双发射碳点协同智能手机构建用于Ag+和Cu2+的便携式荧光比色传感器

doi:10.7503/cjcu20240422

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 20240422.doi: 10.7503/cjcu20240422

双发射碳点协同智能手机构建用于Ag⁺和Cu²⁺的便携式荧光比色传感器

王丛丛¹, 周恒博¹, 任丽芳¹, 申世刚¹^,², 马会春³(), 董江雪¹()

^1.河北大学化学与材料科学学院, 保定 071002
^2.京津冀(雄安新区)生态安全与生态保护教育部工程研究中心, 保定 071002
^3.河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室, 保定 050081

收稿日期:2024-09-11 出版日期:2025-04-10 发布日期:2024-10-29
通讯作者: 马会春,董江雪 E-mail:18931283309@163.com;dongjxue@163.com
基金资助:
河北大学研究与创新团队项目(IT2023A03);河北省自然科学基金(B2024201050);国家自然科学基金(32401191)

Dual-emission Carbon Dots Work with Smartphones to Build Portable Fluorescence Colorimetric Sensors for Ag⁺ and Cu²⁺

WANG Congcong¹, ZHOU Hengbo¹, REN Lifang¹, SHEN Shigang¹^,², MA Huichun³(), DONG Jiangxue¹()

^1.School of Chemistry and Materials Science，Hebei University，Baoding 071002，China
^2.Engineering Research Center of Ecological Safety and Conservation in Beijing?Tianjin?Hebei（Xiong’an New Area） of Ministry of Education，Baoding 071002，China
^3.Hebei Key Laboratory of Mineral Resources and Ecological Environment Monitoring，Baoding 050081，China

Received:2024-09-11 Online:2025-04-10 Published:2024-10-29
Contact: MA Huichun, DONG Jiangxue E-mail:18931283309@163.com;dongjxue@163.com
Supported by:
the Research and Innovation Team of Hebei University, China(IT2023A03);the Natural Science Foundation of Hebei Province, China(B2024201050);the National Natural Science Foundation of China(32401191)

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摘要/Abstract

摘要：

以柠檬酸、聚乙烯亚胺和邻苯二胺为碳源, 通过水热法制备了发射蓝色和黄色荧光的碳点(CDs), 将上述两种CDs通过自组装构筑成双发射探针(B/Y-CDs), 构建了用于水溶液中Ag⁺和Cu²⁺的可视化荧光传感器. 采用高分辨透射电子显微镜、 Zeta电位分析、 X射线衍射谱和红外光谱对B/Y-CDs进行了表征. 结果表明, B/Y-CDs的激发波长为350 nm, 发射波长为465和555 nm, 将Ag⁺引入体系后, 黄色荧光强度显著降低, 而蓝色荧光仅有少量减少; 将Cu²⁺引入体系后, 黄色荧光强度显著增加, 而蓝色荧光强度明显降低; 进一步考察了pH值、时间和温度对传感器性能的影响. 在最佳实验条件下, B/Y-CDs检测Ag⁺的线性范围为0.05~250 μmol/L, 检出限为19.70 nmol/L; B/Y-CDs检测Cu²⁺的线性范围为0.02~200 μmol/L, 检出限为8.87 nmol/L. 所构建的传感器具有良好的选择性, 且可用于水环境中Ag⁺和Cu²⁺的检测, 样品回收率分别为93.7%~105.7% 和95.3%~106.6%. 此外, 结合智能手机上的颜色识别器app, 将构建的传感器整合到智能手机平台中以记录颜色变化, 实现了对水溶液中Ag⁺和Cu²⁺的快速、灵敏的可视化定量检测.

关键词: 碳点, 银离子, 铜离子, 荧光比率传感器, 可视化检测

Abstract:

Carbon dots（CDs） emitting blue and yellow fluorescence were synthesized via a hydrothermal method using citric acid， polyethyleneimine， and o-phenylenediamine as carbon sources. Two types of CDs were self-assembled into dual-emission probes（B/Y-CDs）， which were utilized to construct visualized fluorescence sensors for detecting Ag⁺ and Cu²⁺ in aqueous solutions. The B/Y-CDs were characterized using high-resolution transmission electron microscopy， zeta potential analysis， X-ray diffraction spectroscopy and infrared spectroscopy. Results indicated that the excitation wavelength of B/Y-CDs is 350 nm， with emission wavelengths at 465 nm and 555 nm. Upon the introduction of Ag⁺ into the system， the intensity of yellow fluorescence decreased significantly， while the blue fluorescence exhibited only a slight decrease. When Cu²⁺ was introduced， the intensity of yellow fluorescence increased significantly， while the blue fluorescence intensity decreased markedly. The effects of pH， time， and temperature on sensor performance were further examined. Under optimal experimental conditions， the linear range of B/Y-CDs for detecting Ag⁺ was 0.05—250 μmol/L， the detection limit was 19.70 nmol/L； the linear range of B/Y-CDs for detecting Cu²⁺ was 0.02—200 μmol/L， the detection limit is 8.87 nmol/L. The constructed sensor demonstrated good selectivity and can be utilized for the detection of Ag⁺and Cu²⁺in aquatic environments， achieving sample recovery rates of 93.7%—105.7% and 95.3%—106.6%， respectively. Furthermore， the research integrated the sensor with a color recognition application on smartphones， enabling the recording of color changes and facilitating rapid and sensitive visual quantitative detection of Ag⁺ and Cu²⁺ in an aqueous solution.

Key words: Carbon dot, Silver ion, Copper ion, Fluorescence ratio sensor, Visual detection

中图分类号:

O657.1

TrendMD:

王丛丛, 周恒博, 任丽芳, 申世刚, 马会春, 董江雪. 双发射碳点协同智能手机构建用于Ag⁺和Cu²⁺的便携式荧光比色传感器. 高等学校化学学报, 2025, 46(4): 20240422.

WANG Congcong, ZHOU Hengbo, REN Lifang, SHEN Shigang, MA Huichun, DONG Jiangxue. Dual-emission Carbon Dots Work with Smartphones to Build Portable Fluorescence Colorimetric Sensors for Ag⁺ and Cu²⁺. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(4): 20240422.

图/表 9

Fig.1 HRTEM images of B⁃CDs, Y⁃CDs and B/Y⁃CDs(A—C), and relative size distribution diagrams(D—F)

Fig.2 Zeta potentials of B⁃CDs, Y⁃CDs, B/Y⁃CDs(A) and XRD pattern of B/Y⁃CDs(B)

Fig.3 Fluorescence excitation⁃emission spectra of B⁃CDs(A) and Y⁃CDs(B),UV⁃Vis absorption spectra and fluorescence emission spectra of B/Y⁃CDs(C), and infrared spectra(D) of B⁃CDs, Y⁃CDs and B/Y⁃CDsInsets of (A) and (B) are photographs in natural and ultraviolet light, respctively.

Fig.4 Fluorescence emission spectra(A) of B/Y⁃CDs in the absence and presence of Ag+ ions(inset: photograph of B/Y⁃CDs illuminated by Ag+ UV lamp, with or without), fluorescence lifetime(B) of B/Y⁃CDs before and after Ag+ addition, F0(465/555)/F(465/555) as a function of Ag+ concentration(C), fluorescence emission spectra of B/Y⁃CDs in the absence and presence of Cu2+ ions(inset: photograph of B/Y⁃CDs illuminated by Cu2+ UV lamp, with or without) (D), fluorescence lifetime(E) of B/Y⁃CDs before and after Cu2+ addition, and relationship between temperature and F0(465/555)/F(465/555)(F)

Fig.5 Fluorescent spectra of B/Y⁃CDs probe incubation with different concentrations of Ag+(A), relationship between fluorescent intensity and Ag+ concentrations(B), fluorescent spectra of B/Y⁃CDs probe incubation with different concentrations of Cu2+(C), relationship between fluorescent intensity and Cu2+ concentrations(D), photographs under fluorescent lamp and ultraviolet lamp after adding Ag+(E) and photographs under fluorescent lamp and ultraviolet lamp after adding Cu2+(F)

Fig.6 Selectivity of B/Y⁃CDs fluorescent probe for detection of Ag+ (A) and Cu2+ (B)

Table 1 Determined results of Ag+ and Cu2+ using B/Y-CDs probe in real water samples(n=5)

Sample	Ag⁺				Cu²⁺
Sample	Added/ （μmol·L^‒1）	Found/ （μmol·L^‒1）	Recovery（%）	RSD（%， n=5）	Added/ （μmol·L^‒1）	Found/ （μmol·L^‒1）	Recovery（%）	RSD（%， n=5）
Lake water	0	4.2	—	1.16	0	2.7	—	0.72
	50	52.0	95.6	0.81	50	54.2	103.0	0.46
	100	103.4	99.2	0.63	100	105.6	96.9	0.20
	200	215.6	105.7	0.88	150	150.4	106.6	0.34
Tap⁃water	0	1.1	—	1.17	0	1.0	—	1.17
	50	47.9	93.7	1.25	50	52.6	103.2	0.63
	100	105.1	104.8	0.70	100	99.8	98.8	0.62
	200	197.2	97.9	0.63	150	152.5	94.3	0.60
Spring water	0	11.7	—	1.00	0	11.7	—	1.01
	50	56.6	89.8	1.17	50	59.3	95.3	0.76
	100	115.3	103.6	0.74	100	114.5	102.8	0.49
	200	199.9	94.1	0.39	150	158.5	97.8	0.54

Fig.7 Schematic diagram of Ag+ and Cu2+ detection using smart equipment

Fig.8 CIE chromaticity coordinates(A) of B/Y⁃CDs in the presence of different concentrations of Ag+ and the relationship between color information and Ag+ concentration(B), and CIE chromaticity coordinates(C) of B/Y⁃CDs in the presence of different concentrations of Cu2+ and the relationship between color information and Cu2+ concentration(D)

参考文献 37

1	Li P.， Liang N.， Liu C.， Xia L.， Qu F.， Song Z.， Kong R.， Spectrochim. Acta A， 2022， 282， 121682
2	Wu H.， Tong C.， Mikrochim. Acta， 2019， 186（11）， 723
3	Tang H.， Gao Y.， Li B.， Li C.， Guo Y.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2018， 270， 562—569
4	Zhang W.， Li N.， Chang Q.， Chen Z.， Hu S.， Colloid Surface A， 2020， 586， 124233
5	He Y.， Wang Y.， Mao G.， Liang C.， Fan M.， Anal. Chim. Acta， 2022， 1191， 339251
6	Zhang M.， Liu Y.， Wei Y.， Dyes Pigm.， 2024， 226， 112143
7	Ajtony Z.， Laczai N.， Dravecz G.， Szoboszlai N.， Marosi Á.， Marlok B.， Streli C.， Bencs L.， Food Chem.， 2016， 213， 799—805
8	Li K.， Yang H.， Yuan X.， Zhang M.， Microchem. J.， 2021， 160， 105726
9	Trinta V. D. O.， Padilha P. D. C.， Petronilho S.， Santelli R. E.， Braz B. F.， Freire A. S.， Saunders C.， Rocha H. F. D.， Sanz⁃Medel A.， Fernández⁃Sánchez M. L.， Food Chem.， 2020， 326， 126978
10	Mourya A.， Mazumdar B.， Sinha S. K.， J. Environ. Chem. Eng.， 2019， 7（6）， 103459
11	Santoyo E.， Santoyo⁃Gutiérrez S.， Verma S. P.， J. Chromatogr. A， 2000， 884（1）， 229—241
12	Ekrami E.， Pouresmaieli M.， Shariati P.， Mahmoudifard M.， Appl. Geochem.， 2021， 127， 104902
13	Okeke E. S.， Ezeorba T. P. C.， Okoye C. O.， Chen Y.， Mao G.， Feng W.， Wu X.， J. Food Compos. Anal.， 2022， 114， 104778
14	Sivakumar R.， Lee N. Y.， Chemosphere， 2021， 275， 130096
15	Sivakumar R.， Lee N. Y.， BioChip J.， 2021， 15（3）， 216—232
16	Zhang Y.， Xu K.， Van Tan L.， Tan H.， Zhang H.， Microchim. Acta， 2024， 191（5）， 246
17	Park G. J.， You G. R.， Choi Y. W.， Kim C.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2016， 229， 257—271
18	Wang Y.， Xia Y.， Microchim. Acta， 2019， 186（1）， 50
19	Fan X.， Lv J.， Li R.， Chen Y.， Zhang S.， Liu T.， Zhou S.， Shao X.， Wang S.， Hu G.， Yue Q.， Arabian J. Chem.， 2023， 16（2）， 104492
20	Wang S.， Liu S.， Zhang J.， Ye Z.， Cheng X.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2019， 296， 126607
21	Zhang Q.， Wang R.， Feng B.， Zhong X.， Ostrikov K. K.， Nat. Commun.， 2021， 12（1）， 6856
22	Chen L.， Tian X.， Yang C.， Li Y.， Zhou Z.， Wang Y.， Xiang F.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2017， 240， 66—75
23	Li X.， Zhao S.， Li B.， Yang K.， Lan M.， Zeng L.， Coord. Chem. Rev.， 2021， 431， 213686
24	Chen B.， Liu M.， Gao Y.， Chang S.， Qian R.， Li D.， Nano Res.， 2023， 16（1）， 1064—1083
25	Lu C.， Xu J.， Song Z.， Dai Z.， Dyes Pigm.， 2024， 224， 111994
26	Molla A.， Lee H.， Ju Y.， Choi J.， Kim J.， Dyes Pigm.， 2022， 197， 109883
27	Liu H.， Zhong X.， Pan Q.， Zhang Y.， Deng W.， Zou G.， Hou H.， Ji X.， Coord. Chem. Rev.， 2024， 498， 215468
28	Bian Z.， Wallum A.， Mehmood A.， Gomez E.， Wang Z.， Pandit S.， Nie S.， Link S.， Levine B. G.， Gruebele M.， ACS Nano， 2023， 17（22）， 22788—22799
29	Singh H.， Singh S.， Bhardwaj S. K.， Kaur G.， Khatri M.， Deep A.， Bhardwaj N.， Food Chem.， 2022， 393， 133374
30	Singh H.， Halder M.， J. Nanopart. Res.， 2023， 25（5）， 92
31	Zhu Y.， Bai J.， Huang Z.， Wu S.， Wang X.， Yuan G.， Zhang L.， Ren L.， Mater. Lett.， 2022， 309， 131397
32	Zhang S.， Jin L.， Liu J.， Wang Q.， Jiao L.， Mater. Chem. Phys.， 2020， 248， 122912
33	Zu F.， Yan F.， Bai Z.， Xu J.， Wang Y.， Huang Y.， Zhou X.， Microchim. Acta， 2017， 184（7）， 1899—1914
34	Nan Z.， Hao C.， Zhang X.， Liu H.， Sun R.， Spectrochim Acta A， 2020， 228， 117717
35	Su J.， Wu L.， Zhu Y.， Xiong Z.， Zhao L.， Opt. Mater.， 2024， 155， 115800
36	Gharat P. M.， Pal H.， Dutta Choudhury S.， Spectrochim Acta A， 2019， 209， 14—21
37	Long T.， Hu Z.， Gao Z.， Luo H.， Li H.， Chen Y.， Liu L.， Xu D.， Spectrochim Acta A， 2023， 301， 122947

[1]	李林, 马静, 许畅琳, 陈彤瑶, 郭衡瑶, 李紫悠, 武文鑫. 室温驱动腐植酸钠基碳纳米簇用于荧光比色检测银离子和温度传感[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(6): 20230510.
[2]	王斯阳, 敬稳, 常江伟, 卢思宇. 碳点的制备及电化学能源应用进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(5): 20220733.
[3]	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. 共轭尺寸和表面氧化协同触发的红色荧光碳点用于有机溶剂中痕量水的检测[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220464.
[4]	陶淞源, 夏春雷, 杨柏. 碳点的结构与发光起源[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(10): 20230241.
[5]	李玉龙, 谢发婷, 管燕, 刘嘉丽, 张贵群, 姚超, 杨通, 杨云慧, 胡蓉. 基于银离子与DNA相互作用的比率型电化学传感器用于银离子的检测[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220202.
[6]	李奥, 李凌轩, 左翠翠, 陈传凯, 樊一凡, 步逸凡, 林泓域, 高锦豪. 基于硼酸酯的¹⁹F磁共振分子探针的设计合成及活体深组织活性氧物种的激活响应成像[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220545.
[7]	袁春玲, 姚晓条, 徐远金, 覃秀, 石睿, 成诗琦, 王益林. 双功能碳点用于葡萄糖的比色/比率荧光测定[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2428.
[8]	丁辉, 周旋旋, 张子慧, 夏坤林, 赵云鹏. 无溶剂法大量制备高效红光碳点及其在白光器件中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2080.
[9]	孙海珠, 杨国夺, 杨柏. 碳点的设计合成、结构调控及应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 349.
[10]	颜范勇, 孙中慧, 庞纪平, 江英霞, 陈圆. 苯并噻嗪衍生物功能化的碳点用于检测银杏叶茶中的槲皮素[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1768.
[11]	刘兆阳, 宋永新, 王天舒, 单桂晔. 组氨酸修饰普鲁士蓝的制备及与银离子的作用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1492.
[12]	阿丽, 王勇. 多肽荧光传感器检测铜离子[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2736.
[13]	黄贺, 李春光, 施展, 冯守华. 酪氨酸微波水热法制备碳点及其在Fe³⁺检测和荧光标记方面的应用[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1579.
[14]	周思慧, 李琼, 张婷, 庞代文, 唐宏武. 基于碳点的荧光纳米开关灵敏检测Cu(Ⅱ)离子和焦磷酸盐[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1593.
[15]	董向阳, 牛晓青, 魏济时, 熊焕明. 一步水热法制备铜掺杂纳米碳点及其在白光器件中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(6): 1288.

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