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环境监测中荧光碳点的应用

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荧光碳点的生物相容性非常高,而且在水溶液中非常容易聚集,与有机物的反应能力强,在环境监测中可以发挥非常好的效果,对微生物进行标记。

荧光碳点的光学特征

随着研究人员对荧光碳点的深入研究,其原材料的制备方法也越来越完善,钝化中修饰的试剂不同,也对碳点的性质产生很大的影响。在nm材料中,碳元素可以提供发射光谱,随着双光子成像技术日益完善,荧光碳点成像在医学领域的应用非常多。荧光碳点的荧光性质非常好,其钝化的修饰表面含有大量的电子,电子在转移中可以发光,在环境监测中发挥非常好的效果。

荧光碳点在环境监测中的应用

金属离子监测在环境空气压力下,将反应混合物回流,通过钙与其他金属反应制备了催化裂化装置。2g的环境中金属离子在50ml烧杯中溶解在3ml水中,在室温下添加3ml荧光碳点试剂,将混合物加热并将其保持在水的沸腾温度下30min,使用温度计监测反应温度。在水完全蒸发后,进一步加热反应混合物,并将其从黄色液体转化为深棕色软半固体,使环境中的金属离子和荧光碳点试剂的冷凝形成聚合物状的点。通过将产品空冷至室温,得到了棕色固体粉末的催化裂化产物。行业曲线linkindustryappraisementDOI:10.3969/j.issn.1001-8972.2019.16.024可替代度影响力可实现度行业关联度真实度利用日立H-9500透射电子显微镜在明场模式下拍摄了一幅典型的高分辨率透射电子显微镜图像,用聚丙烯酰胺凝胶电泳研究了混合物的分子量,采用PieleCe预染蛋白分子量标记作为标记物。采用Perkinelemer光谱GX傅立叶变换红外光谱仪获得了红外光谱,使用单色铝X射线源进行了X射线光电子能谱进行环境中的金属离子测量。在空气中以10℃/min的加热速率测量激光器激发的双光子发光光谱,利用时间相关单光子计数系统,在390nm激发和450nm发射条件下,测量了环境中金属离子的含量。在环境中的金属离子研究前24h,在96孔培养皿中培养金属离子,每个孔中含有约60000个金属离子。然后将荧光碳点样品添加到每个孔中,以分别达到0、50、100、150、200、250和300μg•ml–1的最终浓度。用3-4,5-二甲基噻唑基和2,5-二苯基四唑溴化铵测定法评估环境中金属离子3h和24h后产生的毒性。未经荧光碳点处理的金属离子被认为是对照金属离子,其存活率估计为100%,并作为用荧光碳点孵育的金属离子相对有效性的参考。将金属离子接种在35mm培养皿中24h后,将100μl的荧光碳点s水溶液(1mg•ml–1)加入培养皿中。未添加荧光碳点的金属离子被认为是对照组。用荧光碳点S孵育2h后,用1×磷酸盐缓冲液洗涤金属离子3次。采用共聚焦激光扫描显微镜结合激光激发系统和picoquant微时200单元对金属离子进行成像。

无机阴性离子污染物监测

由于外部加热后,环境中的无机物和荧光碳点试剂之间的酸碱中和释放的热量,混合物的温度迅速升高。加热约5分钟后,温度达到水的沸点,观察到水蒸发产生显著气泡。水完全蒸发后,将反应混合物进一步加热到150℃,用数字红外温度计测量,使环境中的无机物和荧光碳点试剂的冷凝形成聚合物状点。类聚合物点的自发自组装导致了nm球形荧光碳点,再现了合成荧光碳点的图像,并显示了平均直径为3nm的均匀nm颗粒。结合图像分析无机物荧光碳点的晶体结构,荧光碳点的晶格间距测量为0.205nm,这与石墨一致。对催化裂化装置的页面研究也表明,这些催化裂化装置的尺寸分布窄,分子量低。分析荧光碳点的X射线衍射图案,其显示了一个宽峰,荧光碳点光谱显示环境中无机物中含有碳、氮和氧等,原子百分比分别为62.4%、21.5%和16.1%,观察到初始重量损失20%;该损失是由荧光碳点物理吸附水的热解吸引起的。随后在200–500℃范围内的热重失重归因于含氧组的损失,当温度升高到550℃以上时,在TGA中观察到荧光碳点中无机物的分解。在暗室中可见光和紫外线灯激发下的荧光碳点的光学吸收和荧光发射光谱应用中,可以看出,在紫外光激发下,荧光碳点在水中无色透明的溶液呈亮蓝色发射。在350nm处的独特峰,其特征是羰基键的移动,其产生的原因在于氮杂环的移动。本次研究测量了环境中的无机物和荧光碳点试剂的吸收光谱,并且在250nm以上没有观察到吸收峰。在350nm的紫外激发下,荧光碳点在450nm处显示荧光发射峰最为明显。通过将发射波长设置为450nm获得的荧光碳点激发光谱显示出与200~400nm范围内的吸收光谱相似的趋势,为了获得激发发射图,在激发波长超过300~450nm的情况下激发荧光碳点溶液。测量荧光碳点在不同发射波长下的发射强度,然后将其显示为颜色方案中激发波长的函数,发现荧光碳点在450nm处表现出与激发波长无关的窄发射带,这表明这些荧光碳点的尺寸和表面状态都是一致的,在350nm紫外光激发下,环境中无机物含量为42.7%。

有机污染物的监测

为了研究荧光碳点在环境中有机物监测的应用效果,我们用750nm和150fs左右的脉冲激光激发荧光碳点,并用光纤光谱仪记录荧光光谱。测量了荧光碳点的透射光谱,并在600~900nm范围内显示出可忽略的单光子吸收或消光。然而,在400~600nm的波长范围内观察到750nmfs激光器对荧光碳点的双光子激发荧光光谱,最大峰值位于约460nm时有机物监测最多,这与其他的环境监测方式得到了结果具有相似性。这些结果表明,对于单光子和双光子激发荧光过程,荧光碳点中的激子最终放松到荧光发射发生的相同状态。观察荧光强度与激光功率值的二次关系,这表明在双光子过程中至少有两个光子同时被吸收。根据荧光碳点的结果,荧光碳点的平均荧光寿命估计约为7.2ns,该寿命明显长于有机物自发荧光因此,这些荧光碳点显示了作为nm探针在环境监测中有机物的监测发挥效果。为了研究荧光碳点的环境监测相关应用,我们通过MTT分析对荧光碳点的有机物活性进行了环境中的有机物研究。经过不同浓度的荧光碳点处理的Hela有机物在24h后的有机物活力,即使当荧光碳点浓度增加到300μg•ml–1时,有机物活力也没有明显下降,可以精确的监测到有机物含量的峰值。由于荧光碳点具有明亮的荧光发射和较低的有机物毒性,因此荧光碳点被用作有机物成像的荧光探针,以往对有机物内荧光碳点有机物成像的研究大多是基于利用荧光碳点的光致发光强度来增强有机物与背景的对比度。由于荧光碳点通常在蓝绿色区域,显示光致发光发射,在短波长激发下,有机物自发荧光也非常强烈,因此荧光碳点的荧光信号与有机物自发荧光几乎没有区别,除非有机物中浓度非常高。荧光碳点的长荧光寿命促使我们研究其在活体有机物成像中的应用,根据双光子激发的荧光样品的差异生成图像,从而可以查看具有不同荧光衰减率的环境之间有机物的对比度。此外,由于近红外激发光在组织中的强穿透能力,双光子激发有利于潜在的深部组织成像。荧光碳点有助于区分荧光碳点荧光发射与有机物自身荧光,荧光碳点作为有机物内成像具有巨大的潜力。

结语

荧光碳点的光学性能非常突出,在环境监测中可以提升精确性,可以分别对金属离子、无机物和有机物进行监测,使环境监测更加有针对性。

作者:彭佃钦 单位:山东省临沭县环境保护局

环境监测中荧光碳点的应用责任编辑:张雨    阅读:人次