基于氮摻雜硅量子點(diǎn)檢測Cr(Ⅵ)的熒光傳感新方法

吳一微,董 淼,曹 杰

(1.稀有金屬湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,污染物分析與資源化技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 黃石 435000;2.湖北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,湖北 黃石 435002)

0 引言

Cr(Ⅵ)具有強(qiáng)氧化性,是毒性很大的一級致癌物[1],能夠?qū)е氯梭w皮膚損傷、肺癌以及腎臟功能損害,對人體健康造成極大危害。因此建立一種簡單、靈敏、快速檢測Cr(Ⅵ)的方法具有重要意義。目前,常見的Cr(Ⅵ)檢測方法主要有原子吸收光譜法[2]、熒光光譜法[3]和比色法[4]等,其中熒光法因其具有操作簡單、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。

基于以上調(diào)研,本文利用氮摻雜硅量子點(diǎn)(N-SiQDs)作為熒光探針,嘗試建立快速檢測不同基體樣品中Cr(Ⅵ)的熒光傳感新方法。該方法具有操作簡單、靈敏度高、速度快、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)成功用于環(huán)境水樣和食物樣品中Cr(Ⅵ)的含量檢測,結(jié)果令人滿意。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

1.1.1 試劑 N-SiQDs(本課題組自行研制);K2Cr2O7(分析純天津博迪化工股份有限公司);其他金屬離子(分析純天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.1.2 儀器 紫外可見分光光度計(jì)(日本, U-3010);熒光分光光度計(jì)(日本, F-4700);微波化學(xué)反應(yīng)器(中國, MCR-3);熒光壽命光譜儀(英國, FLS 980)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 N-SiQDs用于Cr(Ⅵ)的檢測 將0.77 mM N-SiQDs和625 μL 100 mM PBS緩沖溶液(pH 7.0)在室溫下混合10 min,隨后,在上述混合溶液中分別加入不同濃度的K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液,用二次去離子水定容至5.0 mL,室溫下超聲30 s,在360 nm激發(fā)波長下,用熒光分光光度計(jì)記錄所得溶液的熒光光譜。

1.2.2 樣品預(yù)處理 水樣:取自湖北師范大學(xué)青山湖、三角荷塘以及本實(shí)驗(yàn)室自來水,分別以10 000 rpm離心10 min,所得溶液用0.45 μm濾膜過濾。 紅酒:從學(xué)校超市購入,分別以10 000 rpm離心10 min,所得溶液用0.45 μm濾膜過濾。 菊花茶:將菊花茶茶包(從黃石超市購買)浸泡在50 mL的二次去離子水中,煮沸10 min,所得溶液用0.45 μm濾膜過濾。 牛奶:取1 mL牛奶(從黃石超市購買),以12 000 rpm高速離心15 min,棄去上層脂肪,取用下層液體。

1.2.3 實(shí)際樣品中Cr(Ⅵ)的檢測 將0.77 mM N-SiQDs,625 μL 100 mM PBS緩沖溶液(pH 7.0)在室溫下混合均勻,然后分別加入一定體積的水樣、葡萄酒、菊花茶、牛奶樣品,用二次去離子水定容至5 mL,超聲30 s,在360 nm激發(fā)波長下,用熒光分光光度計(jì)記錄所得溶液的熒光光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的原理

圖1列出了水溶性N-SiQDs的微波合成路線及其用于檢測Cr(Ⅵ)的熒光猝滅原理。我們以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和乙二胺四乙酸二鈉鹽為原料,在180℃下微波加熱10 min,快速合成了水溶性的N-SiQDs,其熒光量子產(chǎn)率為18.3%,由于Cr(Ⅵ)與N-SiQDs之間的內(nèi)濾效應(yīng),N-SiQDs的熒光被顯著猝滅,基于此現(xiàn)象,建立了一種靈敏檢測Cr(Ⅵ)的熒光傳感新方法。

圖1 N-SiQDs的形成過程和Cr(Ⅵ)的檢測原理

2.2 N-SiQDs熒光探針的熒光光譜和紫外可見吸收光譜表征

圖2是N-SiQDs的熒光光譜和紫外可見吸收光譜,λex=360 nm,λem= 445 nm,最大紫外吸收波長為295 nm,紫外燈照射下溶液顏色為藍(lán)色。

圖2 N-SiQDs的熒光光譜和紫外-可見吸收光譜

2.3 N-SiQDs熒光探針的選擇性

圖3 N-SiQDs對各種金屬離子的選擇性(N-SiQDs: 0.77 mM,[Mn+]: 15 μg mL-1, I0/I表示初始熒光強(qiáng)度/最終熒光強(qiáng)度)

為了探究N-SiQDs熒光探針的猝滅機(jī)理,我們研究了Cr(Ⅵ)和N-SiQDs的紫外吸收光譜及熒光光譜。如圖4(a)可見,Cr(Ⅵ)在313～450 nm處有較寬的紫外吸收,N-SiQDs在350 nm處也有一條較寬的激發(fā)帶,其最大發(fā)射波長為440 nm.Cr(Ⅵ)的紫外吸收譜圖與N-SiQDs的激發(fā)譜圖重疊,因此我們推測N-SiQDs熒光猝滅的機(jī)理可能是:Cr(Ⅵ)與N-SiQDs之間存在內(nèi)濾效應(yīng),導(dǎo)致N-SiQDs熒光猝滅。如圖4(b)為Cr(Ⅵ)與N-SiQDs及N-SiQDs+ Cr(Ⅵ)的紫外吸收譜圖,可見并未產(chǎn)生新峰,即并未產(chǎn)生新物質(zhì),因此說明Cr(Ⅵ)與N-SiQDs之間存在內(nèi)濾效應(yīng),導(dǎo)致N-SiQDs熒光猝滅。說明在Cr(Ⅵ) 猝滅N-SiQDs熒光的過程中內(nèi)濾效應(yīng)起主導(dǎo)作用。為了進(jìn)一步探究N-SiQDs熒光探針的猝滅機(jī)理,我們測量了N-SiQDs在與Cr(Ⅵ)混合前后的熒光壽命(τ0,τ1)。結(jié)果如圖4(c)所示,其熒光壽命未發(fā)生明顯變化(τ0=13.14 ns,τ1=12.69 ns),證明了這是一個靜態(tài)猝滅過程。

圖4 (a) Cr(VI)的紫外-可見吸收光譜和N-SiQDs的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜,(b) Cr(VI)、N-SiQDs和N-SiQDs+Cr(VI)的紫外-可見吸收光譜,(c)在360 nm激發(fā)下加入Cr(Ⅵ)前后的N-SiQDs的熒光壽命衰減曲線

2.4 N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)新方法的條件優(yōu)化

2.4.1 pH值優(yōu)化 在固定Cr(Ⅵ)的濃度為7 μg·mL-1,N-SiQDs濃度為0.77 mM時,考察了pH對N-SiQDs熒光猝滅程度的影響。結(jié)果如圖5(a)所示,在pH 4～7時隨著酸性減弱N-SiQDs的熒光猝滅效率逐漸增加,在pH 7～12時N-SiQDs的熒光猝滅效率達(dá)到最大并保持穩(wěn)定,考慮到該方法未來可能運(yùn)用到生物樣品的檢測。因此,選擇pH 7的PBS緩沖溶液為最佳條件。

圖5 (a) pH對N-SiQDs熒光猝滅效率的影響(N-SiQDs: 0.77 mM, Cr(VI): 7 μg·mL-1 ),(b) N-SiQDs對Cr(VI)響應(yīng)時間的優(yōu)化(N-SiQDs: 0.77 mM, Cr(VI): 10 μg·mL-1),(c) N-SiQDs用量對熒光傳感平臺測Cr(VI)的影響(Cr(VI): 10 μg·mL-1).

2.4.2 反應(yīng)時間優(yōu)化 圖5(b)反映了在Cr(Ⅵ)存在下,反應(yīng)時間(0.5～30 min)對N-SiQDs熒光強(qiáng)度的影響。從圖中可以看出,Cr(Ⅵ)存在時,N-SiQDs熒光探針的熒光強(qiáng)度在(0.5～30 min)內(nèi)保持不變,說明N-SiQDs對Cr(Ⅵ)的響應(yīng)較快。因此,綜合考慮選擇0.5 min為最佳條件。

2.4.3 N-SiQDs用量優(yōu)化 為了獲得最佳的靈敏度,對N-SiQDs的用量進(jìn)行了優(yōu)化。將Cr(Ⅵ)濃度固定在10 μg·mL-1,在pH 7的12.5 mM PBS緩沖溶液中,考察N-SiQDs的用量對熒光強(qiáng)度比值的影響,結(jié)果如圖5(c)所示,N-SiQDs的濃度在(0.77～4 mM)范圍內(nèi),該熒光探針熒光強(qiáng)度的比值基本不變。因此,綜合考慮N-SiQDs最佳用量為0.77 mM.

2.5 N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的分析性能

在最優(yōu)條件下,進(jìn)一步探究了N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的分析性能。將不同濃度的Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液分別加入0.77 mM的N-SiQDs溶液中。結(jié)果如圖6所示,從圖6(a)中可見,N-SiQDs熒光強(qiáng)度隨Cr(Ⅵ)濃度(0.5～5.0 μg·mL-1和5～12 μg·mL-1)的增加呈線性下降。圖6(b)表示N-SiQDs熒光強(qiáng)度的比值(I0/I)與Cr(Ⅵ)濃度的線性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)I0/I分別在0.5～5.0 μg·mL-1和5.0～12.0 μg mL-1這兩個濃度范圍呈線性關(guān)系,其線性方程分別為I0/I=0.144 06C+0.953 7 (R2=0.992 7)和I0/I=0.0.288 48C+0.215 9 (R2=0.994 0),RSD=0.56%,檢出限(LOD)為0.16 μg·mL-1.

圖6 (a)N-SiQDs熒光探針在不同濃度Cr(Ⅵ)存在下的熒光發(fā)射光譜(0.5～12 μg mL-1),(b) I0/I與之相應(yīng)的Cr(Ⅵ)濃度關(guān)系圖(N-SiQDs: 0.77 mM, λex=360 nm).

將建立的N-SiQDs熒光檢測Cr(Ⅵ)的方法與其他方法做了比較,結(jié)果如表1所示,從表1中可以看出與原子火焰吸收光譜法、電化學(xué)法等非熒光方法相比[5,6],本方法的LOD低于Ye等[5,6]工作,高于Li等[7,8]研究,且具有操作簡單、選擇性好、靈敏度高的優(yōu)勢,和其它熒光傳感方法相比[7,8],本方法的量子產(chǎn)率高于Zhang[8]的工作,低于Li[7]的研究,也具有一定的優(yōu)勢,同時反應(yīng)時間較絕大多數(shù)方法快[5～8]。

表1 本方法與其它Cr(Ⅵ)傳感平臺性能比較

2.6 實(shí)際樣品檢測

為了探索N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的可行性和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,我們在最佳條件下,對環(huán)境水樣、菊花茶、紅酒和牛奶中的Cr(Ⅵ)進(jìn)行分析。結(jié)果如表2所示,我們成功測出不同加標(biāo)濃度的Cr(Ⅵ),回收率為88.1%～106.8%,標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于2% (n=5),說明N-SiQDs熒光探針在檢測不同環(huán)境水樣和食物樣品中Cr(Ⅵ)含量方面具有較好的應(yīng)用潛力,抗干擾能力強(qiáng)。

表2 實(shí)際樣品中Cr(VI)的測定

3 結(jié)論

綜上所述,以N-SiQDs為探針,基于Cr(VI)對N-SiQDs的內(nèi)濾效應(yīng),引起N-SiQDs的熒光猝滅,建立了一種靈敏檢測Cr(VI)的傳感新方法。本方法具有選擇性好、樣品前處理簡單、操作簡便、成本低廉、速度快等優(yōu)點(diǎn),且已成功用于不同基體樣品中Cr(VI)的檢測,對于環(huán)境水樣和食品中Cr(VI)的監(jiān)測具有應(yīng)用推廣價值。