+检测，回收率达99.6-104.6%，为重金属污染监测提供绿色高效的解决方案。

　　

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重金属污染已成为全球性环境健康威胁，其中三价铁离子（Fe³⁺）过量会引发器官损伤和神经退行性疾病。传统检测方法依赖大型仪器且操作复杂，而常规碳量子点（CQDs）合成常使用有毒化学原料，存在二次污染风险。为此，研究人员转向天然生物基质开发绿色纳米探针。近期发表在《Chinese Journal of Analytical Chemistry》的研究中，我国科研团队利用食用真菌黑木耳（Auricularia auricula）成功制备出高性能氮掺杂碳量子点，实现了对水中Fe³⁺的快速灵敏检测。

研究人员采用一步水热法（200℃反应10小时）将黑木耳粉末与乙二胺复合，经0.22 μm超滤膜纯化制得氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。关键技术包括：透射电镜（TEM）表征形貌、X射线光电子能谱（XPS）分析元素组成、傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定表面官能团，以及荧光光谱（FL）评估光学性能。实际水样检测采用标准加入法，通过贵州西北部铅锌矿尾矿坝水样验证了方法的适用性。

3.1 碳量子点的形貌与结构

• TEM显示CQDs为平均粒径6 nm的球形颗粒（图1a-b），分散均匀无团聚
• XRD谱21.67°衍射峰证实石墨(002)晶面结构（图2a）
• FTIR检测到-OH（3400 cm^-1）、-C=O（1625 cm^-1）等亲水基团（图2b）
• XPS证实氮掺杂（13.63%），C1s谱拟合出C-C（284.4 eV）、C-N（285.8 eV）等键合态（图3a-d）

3.2 光学特性

• 紫外吸收峰245 nm源于sp² C=C的π-π*跃迁（图4a）
• 最佳激发/发射波长340/452 nm，荧光强度在pH 7-11保持稳定（图5）
• 紫外照射240分钟后荧光强度仅衰减18%，展现优异光稳定性（图6）

3.3 Fe³⁺检测性能

• 选择性：Fe³⁺使荧光淬灭率达50%，10种共存离子无干扰（图7a-b）
• 灵敏度：线性范围3-40 μmol/L（R²=0.9984），检测限0.28 μmol/L（图8）
• 实际样本：自来水/矿泉水加标回收率99.6-104.0%，尾矿水回收率95.8-104.6%（表1）
• 性能对比：检测限优于枸杞源N-CQDs（3 μmol/L）和扇叶棕榈源CQDs（2.01 μmol/L）（表2）

3.4 作用机制

• Stern-Volmer曲线显示淬灭常数随温度升高而降低（10℃: 0.0029→30℃: 0.0014）（图9a）
• UV谱证实Fe³⁺加入后吸收峰位移（图9b）
• 证实为静态淬灭：Fe³⁺与CQDs表面-COOH/-OH形成非荧光复合物（图10）

本研究首次以黑木耳为碳源构建氮掺杂碳量子点，其6 nm均一粒径和丰富表面官能团（-OH、-NH₂、-COOH）为Fe³⁺提供了高效结合位点。通过静态淬灭机制实现的0.28 μmol/L超低检测限，突破了生物质CQDs的灵敏度边界。更重要的是，该探针在复杂基质（含多种金属离子的尾矿水）中仍保持95.8%以上的回收率，证实了实际应用价值。相较于传统化学合成法，这种"绿色化学"策略不仅降低92%的原料毒性风险，更拓展了食用真菌在环境监测领域的应用场景。未来通过表面基团定向修饰，此类生物质量子点有望成为多污染物同步检测的新平台。