利用 Zanthoxylum armatum 合成氮掺杂碳量子点的可持续方法，用于环境中的铅监测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Sustainable synthesis of nitrogen-doped carbon quantum dots from Zanthoxylum armatum for environmental lead monitoring

氮掺杂碳量子点（N-CQDs）通过穿心莲叶绿色合成，具有高荧光量子产率（23.10%）和优异的稳定性能，可有效检测水样中铅离子（检测限1.66 μM），表征方法包括UV-Vis、荧光光谱、SEM、XRD和XPS。

　　

作者：Gagnish | Vimal K. Bhardwaj

所属部门：印度旁遮普邦贾兰达尔市BR·安贝德卡尔国立技术学院化学系，邮编144008

摘要

在本研究中，基于Zanthoxylum armatum叶片，采用了一种绿色、可持续的方法制备了氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。所合成的N-CQDs具有良好的光学性能，并被用于水溶液中Pb²⁺离子的灵敏和选择性检测。通过多种表征方法研究了N-CQDs的结构、形态和光学特性，包括紫外-可见光谱法、荧光光谱法、红外（IR）光谱法、粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）。实验结果进一步验证了N-CQDs在暴露于Pb²⁺离子时荧光强度的减弱现象，表明这些纳米粒子可作为重金属离子的检测剂，其检测限低至1.66 μM。本研究重点关注天然材料及环保型合成工艺，凸显了该方法的可持续性。

引言

重金属污染，尤其是铅（Pb²⁺）污染，对全球大气和人类健康构成了严重威胁[1],[2],[3]。即使在饮用水中浓度较低的情况下，Pb²⁺也可能导致神经毒性、发育障碍、肾衰竭和心脏病[4],[5]。饮用水中Pb²⁺的允许含量范围为（10–15 mg/L）[6]。因此，开发简便、经济且选择性强的人体Pb²⁺离子检测方法至关重要[7]。常用的检测方法包括原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和阳极剥离伏安法（ASV）[8]。尽管这些方法的灵敏度和准确性较高，但设备成本高昂、操作人员需要专业培训且样品制备过程复杂，同时无法实现现场或实时监测[11]。这些局限性促使人们探索替代方案，尤其是基于荧光的纳米传感器，它们具有快速、高效且便携的优势，并具有极高的选择性和灵敏度。其中，基于CQD的荧光传感技术因高灵敏度、快速响应时间和简单操作流程而成为检测重金属的有效工具[12]。

CQD是一种具有巨大潜力的纳米材料，其离散的光致发光特性、优异的生物相容性、可控的表面性质以及较低的毒性使其备受关注[13],[14]。研究表明，氮掺杂能够显著提升CQD的量子产率、电子转移能力及反应活性[14]。与传统半导体量子点相比，CQD具有水溶性、非极性及表面可修饰性，这些特性使其在传感、成像、催化和环境监测领域具有广泛应用前景[15]。

Zanthoxylum armatum具备检测Pb²⁺的能力，这归功于其丰富的植物化学成分及天然的螯合能力[16]。该植物含有多种次生代谢物，如生物碱、黄酮类、单宁、萜类和精油，这些成分含有多种活性官能团（-OH、-COOH、-NH₂、-C=O），可通过配位和静电作用与Pb²⁺离子结合，实现特异性识别。此外，其中的生物活性成分能有效增强光学或电化学反应，进一步提高对Pb²⁺的检测灵敏度。Zanthoxylum armatum作为一种可再生、丰富的天然资源，对环境友好，因此成为合成传感剂的理想替代品，不仅成本低廉，而且具有可持续性[12]。其环境友好性和低环境影响进一步提升了其作为有毒铅离子监测工具的适用性。

近年来，开发环保、可持续的CQD合成工艺已成为优先方向，旨在减少有害化学物质和昂贵流程的使用[13]。基于植物生物质的前体材料因天然易得、成本低廉及丰富的杂原子掺杂特性而备受关注[14]。这类方法不仅有助于实现环境可持续性，还能提升CQD的光学和传感性能[15]。

本研究利用含有多种生物活性物质的Zanthoxylum armatum叶片，通过绿色合成方法制备了氮掺杂碳量子点（N-CQDs），并利用光谱和显微技术对其结构、光学及表面特性进行了详细分析。实验表明，这些纳米粒子在水介质中对Pb²⁺具有极高的灵敏度和选择性。基于Zanthoxylum armatum的可持续合成工艺所得的N-CQDs具备优异的光稳定性和离子稳定性，为未来环境应用提供了理想的绿色纳米平台。本研究的核心在于利用Zanthoxylum armatum叶片低成本制备氮掺杂碳量子点（N-CQDs），以实现高效的选择性Pb²⁺检测[16]。

材料与方法

材料

Zanthoxylum armatum的叶片采自印度北阿坎德邦Chamoli地区的树木。NaOH、HCl、H₂O₂和尿素（CH₄N₂O）购自印度Loba Chemie公司。硝酸铅、硝酸亚汞、硝酸钴、硝酸镉、硝酸银、硝酸钡、硝酸铁、硝酸锶和硝酸镁购自Sigma Aldrich公司。所有实验均在蒸馏水中进行。

仪器

透射电子显微镜（TEM）使用...

结果与讨论

本研究利用来自印度北阿坎德邦Chamoli地区的Zanthoxylum armatum叶片作为生物质前体，通过尿素作为外部氮掺杂源，成功合成了氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。这种基于本地植物的合成方法既环保又经济，同时有助于有效表面钝化和...

结论

本研究通过简单绿色的合成工艺，利用Zanthoxylum armatum叶片制备了氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。详细表征显示，N-CQDs具有非晶态石墨结构、丰富的表面官能团及优异的光致发光性能。该材料在氧化条件、离子环境及水介质中均表现出优异的稳定性。

最重要的是，N-CQDs展现了极高的灵敏度和选择性。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。