有机溶剂中的水是一种普遍存在的杂质，对化学反应和工业生产有重大影响。2024年，郑州大学吕超教授、孙远强副教授及刘晓婷讲师为了解决这一难题，通过在对苯二胺前体中引入砜基，合理设计了具有独特氢键诱导发射特性的高水溶性碳点（Carbon dots: CDs）。砜基团的加入使CDs具有显著的水溶性，并对含水量具有独特的比例荧光响应，具有较高的灵敏度和选择性，且CDs已成功地应用于检测市售酒精中的水分。相关成果于2024年以A highly water-soluble
hydrogen-bond-induced emission carbon dots for ratiometric fluorescent
detection of water content in organic solvents为题发表在Talanta (IF = 5.6)上，第一作者为郑州大学的Jia, Yanfei。1. 背景
水是日常生活中最基本、最常见的化合物，常被誉为生命之源。对食品、化工和制药行业来说，检测和控制水是至关重要的。许多化学反应和装置都受到水的影响，如有机金属化学和锂离子电池。即使是微量的水也会影响反应的结果或导致起火和爆炸。因此，有机溶剂中水分的检测在有机合成和化学工业中至关重要。目前，Karl Fischer titration①是最常用的方法来检测水的含量。但该方法操作复杂，需要特殊的实验设备和操作方法，极大地限制了其实际应用。CDs作为一种新型荧光纳米材料，因其易于合成、成本效益高、可持续性和稳定性高等独特优势，在生物医学、化学传感和催化等领域得到了广泛的应用。近年来，人们在开发检测水的功能CDs方面做了大量的工作。尽管取得了相当大的进步，但在这一领域仍存在显著的缺陷。例如，大多数报道的CDs表现出有限的水溶性和对水的荧光关闭反应，导致低灵敏度。单次荧光强度变化对荧光测量的影响因素很多，包括CDs的局部浓度、CDs周围环境的变化、激发和发射效率。众所周知，与单发射荧光检测相比，比例荧光测量能够避免各种因素的干扰。因此，设计高水溶性CDs用于比例检测水具有重要的意义和挑战性。注：① 卡尔·费休法简称费休法，是1935年卡尔费休（Karl Fischer）提出的测定水分的容量分析方法。费休法是测定物质水分的各类化学方法中，对水最为专一、最为准确的方法。费休法有滴定法与库仑电量法两种方法。 适用于许多无机化合物和有机化合物中含水量的测定。
考虑到大多数报道的CDs由于水的强极性，其荧光可被水淬灭，通过分子内电荷转移（Intramolecular charge transfer, ICT）或扭曲分子内电荷转移（Twisted Intramolecular Charge Transfer, TICT）增加了非辐射跃迁，导致荧光量子产率低。为了阻止水诱导的荧光猝灭，需要采用独特的策略。众所周知，绿色荧光蛋白中的天然发色团由于氢键网络的存在而表现出较高的荧光，从而稳定了电子态。因此，研究人员设想通过引入可以与水形成氢键网络的官能团，在水中开发高荧光CDs。砜基团被认为是良好的氢键受体和亲水性基团。同时，砜等吸电子基团能有效抑制TICT过程，显著提高了荧光团在水溶液中的量子产率，增强了荧光团的光稳定性。因此，选择砜基作为候选基团。苯二胺是设计CDs最常用的前驱体之一，对苯二胺衍生的CDs具有优异的光学性能，在化学传感领域有广泛的应用。对苯二胺的胺基容易氧化和聚合，通过水热和溶剂热途径容易得到CDs。考虑到这一点，通过在对苯二胺前体中引入砜基作为氢键受体，开发了一种用于比率荧光检测水的高水溶性CDs。2. CDs的表征
利用TEM对CDs形貌和尺寸进行了分析。如图1a所示，CDs呈球形，分散均匀，没有明显的聚集。粒径分布范围为3.5 ~ 6.5 nm，平均粒径约为4.89 ± 0.35 nm。此外，HRTEM显示，CDs中的晶格间距为0.24 nm，与石墨碳平面非常相似，从而证实了CDs的成功制备。进一步利用FTIR分析了TMP-CDs的表面状态，研究了其官能团的特征。结果如图1c所示，在3493 cm-1处观察到的宽而强的吸收带可归因于O-H/N-H键，而在2927 cm-1和2854 cm-1处相对较弱的吸收带对应于C-N键。在1500 cm-1和1620 cm-1处观察到的峰表示苯环内C=C键的拉伸振动。另外，1323 cm-1和1273 cm-1的吸收峰提供了O=S=O键存在的证据，1502 cm-1的尖峰与C-N键有关。此外，用XPS分析了TMP-CDs的化学成分，XPS全能谱显示，TMP-CDs主要由四种元素组成，分别为87.81%的C、9.68%的O、3.87%的N和2.54%的S（图1d）。C1s能谱在284.8 eV、285.3 eV、286.2 eV和288.3 eV处有4个峰，分别对应C=C/C-C、C-O/C-N、C-S和C=O（图1e）。N1s能谱有三个主峰，分别属于胺N（398.4 eV）、吡啶N（398.9 eV）和吡咯N（287.9 eV）（图1f）。如图1g所示，O1s能谱中532.1 eV和533.8 eV的峰分别是C=O/S=O和C-O/O-H的存在。图1h中的S2p峰在167.9 eV和169.2 eV处可分为两个不同的峰，分别对应C-S和S=O。XPS结果与FT-IR实验结果一致，表明TMP-CDs由C、N、O和S元素组成，并且在TMP-CDs上有丰富的泛函官能团。砜官能团的存在有助于形成氢键网络，增强了TMP-CDs的亲水性，使其能够在有机溶剂中检测水。利用荧光光谱研究了CDs的光学性质。如图2a所示，TMP-CDs在PBS溶液中的激发波长为345 nm，发射波长为520 nm。然后研究了TMP-CDs的激发依赖性荧光光谱。如图2b所示，当激发波长从315 nm增加到385 nm，间隔10 nm时，荧光发射波长保持稳定。当激发波长达到345 nm时，荧光光谱的强度达到最高水平。因此，选择345 nm和520 nm分别作为最佳激发波长和发射波长。相比之下，EPA-CDs的最佳激发和发射波长分别为562 nm和683 nm。TMP-CDs和EPACDs都表现出非激发依赖性，这可能是由于其表面存在均匀的发射态（图2b）。CDs的稳定性是影响其实际应用的关键因素。为了评估TMP-CDs的光学稳定性，本文对CDs的PBS溶液连续照射60 min后检测了TMP-CDs的荧光强度。结果表明，TMP-CDs的荧光强度没有发生明显变化，表明其具有较高的光稳定性。此外，进一步评估了TMP-CDs的抗干扰能力。在各种金属离子和氨基酸离子（500 μM）的存在下，荧光强度表现出最小的变化，这表明这些干扰在PBS溶液中可以忽略。此外，还研究了CDs的pH依赖性，在2-12的pH范围内，荧光强度没有明显变化，证明了TMP-CDs具有优异的pH稳定性。这可以归因于砜基团的存在，它促进了氢键网络的建立，从而赋予CDs优异的光稳定性和优异的耐酸碱性。![]()
Scheme 1.
Schematic illustration of the synthesis of TMP-CDs and the detection of water
content in ethanol.
Scheme 1. TMP-CDs的合成及乙醇中含水量的检测示意图。
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Fig. 1. TEM image
(a), HRTEM image (b) and FT-IR spectra (c) of the TMP-CDs. XPS full-scan
spectra (d) and high-resolution spectra of C1s (e), N1s (f), O1s (g), S2p (h)
peaks of the TMP-CDs.
图1. TEM图像(a)、HRTEM图像(b)和FT-IR光谱(c)。TMP-CDs的C1s (e)、N1s (f)、O1s (g)、S2p (h)峰的XPS全扫描能谱(d)和高分辨率光谱。
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Fig. 2. (a)
Excitation and emission spectra of TMP-CDs (25 μg/mL) in PBS (10 mM, pH 7.4) solution. (b) Excitation-dependent
emission spectra of TMP-CDs, starting from 315 nm to 385 nm with a 10 nm
increment.
图2. (a) 25 μg/mL的TMP-CDs在PBS（10 mM, pH 7.4）溶液中的激发和发射光谱。(b) TMP-CDs的激发相关发射光谱，从315 nm到385 nm，增量为10 nm。
3. TMP-CDs的氢键诱导发射
测定了其在不同有机溶剂和水中的吸收光谱和荧光光谱。如图3a所示，TMP-CDs在不同有机溶剂和水中的主要吸收波长位于350 nm左右。TMP-CDs在水中显示出强烈的黄绿色荧光，主发射波段为520 nm。相比之下，当TMP-CDs在有机溶液中，包括1, 4-二氧六环、二氯甲烷、乙酸乙酯、四氢呋喃、乙醇、乙腈、N, N二甲基甲酰胺和丙酮（图3b和c）。TMP-CDs在水和有机溶剂中的发射行为差异较大，表明TMP-CDs具有典型的氢键诱导发射（Hydrogen-Bond Induced Emission, HBIE）。研究了EPA-CDs的吸收光谱和发射光谱发现随着极性的增加，主发射波长逐渐呈现从599 nm到683 nm的红移趋势，在水中观察到很低的荧光，这与典型的CDs和荧光团的溶剂致变色效应一致。这种独特的HBIE现象可能是由于砜基具有较强的氢受体能力，可以与水形成氢键网络，抑制非辐射跃迁，从而产生强大的黄绿色发射。![]()
Fig. 3. Absorption
(a) and emission (b) spectra of TMP-CDs (25 μg/mL) in different organic solvents and water under the
excitation of 345 nm. (c) Photographs of TMP-CDs in different solvents under
irradiation of 365 nm UV light.
图3. 在345 nm激发下，25 μg/mL的TMP-CDs在不同有机溶剂和水中的吸收(a)和发射(b)光谱。(c) 365 nm紫外光照射下不同溶剂的TMP-CDs照片。
4. TMP-CDs对水的荧光响应
由于其显著的HBIE效应，TMP-CDs被用于检测非质子有机溶剂中的水。如图4a所示，随着1, 4-二氧六环中含水量的增加，TMP-CDs的发射光谱从405 nm逐渐红移到425 nm。当水含量大于50%时，在520 nm处出现了独特的HBIE条带。此外，在紫外光下，不同含水量的TMP-CDs在1, 4-二氧六环的水传感能力如图4所示。随着含水量的增加，TMP-CDs的发射色逐渐由蓝色过渡到明亮的黄绿色。425 nm处的最大荧光强度与含水量在30 ~ 90%范围内呈负相关（R2 = 0.9659）（图4b)。同时，520 nm处的最大荧光强度与含水量在0 ~ 80%范围内呈正相关（R2 = 0.9802）（图4c）。利用425 nm和520 nm处TMP-CDs荧光强度之比构建校准曲线（图4d）。在1, 4-二氧六环中，回收率为0 ~ 40%（R2 = 0.9879）。相反，在相同条件下，EAP-CDs对水的荧光响应并不保持一致。如图4e所示，随着含水量的增加，EAPCDs的荧光强度逐渐降低，从599 nm逐渐红移至683 nm，但没有出现新的发射波段。EAP-CDs的最大荧光强度与含水量在10% ~ 60%之间呈负相关（图4f，插图）。很明显，随着含水量的增加，EAP-CDs的发射呈现出猝灭的趋势（图4）。通过分析CDs的不同组成及其不同的传感特性，可以看出砜官能团的引入可以实现对水的比例计量荧光检测。二乙胺基团的疏水性和强给电子性可能导致EAP-CDs的水溶性降低，从而导致荧光猝灭。相反，在TMP-CDs上的砜基团有利于与水形成氢键网络，实现对水的比例荧光检测。DMSO中的TMP-CDs也观察到类似的结果。乙醇和水都被认为是能够形成氢键的质子溶剂。研制能够准确测定乙醇中水分含量的探针具有重要的意义和挑战性。因此，本文利用TMP-CDs的HBIE特性来检测乙醇中的水。如图5所示，随着含水量的增加，425 nm处的荧光强度逐渐降低，520 nm处的荧光强度呈现先增强后降低的趋势（图5a）。利用425 nm和520 nm处TMP-CDs荧光强度之比构建校准曲线（图5b）。在乙醇中，回收率在0 ~ 30%范围内呈线性变化（R2 = 0.9879）。计算得出测定乙醇中水分的检出限为0.54%。![]()
Fig. 4. (a)
Fluorescence spectra of TMP-CDs (25 μg/mL) in the 1,4-dioxane with different
amounts of water (λex = 345 nm). (b) Linear fitting relationship
between fluorescence intensity of TMP-CDs (25 μg/mL) at 425 nm and water
content from 30 to 90% (v/v). (c) Linear fitting relationship between
fluorescence intensity of TMP-CDs (25 μg/mL) at 520 nm and water content from 0
to 80% (v/v). (d) Linear relationship between the ratio of fluorescence
intensity of TMP-CDs at 425 nm and 520 nm and water content in the range of
0–40% (v/v). (e) Fluorescence spectra of EAP-CDs (25 μg/mL) in the 1,4-dioxane
with different amounts of H2O (λex = 538 nm). (f) The
relationship between maximum fluorescence intensity of EAP-CDs and water
content. The inset shows the corresponding linear plot when the water content
ranges from 10 to 60%. (g) Photographs of TMP-CDs (top) and EAP-CDs (bottom) in
1,4-dioxane/H2O system under irradiation of 365 nm UV light.
图4. (a) 25 μg/mL的TMP-CDs在不同水量的1, 4-二氧六环中的荧光光谱（λex =
345 nm）。(b) TMP-CDs（25 μg/mL）在425 nm处的荧光强度与含水量30 ~ 90%（v/v）之间的线性拟合关系。(c) TMP-CDs （25 μg/mL）在520 nm处的荧光强度与含水量0 ~ 80%（v/v）之间的线性拟合关系。(d) TMP-CDs在425 nm和520 nm处的荧光强度比值与0-40%（v/v）范围内的含水量呈线性关系。(e) EAP-CDs（25 μg/mL）在不同水含量（λex = 538 nm）的1,4-二氧六环中的荧光光谱。(f) EAP-CDs的最大荧光强度与含水量的关系。附图为含水量在10% ~ 60%范围内的相应线性图。(g) 1,4-二氧六环/水体系中TMP-CDs（上）和EAP-CDs（下）在365 nm紫外光照射下的照片。
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Fig. 5. (a)
Fluorescence spectra of the TMP-CDs (25 μg/mL) in ethanol with different amount
of water (λex = 345 nm). (b) The relationship between the ratio of
fluorescence intensity of TMP-CDs at 425 nm and 520 nm and water content.
图5. (a) 25 μg/mL的TMP-CDs在不同水含量的乙醇（λex = 345 nm）中的荧光光谱。(b) TMP-CDs在425 nm和520 nm处的荧光强度比与含水量的关系。
5. 商用乙醇中水分含量测定
为了评估比例荧光CDs用于检测乙醇中水分含量的实际效用，本文使用了来自不同制造商的三种市售95%乙醇样品。将TMP-CDs分别溶解于样品中，并测定其含水量。由表1可知，乙醇样品中水的平均回收率在99.6%~107.5%之间，相对标准偏差（RSD）在3%以下，表明TMP-CDs具有对实际样品进行定量检测的潜力。Table
1. Determination of water contents in commercial ethanol
表1.商品乙醇中水分含量的测定
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5. 总结
综上所述，本文提出将砜基作为氢键受体掺入CDs中，通过溶剂热法合成具有氢键诱导荧光特性的比例荧光CDs。在TMP-CDs中引入砜官能团，产生氢键诱导发射效应，实现了对乙醇中含水量的比例荧光检测，检出限较低，在实际样品分析中取得了令人满意的结果。本文创新性的在经典前驱体对苯二胺上进行改性加入亲水基团——砜基团。接着利用溶剂热法最终得到了TMP-CDs，基于氢键诱导发射效应将其开发为可以在实际应用中进行乙醇中水含量的检测器，这对于CDs的结构设计和功能开发具有参考价值。![]()
个人简介：
刘俨漫，23岁，四川广安人；
邮箱：xhu.lym@foxmail.com
