石墨烯量子點熒光探針在磷酸鹽檢測中的應(yīng)用

卓淑娟, 陳祿揚, 張勇駿, 金廣夏

(安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

?

石墨烯量子點熒光探針在磷酸鹽檢測中的應(yīng)用

卓淑娟, 陳祿揚, 張勇駿, 金廣夏

(安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

本文以石墨烯量子點為熒光探針構(gòu)筑了高選擇性磷酸鹽傳感器.石墨烯量子點的熒光發(fā)射波長在407nm，Eu3+可使其熒光發(fā)生猝滅.隨著磷酸鹽的逐漸加入，Eu3+從石墨烯量子點的表面釋放出來與磷酸鹽結(jié)合，猝滅的熒光逐漸回升.回升的熒光信號與磷酸鹽濃度成正比，線性范圍為8.0×10-7到9.0×10-6mol/L，檢出限為1.0×10-7mol/L.所制備的傳感器具有較高的靈敏度和選擇性，且測定簡單，快速，使其具有一定的實際應(yīng)用價值.

磷酸鹽；傳感器；石墨烯量子點；熒光

石墨烯量子點(GQDs)，作為碳量子點的一種，具有優(yōu)越的光電性能，已被廣泛地合成并應(yīng)用于化學(xué)傳感、光電器件及生物成像[7]等多個領(lǐng)域.本文我們利用簡便的超聲法制備了石墨烯量子點，所制備的石墨烯量子點具有優(yōu)異的光致發(fā)光性能，并且其熒光發(fā)射峰位置不隨激發(fā)波長的變化而改變，即具有激發(fā)波長不依賴的熒光特性.由于采用濃酸氧化，量子點表面富含羧基，而三價銪離子(Eu3+)能與量子點表面的羧基配位，致使量子點形成聚集體，從而導(dǎo)致熒光強度的猝滅.當(dāng)在體系中加入磷酸根離子時，由于Eu3+離子與羧基的配位能力小于磷酸根離子[8]，Eu3+便從羧基修飾的石墨烯量子點表面解離出來并與磷酸根離子配位，而解聚后石墨烯量子點的熒光逐漸回升.基于這種競爭配位的原理，建立了定量檢測磷酸根離子的熒光回復(fù)法.所構(gòu)筑的傳感器具有簡單、靈敏度高、選擇性好的特點，可望用于實際水體中磷酸根離子的檢測.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

石墨烯從中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所購買.磷酸鈉購自國藥集團化學(xué)試劑公司 (上海)，硝酸銪 (Eu(NO3)3) 購自Sigma-Aldrich公司.Eu(NO3)3儲備液(1.0×10-2mol/L)直接用水配制并保存在冰箱中，使用前直接稀釋即可.用三(羥甲基)氨基甲烷-鹽酸(Tris-HCl)緩沖溶液(pH=7.8，由0.1mol/L的HCl和0.1mol/L的三(羥甲基)氨基甲烷組成)來控制溶液pH.其他藥品都是分析純試劑，直接使用.水均為二次蒸餾水.

1.2 石墨烯量子點的合成

參考以前的文獻(xiàn)報道以簡便的超聲法合成了石墨烯量子點[9].

1.3 表征

熒光光譜在F-4600熒光分光光度計(日立，日本)上測定.透射電子顯微鏡(TEM)圖片是在Tecnai G2F20透射電子顯微鏡(FEI，美國)上獲得，加速電壓為200kV.拉曼實驗是在Labram-HR800共聚焦激光拉曼光譜儀(JY，法國)上進(jìn)行，采用633nm He-Ne激光作為光源，600g/mm光柵.

1.4 實驗步驟

取0.05mL Tris-HCl緩沖溶液(pH 7.8) 和1mL石墨烯量子點溶液置于5mL容量管，然后加入0.1mL 2.5×10-3mol/L Eu3+工作液，將混合溶液充分混合，隨后加入適量磷酸根離子溶液.混合物用水稀釋至5mL后再次振蕩混合均勻放置5min后，在熒光分光光度計上進(jìn)行測定.

2 結(jié)果與討論

圖1是所制備的石墨烯量子點的TEM圖，由圖可見，所制備的量子點是單分散的，直徑范圍在3到5 nm之間.由于在制備過程中加入了混合濃酸，量子點表面富含羧酸基團，使其能較好地溶解于水中.因此石墨烯量子水溶液具有透明的外觀，同時光穩(wěn)定性也很好.在室溫下放置8個月后，其透明外觀和發(fā)光性能基本不變.

圖1 石墨烯量子點的TEM圖Fig.1 TEM image of as-prepared GQDs

拉曼光譜是表征碳材料的常用工具之一，圖2是所制備的石墨烯量子點的拉曼光譜圖.1592cm-1處的G帶和1334cm-1處的D帶分別對應(yīng)著sp2雜化和sp3雜化的碳原子的振動模式.由圖可見，sp3雜化的碳原子的數(shù)明顯多于sp2雜化的碳原子.

圖2 石墨烯量子點的拉曼光譜 圖3 石墨烯量子點的熒光光譜圖 Fig.2 Raman spectrum of the as-prepared GQDs Fig.3 Fluorescence spectra of the GQDs at different excitation wavelengths

所制備的石墨烯量子點具有激發(fā)不相關(guān)的熒光特性.圖3是石墨烯量子點在不同激發(fā)波長下的熒光光譜圖.當(dāng)激發(fā)波長從240增大到340nm時，量子點的熒光峰(407nm) 基本不變.可能的原因是超聲制備的GQDs邊緣上的微小納米帶的發(fā)光.

圖4a是石墨烯量子點及加入不同濃度Eu3+時的熒光光譜圖.由于在合成石墨烯量子點過程中加入了混合濃酸進(jìn)行氧化，致使量子點表面含有豐富的羧酸基團.而稀土離子與供氧基團之間有一定的配位作用.量子點表面的羧酸基團正是供氧基團，因此Eu3+可以與石墨烯量子點表面的羧酸基團結(jié)合，連接相鄰的量子點，導(dǎo)致量子點聚集.所以隨著Eu3+的加入量增多，石墨烯量子點的熒光逐漸降低，5 min內(nèi)即可穩(wěn)定.當(dāng)猝滅程度達(dá)到71%時，量子點熒光強度基本不再變化，說明此時達(dá)到了平衡狀態(tài).

圖4 (a) 石墨烯量子點在不同濃度Eu3+存在下的熒光光譜圖.(b)石墨烯量子點熒光強度隨Eu3+濃度變化的關(guān)系曲線Fig.4 (a) Evolutions of fluorescence spectra of GQDs with increasing amounts of Eu3+ ion. (b) The fluorescence intensity of GQDs vs Eu3+ concentration

進(jìn)一步實驗說明GQDs的熒光猝滅屬動態(tài)過程.過程遵循Stern-Volmer方程：F0/F=1+Ksv[Q]，其中F0和F表示不加和加入Eu3+離子時GQDs的熒光強度；Ksv為動態(tài)猝滅常數(shù)；[Q]為猝滅劑Eu3+離子的濃度.以F0/F對相應(yīng)的猝滅劑濃度作圖，得到石墨烯量子點熒光強度隨Eu3+的濃度變化的Stern-Volmer曲線(見圖4b).由圖可見，Stern-Volmer曲線具有良好的線性關(guān)系，從方程的斜率可得動態(tài)猝滅常數(shù)Ksv為4.78×104M-1，相關(guān)系數(shù)為0.997.

圖5 (a)不同濃度磷酸鹽對Eu3+-GQDs體系的熒光強度的影響.(b) 復(fù)合體系的熒光強度隨磷酸鹽濃度變化的關(guān)系曲線，誤差線表示三次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.5 (a) Effect of different concentration of phosphate on the fluorescence of Eu3+-GQDs. (b) PL intensity of the complex system vs. phosphate. The error bars represent the standard deviation of three measurements

有趣的是Eu3+離子與另一供氧基團磷酸根離子之間也有配位作用，并且Eu3+離子與磷酸根離子之間的作用力要大于與羧基之間的作用力.基于這種競爭配位作用，在已經(jīng)形成聚集的Eu3+-GQDs體系中加入磷酸根離子時，Eu3+離子從量子點表面解離并與磷酸根結(jié)合，使聚集的石墨烯量子點發(fā)生解聚，猝滅的熒光強度逐漸恢復(fù) (圖5a).反應(yīng)在5min內(nèi)即可達(dá)到平衡，回復(fù)的熒光強度與磷酸鹽濃度之間有正比關(guān)系，線性回歸方程為I=152512.9+20777.67c(μmol/L)，線性范圍從8.0×10-7到9.0×10-6mol/L，相關(guān)系數(shù)及檢測限分別為0.991和1.0×10-7mol/L(見圖5b).檢測限由公式LOD=KS0/S給出，其中K是根據(jù)置信水平選擇的數(shù)值因子，在這里K值為3，S0是空白測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=9)，S是標(biāo)準(zhǔn)曲線的靈敏度[10].

圖6 GQDs-Eu3+對各種陰離子的熒光響應(yīng).Eu3+離子的濃度為50μmol/L，磷酸鹽的濃度為9μmol/L，其他所有陰離子的濃度都為180μmol/LFig.6 Fluorescence response of GQDs-Eu3+ to various anions. Concentration: Eu3+,50μmol/L; phosphate, 9μmol/L. The concentration of all other anions were 180μmol/L

溶液的酸堿度對體系的熒光強度有較大影響，溶液呈堿性狀態(tài)時，GQDs表面的羧酸基團脫質(zhì)子后帶負(fù)電，靜電斥力使其在水中高度分散.而堿性過大時，Eu3+離子能與羥基作用形成不溶性的Eu(OH)3.我們以Tris-HCl緩沖溶液考察了酸度對體系熒光強度的影響.結(jié)果表明，選定的pH(7.1-8.9)對體系熒光強度影響較小.本實驗選擇了pH 7.8緩沖溶液進(jìn)行測定.

3 結(jié)論

綜上所述，我們利用磷酸鹽和表面富含羧基的石墨烯量子點對三價稀土離子的競爭配位反應(yīng)構(gòu)建了磷酸鹽化學(xué)傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度和選擇性，可望有實際應(yīng)用價值.另外，所制備的石墨烯量子點表面具有大量的功能基團，可以被其他物質(zhì)進(jìn)一步修飾.結(jié)合優(yōu)異的熒光特性和高度的水溶性，所制備的石墨烯量子點在其他領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用.

[1] HILTON J, O’HARE M, BOWES M J et al. How green is my river? a new paradigm of eutrophication in rivers[J]. Sci Total Environ, 2006,365(1-3):66-83.

[2] BORGNINO L, PFAFFEN V, DEPETRIS P J et al. Continuous flow method for the simultaneous determination of phosphate/arsenate based on their different kinetic characteristics[J]. Talanta, 2011,85(3):1310-1316.

[3] SAIKIA G, IYER P K. A remarkable superquenching and superdequenching sensor for the selective and noninvasive detection of inorganic phosphates in saliva[J]. Macromolecules, 2011,44(10):3753-3758.

[4] QUINTANA J B, RODIL R, REEMTSMA T. Determination of phosphoric acid mono-and diesters in municipal wastewater by solid-phase extraction and ion-pair liquid chromatography-tandem mass spectrometry[J]. Anal Chem, 2006,78(5):1644-1650.

[5] BHUYAN M, KATAYEV E, STADLBAUER S et al. Rigid luminescent bis-zinc(II)-bis-cyclen complexes for the detection of phosphate anions and non-covalent protein labeling in aqueous solution[J]. Eur J Org Chem, 2011,2011(15):2807-2817.

[6] ZHAO H X, LIU L Q, LIU Z D et al. Highly selective detection of phosphate in very complicated matrixes with an off-on fluorescent probe of europium-adjusted carbon dots[J]. Chem Commun, 2011,47(9):2604-2606.

[7] ZHU S J, ZHANG J H, QIAO C Y et al. Strongly green-photoluminescent graphene quantum dots for bioimaging applications[J]. Chem Commun, 2011,47(24):6858-6860.

[8] SAMY R, FAUSTINO P J, ADAMS W et al. Development and validation of an ion chromatography method for the determination of phosphate-binding of lanthanum carbonate[J]. J Pharm Biomed Anal, 2010,51(5):1108-1112.

[9] ZHUO S J, SHAO M W, LEE S T. Upconversion and downconversion fluorescent graphene quantum dots: ultrasonic preparation and photocatalysis[J]. ACS Nano, 2012,6(2):1059-1064.

[10] ZHENG H, CHEN X L, HU M H et al. Near-infrared fluorimetric determination of nucleic acids by shifting the ion-association equilibrium between heptamethylene cyanine and alcian blue 8GX[J]. Anal Chim Acta, 2002,461(2):235-242.

Fluorescent Graphene Quantum Dot Nanoprobes for the Sensitive and Selective Detection of Phosphate

ZHUO Shu-juan， CHEN Lu-yang， ZHANG Yong-jun， JIN Guang-xia

(College of Chemistry and Materials Science，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China)

Graphene quantum dots (GQDs) were prepared by ultrasonic route and served as a highly selective water-soluble probe for sensing of phosphate. The fluorescence of GQDs with emission wavelength at 407nm was quenched by rare earth ion, europium (Eu3+) in proper concentration. With phosphate added gradually, Eu3+ion progressively released from carboxylate modified GQDs and combined with phosphate. Concomitantly, the fluorescence intensity is recovered. The restored fluorescence is proportional to the concentration of phosphate. The linear range for the detection of phosphate was 8.0×10-7to 9.0×10-6mol/L with a detection limit of 1.0×10-7mol/L. In addition, the constructed sensor with simple, sensitive and cost-effective properties makes it valuable for further application.

phosphate; sensor; graphene quantum dots; fluorescence

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.03.008

2014-12-13

國家自然科學(xué)基金(NSFC，21303003).

卓淑娟 (1978-)，女，副教授，主要從事無機納米材料制備及應(yīng)用研究.

卓淑娟，陳祿揚，張勇駿，等.石墨烯量子點熒光探針在磷酸鹽檢測中的應(yīng)用[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，38(3)：250-253.

O655

A

1001-2443(2015)03-0250-04