基于荧光素淬灭的土壤中炭黑现场测定方法

《Green Analytical Chemistry》：Fluorescein quenching-based assay for on-site determination of carbon black in soils

　　

工程纳米材料在环境中的出现日益增多，迫切要求分析策略不仅具备灵敏度，还需符合绿色分析化学（GAC）原则。本研究提出一种基于荧光素（fluorescein）荧光淬灭的简单且环境友好的炭黑（CB）纳米颗粒测定方法。分析流程包括将CB颗粒提取并截留于尼龙膜上，随后与荧光素探针作用产生分析信号，荧光强度随浓度升高而呈依赖性下降。测量使用耦合光纤探头的便携式荧光光谱仪完成，可实现快速现场分析并避免复杂仪器。淬灭机制经Stern–Volmer与Lineweaver–Burk模型评价，提示CB颗粒与荧光团之间以静态相互作用为主。方法在4–20 μg·mL-1范围内呈线性响应，检测限（LOD）可达1.20 μg·mL-1，相对标准偏差（%RSD）为8%–12%，分析性能满意。于土壤样品中验证适用性，回收率可靠（95%–107%）。该方法为环境基质中CB的便携式监测提供了一种低成本、节试剂的替代方案。

研究背景方面，工程纳米材料（ENMs）广泛使用导致环境评估需求上升，其中炭黑（CB）作为油墨、轮胎磨损颗粒、颜料等的重要组分，在土壤与沉积物中持久存在且难以光解或生物降解，并可吸附其他微污染物充当载体，其吸入毒性及潜在神经风险已受关注。现有UV-Vis分光光度法、电泳、热重分析（TGA）、场流分离（FFF）耦合ICP-MS等方法虽能定量CB，但均无法实现现场原位测定。为契合绿色分析化学（GAC）与可持续分析化学（SAC）理念，研究人员开展了一项集成提取、隔离与检测步骤的便携、低耗、试剂友好型CB定量方法研究。该研究发表于《Green Analytical Chemistry》，核心贡献在于以尼龙膜为固相平台、荧光素为分子探针，建立静态淬灭主导的现场检测新策略。

关键技术方法上，研究人员选用四种市售CB（CBI、CBII、CBIII、CBIV），以含0.02% Tween 80与10% DMEM/F-12改良培养基为分散介质超声制备标准分散液；土壤样品（未知CB土壤样及含CB基颜料膏污染土壤样）经1 g土加10 mL分散剂超声辅助提取（UAE）1 h，老化24 h后取400 μL过0.22 μm尼龙膜（直径1.3 cm）截留CB，室温干燥2 min后加10 μL 100 μM荧光素，8 min后以便携式Ocean HDX光谱仪配375 nm LED及光纤探头于距膜0.5 cm处记录520 nm发射强度；淬灭机制分别用Stern–Volmer与Lineweaver–Burk方程线性化判别；另用AF4-DLS、TEM、SEM、漫反射光谱作辅助表征，并以BAGI、HEXAGON、AGREE三类绿色度量为可持续性评价工具。

研究结果部分，3.1节CB表征中，TEM测得CBI核心粒径40±5 nm，CBII/III/IV为69±4、72±4、74±5 nm；AF4-DLS显示CBI水动力直径最小（175±4 nm），CBII最大（524±2 nm），归因于CBII高吸油值（OAN）致分散剂包覆层厚；SEM见球形/椭球形初级粒子链状团聚。3.2节尼龙膜漫反射（DR）研究表明，4–20 μg·mL^-1内DR信号与CB量线性相关（R² 0.9890–0.9943），但CBIV高于12 μg·mL^-1出现Kubelka–Munk光学饱和，说明DR法限量受限。3.3节荧光素淬灭响应显示，膜上8 min、10 μL荧光素条件最优；4–20 μg·mL^-1内荧光下降，Stern–Volmer图偏高曲，Lineweaver–Burk图（1/(I₀-I)对1/[Q]）线性良好（R² 0.9936–0.9984），证实静态淬灭为主（荧光素与CB石墨域π–π堆砌及缺陷位吸附成基态非荧光复合物）；四款CB斜率统计可比，LOD 1.00–1.20 μg·mL^-1，RSD 8%–12%；溶液中直测虽可行但受基质扰，故膜兼作提取与传感基底；对SWCNTs、石墨烯提取效率低，MWCNTs需20 mg·L^-1才响应，远低于CB干扰可能。3.4节土壤案例显示，标准加入法与外标斜率无显著矩阵效应（t_calc<t_crit），样品1未检出，样品2达LOD（0.01 mg·g^-1），加标4.0 mg·g^-1回收95%±8%至107%±9%。3.5节绿色性评估中，BAGI深蓝占比高，HEXAGON毒理/安全项零罚分，AGREE总分0.78（原则1因需前处理略低），整体契合GAC。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：本工作提出了一种基于尼龙膜上荧光素淬灭、绿色且低成本的CB纳米颗粒测定新策略，兼具方法简捷与便携性，适于现场分析并遵守GAC原则。淬灭机制以静态为主，即CB与荧光素形成基态非荧光复合物，Lineweaver–Burk建模为此定量提供依据。方法在20 μg·mL^-1内线性，灵敏度、精密度（RSD 8%–12%）与μg·mL^-1级LOD均满意，固相模式减弱基质干扰。土壤案例中无矩阵效应且回收满意，便携、低试剂耗、少废液特性利于现场监测，BAGI/HEXAGON/AGREE印证其绿色合规与对可持续分析化学的贡献，所提程序可作为环境样品中CB纳米材料便携现场测定的有效途径。