基于功能化納米金和石墨烯量子點的比色/熒光雙信號檢測Pb2+研究

薛曉潔，雷茹淋，張帆，熊華玉，文為，張修華，王升富

(1. 湖北大學化學與化工學院， 湖北 武漢 430062； 2. 銅仁職業(yè)技術(shù)學院， 貴州 銅仁 554330)

0 引言

鉛離子(Pb2+)是環(huán)境中毒性最強、分布最廣的重金屬污染之一，已引起科學界的廣泛關(guān)注.Pb2+對人體的許多組織和器官都能造成毒害，尤其是對神經(jīng)系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)的毒害[1-2].現(xiàn)有研究已表明長期暴露在低濃度的Pb2+中將對兒童造成嚴重的智力損傷[3].目前檢測Pb2+的常用方法有：電感耦合等離子質(zhì)譜法[4]、原子吸收光譜測定法[5-6]、反向高效液相色譜法[7]、表面增強拉曼光譜法[8]等，這些方法選擇性好、靈敏度高，但也存在需要對樣品進行預處理、分析時間長、不適合現(xiàn)場檢測等缺點.其中，基于金屬納米粒子的比色測定法因其簡便，快速，經(jīng)濟高效且不需要任何復雜的儀器來檢測各種分析物而受到越來越多的關(guān)注.但是，大多數(shù)檢測限為微摩爾量級.因此，結(jié)合比色法開發(fā)高靈敏度、高選擇性的檢測Pb2+雙信號探針具有重要意義.

與傳統(tǒng)有機發(fā)色團的消光系數(shù)相比，Au NPs消光系數(shù)要較之大幾個數(shù)量級.此外，Au NPs的表面等離子體共振帶對其粒子之間的距離十分敏感.當Au NPs相互接近并聚集時，Au NPs表面等離子體共振帶會發(fā)生紅移[9-11]，相應地，其溶液顏色會從紅色逐漸變?yōu)樗{色.因此，通過目標物對Au NPs的聚集程度的影響，可以實現(xiàn)對目標物的分析檢測.由于Au NPs的這些特殊的性質(zhì)，其經(jīng)常應用于可視化檢測體系[12-13]，如Chen等基于Au NPs對CdTe QDs的內(nèi)濾效應實現(xiàn)了對溶菌酶的可視化和熒光檢測[14].

石墨烯量子點(GQDs)是橫向尺寸小于20 nm的石墨烯的零維結(jié)構(gòu)，由于其具有合成方法簡單、成本低、優(yōu)異的化學和光穩(wěn)定性、高生物相容性、水溶性好以及可調(diào)的粒徑與光致發(fā)光等優(yōu)點，引起越來越多人的興趣.并作為半導體量子點和有機熒光團的替代物廣泛地用于熒光成像[15]和生化分析[16].Liu等由氧化石墨制得了發(fā)橙色熒光的GQDs，在辣根過氧化物酶以及過氧化氫(H2O2)的同時存在下，兒茶酚會被羥基自由基氧化并轉(zhuǎn)化為鄰苯醌，可以顯著淬滅GQDs的熒光.然而，當抗壞血酸存在時，它可以抑制鄰苯醌的產(chǎn)生，導致熒光復蘇，實現(xiàn)了抗壞血酸的檢測[17].Jiang報道了一種使用Fe3O4和GQDs納米復合材料的新型的靶向熒光成像診斷腎病的方法[18].

與單獨通過測定吸光度或熒光強度來檢測目標物的方法相比，基于內(nèi)濾效應的方法因為吸光物質(zhì)的吸光度的變化會導致熒光團的熒光強度呈指數(shù)變化從而獲得更高的靈敏度，且該過程并不需要吸光物質(zhì)和熒光團之間的連接，使得該方法相對簡單和靈活[19-20].基于此，本工作構(gòu)建了功能化納米金對石墨烯量子點的內(nèi)濾作用可視化檢測Pb2+新方法.工作原理如圖1所示，具有雙齒性質(zhì)的二硫代氨基甲酸鹽(DTC)配體通過螯合作用緊密地結(jié)合在Au NPs表面，N-C-S2基團形成共振結(jié)構(gòu)，對Pb2+具有很強的親和力并將其捕獲到Au NPs表面，從而誘導DTC-Au NPs的聚集，降低了其內(nèi)濾效應，使GQDs的熒光得到恢復.實驗結(jié)果表明，設計的熒光傳感器可以方便快捷、選擇性、可視化地檢測實際樣品中的Pb2+.

圖1 DTC-Au NPs和GQD的Pb2 +檢測機制的示意圖

1 實驗部分

1.1 實驗儀器RF-5301PC的熒光分光光度計(日本島津公司)；UV-2700的紫外-可見分光光度計(日本島津公司)；Tecnai G20透射電子顯微鏡(TEM，美國FEI公司).

1.2 實驗試劑二硫化碳(CS2)、二乙醇胺(DEA)、乙酸鋅二水合物(ZnC4H6O4·2H2O)、氯化鍶(SrCl2)、硝酸鉛(Pb(NO3)2)、氯化鈉(NaCl)、氯化鎂六水合物(MgCl2·6H2O)、氯化鋇一水合物(BaCl2·H2O)均購于國藥集團化學試劑有限公司.乙酸錳四水合物(MnC4H6O4·4H2O)、氯化銅(CuCl2·2H2O)、檸檬酸鈉二水合物(Na3C6H5O7·2H2O)均購于西格瑪奧德里奇有限公司.氯金酸三水合物(HAuCl4·3H2O)、硼氫化鈉(NaBH4)、氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)均購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司.實驗用的石墨烯量子點(GQDs)購于南京先豐納米有限公司.所有試劑均為分析純.實驗用水為超純水(18.25 MΩ·cm).

1.3 實驗方法

1.3.1 DTC-Au NPs的合成 按文獻方法制備DTC-Au NPs[21-22]，過程如下：首先，將1 mmol/L DEA和1 mmol/L CS2在甲醇中混合超聲5 min，得到DTC溶液；然后，在100 mL的水中加入80 μL HAuCl4·3H2O(10%,質(zhì)量分數(shù))，0.1 mL 檸檬酸鈉(1 mmol/L)和0.75 mL DTC(1 mmol/L)攪拌20 min；向混合溶液中加入4 mg的NaBH4還原HAuCl4；最后，將混合溶液在室溫下攪拌2 h得到DTC-Au NPs，將其放入冰箱中保存?zhèn)溆?

1.3.2 Pb2+的測試方法 將10 μL不同濃度的Pb2+的溶液依次加入到1 mL DTC-Au NPs溶液中，渦旋30 s并反應8 min后，向其中加入10 μL GQDs(10 mg/mL).經(jīng)充分混合后，在激發(fā)波長為347 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度分別為10 nm和5 nm的條件下，在波長范圍360～600 nm測定熒光信號.

2 結(jié)果與分析

2.1 DTC-Au NPs的表征DTC配體以CS2和DEA為主要前體分子混合超聲原位合成.N-C-S2基團在二硫代氨基甲酸酯分子中形成共振結(jié)構(gòu)，從而對金屬具有很強的親和力.圖2A(曲線c)為DTC的UV-vis光譜，在紫外區(qū)260 nm和290 nm出現(xiàn)DTC的兩個吸收峰，與文獻報道一致[22].當將NaBH4和HAuCl4添加到形成的DTC溶液中時，形成了透明的酒紅色Au NPs溶液；同時，UV-vis光譜表明，在524 nm處出現(xiàn)一個吸收峰(圖3A，曲線a)，這是由于Au NPs的表面等離子體吸收引起的.利用透射電鏡(TEM)表征了DTC-Au NPs和GDQs的形態(tài)和大小.結(jié)果表明，DTC-Au NPs具有高度均勻的單分散性，呈球形，平均直徑約為5 nm(圖2B).圖2C顯示GQDs也呈球形且分散性良好，平均直徑為約3 nm.

圖2 (A)二乙醇胺(a)、CS2(b)和二硫代氨基甲酸酯(c)的UV-Vis吸收光譜和(B)DTC-Au NPs、(C)GQDs的TEM圖像

2.2 Pb2+的檢測機理利用紫外可見光譜和熒光光譜探究Pb2+的檢測機理.如圖3A所示，隨著Pb2+的加入，DTC-Au NPs紫外吸收發(fā)生輕微的藍移，強度逐漸減小(圖3A，曲線b)，這是由于Pb2+與DTC-Au NPs上的DTC產(chǎn)生配位使得DTC-Au NPs發(fā)生聚集.透射電鏡圖像進一步證實了Pb2+存在時DTC-Au NPs的聚集：Pb2+存在時，單分散納米顆粒(圖2B)聚集為較大的納米顆粒(圖3B)，其原因是Pb2+通過配體DTC的N、O原子與Au NPs表面發(fā)生強結(jié)合，導致Au NPs的聚集.這種Pb2+-Au的聚集模式可以利用視覺色彩的變化來檢測Pb2+.如圖3C所示，隨著Pb2+的逐漸加入，DTC-Au NPs的顏色由酒紅色變?yōu)樽仙僮優(yōu)樯钏{色.人眼可見引起顏色變化的Pb2+最低濃度為5 μmol/L.

GQDs的熒光光譜顯示其在440 nm處出現(xiàn)最大發(fā)射(圖3A，曲線c，λex=347 nm)，與DTC-Au NPs的最大吸收(圖3A，曲線a)部分重疊.當DTC-Au NPs加入到GQDs溶液中后，GQDs的熒光強度顯著的降低(圖3A，曲線d).這是由于DTC-Au NPs內(nèi)濾效應(IFE)引起GQDs的熒光猝滅.在DTC-Au NPs/GQDs溶液中加入50 μmol/L Pb2+，GQDs的熒光得到了明顯的恢復(圖3A，曲線e)，這是由于Pb2+誘導了DTC-Au NPs的聚集，減弱了其內(nèi)濾效應，使得GQDs的熒光恢復；此外，GQDs的熒光發(fā)射光譜形狀和位置不受Pb2+和DTC-Au NPs加入的影響，表明增加的熒光發(fā)射強度來自GQDs，而不是任何其他新形成物種的發(fā)射.因此，基于DTC-Au NPs的內(nèi)濾效應，GQDs熒光發(fā)射將受Pb2+濃度的影響，可用于Pb2+濃度的檢測.

圖3 (A)UV-Vis光譜：DTC-Au NPs(a)和DTC-Au NPs中加入50 μmol/L Pb2+(b)；熒光發(fā)射光譜：0.1 mg/mL GQDs(c)，DTC-Au NPs/GQDs(d)和加入50 μmol/L Pb2+時，DTC-Au NPs/GQDs(e).(B)加入10 μmol/L Pb2+的DTC-Au NPs的TEM圖像.(C)在DTC-Au NPs中加入不同濃度的Pb2+(1至10∶0.2、0.8、2、5、8、20、50、80和100 μmol/L)后的顏色變化

2.3 Pb2+的線性測定為獲得更好地檢測Pb2+的效果，優(yōu)化了反應時間對DTC-Au NPs聚集程度的影響.如圖4所示，DTC-Au NPs中加入Pb2+后，DTC-Au NPs于524 nm處的吸收強度迅速降低且在5 min之后保持穩(wěn)定，使得Pb2+的檢測能在相對靈活的時間范圍內(nèi)靈敏和快速地進行.

圖4 加入Pb2+后，反應時間對DTC-Au NPs吸光度的影響

在最佳條件下，DTC-Au NPs /GQDs的熒光強度隨著Pb2+濃度的增加而逐漸增加(圖5 A).在0.5～100 μmol/L的范圍內(nèi)，熒光強度增加(ΔF=F-F0)與Pb2+濃度之間具有良好的線性關(guān)系(其中F0表示DTC-Au NPs/GQDs的初始熒光強度，F(xiàn)表示DTC-Au NPs/GQDs在Pb2+存在下的熒光強度)，線性曲線擬合回歸方程為ΔF=4.82c(μmol/L)+ 37.37(R2=0.99，圖5B)，檢測限為0.35 μmol/L(S/N=3).

圖5 (A)加入不同濃度的Pb2+(從上到下，100、80、50、20、10、8、5、2、1、0.8、0.5和0 μmol/L的DTC-Au NPs/GQDs的熒光光譜和(B)Pb2+的線性關(guān)系曲線

2.4 選擇性實驗為研究探針的選擇性，選擇些常見的金屬離子作為干擾物.如圖6 A所示，分別將5 mmol/L的Pb2+、Mn2+、Zn2+、Cd2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Cu2+加入到3 mL的DTC-Au NPs中，結(jié)果表明只有加入Pb2+的DTC-Au NPs的顏色從紅色變?yōu)榱怂{黑色，其他離子基本不影響DTC-Au NPs的聚集.同時，紫外-可見光譜表明，添加其他二價金屬離子對DTC-Au NPs的吸收光譜沒有明顯影響(圖6B).結(jié)果表明該探針對Pb2+的選擇性高于其他金屬離子.

圖6 在比色皿(A)和UV-vis光譜(B)中加入不同顏色的金屬離子后，DTC-Au NPs對Pb2+的選擇性

2.5 實際樣品中Pb2+的分析檢測通過檢測自來水樣品中的Pb2+，評估了該方法在Pb2+檢測中的實際應用.將自來水煮沸冷卻至室溫，添加已知濃度的Pb2+的標準溶液來進行加標回收測試，每個樣品重復測定三次，在相同的實驗條件下進行空白實驗.結(jié)果如表1所示，回收率在93.8%至98.0%之間，相應的相對標準偏差為2.5%至3.5%.實驗表明，自來水樣品中其他物質(zhì)對實際樣品中Pb2+測定沒有明顯干擾，該熒光傳感器可用于實際樣品中Pb2+的分析檢測.

表1 自來水中Pb2+的測定

3 結(jié)論

本研究通過簡單的方法成功制備了DTC穩(wěn)定化的Au NPs懸浮液，基于其對GQDs的內(nèi)濾效應設計了可視化分析檢測Pb2+的高選擇性和靈敏度的雙信號探針.向DTC-Au NPs/GQDs中加入Pb2+時，使GQDs熒光得到大幅恢復.同時，DTC-Au NPs的顏色也會相應地發(fā)生一定的變化，這歸因于Pb2+和DTC之間的極強的絡合作用，以及Au NPs的表面等離子體共振帶對Au NPs之間的距離非常敏感的特性.該熒光傳感器具有可視化、方便快捷、靈敏度較高、選擇性較好以及線性范圍相對較寬的優(yōu)點.整個過程可以在10 min內(nèi)完成，滿足現(xiàn)場快速監(jiān)測痕量Pb2+的需求.