魯詩(shī)言, 于淑娟, 陳國(guó)全, 朱永飛
(南寧師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院, 廣西天然高分子化學(xué)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530001)
鈀(Pb)是第五周期Ⅷ 族鉑系元素,廣泛應(yīng)用于癌癥治療、珠寶業(yè)、牙科材料和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[1]。然而,鈀鹽對(duì)人體和自然界是有害的,Pd2+具有潛在的毒性,若在人體發(fā)育階段暴露于Pd2+環(huán)境中,可能會(huì)干擾能量代謝、酸堿和電解質(zhì)平衡以及骨代謝等。工人職業(yè)接觸鈀鹽,會(huì)引起嚴(yán)重的原發(fā)性皮膚和眼睛刺激等癥狀[2-3]。因此,對(duì)環(huán)境中Pd2+的識(shí)別和選擇性檢測(cè)需要引起人們的足夠重視。
熒光探針被認(rèn)為是一種有效、快速、經(jīng)濟(jì)的離子檢測(cè)方法[4]。目前常用的Pd2+熒光探針有猝滅型(ON-OFF)、增強(qiáng)型和比率型[5]。Wang等[6]報(bào)道了一種比率型熒光探針(cy202),Song等[7]報(bào)道了一種增強(qiáng)型(OFF-ON)熒光探針。兩者雖然都能有效地檢測(cè)Pd2+,但均為有機(jī)化合物,其合成步驟相對(duì)復(fù)雜。碳點(diǎn)(CDs)具有毒性低、光穩(wěn)定性好、生物相容性好、水分散性好、合成路線簡(jiǎn)單、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是傳統(tǒng)熒光探針的良好替代品[8]。CDs廣泛應(yīng)用于金屬離子檢測(cè)、指紋識(shí)別、生物成像、藥物傳遞、光催化等諸多領(lǐng)域[9]。在以往的研究中,各種工作都集中在氮摻雜CDs的制備上。由于雜原子摻雜具有易操作性,已成為提高CDs的物理化學(xué)和光化學(xué)性質(zhì)并拓展其潛在應(yīng)用的有力策略[10]。近年來(lái),已經(jīng)合成了一些氮、磷共摻雜CDs應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。例如,Chen等[11]以對(duì)苯二胺和磷酸為原料合成了紅色熒光CDs,應(yīng)用于指紋識(shí)別,有良好的應(yīng)用效果。Song等[12]以鄰苯二胺和磷酸為原料,采用一鍋水熱法制備了功能性雙發(fā)射碳點(diǎn)(dCDs),并將其用于賴氨酸的檢測(cè),檢測(cè)限為94 nmol/L。Shangguan等[13]也合成了N,P共摻雜CDs用于Fe3+的高選擇性和高靈敏檢測(cè)。然而,上述N,P共摻雜CDs存在量子產(chǎn)率低的問(wèn)題,影響了它的應(yīng)用效果。我們以間苯二胺和磷酸為原料,合成了一種高熒光量子產(chǎn)率的N,P-摻雜碳點(diǎn)(N,P-CDs),并系統(tǒng)考察了反應(yīng)條件對(duì)其熒光性能的影響。將合成的最佳N,P-CDs應(yīng)用于金屬離子檢測(cè)中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該N,P-CDs對(duì)Pd2+有良好的選擇性,可用于Pd2+的痕量檢測(cè)。
間苯二胺、磷酸、Mn2+、Cr3+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液(500 mg/L)和Fe3+、Hg2+、Cu2+、Pd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)購(gòu)買于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。Cd(NO3)2·4H2O、Al(NO3)3·9H2O、MgSO4、KCl、NaCl、FeSO4·7H2O購(gòu)自中國(guó)廣東光華科技股份有限公司。所有試劑均為分析級(jí),未經(jīng)處理直接使用。
采用日本JEM-2100F型透射電子顯微鏡觀察了N,P-CDs的微觀結(jié)構(gòu);采用美國(guó)Nicolet iS5型紅外光譜儀測(cè)試了N,P-CDs樣品的紅外光譜;采用美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜測(cè)試了N,P-CDs的元素組成;通過(guò)日本日立F-4600型熒光分光光度計(jì)獲得了N,P-CDs的熒光光譜;采用日本島津UV-2600型紫外分光光度計(jì)測(cè)定了N,P-CDs的紫外吸收光譜;采用法國(guó)FL3-P-TCSPC型時(shí)間分辨熒光衰減器測(cè)量了N,P-CDs的熒光壽命。
參考文獻(xiàn)[12]以一鍋水熱法合成了N,P-CDs,即將0.3 g 間苯二胺與15 mL磷酸在聚四氟乙烯高壓釜中混合均勻,然后在馬弗爐中于不同條件(180 ℃下反應(yīng)6,12,24,36,48 h;200,220,240 ℃下反應(yīng)24 h)下反應(yīng)。結(jié)束后,自然冷卻至室溫,將N,P-CDs溶液以10 000 r/min的速度離心10 min,去除大顆粒雜質(zhì),收集上清液備用。
根據(jù)文獻(xiàn)[14]采用參比法測(cè)定了N,P-CDs的相對(duì)熒光量子產(chǎn)率,以熒光素為標(biāo)準(zhǔn)樣,熒光素的乙醇溶液在496 nm激發(fā)下的量子產(chǎn)率為95%。N,P-CDs的相對(duì)熒光量子產(chǎn)率通過(guò)下列公式計(jì)算得出:
(1)
其中,φ、φR分別為N,P-CDs和熒光素的熒光量子產(chǎn)率;下標(biāo)R為參照樣數(shù)據(jù);I為發(fā)射光譜的積分面積;A為吸光度;η為溶劑的折射率。
將200 μL稀釋了30倍的最佳N,P-CDs溶液與2 mL 100 μmol/L的不同金屬離子溶液混合,搖勻后靜置15 min,記錄442 nm激發(fā)波長(zhǎng)下的發(fā)射峰,研究不同金屬離子對(duì)N,P-CDs的猝滅情況。將不同濃度的Pd2+(0~500 μmol/L)加入到被稀釋了30倍的N,P-CDs溶液中200 μL,測(cè)定Pd2+離子檢出限。
考察了不同反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)N,P-CDs熒光強(qiáng)度的影響,如圖1所示??梢钥闯?,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)與反應(yīng)溫度的升高,N,P-CDs的熒光強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增強(qiáng)后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。分析原因是原料在高溫及長(zhǎng)時(shí)間條件下反應(yīng)更加充分,使 N,P-CDs的含量增加,所以熒光強(qiáng)度增大。我們將反應(yīng)溫度為180 ℃(大部分文獻(xiàn)常用的水熱反應(yīng)溫度)、不同反應(yīng)時(shí)間下獲得的N,P-CDs與反應(yīng)時(shí)間為24 h、不同反應(yīng)溫度下獲得的N,P-CDs溶液置于365 nm紫外光燈下,其數(shù)碼照片分別如圖2(a)中樣品1~6與樣品7~9所示??梢灾庇^地篩選出N,P-CDs最佳反應(yīng)條件為:220 ℃下反應(yīng)24 h。本文后續(xù)所用的N,P-CDs均為該條件下獲得的碳點(diǎn)。此外,為了進(jìn)一步研究不同條件下9個(gè)N,P-CDs樣品的發(fā)光情況,用色坐標(biāo)(CIE圖)進(jìn)行了分析,如圖2(b)所示。可以看出,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),N,P-CDs的顏色由藍(lán)色逐漸移動(dòng)到綠色區(qū)域,而反應(yīng)溫度對(duì)其顏色變化影響不大,說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間是合成碳點(diǎn)的最大影響因素。
圖1 不同反應(yīng)時(shí)間和溫度下,N,P-CDs的熒光強(qiáng)度柱狀圖。
圖2 不同反應(yīng)時(shí)間和溫度下,N,P-CDs在365 nm紫外光燈下的數(shù)碼照片(a)以及對(duì)應(yīng)的CIE圖(b)。
采用透射電鏡研究了N,P-CDs的微觀形貌和尺寸特征,如圖3所示,圖3(a)表明N,P-CDs呈規(guī)則的球形。高斯分布曲線擬合結(jié)果(圖3(b))顯示N,P-CDs的尺寸范圍在6.0~9.0 nm之間,平均粒徑約為7.5 nm,平均粒徑大于先前文獻(xiàn)報(bào)道的氮,磷摻雜碳點(diǎn)[13],分析可能是反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)所致[15]。此外,從圖3(c)中HR-TEM圖像可以清晰地看到N,P-CDs的內(nèi)部為晶格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其晶格間距約為0.26 nm,表明N,P-CDs的內(nèi)核由石墨和無(wú)定型碳結(jié)構(gòu)組成[16]。
圖3 N,P-CDs的TEM圖像(a),插圖:N,P-CDs的粒度分布曲線(b)和HR-TEM圖像(c)。
圖4 (a)N,P-CDs的紅外光譜;N,P-CDs的XPS(b)、C 1s(c)、O 1s(d)、N 1s(e)和P 2p(f)分峰圖。
圖5 (a)N,P-CDs的紫外吸收光譜、熒光激發(fā)和發(fā)射光譜;(b)N,P-CDs在390~480 nm不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光發(fā)射光譜。
將合成的N,P-CDs用于金屬離子檢測(cè)中,N,P-CDs對(duì)Pd2+的選擇性測(cè)定結(jié)果如圖6(a)所示??梢悦黠@看出Pd2+對(duì)N,P-CDs的熒光猝滅最強(qiáng)(猝滅程度達(dá)56%),而其他金屬離子對(duì)N,P-CDs幾乎沒(méi)有猝滅作用。因此,說(shuō)明N,P-CDs可以特異性地識(shí)別Pd2+。pH環(huán)境是離子檢測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的影響因素,為此,研究了Pd2+存在與不存在的情況下,不同pH值對(duì)N,P-CDs熒光強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖6(b)所示。當(dāng)無(wú)Pd2+存在時(shí),N,P-CDs在pH=7~8范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度最大,這說(shuō)明N,P-CDs在中性環(huán)境下具有良好的光學(xué)性質(zhì)。在pH值為5~8時(shí),Pd2+的加入使N,P-CDs發(fā)生了嚴(yán)重的猝滅現(xiàn)象;而在強(qiáng)酸(pH<4)和強(qiáng)堿(pH>9)環(huán)境中,N,P-CDs熒光猝滅程度較小。這可能是因?yàn)镹,P-CDs表面的胺基很好地被質(zhì)子化[23],影響了胺基與Pd2+絡(luò)合物的形成。綜上,N,P-CDs在中性環(huán)境下對(duì)Pd2+可以進(jìn)行靈敏檢測(cè)。
圖6 (a)N,P-CDs對(duì)Pd2+的選擇性;(b)N,P-CDs在Pd2+存在(藍(lán)色)和不存在(紅色)情況下,于不同pH值下的熒光強(qiáng)度。所有金屬離子濃度為100 μmol/L。
在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,我們測(cè)試了N,P-CDs傳感系統(tǒng)的線性響應(yīng)范圍、檢測(cè)限,分別如圖7(a)、(b)所示。從圖7(a)可以看出,隨著Pd2+濃度的增加,熒光強(qiáng)度逐漸降低。Pd2+濃度在40~100 μmol/L范圍內(nèi)與N,P-CDs的熒光強(qiáng)度值(F0/F-1)呈良好的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.973 9),如圖7(b)所示,符合Stern-Volmer方程,通過(guò)線性擬合獲得回歸方程為y=0.00214x+17.02367。根據(jù)公式3σ/k(其中σ是儀器的信噪比,k是線性回歸方程的斜率[17])計(jì)算N,P-CDs對(duì)Pd2+的檢測(cè)限為0.995 μmol/L(σ=0.000 71,k=0.002 14 μL/mol)。此外,我們還與最近報(bào)道的其他熒光傳感器進(jìn)行了對(duì)比分析,相關(guān)信息如表1所示??梢钥闯?,我們合成的N,P-CDs對(duì)Pd2+的檢測(cè)限低于大多數(shù)其他傳感器,說(shuō)明N,P-CDs是一類性能優(yōu)異的Pd2+傳感材料。
圖7 (a)不同Pd2+濃度下的N,P-CDs的熒光光譜;(b)(F0/F-1)與Pd2+濃度在0~500 μmol/L范圍內(nèi)的關(guān)系。
表1 不同分析方法檢測(cè)Pd2+的性能比較
采用紫外吸收光譜和熒光壽命變化研究了Pd2+對(duì)N,P-CDs的熒光猝滅機(jī)理。一般靜態(tài)猝滅會(huì)影響熒光物質(zhì)的紫外吸收光譜,而動(dòng)態(tài)猝滅幾乎對(duì)熒光物質(zhì)的紫外吸收光譜沒(méi)有影響[29]。根據(jù)這一理論說(shuō)明Pd2+對(duì)N,P-CDs熒光猝滅機(jī)制屬于靜態(tài)猝滅,因?yàn)樘砑覲d2+前后N,P-CDs溶液的紫外光譜并不重合(圖8(a))。N,P-CDs與Pd2+相互作用前后的熒光壽命曲線如圖8(b)所示,熒光壽命數(shù)據(jù)列于表2中。從中可以看出,N,P-CDs與Pd2+復(fù)合前后的熒光壽命分別為3.03 ns和2.96 ns,兩者之間的差別很小,由此可以判斷Pd2+對(duì)N,P-CDs的猝滅機(jī)理為靜態(tài)猝滅。分析原因是Pd2+與N,P-CDs表面的胺基形成了絡(luò)合物(圖9)而導(dǎo)致N,P-CDs的熒光猝滅[4]。
圖8 N,P-CDs與Pd2+作用前后的紫外-吸收光譜(a)和熒光壽命曲線(b)
表2 N,P-CDs 和 N,P-CDs+Pd2+的光致發(fā)光衰減數(shù)據(jù)
圖9 N,P-CDs與Pd2+的結(jié)合方式
本文合成了一種氮、磷摻雜的碳點(diǎn)(N,P-CDs),在442 nm波長(zhǎng)光激發(fā)下呈亮綠色熒光,通過(guò)條件優(yōu)化得出最佳的N,P-CDs合成條件為220 ℃下反應(yīng)24 h。采用FT-IR、UV-Vis、XPS以及TEM對(duì)N,P-CDs進(jìn)行了表征。將N,P-CDs應(yīng)用于金屬離子檢測(cè)中,發(fā)現(xiàn)N,P-CDs對(duì)Pd2+有較高的選擇性,其檢測(cè)線性范圍為40~150 μmol/L,檢測(cè)極限為0.995 μmol/L。通過(guò)紫外光譜與熒光壽命測(cè)試研究了Pd2+對(duì)N,P-CDs的猝滅機(jī)制,結(jié)果證明該猝滅機(jī)制為靜態(tài)猝滅。本研究中N,P-CDs可以對(duì)Pd2+進(jìn)行痕量檢測(cè),對(duì)Pd2+污染物的監(jiān)測(cè)具有重要意義。