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    基于碳納米點熒光增強檢測鋁離子

    2019-12-20 09:41:56康倩文張國柴瑞濤朱維晃馮建軍陳利君
    分析化學(xué) 2019年12期
    關(guān)鍵詞:檢測

    康倩文 張國 柴瑞濤 朱維晃 馮建軍 陳利君

    摘?要?以抗壞血酸(AA)為碳源,通過一步水熱法合成水溶性綠色熒光碳納米點(Carbon nanodots,CDs)。采用透射電子顯微鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、紫外-可見吸收光譜和熒光光譜對其形貌和性質(zhì)進(jìn)行了研究?;诖颂技{米點與Al3+結(jié)合產(chǎn)生的熒光增強現(xiàn)象,建立了檢測Al3+的熒光分析方法,在50~500 nmol/L(R2=0.9988)和500~2000 nmol/L(R2=0.9976)范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系,檢出限為10.23 nmol/L (S/N=3),并用于對瓶裝飲用水樣品中Al3+的檢測。

    關(guān)鍵詞?碳納米點; 抗壞血酸; 熒光增強; 鋁離子; 檢測

    1?引 言

    金屬元素在自然界中含量豐富,在人體健康和日常生活應(yīng)用方面扮演著重要的角色[1,2]。鋁作為含量最豐富的金屬,是現(xiàn)代生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的金屬之一,如包裝器具、醫(yī)藥、水處理等[3,4]。同時,鋁的廣泛應(yīng)用也導(dǎo)致其對環(huán)境的污染和對人體的危害。高濃度的離子態(tài)鋁具有毒性,人體吸收過量的鋁,會在體內(nèi)累積富集,影響腸道對鈣的吸收,阻礙血液對鐵的吸收,導(dǎo)致多種疾病,如帕金森癥、阿爾茨海默癥、腎臟疾病,甚至癌癥[5~8]。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB/5749-2006) [9]及美國環(huán)境保護(hù)署[10]規(guī)定飲用水中Al3+的含量不超過0.2 mg/L(7.4 μmol/L)。 因此,建立高靈敏度、高選擇性的Al3+濃度檢測方法具有重要的意義。

    目前,Al3+的檢測方法包括電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[11]、石墨原子吸收法(GF-AAS)[12]、電化學(xué)法[13]等,這些方法多使用昂貴的儀器,且操作繁瑣,樣品制備復(fù)雜[14]。熒光檢測法具有低檢出限、高靈敏度、高選擇性和可視化檢測等優(yōu)點,已廣泛用于金屬離子的檢測[15~17]。其中,一些熒光探針已被用于Al3+的檢測。席夫堿類熒光探針對Al3+具有良好的檢測效果,檢出限低,且選擇性高 [18~20]。李靜等[21]利用熒光素(Fluorescein)修飾羅丹明6G (R6G),合成R6G-Flu熒光探針,實現(xiàn)了Al3+高選擇性檢測,檢出限為10.4 nmol/L; Debal等[22]合成了有機(jī)金屬骨架(MOF)熒光探針,實現(xiàn)Al3+的檢測,檢出限為57.5 μg/L。但是,以上方法合成探針時均需使用多種有機(jī)物和有機(jī)溶劑,且合成過程繁瑣。因此,尋求一種制備簡單,且可實現(xiàn)對Al3+高選擇性、高靈敏檢測的探針具有重要意義。

    熒光碳納米點(Carbon nanodots,CDs) [23]具有毒性低[24]、水溶性好[25]、生物相容性好[26]、熒光穩(wěn)定性好[27]等特性,已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)[28]、環(huán)境污染物檢測[29]、光學(xué)傳感[30]等領(lǐng)域。目前,已建立了多種制備CDs的方法,如電弧放電法[31]、激光刻蝕法[32]、電化學(xué)法[33]?、化學(xué)氧化法[34]、水熱法[35]和微波輻射法[36]等。其中,水熱法是一種過程簡單的高效制備CDs的方法[37]。

    近年來,有關(guān)CDs檢測Al3+的報道較少。方靜美等[38]利用蠟燭灰制備CDs,通過熒光猝滅效應(yīng)檢測Al3+,檢出限為26 nmol/L,檢測效果令人滿意; Tripathi等[39]利用熱解法從亞麻籽油提取出表面帶有羥基和羧基的綠色CDs,通過熒光猝滅效應(yīng),實現(xiàn)了Al3+的高選擇性檢測,檢出限為0.77 μmol/L。上述研究均基于熒光猝滅原理檢測Al3+,但猝滅型熒光探針靈敏度低,會產(chǎn)生假陽性現(xiàn)象,且抗干擾能力差,易受重金屬離子、氧原子和重原子效應(yīng)等因素的影響,而增強型熒光探針具有靈敏度高、能減少假陽性信號的產(chǎn)生并降低背景的干擾等優(yōu)勢,因此對金屬離子的檢測更靈敏準(zhǔn)確[40,41]。目前,大多數(shù)CDs發(fā)射藍(lán)色熒光,而幾乎所有生物組織會產(chǎn)生藍(lán)色自熒光,會限制CDs的應(yīng)用[42]。因此,開發(fā)一種熒光增強型的長波長CDs探針至關(guān)重要。本研究以抗壞血酸(AA)為碳源,通過一步水熱法制備出水溶性的綠色熒光CDs,制備過程綠色環(huán)保,反應(yīng)條件溫和,合成時間短,成本低。 基于此CDs的熒光增強效應(yīng),建立了檢測水中Al3+的高靈敏度、高選擇性的方法。

    2?實驗部分

    2.1?儀器與試劑

    F-7000熒光分光光度計(日本日立公司);?UV-1780紫外可見分光光度計(日本島津公司); ZF-5手提式紫外分析儀(上海嘉鵬科技有限公司); Tecnai G2透射電子顯微鏡(美國FEI公司); Nicolet-iS50傅里葉紅外光譜儀、ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜儀(美國賽默飛世爾科技公司); 1810b細(xì)胞型摩爾純水器(重慶摩爾水處理設(shè)備有限公司)。

    抗壞血酸(AA)、乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司); 其它試劑均為國產(chǎn)分析純; 實驗用水為超純水。

    2.2?CDs的合成

    參照文獻(xiàn)[43]的方法合成CDs,并用乙醇代替乙二醇。乙二醇有毒性,與水混合后凝固點降低,不利于樣品冷凍干燥,而乙醇無毒性、易揮發(fā)。稱取1.0 g抗壞血酸(AA)溶于21 mL超純水中,在磁力攪拌下緩慢滴入9 mL乙醇,超聲處理10 min得到無色透明溶液,將其轉(zhuǎn)移到50 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中,在160℃下水熱反應(yīng)1 h。冷卻至室溫,得到淺棕黃色溶液,即CDs。將得到的CDs溶液10000 r/min離心10 min,以除去較大的顆粒,再用0.22 μm的微孔濾膜過濾,得到純化CDs,于4℃下避光保存,備用。

    此外,考察了另外3個不同的合成體系:純水-AA,純乙醇-AA和純乙醇體系,并與上述純水-乙醇-AA體系制備的碳點的性能進(jìn)行對比。

    2.3?熒光法檢測Al3+

    將CDs原液稀釋100倍,至僅有微弱熒光,熒光強度約為35 a.u.,得到CDs稀釋液,用于熒光增強檢測Al3+。配制0.01 mol/L Al3+儲備液,逐級稀釋至所需濃度。在4.5 mL CDs稀釋液中加入0.5 mL不同濃度的Al3+溶液,使Al3+終濃度分別為0、50、60、70、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900 nmol/L和1、2、10、100、200、1000 μmol/L,孵育反應(yīng)6 min后,在365 nm激發(fā)波長下測定溶液的熒光光譜,激發(fā)和發(fā)射狹縫均為10 nm,電壓為500 V。

    2.4?檢測飲用水樣中Al3+

    取0.5 mL市售某瓶裝飲用水水樣與4.5 mL CDs稀釋液混合,按照2.3節(jié)中方法測定熒光強度,計算Al3+濃度。 在水樣中添加不同濃度Al3+,加入到CDs稀釋液中,Al3+終濃度為0.1、0.3、0.5、1.0和1.5 μmol/L,孵育反應(yīng)6 min,在365 nm激發(fā)波長下測定體系的熒光光譜。

    3?結(jié)果與討論

    3.1?CDs的合成

    以AA為碳源,水和乙醇為溶劑,通過一步水熱法合成CDs(圖1)。考察了體系中各組分對綠色熒光CDs合成的影響。如圖2A所示,水-AA、乙醇-AA及乙醇體系合成的CDs均發(fā)射藍(lán)色熒光,只有水-乙醇-AA體系合成的CDs發(fā)射綠色熒光。說明在水-乙醇-AA體系中,小分子碳源AA通過碳化和表面鈍化作用,使表面官能團(tuán)偶聯(lián),實現(xiàn)小分子間聚合,形成綠色熒光CDs[23]。采用水-乙醇-AA體系制備了4批CDs,熒光光譜實驗表明,4批樣品的熒光強度基本相同,表明此合成體系具有良好的重復(fù)性(圖2B)。

    3.2?CDs的表征

    透射電鏡表征結(jié)果顯示,所制備的CDs呈近似球形,分散性好,且分布均勻(圖3A),插圖為CDs的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖,晶格間距為0.20 nm,與石墨(102)晶面相似[44]。粒徑大小在2~6 nm間,平均粒徑為(3.8±0.6) nm(圖3B)。傅里葉變換紅外光譜(圖3C)顯示,CDs分別在3309和1642 cm1處有明顯的吸收峰,為OH鍵和CO鍵的伸縮振動; 在2982和2907 cm1處的峰分別對應(yīng)CH鍵的對稱和非對稱伸縮振動; 在1085和1044 cm1處的峰對應(yīng)CO伸縮振動[45,46],表明CDs表面可能含有羥基和羧基類親水性官能團(tuán),因此CDs具有良好的水溶性。X-射線光電子能譜(XPS)顯示,在532.32和286.07 eV處分別為O1s和C1s峰,說明CDs主要由C和O兩種元素組成,C和O占比分別為55.09%和44.91%(圖3D)。圖3E為C1s的高分辨譜圖,包含284.83,286.45、288.37和291.7 eV處的4個峰,分別對應(yīng)CC/CC、COC/COH、CO、OCO官能團(tuán); 圖3F為O1s的高分辨譜圖,531.97 eV和533.07 eV分別對應(yīng)CO和CO官能團(tuán)[46,47]。FTIR和XPS兩者結(jié)果一致,表明CDs表面含有豐富的含氧基團(tuán),這些官能團(tuán)的存在使得CDs具有良好的水溶性。

    3.3?CDs的光學(xué)性質(zhì)研究

    在355~455 nm波長范圍內(nèi)測定CDs的激發(fā)光譜,發(fā)現(xiàn)隨著激發(fā)波長增大,熒光強度先增大后降低,在365 nm激發(fā)下熒光發(fā)射強度最大,并且發(fā)射波長位置從525 nm逐漸紅移至534 nm(圖4A)。此現(xiàn)象與CDs發(fā)射位置隨激發(fā)波長增大而紅移的性質(zhì)相符,CDs的這種激發(fā)波長依賴性質(zhì)與其粒徑或發(fā)射陷阱位點的多樣性有關(guān)[48]。CDs的紫外可見吸收光譜(圖4B,曲線a)表明,CDs在260 nm處有較強的吸收峰,這是由于CDs中不飽和鍵CC受激發(fā)形成的π-π躍遷[49]; 在350~370 nm范圍內(nèi)有微弱的寬吸收帶,由于CO鍵受到激發(fā),引起的n-π躍遷[50]。CDs在自然光和紫外燈(365 nm)照射下,分別呈現(xiàn)黃棕色和黃綠色(圖4B,曲線d和e)。這與CDs在最大激發(fā)波長365 nm激發(fā)下,于525 nm出現(xiàn)發(fā)射峰的現(xiàn)象相符(圖4B,曲線b和c)。此外,考察了CDs的光穩(wěn)定性。用氙燈連續(xù)照射120 min,CDs的熒光強度基本未發(fā)生變化(圖4C)。將此CDs在4℃下放置4個月,熒光強度穩(wěn)定(圖4D),表明此CDs的熒光穩(wěn)定性良好。

    3.4?CDs對Al3+的響應(yīng)

    將不同濃度Al3+分別加入到CDs原液和稀釋液中,使Al3+終濃度分別為0、10、100和1000 μmol/L,在365 nm激發(fā)波長下測定熒光光譜。如圖5A和5B所示,隨著Al3+的加入,熒光強度均逐漸增強,并伴隨著熒光藍(lán)移現(xiàn)象,結(jié)果表明,在相同Al3+濃度下的CDs稀釋液對Al3+的響應(yīng)更顯著,增強倍數(shù)更高。CDs原液(圖5C,a)及稀釋液(圖5C,b以及圖5D)的發(fā)射峰位置基本一致,原液顯示出亮黃綠色熒光,稀釋液顯示出微弱的黃綠色熒光(圖5C插圖)。向稀釋液中加入1000 μmol/L Al3+,結(jié)果如圖5E所示,在6 min時,體系的熒光強度基本穩(wěn)定。熒光光譜圖如圖5F所示,此時可觀察到明顯藍(lán)色熒光(圖5F插圖)。因此,選擇CDs稀釋液用于熒光增強檢測Al3+。

    將不同濃度的Al3+加入到CDs稀釋液中,反應(yīng)6 min,測試其熒光光譜。如圖5G所示,隨著Al3+濃度的增加(0~1000 μmol/L),熒光強度逐漸增強,并伴隨著熒光藍(lán)移的現(xiàn)象,發(fā)射峰由最初的525 nm藍(lán)移至485 nm(圖5G),與所觀察到的熒光現(xiàn)象一致,

    即紫外燈下由黃綠色變?yōu)樗{(lán)色(圖5G插圖)。其中,熒光強度與Al3+濃度在50~500 nmol/L和500~2000 nmol/L范圍內(nèi)分別呈良好的線性關(guān)系(圖5H),線性方程分別為F=31.11+72.72C (R2=0.9988)和F=51.53+34.16C (R2=0.9976),檢出限為10.23 nmol/L,低于美國環(huán)保署和中國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》對飲用水中Al3+的限量值(7.4 μmol/L)。與文獻(xiàn)報道的檢測Al3+的方法相比(表1),本方法具有較低的檢出限。

    3.5?CDs傳感體系的選擇性

    在CDs稀釋液中分別加入1.0 mmol/L的陽離子Al3+、Ba2+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+、Na+、Ag+、Fe3+、K+、Ni2+、Cu2+、Co2+、Mn2+、Cd2+,以及陰離子NO3、Br、SO24、C6H5O36、F、Cl、HCOO、H2PO4、CH3COO2、I、CO23和C2O24溶液,離子終濃度均為100 μmol/L,在365 nm激發(fā)波長下測定熒光光譜。選擇了16種常見的金屬離子和12種陰離子,考察體系的選擇性,各離子終濃度為100 μmol/L。如圖6所示,Al3+的熒光強度增強現(xiàn)象最為明顯,Ag+與Fe3+對CDs有微弱的猝滅作用,其余離子對CDs的熒光強度幾乎沒有影響,表明此CDs對Al3+具有良好的選擇性。

    3.6?實際飲用水樣中Al3+的檢測

    選取市售某瓶裝飲用水進(jìn)行檢測。CDs傳感體系對飲用水樣品無明顯響應(yīng),即未檢出Al3+。向待測水樣中加入不同濃度Al3+,檢測各樣品的熒光強度,加標(biāo)回收實驗結(jié)果如表2所示,Al3+的回收率為97.7%~105.7% (RSD<1.9%),表明本方法可用于實際飲用水中Al3+的檢測。

    4?結(jié) 論

    以抗壞血酸為碳源,經(jīng)過一步水熱法合成了綠色熒光CDs,粒徑分布均勻,表面包含大量的羧基及羥基親水性基團(tuán),具有良好的水溶性和熒光穩(wěn)定性?;贑Ds的熒光增強效應(yīng)實現(xiàn)對Al3+的檢測。本方法檢出限低、靈敏度高、選擇性好,適用于飲用水中Al3+含量的檢測。

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