功能化碳点在染料污染物检测中的高性能
新型功能化碳点用于染料污染物检测的SERS高性能研究
学术背景
染料分子在日常生活中扮演着重要角色，但其使用带来的环境污染问题不容忽视。其中，孔雀石绿（Malachite Green, MG）是一种具有潜在致癌、致畸和致突变效应的三苯甲烷类染料。尽管MG在水产养殖中被广泛用于治疗鱼类真菌和寄生虫感染，但由于其高毒性和残留问题，许多国家已明确禁止其使用。然而，目前市场上缺乏廉价且有效的替代品，因此MG的使用仍未完全停止。为了监控其在复杂生物环境中的微量存在，急需一种高灵敏度和高选择性的检测技术。
传统的检测方法，如高效液相色谱（HPLC）、毛细管电泳拉曼光谱（CE-RS）等，虽然精度高，但存在样品前处理繁琐、耗时且昂贵等问题。表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）作为一种超灵敏的分析技术，能够在单分子水平上将拉曼信号放大10^10至10^11倍，具有极大的应用潜力。本研究旨在开发一种新型的SERS基底，用于高效、灵敏地检测MG，并为环境和食品安全领域的应用提供技术支持。
论文来源
本论文由Yanqiu Yang、Lingru Kong、Yong Ding、Lixin Xia、Shuo Cao和Peng Song共同完成。作者分别来自Liaoning University的物理系和化学系，以及Yingkou Institute of Technology。该研究发表于Journal of Advanced Research（2025年第68卷，第89-98页），并于2024年2月9日正式上线。研究得到了多项国家自然科学基金和辽宁省教育厅项目的资助。
研究流程
1. 新型Ag-CDs-PBA纳米复合材料的构建
研究首先通过水热法制备了碳点（Carbon Dots, CDs），并通过透析法纯化。随后，将CDs粉末浸入苯硼酸（Phenyl Boric Acid, PBA）溶液中，形成CDs-PBA复合物。接下来，通过还原硝酸银（AgNO3）在CDs-PBA表面修饰银纳米颗粒（Ag NPs），最终得到Ag-CDs-PBA复合材料。为了验证其性能，研究还制备了Ag-CDs作为对照样本。
2. SERS检测MG的实验设计
研究的实验对象包括淡水鱼和实际水样。首先，将活鱼暴露于不同浓度的MG溶液中，浸泡两天后提取鱼组织样品。实际水样则分别取自浑河流域的河水和工业废水，经过过滤处理后，通过加标法加入不同浓度的MG。所有样品均通过Ag-CDs-PBA基底进行SERS检测，并记录拉曼光谱。
3. 材料表征与性能测试
研究使用透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）对Ag-CDs-PBA的形貌和晶体结构进行了表征。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析了材料的表面化学组成。拉曼光谱用于评估SERS基底的增强效果，并通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了CDs与PBA之间的电荷转移机制。
主要结果
1. 材料表征结果
TEM图像显示，Ag NPs均匀分布在CDs表面，粒径约为40 nm，而CDs的直径在2-6 nm之间。XRD分析表明，Ag-CDs-PBA复合材料的结晶度较高，银纳米颗粒的存在显著增强了材料的稳定性。FTIR和XPS结果表明，PBA的引入显著改变了CDs的表面官能团，增强了材料与目标分子之间的相互作用。
2. SERS性能评估
实验表明，Ag-CDs-PBA基底对MG的检测具有极高的灵敏度和选择性。在浓度为10^-10 M的MG溶液中，仍能清晰观察到其特征拉曼峰，表明该基底具有优异的检测性能。此外，研究还通过DFT计算证实了CDs与PBA之间的强电荷转移效应，进一步解释了SERS信号增强的机制。
3. 实际应用测试
在实际水样中，Ag-CDs-PBA基底成功检测到了微量的MG，回收率高达94.10%至108.45%，表明其在复杂环境中的应用潜力。此外，基底在多次循环使用后仍保持良好的SERS活性，展现了优异的稳定性和可重复性。
结论与意义
本研究成功构建了一种新型Ag-CDs-PBA SERS基底，实现了对孔雀石绿的高灵敏度和高选择性检测。通过调控CDs与PBA之间的电荷转移效应，研究显著提高了基底的SERS性能，并为复杂环境中微量污染物的检测提供了新的技术手段。该研究不仅具有重要的科学价值，还在环境和食品安全领域展现了广泛的应用前景。
研究亮点
- 高灵敏度：Ag-CDs-PBA基底能够在10^-10 M的极低浓度下检测到MG，展现了卓越的检测性能。
- 强选择性：PBA的引入有效抑制了其他干扰物质的影响，实现了对目标分子的特异性识别。
- 实际应用：研究成功将该基底应用于实际水样和鱼样品的检测，验证了其在复杂环境中的适用性。
- 创新性：通过DFT计算揭示了CDs与PBA之间的电荷转移机制，为SERS信号增强提供了理论支持。
其他有价值的信息
研究还探讨了Ag-CDs-PBA基底在其他染料分子（如罗丹明6G、结晶紫等）检测中的应用，进一步扩展了其应用范围。此外，基底的长期稳定性和自清洁性能也为其在实际生产中的应用提供了有力支持。