金銀團(tuán)簇基光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)及其對鎘離子的檢測性能

王子平,劉 勇,杜芳林,袁 勛*

(1.濰坊科技學(xué)院 山東半島鹵水資源高值化綠色化綜合利用工程技術(shù)研發(fā)中心,山東 壽光 262700;2.青島科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266042)

重金屬污染對生態(tài)環(huán)境和人類健康具有嚴(yán)重的威脅,已經(jīng)受到全世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。其中,鎘離子(Cd2＋),作為一種高危險性重金屬離子,廣泛存在于水體及農(nóng)作物中,長期攝入,會導(dǎo)致包括腎功能障礙和癌癥在內(nèi)的一系列健康問題[1]。到目前為止,科研人員已開發(fā)出多種鎘離子(Cd2＋)檢測方法[2-3],如原子吸收光譜法、比色法、質(zhì)譜法、電化學(xué)法等。然而,上述檢測方法多存在儀器貴重、操作復(fù)雜、檢測靈敏度差、成本高昂、耗時耗力等問題,嚴(yán)重制約其對各種復(fù)雜水環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品中Cd2＋的日常檢測。因此,開發(fā)低成本、高選擇性、高靈敏度、瞬時響應(yīng)、操作簡便的Cd2＋傳感器具有十分重要的意義。

熒光法因其輸出信號高、檢測靈敏、操作簡便和瞬時響應(yīng)的特點(diǎn),在重金屬離子檢測方面顯示出明顯的優(yōu)勢。因此,Cd2＋熒光探針的設(shè)計(jì)越來越受到人們的關(guān)注。常用的Cd2＋熒光探針主要為有機(jī)熒光分子、量子點(diǎn)和配合物。然而這些熒光探針常存在合成路線復(fù)雜、光穩(wěn)定性差(如有機(jī)染料),以及毒性(如量子點(diǎn))等問題。另外,在檢測過程中容易出現(xiàn)相互干擾,使幾種具有相似特征的分析物的鑒別檢測失效。因此,設(shè)計(jì)易于合成的、光穩(wěn)定及環(huán)境友好的Cd2＋熒光納米探針,實(shí)現(xiàn)對Cd2＋檢測的低成本、高選擇性、高靈敏度、瞬時響應(yīng),仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

近年來,熒光貴金屬納米團(tuán)簇[4-5]由于其超小的尺寸(＜2 nm)、較高的量子產(chǎn)率、大的斯托克斯位移、良好的光穩(wěn)定性和生物相容性,已發(fā)展成為一類新型的替代傳統(tǒng)有機(jī)染料和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的熒光探針材料[6],在生物成像[7]及分子、離子檢測[8]等應(yīng)用方面廣受青睞。例如,一系列的熒光貴金屬納米團(tuán)簇已被用于構(gòu)建多種熒光傳感器[9-10],實(shí)現(xiàn)了對不同的金屬 離 子(如Hg2＋[9-13]、Cu2＋[14-15]和Pb2＋[16]等)的檢測?；谝酝膱F(tuán)簇基熒光傳感器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),若使團(tuán)簇基熒光傳感器具有優(yōu)異的檢測性能,熒光貴金屬納米團(tuán)簇須具備以下特點(diǎn):熒光量子效率高(即保證高靈敏性)、與被分析物的作用力強(qiáng)且專一(即保證瞬時響應(yīng)和高選擇性)、穩(wěn)定性好(即保證性能穩(wěn)定)[8]。另外,多數(shù)熒光傳感器對金屬離子的檢測多是基于金屬離子誘導(dǎo)熒光淬滅的檢測機(jī)制,該機(jī)制在被分析物濃度低及存在多種干擾物種時常出現(xiàn)假陽性檢測信號,而基于熒光轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)的團(tuán)簇基光學(xué)傳感器則能較好的避免該問題。因此,開發(fā)具有強(qiáng)烈熒光、高穩(wěn)定性且與Cd2＋具有強(qiáng)特異性作用的貴金屬納米團(tuán)簇,或能實(shí)現(xiàn)對Cd2＋的低成本、高選擇性、高靈敏度、瞬時響應(yīng)檢測。

本研究利用還原型谷胱甘肽作為還原劑和保護(hù)配體,通過“一鍋煮”的合成方法制備了具有“聚集誘導(dǎo)”(AIE)特性[17]的強(qiáng)烈熒光金銀合金納米團(tuán)簇(Au Ag NCs),并基于Cd2＋對該團(tuán)簇的AIE熒光增強(qiáng)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了對于Cd2＋的低成本、無標(biāo)簽光學(xué)檢測。同時,由于Cd2＋與Au Ag NCs表面的羧基極強(qiáng)的親和力,通過AIE可瞬間實(shí)現(xiàn)熒光性質(zhì)的大幅提升,從而提升其對Cd2＋檢測的靈敏度(檢測限10 nmol·L－1)、響應(yīng)速度(＜1 min)及選擇性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氯金酸、硝酸銀、還原型谷胱甘肽、硝酸鎘、硝酸鉻、硝酸錳、硝酸鈷、硝酸鎳、硫酸銅、硝酸鋅、硝酸鋇、硝酸鉛、硝酸鋁、硝酸鎂、硝酸鐵、醋酸汞、氫氧化鈉,國藥集團(tuán)試劑;超純水。

紫外-可見分光光度計(jì),UV1800型,日本島津公司;熒光光譜儀,FL8500型,珀金埃爾默公司;時間分辨熒光光譜儀,Fluorologo-3型,HORIBA Jobin Yvon公司;透射電鏡,JEM 2100型,日本電子公司;X射線光電子能譜儀,Escalab 250XI型,Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 熒光Au Ag NCs的合成

將0.45 m L的氯金酸(HAuCl4,20 mmol·L－1)、0.05 m L的硝酸銀(Ag NO3,20 mmol·L－1)和0.75 m L的谷胱甘肽溶液(GSH,20 mmol·L－1)與3.75 m L超純水在室溫下混合,形成GSHAu(I)/Ag(I)配合物。然后將該配合物溶液慢速攪拌(600 r·min－1),并加熱至85℃。攪拌2 h即可形成具有AIE特征的熒光Au Ag NCs。將合成的Au Ag NCS用脫鹽柱PD-10提純后待用。

1.2.2 熒光Au Ag NCs對Cd2＋的檢測選擇性

合成的金銀合金團(tuán)簇用脫鹽柱PD-10提純后溶于水中(1 m L,100μmol·L－1),加入Na OH調(diào)節(jié)p H值為11,然后在其中分別加入20μL 100 μmol·L－1金屬離子(Cr2＋、Mn2＋、Co2＋、Ni2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ba2＋、Pb2＋、Cd2＋、Al3＋、Mg2＋、Fe3＋、Hg2＋)。將溶液充分混合,用熒光光譜儀記錄相應(yīng)的熒光光譜。

1.2.3 熒光Au Ag NCs對Cd2＋的檢測靈敏度

利用NaOH將金銀合金團(tuán)簇溶液的p H值調(diào)節(jié)為11。取1 m L稀釋后的Au Ag NCs(10μmol·L－1,p H＝11)與100μL一系列不同濃度Cd2＋離子標(biāo)準(zhǔn)溶液混合。充分混合1 min后,在激發(fā)為370 nm的條件下測定溶液的熒光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au Ag NCs的表征

Au Ag NCs的紫外-可見吸收和發(fā)光光譜見圖1。如圖1所示,合成的Au Ag NCs溶液顏色為黃色(插圖①),其紫外-可見吸收光譜顯示其在～370 nm處出現(xiàn)明顯的吸收肩峰(曲線a)。該數(shù)據(jù)表明成功合成了金屬納米團(tuán)簇,并排除了其為大尺寸的具有表面等離子共振效應(yīng)(SPR,吸收峰峰值520 nm)的金銀納米顆粒的可能。透射電鏡(TEM)的結(jié)果顯示合成的Au Ag NCs尺寸小于2 nm(圖2)。此外,Au Ag NCs具有強(qiáng)烈的熒光特性,如圖1所示,在365 nm紫外光照射下,Au Ag NCs溶液呈現(xiàn)強(qiáng)烈的橙色發(fā)光(插圖②),熒光發(fā)射峰為610 nm(曲線c),激發(fā)峰為370 nm(曲線b),與吸收峰相吻合,表明合成的Au Ag NCs具有較大的斯托克斯位移(＞200 nm)。同時,通過分析橙色熒光Au Ag NCs的熒光發(fā)光壽命,如圖3所示,合成的Au Ag NCs的熒光平均壽命達(dá)到微秒級(～1.60μs)。尤其是通過熒光衰減響應(yīng)分析證實(shí)了該團(tuán)簇?zé)晒獾娜貞B(tài)發(fā)射,壽命分別為1.53μs(～41.6%),1.62μs(～58.3%)和10.49μs(＜0.1%)。這些結(jié)果證實(shí)了Au Ag NCs的熒光是由團(tuán)簇表面的GSH-Au(I)/Ag(I)配合物的聚集誘導(dǎo)引起的,熒光發(fā)射歸因于GSH配體S原子到Au原子(配體-金屬電荷轉(zhuǎn)移(LMCT)或配體-金屬-金屬電荷轉(zhuǎn)移(LMMCT))的電荷轉(zhuǎn)移以及隨后的輻射弛豫[18]。

圖1 AuAg NCs的紫外-可見吸收和發(fā)光光譜Fig.1 UV-Vis absorption and luminescence spectra of Au Ag NCs

圖2 AuAg NCs的TEM照片F(xiàn)ig.2 TEM image of Au Ag NCs

圖3 AuAg NCs的發(fā)光衰減曲線和對應(yīng)的三指數(shù)擬合曲線Fig.3 Luminescence decay profile and corresponding tri-exponential fit of the Au Ag NCs

為進(jìn)一步證明這一結(jié)論,利用X射線光電子能譜(XPS)檢測了Au 4f在Au Ag NCs中的氧化態(tài),見圖4。如圖4所示,Au Ag NCs的Au 4f光譜在以84.1 e V為中心的Au 4f7/2和87.8 e V為中心的Au 4f5/2的束縛能幾乎相同。它們的Au 4f7/2XPS光譜被反卷成Au(I)和Au(0)組分,其結(jié)合能分別為84.3和83.7 e V。在上述XPS分析的基礎(chǔ)上,Au Ag NCs中占主導(dǎo)地位的為Au(I)(≈62.5%)。這些團(tuán)簇的發(fā)光壽命和氧化態(tài)的結(jié)果為AIE特征的Au Ag NCs的成功合成提供了支持證據(jù)。

圖4 AuAg NCs中Au 4f的XPS譜,與Au(I)和Au(0)峰反卷積Fig.4 XPS spectrum of the Au 4f of the Au Ag NCs deconvoluted with Au(I)and Au(0)peaks

2.2 Au Ag NCs選擇性檢測Cd2＋

考察了合成的Au Ag NCs樣品對不同的金屬離子(Cr2＋、Mn2＋、Co2＋、Ni2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ba2＋、Pb2＋、Al3＋、Mg2＋、Fe3＋、Hg2＋和Cd2＋)的選擇性,見圖5。從圖5可以看出,Cd2＋對Au Ag NCs的熒光增強(qiáng)作用十分顯著,熒光強(qiáng)度增強(qiáng)了近3.5倍多。當(dāng)離子濃度降到1μmol·L－1時,只有Cd2＋使團(tuán)簇產(chǎn)生強(qiáng)烈的熒光增強(qiáng)作用,雖然Zn2＋有微弱的增強(qiáng)作用,但是與Cd2＋相比,可以忽略。以上表明Au Ag NCs對Cd2＋的熒光增強(qiáng)現(xiàn)象具有選擇性和特異性,Au Ag NCs納米團(tuán)簇?zé)晒馓结槍d2＋可以進(jìn)行選擇性檢測。

圖5 AuAg NCs對不同金屬離子的選擇性Fig.5 Selectivity of Au Ag NCs at p H＝11 toward different metal ions

2.3 Au Ag NCs對Cd2＋檢測的工作曲線和檢測限

圖6 在不同的Cd2＋離子濃度下的AuAg團(tuán)簇(10μmol·L－1)的發(fā)射光譜(λex＝370 nm)Fig.6 Photoemission spectra(λex＝370 nm)of Au Ag NCs(10μmol·L－1)in the presence of different Cd2＋ion concentrations

在不同的Cd2＋離子濃度下的Au Ag團(tuán)簇(10 μmol·L－1)的發(fā)射光譜(λex＝370 nm)見圖6。從圖6可以看出,在一定范圍內(nèi),隨著Cd2＋離子濃度的增大,納米團(tuán)簇的熒光強(qiáng)度(發(fā)射波長為610 nm)隨之增強(qiáng)。在較低的濃度區(qū)間內(nèi),Au Ag NCs的熒光增強(qiáng)情況與金屬離子的濃度呈線性關(guān)系,當(dāng)Cd2＋濃度在0～80 nmol·L－1范圍內(nèi)時,其線性回歸方程為y＝0.287＋0.004 2x(R2＝0.998),檢測限(LOD)為10 nmol·L－1(圖7)。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局的數(shù)據(jù),LOD低于飲用水中鎘的最大污染物水平(45 nmol·L－1)。如此高的靈敏度使利用Au Ag NCs鑒別Cd2＋存在潛在的實(shí)際應(yīng)用[19]。

圖7 AuAg NCs相對發(fā)光(I/I0)與Cd2＋離子濃度的關(guān)系Fig.7 Relative luminescence(I/I0)of Au Ag NCs as a function of Cd2＋ion concentration

2.4 機(jī)理探討

以前的報(bào)道中,Cd2＋在不同p H值下可以以不同的方式與GSH配位[20],Cd2＋與羧基、半胱氨酸殘基與甘氨酸殘基之間的肽鍵、谷胱甘肽的氨基基團(tuán)有較強(qiáng)的結(jié)合,并使團(tuán)簇產(chǎn)生了聚集,從而聚集誘導(dǎo)發(fā)光。為了清楚驗(yàn)證NCs的這種聚集,采集了未加入Cd2＋的團(tuán)簇相應(yīng)的TEM圖像,見圖8。高p H下的NCs均表現(xiàn)出較好的分散性,雖有部分聚集但是尺寸較小,最大為50～60 nm(如圖8(a)),而加入Cd2＋后,團(tuán)簇明顯聚集,存在較大顆粒,尺寸最大為300 nm左右(如圖8(b))。因此,上述不同的熒光增強(qiáng)可能主要與p H調(diào)節(jié)引起配體殼層-GSH的結(jié)構(gòu)變化以及隨后與Cd2＋結(jié)合有關(guān)。因?yàn)閳F(tuán)簇表面配體有大量的羧基和氨基(GSH配體有兩個羧基,一個氨基),在高p H值下,一價羧基去質(zhì)子化,Cd2＋與一價羧酸陰離子之間高親和力的靜電和配位相互作用[21],形成了相互間或內(nèi)交聯(lián),如圖9所示。除了中和配合物上的負(fù)電荷外,還使Au(I)-GSH配合物更緊密,并促進(jìn)了親水性鍵和致密團(tuán)聚體的形成。團(tuán)簇聚集后,會限制羧基配體的振動轉(zhuǎn)動和增加自旋軌道耦合效應(yīng),最終導(dǎo)致團(tuán)簇在電子態(tài)的躍遷過程中發(fā)生系間穿越的效率大大增加,從而導(dǎo)致更強(qiáng)的熒光發(fā)射。

圖8 在pH＝11時,未添加Cd2＋和添加Cd2＋的TEM照片F(xiàn)ig.8 TEM images of the Au Ag NCs at p H＝11 with and without Cd2＋

圖9 Cd2＋誘導(dǎo)AuAg NCs聚集熒光增強(qiáng)示意圖Fig.9 Schematic illustration of Au Ag NCs aggregation luminescence enhancement induced by Cd2＋

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種簡單、低成本、無標(biāo)簽的基于具有強(qiáng)烈熒光性質(zhì)的Au Ag NCs的光學(xué)傳感器,利用Cd2＋對該團(tuán)簇的聚集誘導(dǎo)熒光增強(qiáng)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對Cd2＋的選擇性檢測。本研究中,Cd2＋與Au Ag NCs表面的羧基(谷胱甘肽分子含有兩個羧基)具有強(qiáng)的親和力,能誘導(dǎo)Au Ag NCs聚集實(shí)現(xiàn)熒光增強(qiáng),致使該光學(xué)傳感器對Cd2＋具有良好的選擇性。另外,由于Au Ag NCs具有強(qiáng)烈的熒光性質(zhì)及AIE特性,該傳感器對Cd2＋檢測也表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度(檢測限低至10 nmol·L－1)和快速的時間響應(yīng)性(＜1 min)。