菠菜基水溶红色荧光碳点的微波合成及Pb2+荧光检测性能

doi:10.7503/cjcu20250082

摘要/Abstract

摘要：

以菠菜粉为碳源, 通过微波法一步制备了水溶性红光碳点(R-CDs), 并研究了其光学性能、结构特征及荧光调控机理. 结果表明, R-CDs具有均匀的粒径分布(3.62 nm)、长波长红光发射(648 nm)及窄半峰宽(30 nm), 其荧光红移源于羟基与石墨氮的协同作用. 基于R-CDs构建的荧光探针可实现Pb²⁺的高选择性检测, 线性范围为0~40 nmol/L, 检测限为4.2 nmol/L(R²=0.990). 研究表明, Pb²⁺与R-CDs之间的相互作用主要由动态猝灭机制主导. 本研究为绿色合成红光碳点及其在重金属检测中的应用提供了新策略.

关键词: 碳点, 红色荧光, 铅离子, 荧光探针

Abstract:

In this study， water-soluble red carbon dots（R-CDs） were successfully synthesized via a microwave- assisted method using spinach powder as the carbon precursor. The optical properties， structural characteristics， and fluorescence regulation mechanisms of R-CDs were investigated. The results demonstrated that R-CDs exhibit uniform particle size distribution（3.62 nm）， long-wavelength red light emission（648 nm）， and a narrow full width at half maxima（FWHM）（30 nm）. The observed fluorescence redshift is attributed to the synergistic interaction between hydroxyl groups and graphitic-nitrogen. A fluorescent probe based on R-CDs was developed for highly selective detection of Pb²⁺ ions， with a linear response range of 0—40 nmol/L and a detection limit of 4.2 nmol/L （R²=0.990）. Further studies revealed that the interaction between Pb²⁺ and R-CDs is primarily governed by a dynamic quenching mechanism. This work provides a novel and environmentally friendly approach for the synthesis of red carbon dots and their application in heavy metal ion sensing.

Key words: Carbon dot, Red fluorescence, Lead ion, Fluorescent probe

中图分类号:

O657.3

TrendMD:

江霆杰, 曹珏然, 姚胜峰, 宋健, 李娜, 陈永颖, 李唯, 张浩然, 雷炳富. 菠菜基水溶红色荧光碳点的微波合成及Pb²⁺荧光检测性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250082.

JIANG Tingjie, CAO Jueran, YAO Shengfeng, SONG Jian, LI Na, CHEN Yongying, LI Wei, ZHANG Haoran, LEI Bingfu. Microwave-assisted Synthesis of Water-soluble Red-emitting Carbon Dots Derived from Spinach Powder and Its Pb²⁺ Fluorescence Detection Application. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20250082.

图/表 6

Fig.1 UV⁃Vis absorption spectra of B⁃CDs and R⁃CDs(A), PLE and PL spectra under different excitation of B⁃CDs(B) and R⁃CDs(C), PL decay curves of B⁃CDs and R⁃CDs(D)Insets： photographs of B-CDs（B） and R-CDs（C） under daylight and 365 nm UV lamp irradiation， respectively.

Fig.2 TEM and HRTEM(inset) images(A, B) and size distributions(C, D) of B⁃CDs(A, C) and R⁃CDs(B, D)

Fig.3 XRD patterns(A), Raman(B) and FTIR(C) spectra of B⁃CDs and R⁃CDs

Fig.4 Survey(A), high⁃resolution XPS spectra of C1s (B), N1s (C), and O1s (D) of B⁃CDs and R⁃CDs, TGA curves(E) and effect of pH on PL intensity(F) of B⁃CDs and R⁃CDs

Fig.5 Emission spectra of R⁃CDs at different Pb2+ concentrations(A), the relationship between F/F0 and the concentration of Pb2+(B), fluorescence response of R⁃CDs on Pb2+ and various metal ions(100 nmol/L)(C), UV⁃Vis spectrum of Pb2+ and emission spectrum of R⁃CDs(D), the linear relationship between F0/F and the concentrations of Pb2+ at 25 and 50 ℃(E), fluorescence decay curves of R⁃CDs before and after Pb2+ addition(F)（B） Inset： the linear fitting curve plot.

Table 1 Detection of Pb2+ in actual samples

Analyte	Added/（nmol·L^‒1）	Measured/（nmol·L^‒1）	Recovery（%）	RSD（%）
Tap water	5	4.80	96.0	1.89
	10	10.40	104.0	4.26
	50	49.70	99.4	2.10
Lake water	5	4.60	92.0	2.68
	10	9.70	97.0	0.85
	50	51.60	103.2	4.20

参考文献 40

1	Mostafa M. S.， Bakr A. S. A.， El Naggar A. M. A.， Sultan E. S. A.， J. Colloid Interface Sci.， 2016， 461， 261—272
2	Huang L. S.， Lin K. C.， Spectrochimica. Acta B， 2001， 56（1）， 123—128
3	Ebrahimi⁃Najafabadi H.， Pasdaran A.， Rezaei Bezenjani R.， Bozorgzadeh E.， Food Chem.， 2019， 289， 26—32
4	Chen J. Y.， Liu W. R.， Li Y. J.， Zou X. K.， Li W.， Liang J. R.， Zhang H. R.， Liu Y. L.， Zhang X. J.， Hu C. F.， Lei B. F.， Chem. Eng. J.， 2022， 428， 131168
5	Li W.， Wu S. S.， Zhang H. R.， Zhang X. J.， Zhuang J. L.， Hu C. F.， Liu Y. L.， Lei B. F.， Ma L.， Wang X. J.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28（44）， 1804004
6	Li Z. X.， Li H. X.， Shi C. X.， Yu M. M.， Wei L. H.， Ni Z. H.， Spectrochimica. Acta A， 2016， 159， 249—253
7	Nißler R.， Müller A. T.， Dohrman F.， Kurth L.， Li H.， Cosio E. G.， Flavel B. S.， Giraldo J. P.， Mithöfer A.， Kruss S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（2）， e202108373
8	Chen W. B.， Li W.， Zhang X. J.， Ma C. G.， Xia Z. G.， Lei B. F.， Sci. China Mater.， 2022， 65（10）， 2802—2808
9	Zhao Y. L.， Jiang X.， Huang K.， Xiong X. L.， Yang Q.， Food Chem.， 2025， 463， 141280
10	Li Y. D.， Xu X. K.， Li W.， Hu C. F.， Zhuang J. L.， Zhang X. J.， Lei B. F.， Liu Y. L.， Chin. J. Lumin.， 2021， 42（8）， 1172—1181
	李亚东，许晓凯，李唯，胡超凡，庄健乐，张学杰，雷炳富，刘应亮. 发光学报， 2021， 42（8）， 1172—1181
11	Joseph J.， Anappara A. A.， ChemPhysChem， 2017， 18（3）， 292—298
12	Xu H. H.， Yan L. H.， Nguyen V.， Yu Y.， Xu Y. M.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 414， 238—243
13	Xu H.， An Z. H.， Zhang H. R.， Li W.， Yang X.， Kang Y. Y.， Su W.， Zheng M. T.， Lei B. F.， Mater. Res. Bull.， 2024， 170， 112590
14	Xu X. H.， Wang L.， Lin P. C.， Ma T. F.， Shi L.， Wang H.， Lu Y. C.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（9）， 20240251
	徐小花，王莉，林鹏程，马天锋，石琳，王欢，芦永昌. 高等学校化学学报， 2024， 45（9）， 20240251
15	Li L. L.， Ji J.， Fei R.， Wang C. Z.， Lu Q.， Zhang J. R.， Jiang L. P.， Zhu J. J.， Adv. Funct. Mater.， 2012， 22（14）， 2971—2979
16	Liu H. X.， Zhong X.， Pan Q.， Zhang Y.， Deng W. T.， Zou G. Q.， Hou H. S.， Ji X. B.， Coordin. Chem. Rev.， 2024， 498， 215468
17	Fang M. Y.， Wang B. Y.， Qu X. L.， Li S. R.， Huang J. S.， Li J. N.， Lu S. Y.， Zhou N.， Chinese Chem. Lett.， 2024， 35（1）， 108423
18	Liu J. J.， Geng Y. J.， Li D. W.， Yao H.， Huo Z. P.， Li Y. F.， Zhang K.， Zhu S. J.， Wei H. T.， Xu W. Q.， Jiang J. L.， Yang B.， Adv. Mater.， 2020， 32（17）， 1906641
19	Liu J.， Kong T. Y.， Xiong H. M.， Adv. Mater.， 2022， 34（16）， 2200152
20	Li S. H.， He Y. X.， Du Y. Q.， Wei Z. P.， Li Y.， Cheng Q.， Chin. J. Lumin.， 2024， 45（9）， 1478—1487
	李胜慧，何雨萱，杜友全，魏智鹏，李玉，程倩. 发光学报， 2024， 45（9）， 1478—1487
21	Lin J. J.， Huang W. Y.， Zhang H. R.， Zhang X. J.， Liu Y. L.， Li W.， Lei B. F.， J. Mater. Chem. C， 2024， 12（15）， 5480—5487
22	Zhang Q.， Li X. F.， Xu Y. Z.， Xu Z. X.， Xu L. H.， J. Hazard. Mater.， 2025， 490， 137845
23	Tang L.， Ai L.， Song Z. Q.， Sui L. Z.， Yu J. K.， Yang X.， Song H. Q.， Zhang B. W.， Hu Y. S.， Zhang Y. Q.， Tian Y. X.， Lu S. Y.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33（34）， 2303363
24	Zhong W. L.， Yang J. Y.， Sci. Total Environ.， 2024， 957， 177473
25	Li S.， Li L.， Tu H. Y.， Zhang H.， Silvester D. S.， Banks C. E.， Zou G. Q.， Hou H. S.， Ji X. B.， Mater. Today， 2021， 51， 188—207
26	Kong Y. L.， Cheng Q.， He Y.， Ge Y. L.， Zhou J. G.， Song G. W.， Food Chem.， 2020， 312， 126089
27	Li S. H.， Su W.， Wu H.， Yuan T.， Yuan C.， Liu J.， Deng G.， Gao X. C.， Chen Z. M.， Bao Y. M.， Yuan F. L.， Zhou S. X.， Tan H. W.， Li Y. C.， Li X. H.， Fan L. Z.， Zhu J.， Chen A. T.， Liu F. Y.， Zhou Y.， Li M.， Zhai X. C.， Zhou J. B.， Nat. Biomed. Eng.， 2020， 4（7）， 704—716
28	He X.， Han Y.， Luo X. L.， Yang W. X.， Li C. H.， Tang W. Z.， Yue T. L.， Li Z. H.， Food Chem.， 2020， 320， 126624
29	Fu F. M.， Xu M. R.， Liang Z. S.， Huang S. R.， Li H.， Zhang H. R.， Li W.， Zheng M. T.， Lei B. F.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（2）， 20220464
	符芳媚，徐梦如，梁梓珊，黄斯锐，李晖，张浩然，李唯，郑明涛，雷炳富. 高等学校化学学报， 2023， 44（2）， 20220464
30	Gao D.， Zhang Y. S.， Liu A. M.， Zhu Y. D.， Chen S. P.， Wei D.， Sun J.， Guo Z. Z.， Fan H. S.， Chem. Eng. J.， 2020， 388， 124199
31	Gu M. H.， Zheng X. C.， Li C.， Zheng Z. X.， Song G. C.， Xu L.， Chen L.， Zhang D. Q.， Nano Today， 2025， 62， 102675
32	Ding H.， Yu S. B.， Wei J. S.， Xiong H. M.， ACS Nano， 2016， 10， 484—491
33	Gao F. C.， Fu Q.， Ruan Y.， Li C.， Wang Y. D.， Li H.， Li J. C.， Jiang Y. Y.， Adv. Sci.， 2025， 12（8）， 2414895
34	Cao M. M.， Liu Y. P.， Zhu M. M.， Xia J. F.， Xuan T. T.， Jiang D. Y.， Zhou G. H.， Li H. L.， J. Alloy. Compd.， 2021， 873， 159819
35	Wei J. Y.， Lou Q.， Zang J. H.， Liu Z. Y.， Ye Y. L.， Shen C. L.， Zhao W. B.， Dong L.， Shan C. X.， Adv. Opt. Mater.， 2020， 8（7）， 1901938
36	Qu S. N.， Zhou D.， Li D.， Ji W. Y.， Jing P. T.， Han D.， Liu L.， Zeng H. B.， Shen D. Z.， Adv. Mater.， 2016， 28（18）， 3516—3521
37	Dai R. Y.， Chen X. P.， Ouyang N.， Hu Y. P.， Chem. Eng. J.， 2022， 431， 134172
38	Lin J. J.， Huang X. M.， Kou E. F.， Cai W. X.， Zhang H. R.， Zhang X. J.， Liu Y. L.， Li W.， Zheng Y. J.， Lei B. F.， Biosens. Bioelectron.， 2023， 219， 114848
39	Zhai W. Y.， Wang C. X.， Yu P.， Wang Y. X.， Mao L. Q.， Anal. Chem.， 2014， 86（24）， 12206—12213
40	Xu Y.， Chen Y. H.， Ding L.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（7）， 1420—1426
	徐源，陈艳华，丁兰. 高等学校化学学报， 2018， 39（7）， 1420—1426

[1]	刘钰鹏, 杨钧翔, 郝一鸣, 曲松楠. 近红外吸收/发光碳点的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240070.
[2]	李逢时, 蒋凯, 童鑫园, 武永健, 林恒伟. 硼掺杂控制陷阱密度及能级实现碳点的余辉寿命调控与动态信息加密应用[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240545.
[3]	王长莹, 张大伟, 陈冠吉, 张镇威, 萧卫泓, 王斌, 陈奇丹, 杨柏. 碳点发光标记材料的制备及在水样中亚硝酸盐专一检测中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240519.
[4]	潘卓涵, 艾琳, 卢思宇. 固态发光碳点的发光机理、合成与应用研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250081.
[5]	郭丹, 黄耿鸿, 白惠洁, 王亚玲, 曹广群, 刘斌, 胡胜亮. 高荧光量子产率的CO₂衍生红光碳点的制备及应用[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250091.
[6]	薛小矿, 李建, 梁焕仪, 王一颖, 葛介超. 红光发射线粒体靶向铁掺杂碳点通过类过氧化物酶活性诱导铁死亡进行肿瘤治疗[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250094.
[7]	倪佳文, 黄遵辉, 宋天兵, 马千里, 何天乐, 张熙荣, 熊焕明. 利用固相合成的硼掺杂碳点调控锂负极的有序沉积[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240185.
[8]	李燕, 蔡皓, 毕红. 抗氧化碳点用于对乙酰氨基苯酚诱导的急性肝损伤的改善[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240130.
[9]	刘金坤, 冉准, 刘青青, 刘应亮, 庄健乐, 胡超凡. 前驱体结构调控策略制备碳点基多色室温磷光材料[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240412.
[10]	庞娥, 唐垣钰, 赵少静, 程强, 王晨, 陈健敏, 蓝敏焕. 乏氧激活化疗药物AQ4N与碳点自组装用于化疗联合声动力治疗肿瘤[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240489.
[11]	刘瀛琪, 王叶梅, 蒋恺, 郑芬芬, 朱俊杰. 基于细胞衍生荧光碳点的葡萄糖比色及荧光测定[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240386.
[12]	郝永梁, 李建, 王泽华, 葛介超. 基于红光碳点光敏剂的活性收缩水凝胶用于细菌感染的伤口愈合[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240409.
[13]	王欣, 王宇, 穆富茂, 闫翎鹏, 王振国, 杨永珍. 碳点在有机太阳能电池界面工程中的应用与展望[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240416.
[14]	陈奇丹, 陈冠吉, 游善媚, 臧欣瑶, 杨柏. 可用于防晒吸收剂的广谱抗紫外碳点的制备[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240313.
[15]	刘翼泽, 李鹏飞, 孙再成. 碳点发光机制与结构之间的构效关系[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250103.

菠菜基水溶红色荧光碳点的微波合成及Pb²⁺荧光检测性能

Microwave-assisted Synthesis of Water-soluble Red-emitting Carbon Dots Derived from Spinach Powder and Its Pb²⁺ Fluorescence Detection Application

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