快速靈敏檢測水中Fe(Ⅲ)的化學(xué)發(fā)光傳感體系研究*

耿方蘭，趙利霞

(中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085)

0 引 言

鐵是自然界中含量第二的金屬元素，對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有著十分重要的作用［1］。作為水質(zhì)分析的常規(guī)程序，鐵離子的檢測方法多有報(bào)道。由于傳統(tǒng)的比色法靈敏度較低，不能滿足分析要求，因此，新方法的研究一直備受關(guān)注，如原子吸收分光光度法、離子色譜與化學(xué)發(fā)光聯(lián)用技術(shù)［2］、電感耦合—等離子質(zhì)譜(ICP－MS)［3］、電化學(xué)［4］以及一些包括熒光和化學(xué)發(fā)光在內(nèi)的光譜法等。氨基羅丹明作為熒光探針，F(xiàn)e(Ⅲ)與KI 反應(yīng)生成的I－3可以將探針的熒光淬滅，從而實(shí)現(xiàn)檢測目的，雖然檢測限較低，但是體系較為復(fù)雜且特異性較差［5］;Ussher S J 等人［6］使用化學(xué)發(fā)光法檢測Fe(Ⅲ)，但是預(yù)處理過程較為繁瑣。因此，構(gòu)建簡單快捷，靈敏特異的Fe(Ⅲ)檢測體系十分必要。

本實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)發(fā)光手段對碳點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)不加入任何氧化劑或者化學(xué)發(fā)光試劑，僅僅是強(qiáng)堿性的條件下，就可以產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，對這一現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了研究［7］。

本文對碳點(diǎn)—NaOH 化學(xué)發(fā)光體系進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在所檢測水體中的金屬離子中發(fā)現(xiàn)，僅將Fe(Ⅲ)加入上述體系之后，體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了Fe(Ⅲ)的化學(xué)發(fā)光傳感檢測體系。建立了Fe(Ⅲ)檢測的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并對三種不同實(shí)際水樣進(jìn)行了加標(biāo)回收測定。最后，對此體系化學(xué)發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了推測。

1 實(shí) 驗(yàn)

使用BPCL 超微弱化學(xué)發(fā)光分析儀與配套濾光片(中國科學(xué)院生物物理研究所)構(gòu)建靜態(tài)注射化學(xué)發(fā)光檢測體系。將100 μL 碳點(diǎn)溶液和100 μL 樣品(或標(biāo)準(zhǔn)溶液)加入反應(yīng)杯中，100 μL NaOH 通過微量進(jìn)樣器注射進(jìn)入反應(yīng)杯，以光電倍增管(PMT)放大信號后，傳輸至信號檢測器。圖1為靜態(tài)注射裝置示意圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點(diǎn)的合成與表征

稱取1 g 葡萄糖與2 g PEG1500 放入50 mL 的燒杯中，加入7 mL 超純水，用微波爐高火加熱15 min，冷卻后加入10 mL 超純水稀釋，之后將稀釋液用MWCO2000 透析袋用超純水透析10 天左右以去除未反應(yīng)的原材料和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的其他雜質(zhì)，得到深棕色膠體溶液。在高分辨透射電鏡下觀察，合成的碳點(diǎn)類似球形，粒徑較為均一。粒徑范圍為4.5 ～6.5 nm，平均粒徑在5.4 nm 左右。在不同波長的激發(fā)光激發(fā)下，碳點(diǎn)的熒光發(fā)射強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，同時(shí)熒光光譜也隨激發(fā)光波長的增加而發(fā)生紅移。

2.2 化學(xué)發(fā)光檢測Fe(Ⅲ)體系的建立

碳點(diǎn)在強(qiáng)堿存在條件下即可產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，當(dāng)向碳點(diǎn)—NaOH 體系中加入Fe(Ⅲ)之后，此體系的化學(xué)發(fā)光信號明顯增強(qiáng)(見圖2(a));而且，此信號隨著Fe(Ⅲ)濃度的變化而變化。對其他十種不同金屬離子進(jìn)行篩查，如圖2(b)所示，F(xiàn)e(Ⅲ)能夠特異性增敏碳點(diǎn)—NaOH 化學(xué)發(fā)光體系。

圖2 碳點(diǎn)—NaOH 體系中加入Fe(Ⅲ)后的增敏效果與干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 2 Sensitizing effect of CDs-NaOH system adding by Fe(Ⅲ)and interference experiment result

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得出碳點(diǎn)濃度為1 mg/mL，NaOH 濃度為0.1 mol/L 為最優(yōu)條件，建立了Fe(Ⅲ)的化學(xué)發(fā)光傳感檢測體系。圖3 所示為傳感檢測體系的標(biāo)準(zhǔn)曲線。線性范圍為2×10－6～2×10－3mol/L，最低檢測限1.45×10－6mol/L。

圖3 Fe(Ⅲ)檢測的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig 3 Standard curve of Fe(Ⅲ)detection

對三種不同類型的實(shí)際水樣進(jìn)行了加標(biāo)回收測定，見表1。從表中能夠看到三種不同類型水樣中加標(biāo)回收率分別為117%，111%，94%，均能滿足要求。

表1 三種實(shí)際水樣加標(biāo)回收測定結(jié)果Tab 1 Labelling and recovery test results of three kinds of practical water samples

與目前常用的Fe(Ⅲ)檢測方法相比較，上述方法具有靈敏度高、特異性好、檢測方便快捷、成本低的優(yōu)勢，為其實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

2.3 碳點(diǎn)—NaOH—Fe(Ⅲ)體系化學(xué)發(fā)光機(jī)理研究

利用不同波長的濾光片(460，475，490，505，535，555，575，590，605 nm)對碳點(diǎn)—NaOH—Fe(Ⅲ)體系的化學(xué)發(fā)光光譜進(jìn)行測定。結(jié)果如圖4 所示。圖中化學(xué)發(fā)光波長范圍為480 ～580 nm 之間，最大化學(xué)發(fā)光波長為530 nm。與碳點(diǎn)的熒光光譜基本一致，說明此體系化學(xué)發(fā)光物質(zhì)為碳點(diǎn)。最大化學(xué)發(fā)光波長525 nm 相較于熒光光譜的480 nm 發(fā)生明顯紅移，這可能是由于熒光主要表現(xiàn)的是納米顆粒核態(tài)性質(zhì)，而化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的是納米顆粒的表面過渡態(tài)特性［8，9］。

圖4 碳點(diǎn)—NaOH—Fe(Ⅲ)化學(xué)發(fā)光體系化學(xué)發(fā)光光譜Fig 4 CL spectrum of CDs—NaOH—Fe(Ⅲ)system

已有文獻(xiàn)報(bào)道碳點(diǎn)表面存在單電子軌道，既能作為電子受體，又能作為電子供體［10］。此體系中碳點(diǎn)化學(xué)發(fā)光很可能是由于碳點(diǎn)表面得失電子引起的電子空穴復(fù)合作用。實(shí)驗(yàn)室之前的工作證明，NaOH 化學(xué)還原作用可以向碳點(diǎn)表面注射電子，此時(shí)碳點(diǎn)作為電子受體［7］。Fe(Ⅲ)作為鐵的高價(jià)態(tài)，具有一定的氧化作用。所以，本文推測在此化學(xué)發(fā)光體系中，F(xiàn)e(Ⅲ)可能充當(dāng)氧化劑而向碳點(diǎn)表面注射空穴。這種狀態(tài)下，碳點(diǎn)表面的空穴比單純熱激發(fā)產(chǎn)生的空穴量應(yīng)該高。所以，碳點(diǎn)—NaOH—Fe(Ⅲ)的體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度較碳點(diǎn)—NaOH 體系高。

綜上所述，如圖5 所示，推測碳點(diǎn)—NaOH—Fe(Ⅲ)體系的化學(xué)發(fā)光是由于Fe(Ⅲ)作為氧化劑得電子而向碳點(diǎn)表面注射空穴，而NaOH 以化學(xué)還原作用方式向碳點(diǎn)表面注射的電子，空穴與電子復(fù)合的過程產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。

圖5 碳點(diǎn)—NaOH—Fe(Ⅲ)體系化學(xué)發(fā)光原理圖Fig 5 Principle of CL of CDs—NaOH—Fe(Ⅲ)system

3 結(jié) 論

本文研究采用化學(xué)發(fā)光法對微波水熱反應(yīng)合成的碳點(diǎn)進(jìn)行光學(xué)性質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)Fe(Ⅲ)可以特異性增敏碳點(diǎn)—NaOH 體系的化學(xué)發(fā)光信號，以此構(gòu)建了碳點(diǎn)—NaOH—Fe(Ⅲ)化學(xué)發(fā)光傳感檢測體系，實(shí)現(xiàn)了快速便捷的高靈敏特異性檢測實(shí)際水樣中的Fe(Ⅲ)，并且對體系中碳點(diǎn)的化學(xué)發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為是Fe(Ⅲ)作為氧化劑向碳點(diǎn)表面注射的空穴與NaOH 化學(xué)還原作用注射的電子相復(fù)合而產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。

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