比率熒光法定量檢測水體中磷酸鹽的含量

李 蘭,趙曉敏,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.吉林省第二地質調查所,吉林 吉林 132000)

磷元素廣泛存在于自然界中,幾乎所有生物體的生長過程都與之有關,其更是海洋生態(tài)系統(tǒng)中十分重要的元素之一[1,2]。但當水環(huán)境中磷含量過高時,會導致水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題的產生,因此歐盟立法規(guī)定將水體中含有0.1 mg·L-1磷酸鹽作為判斷浮游生物是否快速生長于環(huán)境水體的指標[3]。另外,一些工業(yè)廢水中含有磷酸鹽,這也是造成水污染的重要因素之一,長期飲用被污染的水對人體十分有害[4,5]。因此,檢測水體中磷酸鹽含量對生態(tài)環(huán)境以及人類身體健康具有重要意義。目前,檢測磷酸鹽的方法主要有比色法[6,7],色譜分析法[8,9]、分光光度法[10]、電化學法[11,12]。但存在儀器龐大、成本高、耗費時間長、靈敏度不夠等問題,因而需要探索更為便捷、快速、靈敏的檢測方法。

熒光分析法具有操作簡單、靈敏度高、成本低等優(yōu)點[13]。根據(jù)所用材料的發(fā)射波長不同,可分為單波長和雙波長熒光分析,其中雙波長熒光分析構建的比率熒光體系[14]采用雙發(fā)射的強度比作為檢測信號,可以提供針對外部干擾的內置校正,并消除外界引起的負面影響,顯著提高方法的靈敏度與抗干擾性。如Liu[15]等人,通過將發(fā)光材料、金納米團簇和碳點封裝到ZIF-8中,構建了比率熒光傳感器并用于磷酸鹽的檢測,該傳感器的線性檢測范圍為1～120 μmol·L-1,檢出限為0.27 μmol·L-1;Wang[16]等人,成功以賴氨酸敏化的鋱配位聚合物納米粒子作為比率熒光探針檢測磷酸鹽,該熒光探針的線性檢測范圍為0～6 μmol·L-1,檢出限為0.08 μmol·L-1。但存在合成過程復雜等問題?；谑┝孔狱c的比率型熒光探針雖然在定量分析中得到了廣泛的應用[17],但是將其應用于磷酸鹽定量分析中的研究還鮮有報道。

因此本文將谷胱甘肽石墨烯量子點(GGQDs)與CdTe量子點相混合,建立GGQDs/CdTe 量子點比率熒光檢測體系(簡稱GCS)。研究了磷酸鹽與該GCS體系的相互作用,建立一種可用于水體中磷酸鹽的定量分析方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

檸檬酸購自國藥化學試劑有限公司,氫氧化鈉購自天津永達化學試劑有限公司,L-還原型谷胱甘肽購自上海麥克林生化技術有限公司,磷酸購自天津市大茂化學試劑廠,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)。

1.2 儀器與設備

F-280熒光分光光度計(天津港東),FLS920穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀(海森堡公司),pHS-3C型數(shù)字酸度計(上海儀電科學儀器股份有限公司)。

1.3 實驗方法

利用文獻所述的方法制備了CdTe量子點[18]和GGQDs[19],將二者混合后得到GCS體系。將2 μL的GGQDs與60 μL的CdTe量子點混合,定容到2 mL(pH=8),測得熒光發(fā)射光譜,激發(fā)波長350 nm,激發(fā)狹縫為5.0 nm,發(fā)射狹縫為5.0 nm。在上述構建的GCS體系中,加入一定量的磷酸溶液,調節(jié)pH,孵育8 min后,在上述相同條件下測得熒光發(fā)射光譜。

2 結果與討論

2.1 實驗條件的優(yōu)化

不同的pH和時間對磷酸鹽和GCS體系的影響如圖1所示。如圖1(a)所示,pH對GGQDs的熒光發(fā)射強度影響較小,但是會引起體系中CdTe量子點熒光強度的較大波動,為了提高檢測靈敏度,選擇pH為8作為檢測條件。向GCS體系中加入磷酸后(加入0.15 mol·L-1的磷酸溶液2 μL),孵育時間對熒光強度的影響如圖1(b)所示,可見反應時間在8 min后,隨著時間的推移,F424 nm/F578 nm的值變化較小,達到平衡,故選定孵育時間為8 min。

pH

2.2 線性范圍與檢出限

在最佳實驗條件下,將一系列0.15 mol·L-1的磷酸加入到GCS體系中,CdTe量子點的熒光強度隨著磷酸鹽濃度的增加而逐漸降低,猝滅率最大達到98.4%,但是GGQDs的熒光強度和最大熒光發(fā)射波長幾乎未發(fā)生變化,如圖2(a)所示。而且隨著磷酸鹽濃度的增加,GCS體系熒光強度的比值F424 nm/F578 nm也會隨之相應地增加,二者之間呈現(xiàn)為一條逐漸向Y軸靠近、彎曲的線。這可能是因為磷酸鹽濃度較高時,磷酸鹽分子會與GCS中的CdTe量子點發(fā)生非彈性碰撞,同時磷酸鹽中氫離子會破壞巰基丙酸的穩(wěn)定性,引起CdTe量子點穩(wěn)定性的降低。

Wavelength/nm

為了建立更優(yōu)的檢測體系,研究了較低濃度磷酸鹽與GCS體系的相互作用,結果如圖3所示。當磷酸鹽濃度在15～90 μmol·L-1范圍內,磷酸鹽的濃度與GCS體系熒光強度的比值F424 nm/F578 nm之間具有良好的線性關系,線性回歸方程為F424 nm/F578 nm= 0.010 7[H3PO4]+ 1.14,R2= 0.993,根據(jù)文獻[20]計算可得最低檢出限為6.66 μmol·L-1。

Concentrations of H3PO4 added/(mmol·L-1)

2.3 磷酸與GCS體系作用機理探討

通過變溫實驗,研究了磷酸鹽和GCS的作用機理。如圖4所示,研究了孵育溫度為30和40 ℃時,不同濃度磷酸鹽對GCS體系熒光強度的影響。隨著磷酸鹽濃度的增加,GCS體系的熒光強度比值F424 nm/F578 nm的變化與磷酸鹽濃度之間具有良好的線性關系,而且隨著溫度升高,回歸線的斜率變小了。根據(jù)許金鉤[21]提出的理論,可推斷磷酸鹽所引起CdTe量子點熒光強度的降低為靜態(tài)猝滅過程,即磷酸鹽與CdTe量子點之間隨著溫度的升高,復合物穩(wěn)定性降低,猝滅效率降低,即斜率減小。根據(jù)Stern-Volmer方程F0/F=1 +Kqτ0[C]=1 +Ksv[C],其中Kq代表熒光衰減常數(shù),Ksv代表標準曲線的斜率,Kq=Ksv/τ0,τ0為無猝滅劑的量子點的平均熒光壽命。通過平均加權計算法得到了CdTe量子點的平均熒光壽命為20 ns[22]。通過公式Kq=Ksv/τ0可得30 ℃和40 ℃時的Kq分別為2.64×1012mol·L-1·s-1和2.58×1012mol·L-1·s-1均大于最大靜態(tài)猝滅常數(shù)(2×1010mol·L-1·s-1),說明為靜態(tài)猝滅過程。

Concentrations of H3PO4 added/(mmol·L-1)

為了進一步證明以上推斷,測定了CdTe量子點溶液中加入磷酸鹽前后的熒光衰減曲線,如圖5所示。結果表明,加入磷酸鹽溶液后,熒光衰減曲線未發(fā)生明顯的變化,進一步證明磷酸鹽所引起CdTe量子點熒光強度的降低,為靜態(tài)猝滅過程。

t/ns

2.4 抗干擾分析

圖6 向GCS中加入不同的干擾離子圖

2.5 回收率分析

采用標準加入法測定該方法的回收率,測定前需要加入三乙醇胺,并調節(jié)溶液pH。分析結果如表1所示,回收率為98.34%～100.64%,說明本方法可用于檢測水體中的磷酸鹽的含量。

表1 水中磷酸鹽含量分析

3 結 論

本文成功地采用GGQDs和CdTe量子點建立了一種新的比率熒光檢測體系,可用于水體中磷酸鹽的定量分析,最低檢出限為6.66 μmol·L-1。并采用變溫實驗、計算和熒光衰減曲線對CdTe量子點和GCS體系之間的相互作用機理進行了討論,證明磷酸鹽所引起的CdTe量子點熒光強度的降低為靜態(tài)猝滅過程。研究表明,該比率熒光法用于磷酸鹽的定量分析具有較好的靈敏度和選擇性,可用于水樣中磷酸鹽含量的分析。