快速靈敏檢測水中Fe(Ⅲ)的化學發(fā)光傳感體系研究*

耿方蘭，趙利霞

(中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境化學與生態(tài)毒理國家重點實驗室，北京100085)

0 引 言

鐵是自然界中含量第二的金屬元素，對整個生態(tài)系統(tǒng)有著十分重要的作用［1］。作為水質(zhì)分析的常規(guī)程序，鐵離子的檢測方法多有報道。由于傳統(tǒng)的比色法靈敏度較低，不能滿足分析要求，因此，新方法的研究一直備受關注，如原子吸收分光光度法、離子色譜與化學發(fā)光聯(lián)用技術(shù)［2］、電感耦合—等離子質(zhì)譜(ICP－MS)［3］、電化學［4］以及一些包括熒光和化學發(fā)光在內(nèi)的光譜法等。氨基羅丹明作為熒光探針，F(xiàn)e(Ⅲ)與KI 反應生成的I－3可以將探針的熒光淬滅，從而實現(xiàn)檢測目的，雖然檢測限較低，但是體系較為復雜且特異性較差［5］;Ussher S J 等人［6］使用化學發(fā)光法檢測Fe(Ⅲ)，但是預處理過程較為繁瑣。因此，構(gòu)建簡單快捷，靈敏特異的Fe(Ⅲ)檢測體系十分必要。

本實驗室用化學發(fā)光手段對碳點光學性質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)碳點不加入任何氧化劑或者化學發(fā)光試劑，僅僅是強堿性的條件下，就可以產(chǎn)生化學發(fā)光，對這一現(xiàn)象的機理進行了研究［7］。

本文對碳點—NaOH 化學發(fā)光體系進一步研究發(fā)現(xiàn)，在所檢測水體中的金屬離子中發(fā)現(xiàn)，僅將Fe(Ⅲ)加入上述體系之后，體系的化學發(fā)光強度有明顯的增強，在此基礎上構(gòu)建了Fe(Ⅲ)的化學發(fā)光傳感檢測體系。建立了Fe(Ⅲ)檢測的標準曲線，并對三種不同實際水樣進行了加標回收測定。最后，對此體系化學發(fā)光機理進行了推測。

1 實 驗

使用BPCL 超微弱化學發(fā)光分析儀與配套濾光片(中國科學院生物物理研究所)構(gòu)建靜態(tài)注射化學發(fā)光檢測體系。將100 μL 碳點溶液和100 μL 樣品(或標準溶液)加入反應杯中，100 μL NaOH 通過微量進樣器注射進入反應杯，以光電倍增管(PMT)放大信號后，傳輸至信號檢測器。圖1為靜態(tài)注射裝置示意圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點的合成與表征

稱取1 g 葡萄糖與2 g PEG1500 放入50 mL 的燒杯中，加入7 mL 超純水，用微波爐高火加熱15 min，冷卻后加入10 mL 超純水稀釋，之后將稀釋液用MWCO2000 透析袋用超純水透析10 天左右以去除未反應的原材料和反應過程中產(chǎn)生的其他雜質(zhì)，得到深棕色膠體溶液。在高分辨透射電鏡下觀察，合成的碳點類似球形，粒徑較為均一。粒徑范圍為4.5 ～6.5 nm，平均粒徑在5.4 nm 左右。在不同波長的激發(fā)光激發(fā)下，碳點的熒光發(fā)射強度呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，同時熒光光譜也隨激發(fā)光波長的增加而發(fā)生紅移。

2.2 化學發(fā)光檢測Fe(Ⅲ)體系的建立

碳點在強堿存在條件下即可產(chǎn)生化學發(fā)光，當向碳點—NaOH 體系中加入Fe(Ⅲ)之后，此體系的化學發(fā)光信號明顯增強(見圖2(a));而且，此信號隨著Fe(Ⅲ)濃度的變化而變化。對其他十種不同金屬離子進行篩查，如圖2(b)所示，F(xiàn)e(Ⅲ)能夠特異性增敏碳點—NaOH 化學發(fā)光體系。

圖2 碳點—NaOH 體系中加入Fe(Ⅲ)后的增敏效果與干擾實驗結(jié)果Fig 2 Sensitizing effect of CDs-NaOH system adding by Fe(Ⅲ)and interference experiment result

基于上述實驗結(jié)果，經(jīng)過條件優(yōu)化實驗，得出碳點濃度為1 mg/mL，NaOH 濃度為0.1 mol/L 為最優(yōu)條件，建立了Fe(Ⅲ)的化學發(fā)光傳感檢測體系。圖3 所示為傳感檢測體系的標準曲線。線性范圍為2×10－6～2×10－3mol/L，最低檢測限1.45×10－6mol/L。

圖3 Fe(Ⅲ)檢測的標準曲線Fig 3 Standard curve of Fe(Ⅲ)detection

對三種不同類型的實際水樣進行了加標回收測定，見表1。從表中能夠看到三種不同類型水樣中加標回收率分別為117%，111%，94%，均能滿足要求。

表1 三種實際水樣加標回收測定結(jié)果Tab 1 Labelling and recovery test results of three kinds of practical water samples

與目前常用的Fe(Ⅲ)檢測方法相比較，上述方法具有靈敏度高、特異性好、檢測方便快捷、成本低的優(yōu)勢，為其實際應用創(chuàng)造了條件。

2.3 碳點—NaOH—Fe(Ⅲ)體系化學發(fā)光機理研究

利用不同波長的濾光片(460，475，490，505，535，555，575，590，605 nm)對碳點—NaOH—Fe(Ⅲ)體系的化學發(fā)光光譜進行測定。結(jié)果如圖4 所示。圖中化學發(fā)光波長范圍為480 ～580 nm 之間，最大化學發(fā)光波長為530 nm。與碳點的熒光光譜基本一致，說明此體系化學發(fā)光物質(zhì)為碳點。最大化學發(fā)光波長525 nm 相較于熒光光譜的480 nm 發(fā)生明顯紅移，這可能是由于熒光主要表現(xiàn)的是納米顆粒核態(tài)性質(zhì)，而化學發(fā)光反應的是納米顆粒的表面過渡態(tài)特性［8，9］。

圖4 碳點—NaOH—Fe(Ⅲ)化學發(fā)光體系化學發(fā)光光譜Fig 4 CL spectrum of CDs—NaOH—Fe(Ⅲ)system

已有文獻報道碳點表面存在單電子軌道，既能作為電子受體，又能作為電子供體［10］。此體系中碳點化學發(fā)光很可能是由于碳點表面得失電子引起的電子空穴復合作用。實驗室之前的工作證明，NaOH 化學還原作用可以向碳點表面注射電子，此時碳點作為電子受體［7］。Fe(Ⅲ)作為鐵的高價態(tài)，具有一定的氧化作用。所以，本文推測在此化學發(fā)光體系中，F(xiàn)e(Ⅲ)可能充當氧化劑而向碳點表面注射空穴。這種狀態(tài)下，碳點表面的空穴比單純熱激發(fā)產(chǎn)生的空穴量應該高。所以，碳點—NaOH—Fe(Ⅲ)的體系化學發(fā)光強度較碳點—NaOH 體系高。

綜上所述，如圖5 所示，推測碳點—NaOH—Fe(Ⅲ)體系的化學發(fā)光是由于Fe(Ⅲ)作為氧化劑得電子而向碳點表面注射空穴，而NaOH 以化學還原作用方式向碳點表面注射的電子，空穴與電子復合的過程產(chǎn)生化學發(fā)光。

圖5 碳點—NaOH—Fe(Ⅲ)體系化學發(fā)光原理圖Fig 5 Principle of CL of CDs—NaOH—Fe(Ⅲ)system

3 結(jié) 論

本文研究采用化學發(fā)光法對微波水熱反應合成的碳點進行光學性質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)Fe(Ⅲ)可以特異性增敏碳點—NaOH 體系的化學發(fā)光信號，以此構(gòu)建了碳點—NaOH—Fe(Ⅲ)化學發(fā)光傳感檢測體系，實現(xiàn)了快速便捷的高靈敏特異性檢測實際水樣中的Fe(Ⅲ)，并且對體系中碳點的化學發(fā)光機理進行了初步研究，認為是Fe(Ⅲ)作為氧化劑向碳點表面注射的空穴與NaOH 化學還原作用注射的電子相復合而產(chǎn)生化學發(fā)光。

［1］ Cabon J Y，Giamarchi P，Bihan A Le.Determination of Fe in seawater by electrothermal atomic absorption spectrometry and atomic fluorescence spectrometry:A comparative study［J］.Analy－tica Chimica Acta，2010，664(2):114－120.

［2］ Chen Yun－chieh，Jian Yu－ling，Chiu Kong－h(huán)wa，et al.Simultaneous speciation of Fe(II)and Fe(Ⅲ)by ion chromatography with chemiluminescence detection［J］.Analytical Sciences，2012，28:795－799.

［3］ Lacan Francois，Radic Amandine，Labatut Marie，et al.High－precision determination of the isotopic composition of dissolved Fe in Fe depleted seawater by double spike multicollector－ICPM－S［J］.Analytical Chemistry，2010，82:7103－7111.

［4］ Shervedani R K，Akrami Z.Gold－deferrioxamine nanometric interface for selective recognition of Fe(Ⅲ)using square wave voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy methods［J］.Biosensors and Bioelectronics，2013，39(1):31－36.

［5］ Du Yanyan，Chen Min，Zhang Yingxue，et al.Determination of Fe(Ⅲ)based on the fluorescence quenching of rhodamine B derivative［J］.Talanta，2013，106:261－265.

［6］ Ussher S J，Milne A，Landing W M，et al.Investigation of Fe(Ⅲ)reduction and trace metal interferences in the determination of dissolved Fe in seawater using flow injection with luminol chemiluminescence detection［J］.Analytica Chimica Acta，2009，652(1/2):259－265.

［7］ Zhao Lixia，Di Fan，Guo Lianghong，et al.Chemiluminescence of carbon dots under strong alkaline solutions:A novel insight into carbon dot optical properties［J］.Nanoscale，2013，5(7):2655－2658.

［8］ Poznyak Sergey K，Talapin Dmitri V.Weller Horst，et al.Quantum Dot Chemiluminescence［J］.Nano Letters，2004，4(4):693－698.

［9］ Myung Noseung，Bae Yoonjung，Bard Allen J.Effect of surface passivation on the electrogenerated chemiluminescence of CdSe/ZnSe nanocrystals［J］.Nano Letters，2003，3(8):1053－1055.

［10］Dou Xiangnan，Lin Zhen，Lin Jinming，et al.Production of superoxide anion radicals as evidence for carbon nanodots acting as electron donors by the chemiluminescence method［J］.Chemical Communications(Camb)，2013，49(52):5871－5873.