采用印度柑橘（Garcinia indica）果皮制备蓝色荧光碳点，用于检测废水样本中的过碘酸盐离子

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Fabrication of blue fluorescent carbon dots derived from Garcinia indica fruit peel for the detection of periodate ion in wastewater samples

　　

摘要

本文介绍了一种简单的水热法，利用Garcinia indica（GI）的外皮合成碳点（CDs）。所制备的GI-CDs在431纳米处具有发光峰，荧光量子产率为37.21%。蓝色荧光的GI-CDs在检测高碘酸根离子（IO₄^?）方面表现出高效性能，因为随着IO₄^?的添加，其荧光强度显著减弱（通过荧光猝灭现象）。这些合成的GI-CDs具有极高的灵敏度，检测限低至16.33纳米，并且在宽浓度范围（0.05–50微摩尔）内保持线性响应。此外，这种探针在不同pH条件下以及长时间内均表现出稳定性。在实际水样测试中，该方法显示出高准确性和可靠性：河水样的回收率为98.97–99.47%，自来水样为98.01–99.76%，运河水样为99.19–99.45%，相对标准偏差小于2%。总体而言，这种方法利用植物基纳米材料为环境监测中的IO₄^?提供了一种可持续且经济高效的手段。

引言

高碘酸根离子（IO₄^?）是一种强效且选择性的氧化剂，因其广泛应用于多种化学过程（如多糖、碳水化合物、二醇、氨基酸及其他有机分子）而受到越来越多的关注（Wang等人，2019；Sen等人，2019；Kristiansen等人，2010）。特别地，它可用于邻二醇的裂解、生化测定以及温和条件下的各种官能团（如醇、硫化物和芳香胺）的氧化（Sudalai等人，2015）。此外，基于高碘酸根的氧化工艺已被用于生物研究中的激素、水解酶和糖蛋白的检测（Choi等人，2021）。然而，由于其强氧化性和高浓度下的潜在毒性，IO₄^?可能对环境和人类健康构成威胁（Salimi等人，2007；Niu等人，2023）。过量摄入高碘酸根可能导致甲状腺功能障碍，而其在甲状腺中的积累可能导致甲状腺中毒。因此，开发高灵敏度和选择性的IO₄^?检测方法具有重要意义（Ghatak等人，2016；Lent等人，2017）。目前已经报道了几种分析方法来检测IO₄^?，包括分光光度法、质谱法和电化学法（Benvidi等人，2012；Sajonz等人，2006；Gupta等人，2007；Chatraei和Zare，2013）。然而，尽管这些传统方法具有较高的灵敏度和选择性，但其实际应用受到专门科学仪器、复杂操作程序和较长检测时间的限制（Su等人，2022）。因此，亟需开发一种快速且有效的定量方法，以便在无需昂贵仪器的条件下测定各种水样中的IO₄^?含量。

在用于化学传感的各种纳米材料中，基于碳的材料，尤其是碳点（CDs），因其独特的物理化学和光学特性而受到广泛关注。CDs是尺寸极小的（通常小于10纳米）球形纳米颗粒，具有优异的光致发光性能、良好的化学稳定性、较低的毒性、较高的水溶性、强的光发射能力以及易于表面修饰的优点（Yusuf等人，2022）。这些特性使得CDs可以应用于药物递送、医学成像、光催化过程和环境监测等多个领域（Meena等人，2026）。与传统半导体量子点相比，CDs通常毒性更低、更环保，同时具备良好的水溶性和生物相容性（Qureshi等人，2024；Soufi和Irayani，2020）。此外，与传统的有机荧光剂相比，CDs具有更好的光稳定性和更大的表面修饰灵活性，使其成为开发灵敏高效荧光传感平台的理想候选者（Han等人，2022；Kar等人，2024）。然而，一些CDs的合成方法涉及使用有毒物质、高加工温度和复杂的机器工艺，这引发了关于环境安全和可持续性的担忧。为解决这些问题，绿色合成方法正变得越来越受到重视（Dhumal等人，2024）。这些方法通常使用可生物降解的天然材料，通常来自植物。绿色合成的增长趋势也符合绿色化学的原则，旨在减少废物和节约能源，同时在使用科学程序时使用安全材料（Vadia等人，2025）。因此，来源于天然资源的CDs为多种应用提供了可行的生态解决方案。选择天然来源的根本原因在于这些材料富含氮、氧和碳等元素（Wahyudi等人，2023）。植物废弃物（如蔬菜、水果皮和其他有机残渣）富含氨基酸、糖类、有机酸和多酚等成分，是合成CDs的理想原料（Sharma等人，2024）。在荧光CD的合成过程中，这些植物化学物质会经历碳化和脱水等化学变化，这些过程通常通过微波加热、水热处理或热解实现（Raypah等人，2026）。此外，CDs的表面保留了原始材料中的有用官能团，使其易于针对特定分析物进行修饰。

在多种用于环境友好型合成过程的天然来源中，Garcinia indica（GI）因其独特的特性而被选为特别有吸引力的材料。GI是一种主要生长在印度西高止山脉地区的热带水果，不仅用于传统烹饪，还具有药用和商业价值（Shedge等人，2026）。其外皮含有多种生理活性化合物，如有机酸、黄酮类化合物、羟基柠檬酸和花青素。这些化合物是合成CDs所需碳和其他元素的理想前体（Singh等人，2022）。GI的天然酸性和抗氧化特性促进了有效的碳化过程，从而产生了具有增强荧光特性的CDs。GI的成本效益、易获取性和环保性能使其成为可持续合成CDs的理想天然来源。

在本研究中，采用了一种简单的一步水热法，以GI为天然来源合成CDs（即GI-CDs）。制备的GI-CDs在紫外光（365纳米）照射下表现出明亮的蓝色荧光，可用于检测IO₄^?。检测机制基于CDs表面分子与IO₄^?之间的化学反应，导致荧光猝灭。该检测方法具有成本效益、绿色化学和快速响应时间等优点，适用于高碘酸根的检测。本研究的主要目标是开发一种环保的传感系统，用于选择性检测IO₄^?。这项工作为开发用于水样中IO₄^?检测的环保型荧光探针提供了有益的见解。

片段

试剂和仪器

GI水果从印度古吉拉特邦苏拉特的草药店购买。各种阴离子（如HPO₄^3?、AsO₄^3?、C₂O₄^2?、IO₄^?、HCO₃^?、S₂O₃^2?、ClO₄^?和S₂O₅^2?）从Sigma-Aldrich（美国）购买。DI dialysis membrane-70（HiMedia Laboratories Pvt. Ltd.（印度）用于GI-CDs的透析研究。所有实验均使用Milli-Q纯净水进行，以确保实验的一致性和纯度。

紫外-可见吸收光谱和荧光光谱在室温下获得。

理想条件的评估

使用FT-IR、紫外-可见光谱和荧光光谱等多种技术对制备的GI外皮CDs进行了全面表征。为了确定最佳合成条件，系统地研究了反应温度（160、180和200摄氏度）和时间（2、4和6小时）（见图S1，支持信息）。反应时间和温度的提高最初导致GI-CDs的荧光强度增加，表明GI果皮的碳化程度提高。

结论

本研究成功利用简单的水热法从GI果皮合成了荧光GI-CDs。制备的GI-CDs在431纳米处具有强烈的蓝色荧光，荧光量子产率为37.21%。实验表明，GI-CDs是一种高效的荧光纳米传感器，可通过荧光猝灭机制快速、简便且灵敏地检测IO₄^?。采用了一系列分析技术（包括紫外-可见光谱等）进行验证。

CRediT作者贡献声明

Alok Kumar Singh：初稿撰写、可视化制作、验证、方法设计、实验研究、数据分析。Mayurkumar Revabhai Patel：初稿撰写、验证、方法设计、数据分析。Juhi Bhadresh Raval：可视化制作、方法设计、实验研究、数据分析。Madhura Pradeep Deshpande：方法设计、数据分析、数据管理。Hirakendu Basu：数据分析、数据管理。Tae Jung Park：资源协调、数据分析。Suresh Kumar Kailasa：撰写

不适用。

不适用。

不适用。

AKS感谢SURAT的SVNIT主任提供实验所需的基础设施。SKK感谢SURAT的Sardar Vallabhbhai国家技术学院的院长批准其在韩国 Chung-Ang大学的Brainpool Program期间的学术休假。本研究得到了韩国科学和信息通信部通过韩国国家研究基金会（RS-2023-00221526）资助的Brain Pool计划的支持。

SKK感谢SURAT的Sardar Vallabhbhai国家技术学院院长批准其在韩国Chung-Ang大学的Brainpool Program期间的学术休假。本研究得到了韩国科学和信息通信部通过韩国国家研究基金会（RS-2023-00221526）资助的Brain Pool计划以及2023年CHUNG-ANG大学研究生奖学金的支持。

Alok Kumar Singh|Mayurkumar Revabhai Patel|Juhi Bhadresh Raval|Madhura Pradeep Deshpande|Hirakendu Basu|Tae Jung Park|Suresh Kumar Kailasa

印度古吉拉特邦SURAT的Sardar Vallabhbhai国家技术学院化学系 395007