姜黄衍生的碳量子点：实现超灵敏检测Cr3+离子的绿色途径

《Materials Research Bulletin》：Ginger-derived Carbon Quantum Dots: A Green Pathway for Ultrasensitive Detection of Cr3+ Ions

　　

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  生姜被用作可再生碳前驱体来合成碳量子点（CQDs）。
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  合成的CQDs的平均尺寸在4到5纳米之间。
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  CQDs被用作荧光材料，用于检测水中的三价铬。
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  其传感机制归因于光致发光（PL）淬灭现象。
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  CQDs的检测限非常低（81.33纳摩尔/升）。

引言

工业的快速发展和技术的进步显著提高了现代生活的质量[1]。然而，同时也引发了严重的环境问题[2][3]。由于工业化的加速，水污染已成为当前最大的挑战[4][5]。水污染主要由有机和无机污染物引起，其中染料、制药废弃物和重金属离子是全球关注的重点问题[6][7][8][9]。这些污染物（特别是重金属离子）具有高毒性、不可生物降解性，并且在环境中具有生物放大和累积的作用[10][11][12]。与可见污染（如固体废物和塑料污染）不同，重金属离子虽然看不见，但它们会对人类健康和环境造成巨大危害[13]。它们会持续存在于水源和土壤中，并进入食物链，对人类健康构成严重风险[12]。例如，锰（Mn²⁺）、铬（Cr³⁺）、镍（Ni²⁺）和汞（Hg²⁺）等重金属无法像有机污染物那样通过生物过程被分解[10]。此外，由于这些金属即使在微量浓度下也具有毒性，因此在废水中的检测仍然是一个重大问题。

有多种方法可用于检测水中的有毒金属离子。传统方法（如原子吸收光谱法）被广泛使用[14][15]。然而，这些方法虽然灵敏度和准确度高，但需要昂贵的仪器和实验室分析条件。电化学技术（如阳极剥脱伏安法）相对于简单的仪器设备具有较高的灵敏度，适合现场监测[16]。光学方法（如比色法和荧光法）因简单且响应迅速而受到广泛关注[17][18]。

各种类型的纳米粒子，如金属纳米粒子（NPs）、金属氧化物纳米粒子、复合石墨烯气凝胶、纳米碳和聚合物基纳米粒子，已被研究用于有毒金属离子的检测和传感器应用[19][20][21]。基于金属的纳米粒子具有较大的表面积和光学特性[22][23]；金属氧化物纳米粒子具有优异的化学稳定性、氧化还原活性以及对金属离子的强亲和力，为金属离子检测提供了理想的平台[24][25][26]；聚合物基纳米粒子则具有针对金属离子的特异性结合位点，使其具备功能化和生物相容性，从而能够检测水中的金属离子[27]。尽管这些方法可能不够可持续且成本较高，但由于其高灵敏度、选择性和快速响应时间，它们在重金属离子检测方面具有巨大潜力[19]。为了使这一过程更加可持续和经济高效，我们需要利用生物质或其废弃物生物产物来生产碳基纳米结构[28][29]。

从废弃物中提取的碳量子点（CQDs）已成为一种有前景且可持续的传感选择[30][31][32]。这些CQDs具有优良的光致发光（PL）性能、高灵敏度以及通过丰富的表面官能团（-COOH、-OH、-NH₂）与金属离子的选择性相互作用[33][34]。此外，CQDs还具有共轭π体系和纳米晶体核心，使其具有催化活性[35][37]。从生物质或废弃物中合成CQDs符合绿色化学原则，是一种低成本、环保、生物相容且毒性低的制备方法。因此，基于废弃物的CQDs为检测有害金属离子提供了最佳的生态可持续平台。

本文采用了一种简单且可持续的水热法，利用Zingiber officinale（生姜）作为可再生前驱体来合成CQDs。合成的CQDs首先经过光致发光性能测试，随后用于检测水中的有毒阳离子和阴离子。进一步计算了CQDs的检测限。根据制备材料的传感行为，研究探讨了金属离子与CQDs表面原子之间的可能相互作用机制和化学结合方式。简单的合成工艺、传感应用和选择性表明，基于生姜的CQDs是一种可持续的有毒金属离子检测方法。

节片

材料与方法

新鲜的生姜根茎是从蔬菜店购买的。除高锰酸钾（KMnO₄）和重铬酸钾（K₂Cr₂O₇）外，所有金属前驱体均以氯化盐的形式从Alfa Aesar公司购买。所有 commercially available chemicals 均为实验室级产品，未经纯化直接使用。所有溶液均使用Millipore纯净水配制。

合成步骤

新鲜生姜去皮、切碎后，在机械搅拌器中搅拌30分钟，然后通过滤纸过滤提取物。

CQDs的合成

CQDs是通过一步水热法合成的，以Zingiber officinale（生姜）作为碳前驱体，具体过程如图1a所示。该合成过程包括分子断裂、脱水、热解和聚合等化学转化，从而形成芳香碳簇[36][37]。所得液体通过膜过滤器进行纯化，最终的CQDs用于检测Cr³⁺（图1b）。

CQDs的形态特征

CQDs的形态特征...

结论

本研究提出了一种利用Zingiber officinale作为天然起始材料的可持续且经济高效的方法来合成荧光CQDs。水热碳化过程被用于CQDs的合成。CQDs显示出了检测Cr³⁺离子的潜力，其检测限非常低（81.33纳摩尔/升）。进一步实验表明CQDs对Cr³⁺离子具有选择性亲和力。研究揭示了HSAB（氢键-疏水键-反离子）相互作用机制。

伦理审批

不适用

利益冲突

作者声明不存在任何可能影响本文工作的利益冲突。

资金支持

作者未从任何组织获得本次研究的工作支持。

CRediT作者贡献声明

Anshul Sharma： 撰写 – 审稿与编辑、可视化。 Hae-Jeung Lee： 撰写 – 审稿与编辑、可视化。 Mayadhar Barik： 撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、指导。 Neha Sharma： 撰写 – 审稿与编辑。 Archana Shau： 撰写 – 初始草稿、方法论设计、数据整理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。