氮硫摻雜石墨烯量子點熒光探針測定葡萄酒中銅離子的含量

邱競瑤，何 崗，李 欣，白文鳳**，金 麗*，張建坡*

(1.吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林 132022；2.吉林石化公司 精細化學品廠，吉林 吉林 132021)

銅(Ⅱ)是哺乳動物所需營養(yǎng)中最重要的微量元素之一，正常人體銅的總含量約為100～150 mg[1],每天攝入1.5-2.0 mg銅是必不可少的.但是，如果大量攝入并堆積在組織中，反而會對人體產生毒性，通常測定血清和尿液中的銅水平可用于某些疾病的早期診斷.目前有多種方法可檢測銅或者銅離子[2-4]，但是大部分檢測方法存在靈敏度低的問題，因此，最近發(fā)展起來的熒光檢測方法由于其操作簡便、成本低等優(yōu)點而備受關注.制備具有優(yōu)良發(fā)光性能的熒光探針是提高傳感器性能的關鍵，故而各類熒光發(fā)光材料(量子點、氨基酸、有機發(fā)光材料、稀土等[5-9])被相繼報道.

石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子形成的厚平面片層二維(2D)晶體結構材料，由于其非凡的性能和潛在的應用而引起了廣泛的關注.理論上，原始石墨烯的零光學帶隙可防止其發(fā)出光，但將零能帶石墨烯切割成納米帶時，它呈現(xiàn)出令人難以置信的邊緣效應和量子限制，這些物理特性也適用于石墨烯量子點(GQDs)，并且隨著其尺寸的減小，性能會變得更強.除此之外，GQDs還具有其他出色的化學和物理特性，可應用于光學、生物、能量、電化學、催化和光伏設備[10-15].當在材料中摻雜雜原子時，如：硼(P)、氮(N)、氟(F)和硫(S)，可有效修改電子密度、提升光化學性能[16]，并顯示出半導體的特性和更優(yōu)的光吸收率.本論文以氮硫摻雜石墨烯量子點(N,S-GQDs)作為熒光探針，探討了銅離子與其的相互作用，并通過優(yōu)化實驗條件、機理討論、干擾離子分析和實際樣品分析，開發(fā)出了一種新的定量分析銅離子含量的方法.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硫酸銅購于國藥集團化學試劑有限公司.N,S-GQDs為自制.所有試劑均為分析純，使用前未做任何處理.水為雙蒸水(>18 MΩ·cm).

采用天津港東的F-280熒光分光光度計測得熒光發(fā)射光譜，以氙燈為光源，比色皿寬度1 cm.

1.2 實驗過程

N,S-GQDs與銅離子的相互作用：用移液槍取一定量的N,S-GQDs和緩沖溶液(pH=7)于離心管內，最終體積為2 mL，搖勻.倒入石英熒光比色皿中，然后放入熒光分光光度計中，測出其熒光強度F0.接著，向離心管中依次加入10 μL的被分析溶液，充分搖勻，測其熒光強度F.記錄并保存上述數(shù)據(jù)，計算熒光強度變化.

2 結果與討論

2.1 優(yōu)化實驗條件

不同時間和pH對銅離子和N,S-GQDs體系的猝滅作用的影響如圖1～2所示.反應時間在2 min后，隨著時間的推移，F(xiàn)0/F(F0表示未添加銅離子的熒光強度，F(xiàn)表示添加銅離子后的熒光強度)值幾乎沒有變化，故反應時間選擇在2 min.查表可知Cu(OH)2的Ksp=2.2×10-22，計算得出銅離子在pH=7.77時開始產生沉淀.由圖2可知pH=4時，N,S-GQDs處于酸性條件，體系不太穩(wěn)定;當pH=7時，Cu2+對N,S-GQDs的猝滅程度最大，這也與上述計算條件相符，因此選擇pH為7作為實驗最佳pH進行進一步的應用.

t/min圖1 時間對銅離子和氮硫摻雜石墨烯量子點體系熒光強度的影響

pH圖2 pH對銅離子和氮硫摻雜石墨烯量子點體系熒光強度的影響

2.2 檢測范圍與檢出限的測定

在最佳實驗條件下，將不同濃度的Cu2+添加到2 mL的緩沖溶液(pH=7)和260 μL N,S-GQDs混合液中，隨著銅離子濃度的增加，N,S-GQDs的熒光發(fā)射強度逐漸降低，如圖3所示.

Wavelength/nm(a) N,S-GQDs的熒光強度變化關系圖

當銅離子濃度在0.02～0.2 mmol·L-1(即0.004 4～0.044 g·L-1)范圍內，銅離子濃度和N,S-GQDs熒光強度變化之間呈線性，其線性方程為F0/F=0.874 8[C]+1.335 9，檢出限為0.032 27 mmol·L-1.研究發(fā)現(xiàn)銅離子的檢測范圍和檢出限具有可調性.銅離子濃度為0.006～0.2 mmol·L-1(1.327～4.425 mg·L-1)范圍內，線性方程為F0/F=4.313 8[C]+1.022，其相關系數(shù)R2=0.996 2，檢出限為0.973 6 μmol·L-1；在0.2～2.0 μmol·L-1(即0.0442 5～0.442 5 mg·L-1)范圍內，線性方程為F0/F=0.047 3[C]+1.002，其相關系數(shù)R2=0.991，檢出限為0.118 0 μmol·L-1；在0.02～0.2 μmol·L-1(即0.004 425～0.044 25 mg·L-1)內線性方程為F0/F=0.634 9[C]+0.996 9，其相關系數(shù)R2=0.997 8，檢出限為5.859 nmol·L-1；進一步稀釋銅離子濃度，在0.004～0.02 μmol·L-1(即0.885 0～ 4.425 μg·L-1)內呈線性范圍，F(xiàn)0/F=4.397 8[C]+0.993，其相關系數(shù)R2=0.963，最低檢出限為2.708 nmol·L-1，如圖4所示.說明了銅離子對該體系的檢測范圍具有可調性，并可根據(jù)測試要求調節(jié)檢測范圍.

Wavelength/nm(a) N,S-GQDs的熒光強度變化關系圖

2.3 實際樣品的檢測

為了進行實際樣品分析(葡萄酒中銅離子含量)，研究了Ca2+、K+、Na+、葡萄糖和乙醇對檢測熒光系統(tǒng)的影響.如圖5所示，可以看出上述物質對體系的干擾很小，而實際樣品中其含量都很低，故可以忽略不計，可以應用于實際樣品分析.

Interfering Substance圖5 各種離子對猝滅體系的熒光強度影響

采用標準加入法對實際樣品(葡萄酒)中銅離子含量進行了分析.向葡萄酒樣品中加入氮硫摻雜石墨烯量子點和一系列濃度的銅標準溶液(0.02～0.2 mmol·L-1)，測得熒光光譜，以F0/F為縱坐標，以銅離子的濃度為橫坐標，繪制工作曲線.F0表示單純N,S-GQDs的熒光強度，F(xiàn)表示加入銅離子和樣品后的熒光強度，線性關系式為F0/F=0.640 6[C]+1.004.

而由之前的實驗可知，相同銅標準溶液的回歸方程為F0/F=0.634 9[C]+0.996 9，二者聯(lián)立，同時使F0/F=0，分別帶入對應的關系式，可以得出待測溶液此時含有的銅離子濃度為1.567 3 μmol·L-1，而0.001 g·L-1的銅離子標準液對應的銅離子濃度為1.570 1 μmol·L-1，由此可以得出葡萄酒中的銅離子含量應為2.8 nmol·L-1.經過3次重復實驗后，可以計算出其回收率在102.4%～113.7%，如表1所示，說明該方法可以應用到實際樣品分析中.平行測定11次空白樣(不添加Cu2+)的熒光強度，發(fā)現(xiàn)RSD=0.2%，說明該實驗具有良好的精密度.

表1 葡萄酒中銅離子含量分析

2.4 銅離子對氮硫摻雜石墨烯量子點體系熒光猝滅的反應機理

許金鉤將熒光猝滅過程分為動態(tài)和靜態(tài)猝滅過程[14].動態(tài)猝滅過程是基于猝滅劑與激發(fā)態(tài)熒光材料之間的碰撞作用，靜態(tài)猝滅過程是猝滅劑與熒光材料之間形成了非發(fā)光基態(tài)配合物.動態(tài)和靜態(tài)猝滅均符合Stern-Volmer方程F0/F=1+Kqτ0[C]=1+Ksv[C]，Kq為熒光猝滅速率常數(shù)，它反映了該體系的相互擴散和相互碰撞的反應效應，Ksv是猝滅常數(shù)(標準曲線線的斜率).Kq=Ksv/τ0，τ0為無猝滅劑的熒光分子的平均熒光壽命.

如圖6所示，N,S-GQDs熒光強度的變化F0/F與Cu2+濃度具有良好的線性關系，斜率(Ksv)隨著溫度的升高而減小，這符合靜態(tài)猝滅過程的特點.靜態(tài)猝滅過程主要是因為分子之間形成了復合物，隨著溫度的增加，復合物的穩(wěn)定性降低，猝滅率也減小，斜率也逐漸變小，所以高溫Ksv比低溫Ksv小，根據(jù)Kq=Ksv/τ0(N,S-GQDs的平均熒光壽命為τ0=(5.05 ns)的方程，在293、303、313 K處的Kq分別為3.02×1013、2.269×1013、1.809×1013mol·L-1·s-1，明顯比2×1010mol·L-1·s-1(最大動態(tài)猝滅常數(shù))大，這也符合動態(tài)靜態(tài)過程的特點.

The consentration of Cu2+/(mmol·L-1)圖6 不同溫度下猝滅體系熒光強度變化擬合圖

3 結 論

基于銅離子濃度與N,S-GQDs熒光強度變化之間的線性關系，以N,S-GQDs為熒光探針，建立了一種定量分析銅離子含量的方法，并對反應機理進行了詳細討論，證明銅離子引起的猝滅為靜態(tài)猝滅過程.通過改變N,S-GQDs的濃度，該檢測方法的檢測范圍具有可調性，可以適應不同濃度樣品的分析.并應用該方法對葡萄酒中銅離子的含量進行了分析，計算出其回收率為102.4 % ～ 113.7%，RSD=0.2%，說明該實驗具有良好的精密度.