熒光鈀納米簇的合成及用于2,4-二硝基酚的檢測(cè)

杜孝艷， 溫廣明*,2， 李忠平*

(1.山西大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030006；2.晉中學(xué)院，山西晉中 030619)

2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)是一種具有甜味和霉味的有機(jī)黃色晶體，可溶于有機(jī)溶劑和堿性溶液，是生物化學(xué)的活性化合物，通過(guò)穿過(guò)線粒體質(zhì)子和葉綠體膜散熱，不產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)[1]。它被廣泛用作染料、顯影劑、農(nóng)藥、防腐劑、指示劑和炸藥等化學(xué)品的中間體[2 - 5]。雖然2,4-DNP用途很廣，但2,4-DNP易被人體吸收，通過(guò)胃腸道和呼吸道從而導(dǎo)致急性和慢性毒性，其急性毒性包括增加基礎(chǔ)代謝率，惡心，嘔吐，出汗，頭暈，頭痛；慢性毒性如白內(nèi)障，皮膚病變和對(duì)骨髓，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)，心血管系統(tǒng)的影響[6]。2,4-DNP被認(rèn)為是影響水生和陸地生物的直接或間接污染源。因此，建立快速、簡(jiǎn)便、高靈敏和高選擇性的分析方法用于2,4-DNP的檢測(cè)，對(duì)公眾安全與環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

近年來(lái)，金屬納米簇(Nanoclusters,NCs)作為一種新興的熒光探針，因?yàn)榫哂袃?yōu)異的光穩(wěn)定性，光致發(fā)光，大的斯托克斯變換，低毒性，高量子產(chǎn)率，良好的水溶性和生物相容性[7 - 9]，在化學(xué)傳感器、催化和生物成像方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。金屬納米簇由幾個(gè)到幾百個(gè)原子組成，與較大的金屬納米顆粒相比，其電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)明顯不同，其中金屬納米簇最優(yōu)異的特征是光致發(fā)光的產(chǎn)生[10]。目前，按組成原子的不同貴金屬納米簇可分為Ag、Au、Cu、Pd和Pt等納米簇。其中Pd NCs在有機(jī)合成的催化領(lǐng)域具有成熟的應(yīng)用，但是Pd NCs在熒光方面的應(yīng)用還很少，尤其在針對(duì)Pd NCs的相關(guān)配體以及應(yīng)用方面仍然需要進(jìn)行深入地研究。本文以Pd(NO3)2為原料，谷胱甘肽(GSH)為穩(wěn)定劑，抗壞血酸為還原劑，通過(guò)化學(xué)還原法制備熒光Pd NCs。合成的Pd NCs具有優(yōu)異的熒光性質(zhì)和良好的穩(wěn)定性?；?,4-DNP和Pd NCs之間的內(nèi)濾作用引起的熒光共振能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致Pd NCs熒光猝滅，構(gòu)建了定量檢測(cè)2,4-DNP的熒光探針體系，該體系具有較高的靈敏度和良好的選擇性。本方法已成功應(yīng)用于自來(lái)水中2,4-DNP含量的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM，Tecnai G2 F20 S-Twin，USA)；傅里葉變換紅外光譜儀系統(tǒng)(FTIR，Nicolet Is5，United Kingdom)；Shimadzu UV-265分光光度計(jì)(Tokyo，Japan)；Hitachi F4500熒光分光光度計(jì)(Tokyo，Japan)。

Pd(NO3)2、谷胱甘肽(GSH)、抗壞血酸、間苯二酚(RES)、苯丙氨酸(PHE)、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)、鄰氯苯酚(3-CP)、對(duì)氯苯酚(3-CP)、鄰甲酚(2-MP)、間甲酚(3-MP)、對(duì)甲酚(4-MP)、鄰硝基酚(2-NP)、間硝基酚(3-NP)、對(duì)硝基酚(4-NP)、2,4-二硝基酚(2,4-DNP)，均購(gòu)自阿拉丁試劑有限公司。試劑均為分析純，使用前未經(jīng)處理，實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 Pd NCs的合成于溫度60 ℃條件下，將0.1 mL Pd(NO3)2溶液(100 mmol/L)加入到2.1 mL的GSH溶液(100 mmol/L)中，勻速攪拌10 min之后，加入300 μL NaOH溶液(1 mol/L)，100 μL抗環(huán)血酸溶液(1.5 mol/L)反應(yīng)5 h。將所得溶液用0.22 μm的微孔濾膜過(guò)濾，再在8 000 r/min下離心15 min，用1 000 Da透析袋透析48 h，去除雜質(zhì)。所得溶液在4 ℃下保存，備用。

1.2.2 2,4-DNP的檢測(cè)取100 μL Pd NCs溶液，用磷酸鹽緩沖溶液(PBS)稀釋到1 mL，搖晃30 s使混合均勻，測(cè)其熒光強(qiáng)度。然后將不同濃度的2,4-DNP溶液或樣品溶液加入到比色皿中，混合均勻后，在360激發(fā)波長(zhǎng)和450 nm發(fā)射波長(zhǎng)下測(cè)定熒光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 Pd NCs的表征及性質(zhì)

圖1(a)為Pd NCs的透射電鏡(TEM)圖，表明合成的Pd NCs形狀近似為球形、分散性良好，其平均粒徑為1.75 nm。圖1(b)為2,4-DNP的紫外吸收光譜、Pd NCs的紫外吸收光譜和激發(fā)/發(fā)射光譜，Pd NCs的紫外吸收沒(méi)有明確的特征吸收峰，2,4-DNP的紫外吸收光譜與Pd NCs的激發(fā)/發(fā)射光譜有一點(diǎn)重疊。圖1(c)是Pd NCs的熒光光譜圖，其中1～8分別是激發(fā)波長(zhǎng)為300、310、320、330、340、370、350、360 nm激發(fā)下的熒光光譜圖。可以看出，最大發(fā)射波長(zhǎng)為450 nm，最佳激發(fā)波長(zhǎng)為360 nm。

圖1 (a)Pd NCs的透射電鏡(TEM)圖像；(b)2,4-DNP紫外光譜和Pd NCs紫外光譜和激發(fā)/發(fā)射光譜；(c)Pd NCs在不同激發(fā)波長(zhǎng)下(1-8:300,310,320,330,340,370,350,360 nm)的熒光光譜Fig.1 (a)TEM images of Pd NCs;(b)UV spectrum of 2,4-DNP,spectrum and excitation/emission of Pd NCs;(c)fluorescence spectra of Pd NCs at different excitation wavelengths (1-8:300,310,320,330,340,370,350,360 nm)

圖2(a)為Pd NCs和GSH的紅外光譜圖，從圖中可看出GSH在2 360 cm-1處巰基的吸收峰消失，可能是由于和納米簇中Pd原子絡(luò)合的原因。Pd NCs在3 500～3 000 cm-1區(qū)域內(nèi)的吸收峰是由-OH和-NH的拉伸振動(dòng)引起的，這說(shuō)明Pd NCs的表面存在豐富的羥基和氨基。1 602 cm-1處的強(qiáng)吸收帶可能歸屬于C=O伸縮振動(dòng)。1 650 cm-1處的尖峰對(duì)應(yīng)于C=N的特征振動(dòng)，1 383 cm-1處的峰歸屬于O-H 的彎曲振動(dòng)。這些官能團(tuán)可以促進(jìn)Pd NCs的親水性。圖2(b)顯示Pd NC在284.8、347.4、400.7、531.2 eV 處包含4個(gè)特征峰，分別對(duì)應(yīng)于C 1s、Pd 3d、N 1s和O 1s。圖2(c)為Pd NCs的C 1s光譜圖。在284.4 eV、284.8 eV、285.3 eV、285.8 eV處的特征峰，分別對(duì)應(yīng)C-C、C-N和C-O、C=O鍵。如圖2(d)所示，Pd 3d由兩個(gè)價(jià)態(tài)組成，一個(gè)是346.9 e V處的特征峰，這是分布在Pd NCs外圍表面上的Pd2+與GSH上的氨基形成Pd-N鍵后的化合價(jià)態(tài)。另一個(gè)是在347.7 eV處還原的Pd(0)，它可能主要集中在金屬團(tuán)簇的中心。XPS分析結(jié)果與傅里葉紅外光譜分析結(jié)果基本一致，表明合成的Pd NCs表面有羥基、羧基、氨基等親水性官能團(tuán)，因此具有良好的水溶性。

圖2 (a)Pd NCs的紅外光譜；(b)Pd NCs的XPS全譜圖；(c)C 1s XPS譜圖；(d)Pd 3d XPS譜圖Fig.2 (a)The FTIR spectrum of the Pd NCs;(b)Full-scan XPS spectrum of the Pd NCs;(c)C 1s XPS spectrum;(d)Pd 3d XPS spectrum

2.2 Pd NCs的穩(wěn)定性

圖3(a)所示，熒光強(qiáng)度在堿性條件下比酸性條件下更高，可能是由于Pd NCs表面的氨基多于較易電離的羥基。此外，如圖3(b)、3(c)所示，Pd NCs在氙燈下連續(xù)照射2.5 h或保存6個(gè)月，其熒光強(qiáng)度基本保持不變，這表明Pd NCs具有良好的光穩(wěn)定性和存儲(chǔ)穩(wěn)定性。另外，圖3(d)說(shuō)明即使在高的離子強(qiáng)度下所合成的Pd NCs也具有高的穩(wěn)定性。

圖3 Pd NCs的穩(wěn)定性。不同pH (a)、Xe燈連續(xù)照射(b)、儲(chǔ)存時(shí)間(c)和離子強(qiáng)度(d)對(duì)Pd NCs的熒光強(qiáng)度的影響Fig.3 Stability of Pd NCs.Effect of different pH (a),Xe lamp continuous irradiation (b),storage time (c) and ionic strength (d) on the fluorescence intensity of Pd NCs

2.3 Pd NCs對(duì)2,4-DNP的檢測(cè)

在pH為7、激發(fā)波長(zhǎng)為360 nm的條件下，測(cè)量了相似物質(zhì)對(duì)Pd NCs的熒光猝滅情況，結(jié)果如圖4(a)所示，其他物質(zhì)對(duì)Pd NCs的熒光幾乎無(wú)影響。當(dāng)2,4-DNP的濃度為0～230 nmol/L，隨著2,4-DNP濃度的增加，Pd NCs熒光強(qiáng)度逐漸降低,2,4-DNP的濃度與Pd NCs的熒光猝滅程度呈良好的線性關(guān)系(圖4(b))。線性擬合方程為：y=-1.6649x+455.09，相關(guān)系數(shù)0.9961，檢出限0.03 nmol/L。由于2,4-DNP的紫外吸收峰與Pd NCs的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜有一定的重疊，因此，可認(rèn)為2,4-DNP對(duì)Pd NCs的熒光猝滅來(lái)自于內(nèi)濾作用所誘導(dǎo)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移。

圖4 (a)Pd NCs的選擇性；(b)2,4-DNP濃度對(duì)Pd NCs熒光強(qiáng)度的影響(插圖是F0-F與2,4-DNP濃度線性圖)Fig.4 (a)Selectivity of Pd NCs;(b)Effect of 2,4-DNP concentration on fluorescence intensity of Pd NCs(The inset was the linear plot of F0-F versus the concentration of 2,4-DNP)

2.4 檢測(cè)2,4-DNP不同方法比較

目前2,4-DNP的檢測(cè)方法有分光光度法[11]、高效液相色譜法[12]、電化學(xué)分析法[13]和熒光分析法[4,14 - 17]等。由于樣品的預(yù)處理過(guò)程復(fù)雜，分析耗時(shí)，儀器昂貴及高運(yùn)行成本，以致于上述的一些分析方法不利于實(shí)際應(yīng)用。相比之下，本文探針合成方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、水溶性好，對(duì)2,4-DNP的檢出限低、靈敏度高，同時(shí)具有良好的選擇性。如表1所示。

2.5 實(shí)際樣品檢測(cè)

以自來(lái)水為樣品，水樣用0.22 μm濾膜過(guò)濾后進(jìn)行測(cè)定。如表2所示，2,4-DNP的加標(biāo)回收率在96.3%～103.0%范圍，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在2.4%～4.4%之內(nèi)。

3 結(jié)論

本文以Pd(NO3)2為原料，谷胱甘肽為穩(wěn)定劑，抗壞血酸為還原劑，合成熒光Pd NCs，該P(yáng)d NCs具有良好的穩(wěn)定性、低毒性、良好的生物相容性和抗光漂白性，將其作為熒光探針可快速、靈敏檢測(cè)2,4-DNP,并且可以用于自來(lái)水中2,4-DNP的檢測(cè)。因此，本方法在未來(lái)環(huán)境分析檢測(cè)中具有較好的應(yīng)用前景。