Simultaneous Preparation of Pu-erh Tea-selenium-doped Carbon Quantum Dots and Elemental Selenium and Its Application in Fe3+ Detection
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摘要: 目的：为探讨普洱茶-纳米硒制备掺杂型碳量子点的可行性及其相关特性，实现水体系中Fe3+的快速检测。方法：以普洱茶水提取物稳定分散的普洱茶-硒原子为掺杂原子，采用水浴法，通过优化反应温度和时间，同时制备出普洱茶-硒掺杂碳量子点（Pu-erh tea nano-selenium doped carbon quantum dots，PT-Se-CQDs）和单质硒两种物质；采用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱等技术表征PT-Se-CQDs的紫外-可见吸收特性和荧光强度，采用透射电子显微镜、X射线光电子能谱及X射线衍射等技术表征其形态形貌、元素组成及结构特性；并以PT-Se-CQDs为荧光探针构建荧光传感器，用于水体系中Fe3+检测。结果：当反应温度100 ℃、反应时间10 h时，可同时制备得量子产率为3.41%、平均直径约为3.1 nm的类球形PT-Se-CQDs和单质硒。Fe3+对PT-Se-CQDs具有强荧光静态猝灭效应，当Fe3+浓度为0~300 μmol/L时，比率荧光强度（F/F0）与Fe3+浓度呈良好的线性关系（R2>0.99），Fe3+的检出限低至0.2621 μmol/L；纯净水和矿泉水中Fe3+含量测定的加标回收率分别为90.93%~104.56%和84.53%~113.90%，RSD小于8.15%和4.00%。结论：本研究制备的PT-Se-CQDs对Fe3+具有高选择性和灵敏度，以此建立的检测Fe3+方法简单、快速，具有良好的应用前景。
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关键词:
- 普洱茶-纳米硒 /
- 普洱茶-硒掺杂碳量子点 /
- 单质硒 /
- 荧光传感器 /
- Fe3+
Abstract: Object: To prepare Pu-erh tea nano-selenium doped carbon quantum dots (PT-Se-CQDs) for the rapid detection of Fe3+ in the water system and to profile their characteristics. Method: In this study, PT-Se-CQDs and elemental selenium were prepared simultaneously in a water-bath by optimizing the reaction temperature and time. The ultraviolet-visible absorption and fluorescent intensity of PT-Se-CQDs were subsequently analyzed by the ultraviolet-visible absorption spectroscopy and fluorescence spectroscopy. And their morphology, elemental composition, and structural characteristics were characterized by transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction, respectively. On this basis, a novel fluorescence sensor for the detection of Fe3+ in the aqueous system was constructed using PT-Se-CQDs. Result: PT-Se-CQDs in a spherical shape with a quantum yield of 3.41%, an average particle size of about 3.1 nm as well as elemental selenium were successfully prepared simultaneously via the reaction in a boiling water bath at 100 °C for 10 h. In addition, a strong static fluorescence quenching effect on PT-Se-CQDs was observed in the presence of Fe3+. Accordingly, Fe3+ in the range of 0~300 μmol/L was successfully detected using PT-Se-CQDs as a fluorescence sensor with a good linear relationship between the concentration of Fe3+ and the ratio of fluorescence intensity (F/F0) of PT-Se-CQDs (R2>0.99) and a limit of detection of 0.2621 μmol/L. When this method was applied to detect Fe3+ in real water samples, satisfactory standard recovery rates of Fe3+ in pure water and mineral water of 90.93%~104.56% and 84.53%~113.90% with the RSD less than 8.15% and 4.00% were obtained, respectively. Conclusion: The preparation of PT-Se-CQDs with high selectivity and sensitivity to Fe3+ and their application as a new fluorescence sensor for the detection of Fe3+ in aqueous systems with simple operation and fast response were explored in the present study. -
碳量子点（CQDs）是一类粒径小于激子波尔粒径的新型碳基荧光材料[1]，具有材料来源广，毒性低，水溶性和生物相容性好，荧光强度和光催化活性高等优良特性，广泛应用于半导体、生物医学和分析检测等领域[2-5]。
纳米硒是粒径为1~100 nm的无定型红色零价单质硒，比无机硒和有机硒具有更高的抗氧化、抗癌活性和更低的毒性[6-8]；但受热不稳定，易转变为热力学稳定的灰黑色三方晶系t-Se而失去活性[9]。
CQDs的合成方法目前主要有化学氧化法、微波法和水热法等[10-12]，其中，水热法因操作简单，成本低，成为CQDs合成的主要方法。已有研究发现，单纯碳源合成的CQDs，荧光强度和表面活性低，而通过杂原子掺杂或表面钝化等表面修饰[13]，不仅可调控CQDs的光致发光特性，更能提供CQDs与其他物质相互作用的活性位点，促进传感和催化过程[14]。目前已有铜[15]、氮[16]、磷[17]、硫[18]、硒[19]等元素掺杂成功制备出CQDs的报道。硒原子作为杂原子掺杂CQDs，不仅可调控其荧光性能，提高其荧光量子产率，还可强化或赋予CQDs功能活性[20-21]。
本团队前期采用软模板法，以绿茶、普洱茶等六大茶类水提取物和纳米聚集体、茶多糖、茶褐素等为软模板，成功制备出稳定性高、抗氧化和抗癌活性强的茶-纳米硒，其中以普洱茶稳定效果最佳[22-24]。在普洱茶-纳米硒制备过程中，生成的普洱茶-硒原子具备作为杂原子、对CQDs进行表面修饰的巨大潜质；同时，升高水浴反应温度，可促使无定型红色纳米硒转变为晶态的灰黑色三方晶系t-Se[25]。为此，本研究探讨在普洱茶-纳米硒制备的基础上，以过量的维生素C（VC）作为还原剂和碳源，以普洱茶稳定的纳米硒作为硒源，通过改变水浴加热的温度和时间，同时制备PT-Se-CQDs和单质硒。以PT-Se-CQDs为荧光探针，构建荧光传感器检测Fe3+，应用于纯净水和矿泉水样品中Fe3+含量测定，以建立一种高选择性和灵敏度的快速检测方法，应用于环境中Fe3+等的快速监测。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
普洱茶 广东省茶叶进出口公司提供，按GB/T 8303-2013《茶-磨碎试样的制备及其干物质含量测定》磨碎干茶，筛分过20~30目，备用；亚硒酸钠（Na2SeO3） Sigma-Aldrich 公司；抗坏血酸（VC） 北京普博欣生物科技有限责任公司；硫酸奎宁 上海阿拉丁生化科技有限公司；氯化钠（NaCl）、氯化镁（MgCl2）、硝酸铅（Pb（NO3）2）、硫酸亚铁（FeSO4） 广东广试试剂科技有限公司；氯化钙（CaCl2）、氯化镉（CdCl2）、氯化钡（BaCl2） 天津市科密欧化学试剂有限公司；氯化镍（NiCl2）、氯化钴（CoCl2）、氯化锶（SrCl2）、氯化锌（ZnCl2）、氯化铁（FeCl3）、硝酸铬（CrNO3） 天津大茂化学试剂厂；硫酸锰（MnSO4） 广东台山粤侨试剂塑料有限公司；上述使用的化学试剂均为分析纯等级以上；农夫山泉矿泉水、纯悦纯净水 超市购入。
Milli-Q Integral 3纯水机 德国Merck-Millipore公司；AL204电子分析天平 梅特勒托利多仪器有限公司；HWS-24电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司；Centrifuge 5804R冷冻高速离心机 德国Eppendorf公司；Alpha 1-2 LD plus冷冻干燥机 德国Martin Christ公司；CRT970荧光分光光度计 上海仪电分析仪器公司；UV-2102C紫外-可见分光光度计 上海尤尼科有限公司；HITACHIU-2900双光束紫外分光光度计 日立高新技术公司；JEM 2100F场发射透射电镜 日本JEOL公司；Thermo Scientific Escalab 250Xi X射线光电子能谱 美国赛默飞世尔公司；Ulitma IV X射线衍射仪 日本Rigaku公司。
1.2 实验方法
1.2.1 普洱茶-硒掺杂碳量子点和单质硒的制备
1.2.1.1 普洱茶水提取物的制备
参照叶锡光[22]的方法：称取4.5 g普洱茶样品，按茶水比1:50 g/mL加入100 ℃超纯水，沸水浸提30 min，每隔10 min振摇一次，浸提结束后趁热抽滤，滤液转移至250 mL容量瓶中，冷却至室温，定容，经冷冻干燥获得普洱茶水提取物冻干粉，于 −20 ℃保存。
1.2.1.2 普洱茶-硒掺杂碳量子点和单质硒的制备
参照叶锡光[22]的方法稍作修改：将普洱茶水提取物冻干粉用超纯水配制成浓度为2.5 g/L的普洱茶水提取物溶液，吸取此溶液5 mL，加入7 mL超纯水和500 mmol/L的VC溶液8 mL，800 r/min磁力搅拌5 min，静置反应15 min，再加入100 mmol/L的Na2SeO3溶液5 mL，800 r/min磁力搅拌5 min，随后将混合液置于一定水浴温度中反应一定时间，反应结束后，冰浴冷却10 min，于4 ℃、6000 r/min离心10 min，分别收集上清和沉淀，上清液过0.22 μm聚醚枫（PES）滤膜后，经截留分子量为100~500 Da纤维素透析袋搅拌透析60 h（每4 h更换透析水一次），得到PT-Se-CQDs溶液，25 ℃储存备用。
按照上述实验步骤优化反应参数，制备荧光强度高的PT-Se-CQDs。
a. 固定加热温度为100 ℃，探究0、2、4、6、8、10、12 h不同加热时间对PT-Se-CQDs荧光强度的影响；
b. 固定加热时间为10 h，探究40、60、80、100 ℃不同加热温度对PT-Se-CQDs荧光强度的影响。
1.2.2 普洱茶-硒掺杂碳量子点基本特性的表征
1.2.2.1 普洱茶-硒掺杂碳量子点的颗粒大小和形态形貌观测
PT-Se-CQDs溶液经超声分散30 min，取8 μL于超薄碳网上，干燥器干燥后，采用场发射透射电镜（Transmission electron microscope，TEM），于200 kV工作电压下观测其颗粒大小及形态形貌[26]。
1.2.2.2 普洱茶-硒掺杂碳量子点的元素组成及化学键分析
取适量PT-Se-CQDs溶液于铝箔纸上，干燥器干燥后，采用X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）测定其元素组成，同时测定C1s高分辨图谱，分析PT-Se-CQDs的化学键。设置X射线光源为Al靶，测试功率150 W，宽谱步长1 eV，停留时间50 ms，通能为100 eV，扫描区域500×500 μm。
1.2.2.3 普洱茶-硒掺杂碳量子点和单质硒的结构特性分析
取适量PT-Se-CQDs溶液于石英样品槽中，干燥器干燥后，采用X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）测定其晶型结构。设置工作电压40 kV，工作电流40 mA，扫描范围10~80°，连续式步进扫描，步长为0.0131303，扫描速度12°/min[26]。
1.2.3 普洱茶-硒掺杂碳量子点的光学特性表征
1.2.3.1 普洱茶-硒掺杂碳量子点的紫外-可见吸收特性分析
将PT-Se-CQDs溶液稀释500倍，采用HITACHIU-2900双光束分光光度计测定其紫外-可见吸收光谱。设置扫描速度400 nm/min，扫描范围200~800 nm。
1.2.3.2 普洱茶-硒掺杂碳量子点的荧光特性分析
将PT-Se-CQDs溶液稀释25倍，采用CRT970荧光分光光度计测定其荧光激发光谱和荧光发射光谱。设置扫描速度为高速，灵敏度为LM2~8（当样品荧光强度响应值达到峰值时，则降低灵敏度进行测定，LM越小，荧光强度越大），狭缝宽度为10 nm，发射光谱扫描范围为350~550 nm。
1.2.4 普洱茶-硒掺杂碳量子点的荧光量子产率测定
称取一定量硫酸奎宁粉末溶解于0.1 mol/L硫酸中，作为标准参照物（Φs=54.0%，365 nm）。调节硫酸奎宁溶液和PT-Se-CQDs溶液的浓度，使硫酸奎宁溶液在360 nm波长处和PT-Se-CQDs溶液在380 nm波长处的吸光值小于0.1。采用荧光分光光度计测定该浓度下硫酸奎宁溶液和PT-Se-CQDs溶液分别在激发波长为360和380 nm处的荧光发射光谱，以荧光光谱计算荧光发射峰面积，根据公式（1）计算荧光量子产率[27]。
Φx=Φs×IxIs×AsAx×(ηx)2(ηs)2 (1) 式中：Φ：荧光量子产率，%；Ι：荧光发射峰积分面积；A：激发波长处溶液的吸光度；η：溶剂的折射率；s：硫酸奎宁标准物；x：PT-Se-CQDs溶液。
1.2.5 普洱茶-硒掺杂碳量子点荧光探针检测金属离子
1.2.5.1 普洱茶-硒掺杂碳量子点对金属离子的选择性实验
吸取15份稀释倍数为12.5倍的PT-Se-CQDs溶液2 mL，分别加入2 mL的NaCl、CaCl2、MgCl2、NiCl2、BaCl2、CoCl2、CdCl2、SrCl2、ZnCl2、FeCl3、FeSO4、MnSO4、CrNO3、Pb（NO3）2等14种金属离子溶液（2 mmol/L），以超纯水为对照，测定其荧光发射光谱。
1.2.5.2 金属离子对普洱茶-硒掺杂碳量子点检测Fe3+的干扰性实验
吸取14份稀释倍数为12.5倍的PT-Se-CQDs溶液2 mL，分别加入1 mL的FeCl3溶液（0.2 mmol/L）和NaCl、CaCl2、MgCl2、NiCl2、BaCl2、CoCl2、CdCl2、SrCl2、ZnCl2、FeSO4、MnSO4、CrNO3、Pb（NO3）2共13种金属离子溶液（2 mmol/L），以超纯水为对照，测定其荧光发射光谱。
1.2.6 普洱茶-硒掺杂碳量子点荧光探针检测Fe3+的灵敏度测定
吸取11份稀释倍数为12.5倍的PT-Se-CQDs溶液2 mL，分别加入2 mL不同浓度FeCl3溶液，使其终浓度为0、10、20、30、40、50、100、150、200、250、300 μmol/L，静置反应2 min后，测定其荧光发射光谱。
1.2.7 普洱茶-硒掺杂碳量子点荧光探针检测Fe3+的荧光猝灭机制
吸取18份稀释倍数为12.5倍的PT-Se-CQDs溶液2 mL，加入2 mL不同浓度FeCl3溶液，使其终浓度为0、50、100、150、200 μmol/L，充分混匀后，将混合溶液分别于21、31、41 ℃恒温水浴静置0.5 h，测定其荧光发射光谱。根据斯特恩-沃尔默（Stern-Volmer）简化方程（式2）计算猝灭常数，分析其荧光猝灭机理。
F0F=1+KSV⋅[Q] (2) 式中：F0是不存在猝灭剂时的稳态荧光强度；F是存在猝灭剂时的稳态荧光强度；Ksv是斯特恩-沃尔默猝灭常数，L/mol；[Q]是猝灭剂的浓度，μmol/L。
1.2.8 矿泉水和纯净水中Fe3+测定
按1.2.6方法，测定矿泉水和纯净水中Fe3+含量。同时，在矿泉水和纯净水中加标10、100 μmol/L的FeCl3溶液，相同条件下测定其荧光强度并计算加标回收率。
1.3 数据处理
所有实验含3次平行，2次重复，数据结果以平均值±标准偏差表示，图表采用Origin Pro 9.0 64软件绘制。
2. 结果与分析
2.1 水浴加热温度和时间对普洱茶-硒掺杂碳量子点荧光强度的影响
本研究在普洱茶-纳米硒制备的基础上，通过改变水浴加热的温度和时间，以过量VC为还原剂和碳源，普洱茶-硒原子为杂原子，同时制备出PT-Se-CQDs（上清）和单质硒（沉淀）。为确定PT-Se-CQDs制备的最适水浴加热温度和时间，采用荧光分光光度计测定了40~100 ℃水浴加热温度、0~12 h加热时间下制备的PT-Se-CQDs的荧光强度，结果如图1和图2所示。
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图 1 不同加热温度下普洱茶-硒掺杂碳量子点的荧光光谱Figure 1. Fluorescence spectra of Pu-erh tea nano-selenium doped carbon quantum dots at different reaction temperatures![]()
图 2 不同加热时间下普洱茶-硒掺杂碳量子点的荧光光谱Figure 2. Fluorescence spectra of Pu-erh tea nano-selenium doped carbon quantum dots at different reaction time图1结果表明，在40~100 ℃温度范围内，随着加热温度的升高，PT-Se-CQDs的荧光强度逐渐增大（灵敏度由7降低至2），说明温度升高有利于VC碳化、裂解，单位时间内CQDs产率高，荧光强度增强[28]。固定加热温度为100 ℃，加热时间由0 h延长至4 h时，PT-Se-CQDs的荧光强度随之增大（灵敏度由8降低至2）；进一步延长加热时间至8~10 h，PT-Se-CQDs荧光强度增大；当反应时间延长至12 h，PT-Se-CQDs荧光强度变化不明显。此结果说明，当碳源（VC）含量固定时，适当延长反应时间，有利于其碳化、裂解，提高CQDs产率，提高其荧光强度。但加热时间过长，碳源消耗接近完全，其荧光强度不再增强[28]。综上结果，在普洱茶-纳米硒制备时，设置水浴加热温度100 ℃、加热时间10 h，经4 ℃、6000 r/min离心10 min，可制备得到荧光强度高的PT-Se-CQDs（上清），同时还可制备得到单质硒（沉淀）。
2.2 普洱茶-硒掺杂碳量子点和单质硒的表征
在同时制备了PT-Se-CQDs和单质硒的基础上，本研究进而采用TEM、XPS表征PT-Se-CQDs形态形貌、表面元素组成和价态等基本特性；采用UV-Vis吸收光谱和荧光光谱等表征其光学特性；采用XRD表征单质硒的晶型结构。
2.2.1 普洱茶-硒掺杂碳量子点和单质硒的基本特性
PT-Se-CQDs的形貌结构如图3所示。通过TEM观察，其为类球形纳米颗粒，平均直径为3.1 nm，表明本方法制备得到了具有量子尺寸的PT-Se-CQDs。经XPS测试可知（图4），PT-Se-CQDs的全谱扫描中出现O1s、C1s和Se3d的XPS特征峰（图4a），表明其含有O、C、Se元素。根据图4b的C1s分峰拟合图谱可知，在288.2、286.7、285.3及283.8 eV处分别出现C=O、C-O、C-Se及C-C/C=C键的特征峰[29]，表明普洱茶-硒原子成功掺杂CQDs。图5的PT-Se-CQDs和单质硒的XRD图谱表明，PT-Se-CQDs在约25°处显示一个范围较宽的衍射峰（图5a），这主要归因于存在的石墨（002）晶面，表明此条件下合成的PT-Se-CQDs由无序碳排列组成[30]。对比三方晶系t-Se的JCPDS：06-0362卡片可知，制备得到的单质硒为三方晶系t-Se[31]。
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图 3 PT-Se-CQDs透射电镜扫描图注：a：200000倍放大的PT-Se-CQDs形貌；b：1500000倍放大的PT-Se-CQDs形貌；c：粒径分布图。Figure 3. TEM image of PT-Se-CQDs![]()
图 4 PT-Se-CQDs的XPS全谱图（a）和C1s高分辨图（b）Figure 4. XPS full-spectrum （a） and C1s high-resolution spectrum （b） of PT-Se-CQDs![]()
图 5 PT-Se-CQDs（a）及单质硒（b）的XRD图Figure 5. XRD spectrum of PT-Se-CQDs （a） and elemental selenium （b）2.2.2 普洱茶-硒掺杂碳量子点的光学特性
采用UV-Vis吸收光谱和荧光光谱分析PT-Se-CQDs的光学特性。如图6a所示，PT-Se-CQDs的吸收光谱主要集中在紫外光区域，在263 nm波长处具有特征吸收峰，主要归因为碳核里C=C的π-π*跃迁[32]。图6b荧光光谱图表明，PT-Se-CQDs的最大激发波长为380 nm，最大发射波长为450 nm，在365 nm紫外光照射下发蓝色荧光（图6c内嵌图）。以硫酸奎宁作为参比，根据公式（1）计算可知，PT-Se-CQDs的量子产率为3.41%。对比相同反应条件下未掺杂CQDs的荧光光谱的LM和荧光强度值可知，普洱茶-硒原子掺杂CQDs的LM降低、荧光强度值增大（图7），表明普洱茶-硒原子的掺杂提高了CQDs的荧光强度。
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图 6 PT-Se-CQDs紫外-可见吸收光谱图（a）、荧光光谱图（b）和荧光发光图（c）Figure 6. Ultraviolet-visible spectra （a）, fluorescence spectrum （b） and 365 nm illumination under violet light （c） of PT-Se-CQDs2.3 普洱茶-硒掺杂碳量子点检测金属离子
为研究PT-Se-CQDs作为荧光探针，应用于检测金属离子的可行性，本研究探究了Na+、Ca2+、Mg2+、Ni2+、Ba2+、Co2+、Cd2+、Sr2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+、Pb2+、Fe3+、Cr3+等14种金属离子对PT-Se-CQDs荧光强度的影响，结果如图8所示。在这14种金属离子中，仅Fe3+明显猝灭PT-Se-CQDs的荧光，分析其可能是由于Fe3+与CQDs表面官能团发生螯合作用，导致其荧光发生淬灭[33]。
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图 8 添加不同种类金属离子后PT-Se-CQDs的比率荧光Figure 8. Ratio of fluorescence of PT-Se-CQDs with or without the addition of metal ions根据上述实验结果，进一步分析Na+、Ca2+、Mg2+、Ni2+、Ba2+、Co2+、Cd2+、Sr2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+、Pb2+、Cr3+等13种金属离子（0.5 mmol/L）对Fe3+（0.05 mmol/L）淬灭PT-Se-CQDs荧光强度的影响，结果如图9所示。在高于Fe3+浓度10倍的13种金属离子分别存在下，Fe3+作用于PT-Se-CQDs后，除Fe2+的比率荧光降低到0.6（F/F0）外，其余金属离子的荧光强度无显著变化，推测其可能是由于水体系中的Fe2+不稳定，可被部分氧化成Fe3+，从而猝灭PT-Se-CQDs的荧光所致[34]。此结果说明PT-Se-CQDs对Fe3+具有较强的离子选择性。
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图 9 不同金属离子与Fe3+作用于PT-Se-CQDs后的比率荧光Figure 9. Ratio fluorescence of PT-Se-CQDs treated by Fe3+ in the presence of different metal ions2.4 普洱茶-硒掺杂碳量子点对Fe3+的检测
在上述实验基础上，为实现Fe3+的定量检测，建立Fe3+快速检测方法，本研究测定了0~300 μmol/L浓度范围内，Fe3+作用PT-Se-CQDs荧光探针2 min后，其荧光光谱及荧光强度值，结果如图10所示。Fe3+浓度在0~300 μmol/L范围内，PT-Se-CQDs荧光强度随Fe3+浓度的增加而降低（图10a），其比率荧光与Fe3+浓度呈现良好的线性相关，0~50 μmol/L的线性方程为y=−0.0026x+1.0011，R2=0.9965；50~300 μmol/L的线性方程为y=−0.0029x+1.0151，R2=0.9958。根据线性拟合方程y=−0.0029x+1.0151（R2=0.9958）计算得到检出限为0.2621 μmol/L，均达到现行有效的GB 5749-2006及2023.4.1即将实施的GB 5749-2022生活饮用水卫生标准中规定的Fe3+水平限值0.3 mg/L （5.36 μmol/L）的检测要求[35]。
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图 10 PT-Se-CQDs荧光强度随Fe3+浓度变化的荧光光谱图（a）及线性关系图（b）Figure 10. Fluorescence spectrogram （a） of PT-Se-CQDs and the linear relationship diagram （b） between the fluorescence intensity of PT-Se-CQDs and the Fe3+ concentration从表1可见，PT-Se-CQDs荧光探针与未进行掺杂的鞣花酸探针相比，虽检出限较高，但检测范围却比其宽广；与SiCDs及CuNCs相比，检出限和检测范围均优于这两类探针；与N-CQDs相比，PT-Se-CQDs荧光探针检测Fe3+的范围虽略窄，但检出限更低。
表 1 不同荧光探针对Fe3+的检测性能比较Table 1. Comparison of detection performance of Fe3+ by different fluorescence probes2.5 普洱茶-硒掺杂碳量子点对Fe3+荧光检测的作用机制
PT-Se-CQDs荧光探针检测Fe3+具有高选择性和高灵敏度。为深入分析PT-Se-CQDs对Fe3+荧光检测的作用机制，本研究测定了0~200 μmol/L的Fe3+在21、31、41 ℃下猝灭PT-Se-CQDs的荧光强度，根据斯特恩-沃尔默方程计算猝灭常数，分析其荧光猝灭类型，结果如图11所示。在21、31、41 ℃反应温度下，不同浓度Fe3+与PT-Se-CQDs的荧光强度遵循斯特恩-沃尔默方程，经计算发现，随反应温度升高，荧光猝灭常数Ksv减小，呈反比变化（表2）。王靖蕊等[40]以半乳甘露聚糖与人血清白蛋白的研究证明，其内源性荧光猝灭常数随温度的升高而减小，呈反比变化，即为荧光静态淬灭。综合这些研究结果可知，本研究的Fe3+与PT-Se-CQDs的荧光猝灭类型亦为静态猝灭。
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图 11 不同温度下Fe3+和PT-Se-CQDs相互作用的斯特恩-沃尔默图Figure 11. Stern-Volmer plots for the quenching of Fe3+ by PT-Se-CQDs at different temperatures表 2 Fe3+与PT-Se-CQDs在不同温度下相互作用的猝灭常数KsvTable 2. Quenching constants Ksv for the interaction of Fe3+ by PT-Se-CQDs at different temperatures温度（℃） Ksv·103（L/mol） R2 21 6.3928±0.8423 0.9795 31 4.7116±0.7454 0.9569 41 3.7915±0.5856 0.9754 2.6 矿泉水和纯净水样品中Fe3+的检测
为进一步评估该检测方法的准确性和实用性，本研究以PT-Se-CQDs为荧光探针，检测纯净水及矿泉水样品中Fe3+含量，通过加标10、100 μmol/L的Fe3+，测定其回收率，结果如表3所示，结合Fe3+添加值为0时，PT-Se-CQDs的荧光强度计算得出，纯净水中Fe3+浓度为0，加标回收率范围为90.93%~104.56%，RSD小于8.15%。矿泉水中Fe3+浓度为4.24±2.66 μmol/L，加标回收率为84.53%~113.90%，RSD小于4.00%，表明该检测方法满足分析要求，可实现对实际样品中Fe3+的定量、快速检测。
表 3 PT-Se-CQDs对实际样品中Fe3+的检测能力Table 3. The detection ability of PT-Se-CQDs in the detection of Fe3+ in real samples样品 添加值（μmol/L） 检出值（μmol/L） 回收率（%） RSD（%） 纯净水 10 10.46 104.56 8.15 100 90.93 90.93 3.28 矿泉水 10 11.39 113.90 4.00 100 84.53 84.53 1.14 3. 结论
本研究基于普洱茶-纳米硒制备的前期研究基础得出如下结论：以普洱茶水提取物稳定分散的普洱茶-硒原子为掺杂原子，以过量的维生素C（VC）作为还原剂和碳源，在水浴加热温度为100 ℃、加热时间为10 h条件下，同时制备得到PT-Se-CQDs和三方晶系t-Se；PT-Se-CQDs和单质硒的基本特性和光学特性表征确定，所制备的PT-Se-CQDs呈类球形结构、平均直径为3.1 nm、荧光量子产率为3.41%，普洱茶-硒掺杂提高了CQDs的荧光强度；基于Fe3+显著猝灭PT-Se-CQDs荧光的特性，成功构建了高选择性和灵敏度的Fe3+检测荧光传感器，建立了Fe3+快速检测方法，检测范围为0~300 μmol/L，检出限为0.2621 μmol/L，其猝灭机理符合静态结合猝灭；以此方法检测纯净水和矿泉水等实际样品中的Fe3+，回收率高达90.93%~104.56%和84.53%~113.90%，RSD小于8.15%和4.00%，该方法达到生活饮用水Fe3+卫生检测要求，具有积极的应用前景。
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图 1 不同加热温度下普洱茶-硒掺杂碳量子点的荧光光谱
Figure 1. Fluorescence spectra of Pu-erh tea nano-selenium doped carbon quantum dots at different reaction temperatures
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图 2 不同加热时间下普洱茶-硒掺杂碳量子点的荧光光谱
Figure 2. Fluorescence spectra of Pu-erh tea nano-selenium doped carbon quantum dots at different reaction time
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图 3 PT-Se-CQDs透射电镜扫描图
注：a：200000倍放大的PT-Se-CQDs形貌；b：1500000倍放大的PT-Se-CQDs形貌；c：粒径分布图。
Figure 3. TEM image of PT-Se-CQDs
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图 4 PT-Se-CQDs的XPS全谱图（a）和C1s高分辨图（b）
Figure 4. XPS full-spectrum （a） and C1s high-resolution spectrum （b） of PT-Se-CQDs
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图 5 PT-Se-CQDs（a）及单质硒（b）的XRD图
Figure 5. XRD spectrum of PT-Se-CQDs （a） and elemental selenium （b）
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图 6 PT-Se-CQDs紫外-可见吸收光谱图（a）、荧光光谱图（b）和荧光发光图（c）
Figure 6. Ultraviolet-visible spectra （a）, fluorescence spectrum （b） and 365 nm illumination under violet light （c） of PT-Se-CQDs
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图 8 添加不同种类金属离子后PT-Se-CQDs的比率荧光
Figure 8. Ratio of fluorescence of PT-Se-CQDs with or without the addition of metal ions
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图 9 不同金属离子与Fe3+作用于PT-Se-CQDs后的比率荧光
Figure 9. Ratio fluorescence of PT-Se-CQDs treated by Fe3+ in the presence of different metal ions
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图 10 PT-Se-CQDs荧光强度随Fe3+浓度变化的荧光光谱图（a）及线性关系图（b）
Figure 10. Fluorescence spectrogram （a） of PT-Se-CQDs and the linear relationship diagram （b） between the fluorescence intensity of PT-Se-CQDs and the Fe3+ concentration
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图 11 不同温度下Fe3+和PT-Se-CQDs相互作用的斯特恩-沃尔默图
Figure 11. Stern-Volmer plots for the quenching of Fe3+ by PT-Se-CQDs at different temperatures
表 1 不同荧光探针对Fe3+的检测性能比较
Table 1 Comparison of detection performance of Fe3+ by different fluorescence probes
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表 2 Fe3+与PT-Se-CQDs在不同温度下相互作用的猝灭常数Ksv
Table 2 Quenching constants Ksv for the interaction of Fe3+ by PT-Se-CQDs at different temperatures
温度（℃） Ksv·103（L/mol） R2 21 6.3928±0.8423 0.9795 31 4.7116±0.7454 0.9569 41 3.7915±0.5856 0.9754
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表 3 PT-Se-CQDs对实际样品中Fe3+的检测能力
Table 3 The detection ability of PT-Se-CQDs in the detection of Fe3+ in real samples
样品 添加值（μmol/L） 检出值（μmol/L） 回收率（%） RSD（%） 纯净水 10 10.46 104.56 8.15 100 90.93 90.93 3.28 矿泉水 10 11.39 113.90 4.00 100 84.53 84.53 1.14
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