DMF保護的熒光銀納米簇的制備及其對Hg2+濃度的檢測

熊小莉， 唐 艷， 薛 康， 尤 超， 鄭保戰

(1. 四川師范大學 化學學院， 四川 成都 610068； 2. 四川大學 化學學院， 四川 成都 610065)

?

DMF保護的熒光銀納米簇的制備及其對Hg2+濃度的檢測

熊小莉1， 唐 艷1， 薛 康1， 尤 超1， 鄭保戰2*

(1. 四川師范大學 化學學院， 四川 成都 610068； 2. 四川大學 化學學院， 四川 成都 610065)

采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作為還原劑和保護劑，在140 ℃下回流反應，簡便合成了熒光銀納米簇(DMF-AgNCs)。通過高分辨率透射電鏡(HRTEM)、紫外-吸收光譜、熒光光譜對DMF-AgNCs進行了表征。研究發現，Hg2+會使DMF-AgNCs聚集而猝滅熒光。基于此，建立了一種快速、靈敏檢測Hg2+的新方法。在最佳實驗條件下，Hg2+溶液濃度與DMF-AgNCs熒光強度在5.0×10-9～1.5×10-7mol/L范圍內呈良好的線性關系，檢測限為3.0×10-9mol/L，線性相關系數為0.995 8。該方法可用于環境水樣中Hg2+的檢測。

N, N- 二甲基甲酰胺； 熒光; 銀納米簇； Hg2+

1 引 言

金屬納米簇(MNCs)是由幾個到幾百個金屬原子構成，其直徑一般小于2 nm。MNCs具有獨特的電子、光學和電學性質，在重金屬離子檢測、生物傳感、生物成像方面有廣泛的應用[1-4]。在不同的MNCs中， AuNCs和AgNCs由于具有尺寸可調、生物相容性良好等優點而更受研究者青睞[5-6]。但其超小的尺寸使合成單分散和強熒光的金、銀納米簇面臨很大困難。為解決這一問題，研究者們采取了很多種方法[7-11]，其中最受歡迎的是采用不同配體作為保護劑來合成，例如，采用本身具有生物相容性的DNA來合成穩定的AgNCs，具有制備過程簡單、熒光強且可調的優點[12]。但是這種方法有時會產生大的金屬納米顆粒(MNPs)，尺寸不均一，并且在高鹽濃度下不穩定從而阻礙了其進一步的研究應用。因此，探索新的配體來合成性質優良的AgNCs并能加以應用顯得尤為重要。

本文采用N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide，DMF)作為還原劑和保護劑，在140 ℃下回流反應，簡便合成了水溶性的銀納米簇(DMF-AgNCs)。所合成的DMF-AgNCs可以發出明亮的藍色熒光，穩定性良好，不產生光漂白現象。基于Hg2+對DMF-AgNCs的熒光猝滅效應，建立了一種快速、靈敏檢測Hg2+的新方法。

2 實 驗

2.1 儀器與試劑

主要實驗儀器：Tecnai G2 F20 S-TWIN型高分辨率透射電子顯微鏡(美國FEI公司)；Cary60型紫外可見分光光度計(美國安捷倫公司)；F-7000型熒光分光光度計(日本日立公司)；Varian700 ICP-AES電感耦合等離子體發射光譜儀(美國瓦里安公司)；DZF-300數顯真空干燥箱(鄭州長城科工貿有限公司)；78-1磁力加熱攪拌器(常州國華電器有限公司)；PHSJ-4A型pH計 (上海雷磁儀器廠)。

主要實驗試劑：硝酸銀(AgNO3)、N,N- 二甲基甲酰胺(DMF)、氫氧化鈉(NaOH)、硝酸汞(Hg(NO3)2)、十二水合磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)、二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)及其他鹽類均購于國藥上海試劑公司。實驗中所用化學試劑均為分析純，實驗用水為18.2 MΩ·cm的超純水。

2.2 DMF-AgNCs的合成

按照參考文獻[13-14]，使用DMF作為保護劑和還原劑，高溫回流合成熒光DMF-AgNCs。具體步驟如下：將150 mL的DMF溶液加入到三頸燒瓶中，先將DMF油浴預熱到140 ℃，再向其中加入150 μL的 AgNO3溶液(0.1mol/L, 2.55×10-3g)，劇烈攪拌，混合均勻。反應6 h后，停止加熱，繼續攪拌至溶液冷卻到室溫。在12 000 r/min的轉速下離心過濾3次以去除大的AgNPs，然后在80 ℃下真空干燥去除溶劑，得到平均質量為1.8×10-3g的DMF-AgNCs。采用ICP-AES測得DMF-AgNCs中銀的平均質量為2.72×10-4g，一鍋合成AgNCs的平均產率為10.67%。測試時，將DMF-AgNCs溶于水中放置于4 ℃冰箱中備用。

2.3 汞離子的檢測

熒光光譜測量：所有的熒光強度值測量均在室溫下進行，測量電壓為750 V，激發、發射的狹縫寬度均為10 nm，λex=310 nm，λem=418 nm，每個濃度平行測定3次。

取8 μL濃度為1×10-2mol/L的DMF-AgNCs溶液加入到600 μL的離心管中，分別加入一系列10 μL不同濃度的Hg2+溶液，使用pH=7.0的PB緩沖溶液稀釋定容到100 μL，混合均勻。室溫下反應10 min，測量熒光強度F，同時做空白F0，計算其熒光變化值F0-F。

2.4 實際水樣中汞離子的檢測

本研究采用的是河水水樣，需要使用濾膜進行過濾處理，以除去一些顆粒或微生物。取8 μL濃度為1×10-2mol/L的 DMF-AgNCs溶液加入到600 μL的離心管中，加入5 μL水樣，分別加入5 μL濃度為2.0×10-7，4.0×10-7，6.0×10-7mol/L的Hg2+溶液，再加入82 μL的pH=7.0的PB緩沖溶液，混合均勻，室溫下反應10 min，測其熒光強度F，同時做空白F0，計算其熒光變化值F0-F。

3 結果與討論

3.1 銀納米簇的合成及表征

采用DMF作還原劑和保護劑，回流合成了DMF-AgNCs。弱還原劑DMF在高溫且沒有任何表面活性劑的條件下，也充當溶劑的角色[15]。在加熱過程中，我們觀察到溶液由無色變為淺黃色再變為黃色，表明DMF逐步將AgNO3還原成Ag(Ⅰ)，再還原成Ag(0)，形成AgNCs。DMF中含有疏水性的甲基(—CH3) 以及與Ag+親和性很高的羧基(—COOH)，可以防止納米簇進一步形成大的納米粒子而起到保護作用，從而制得熒光DMF-AgNCs。

我們采用紫外-吸收光譜和熒光光譜對制備的DMF-AgNCs的光學性質進行了驗證。如圖1所示，曲線a是DMF-AgNCs的紫外-吸收光譜，在310 nm和350 nm處分別有明顯的吸收峰，310 nm處的吸收更強，在380～500 nm沒有吸收，表明沒有大的AgNPs的表面等離子共振吸收。該吸收峰是金屬中心d帶與sp帶的帶間躍遷或金屬-配體的電荷轉移躍遷產生的[13]，兩吸收峰表明可能存在兩種尺寸的AgNCs[16]。曲線b是DMF-AgNCs的熒光發射光譜，可以看出最佳激發波長為310 nm，發射波長為420 nm，與文獻報道的DMF-AuNCs類似，表明已成功合成DMF-AgNCs[13-14]。而單獨的DMF無熒光特性(曲線c)，說明熒光來自DMF-AgNCs。同時，從圖1的插圖也可以看出，DMF-AgNCs的水溶液為黃色，而在365 nm的紫外燈下顯示出很強的藍色熒光，這是由于MNCs的量子尺寸效應產生的。

圖1 DMF-AgNCs的光學性質表征

圖2是所制備的DMF-AgNCs的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖片。從圖2中可以清晰地看到銀金屬中心，樣品形貌均一、分散性良好，AgNCs未發生任何團聚，不含AgNPs及其他副產物。所合成的DMF-AgNCs易溶于水、甲醇等溶劑。DMF-AgNCs受pH影響也很小，只有在強酸、強堿條件下不穩定，中性條件下的熒光強度無明顯變化，如圖3所示(DMF-AgNCs濃度為1×10-3mol/L)。另外，研究還發現，該DMF-AgNCs不需要使用4 ℃保存，在暗處、常溫放置即可，保存兩年以上的樣品仍顯示很強的熒光，這些均表明用DMF做保護劑比使用其他配體合成的AgNCs具有更好的穩定性[17-18]。

圖2 DMF-AgNCs的HRTEM圖

圖3 pH對DMF-AgNCs穩定性的影響

3.2 DMF-AgNCs對Hg2+的熒光響應

如圖4所示，DMF-AgNCs在420 nm處顯示出很強的熒光(曲線c)，當加入Hg2+后，熒光顯著猝滅，并且發射峰位置有些許移動(曲線d)。該現象也可以從圖4的插圖中看出。加入Hg2+后，明顯看到銀簇溶液發生團聚，顏色變深，有沉淀生成(E、F)。而銀簇原本在365 nm紫外燈照射下顯示出的藍光熒光在日光燈下基本消失(C、D)。這些均表明DMF-AgNCs對Hg2+具有特異性響應。產生此熒光猝滅現象主要是因為金屬原子的封閉殼層間的放大的色散力使Hg2+(4f145d10)和Ag+(4d10)之間發生鍵合，導致DMF-AgNCs的聚集而使熒光猝滅[19-20]。

圖4 DMF-AgNCs對Hg2+的熒光響應

3.3 實驗條件的優化

AgNCs的光學性質由合成條件決定，因此我們對反應溫度、反應時間、DMF和AgNO3的量比等不同條件合成的AgNCs的熒光性質作了比較，以獲得良好的DMF-AgNCs。參照文獻，我們對反應時間及DMF和AgNO3的用量進行了優化。結果表明:采用15 mL DMF、150 μL AgNO3得到的DMF-AgNCs的熒光最強并且穩定性相對較好。具體反應條件為：DMF預熱時間為15 min，快速加入AgNO3后，加熱攪拌反應6 h，停止加熱，繼續攪拌2 h冷卻至室溫。

為了提高該熒光法應用到實際檢測的靈敏度，我們對檢測Hg2+時的DMF-AgNCs濃度、DMF-AgNCs與Hg2+反應的pH值、反應時間等關鍵因素進行了優化考察。

3.3.1 DMF-AgNCs的用量

為了確定DMF-AgNCs的合適濃度，我們考察了DMF-AgNCs熒光強度隨其濃度的變化，如圖5(a)所示。DMF-AgNCs的熒光隨其濃度的增大而增強，呈線性關系。當DMF-AgNCs的濃度較小時，體系的熒光也較弱。加入Hg2+后，體系熒光的猝滅程度較小，現象不明顯。增加DMF-AgNCs的濃度，則Hg2+會對體系的熒光產生明顯的猝滅，檢測靈敏度增高。但是，繼續增加DMF-AgNCs的濃度時，由于熒光太強，Hg2+不易猝滅銀簇的熒光，猝滅效率反而會降低。綜合考慮，本實驗選擇DMF-AgNCs溶液的濃度為8×10-4mol/L。

3.3.2 反應時間

由于我們建立的方法是要應用到實際水樣的檢測中，因此選取室溫作為Hg2+與DMF-AgNCs的反應溫度，但反應時間的長短直接影響檢測到的熒光強度。為此，我們實驗考查了0～10 min內，反應時間對檢測靈敏度的影響，實驗結果如圖5(b)所示，CHg=1.2×10-7mol/L。從圖中可以看出，反應2 min后，DMF-AgNCs的熒光被顯著猝滅，猝滅程度達到20%左右。隨著反應時間的繼續延長，熒光猝滅緩慢，10 min就基本趨于穩定。因此在后續實驗中，我們將所有反應時間均定為10 min。

圖5 (a)DMF-AgNCs熒光與其濃度的關系；(b)反應時間對Hg2+猝滅DMF-AgNCs熒光的影響。

Fig.5 (a) Concentration-dependent fluorescence of DMF-AgNCs solution. (b) Time-dependent fluorescence intensity of DMF-AgNCs to Hg2+.

3.3.3 反應pH值

pH值可能會影響DMF-AgNCs的穩定性(圖3)，也會影響DMF-AgNCs與Hg2+的作用效果。圖6為pH對Hg2+猝滅DMF-AgNCs熒光反應的影響。從圖6可以看出，pH值在5.0～8.0之間時，DMF-AgNCs的猝滅效率變化均不太明顯。在該范圍內，DMF-AgNCs的穩定性也比較好，說明pH在5.0～8.0時對DMF-AgNCs與Hg2+反應的影響不大。因此，本實驗選擇pH值為7.0的PB緩沖液作為該傳感檢測體系的反應介質。

圖6 不同反應pH值對Hg2+猝滅DMF-AgNCs熒光的影響

Fig.6 Fluorescence intensity changes of DMF-AgNCs to Hg2+at different pH values

3.4 Hg2+的檢測

圖7為在上述優化實驗條件下，DMF-AgNCs對不同濃度Hg2+的定量檢測熒光光譜。由圖可見，AgNCs在420 nm處的熒光強度隨著Hg2+濃度的增加而減小。Hg2+通過與DMF-AgNCs中的銀原子發生作用，引起聚集導致熒光猝滅。在最優的實驗條件下，Hg2+溶液濃度與DMF-AgNCs熒光強度在5.0×10-9～1.5×10-7mol/L范圍內呈良好的線性關系，線性方程為F=-5.473CHg+207.7，線性相關系數R2=0.995 8。Hg2+的理論檢測限是3.0×10-9mol/L(LOD為3σ，σ=S0/S，S0為空白樣品的標準偏差，S為標準曲線的斜率)，與文獻報道的一致[19,21]。同時我們也對該體系的重復率作了考察，對1.5×10-7mol/L的Hg2+平行測定6次，其相對標準偏差(RSD)達到6.3%，證明該方法的精確度也較好。

CHg=0, 5.0×10-9, 2.5×10-8, 5.0×10-8, 8.0×10-8, 1.2×10-7, 1.5×10-5, 1.5×10-4, 3.0×10-3mol/L

圖7 不同濃度的Hg2+與DMF-AgNCs作用后的熒光光譜和標準曲線

Fig.7 Fluorescence response of DMF-AgNCs upon addition of various concentrations Hg2+

3.5 選擇性考察

為了研究所建立方法的選擇性，我們考察了一些常見的與環境相關的金屬離子對該方法用于檢測Hg2+的影響，包括2.5×10-3mol/L 的Hg2+和2.5×10-3mol/L的Cd2+、Pb2+、Cu2+、Cr2+、Ni2+、Zn2+、Ca2+、Fe3+。實驗結果如圖8所示，僅Hg2+對DMF-AgNCs的熒光強度有顯著的猝滅作用。由此可見，該檢測方法對Hg2+有著良好的選擇性。

圖8 Hg2+探針的選擇性考察

Fig.8 Selectivity of fluorescence probe for Hg2+over other ions

3.6 實際樣品分析

為了考察本研究所建立方法的實用性，我們對3個水樣進行了加標試驗。使用濾膜對河水樣品進行前處理，除去沙、顆粒、微生物等。采用標準加入法，評估了方法的精確性和可信度，實驗結果如表1所示。從表中可以看到，回收率在98.5%～109.05%之間。對各個水樣同時測試分析3次以考察該方法的精確度，所得相對標準偏差(RSD)為1.8%～5.6%。證明該方法可以運用到實際檢測中。

表1 實際水樣中Hg2+的檢測

4 結 論

使用DMF作還原劑和保護劑，設計合成了一種新型熒光納米簇DMF-AgNCs，并且基于Hg2+對其熒光猝滅構建了Hg2+熒光探針，考察了AgNCs濃度、反應時間、反應pH值等的影響。結果表明，DMF-AgNCs的濃度為8×10-4mol/L、反應10 min、pH=7為檢測Hg2+的最佳條件，線性范圍為5.0×10-9～1.5×10-7mol/L，檢出限為3.0×10-9mol/L，且具有良好的選擇性，可以用于實際水樣的檢測。該方法制備簡單，所合成的DMF-AgNCs熒光強，水溶性及穩定性良好，在環境監測中有很好的應用前景。

[1] TEMPLETON A C, WUELFING M P, MURRAY R W. Monolayer-protected cluster molecules [J].Acc.Chem.Res., 2000, 33:27-36.

[2] ARAGAY G, PONS J, MERKOI A. Recent trends in macro-, micro-, and nanomaterial-based tools and strategies for heavy-metal detection [J].Chem.Rev., 2011, 111:3433-3458.

[3] ROSI N L, MIRKIN C A. Nanostructures in biodiagnostics [J].Chem.Rev., 2005, 105:1547-1562.

[4] ZHANG L B, WANG E K. Metal nanoclusters: new fluorescent probes for sensors and bioimaging [J].NanoToday, 2014, 9:132-157.

[5] XU H X, SUSLICK K S. Sonochemical synthesis of highly fluorescent Ag nanoclusters [J].Adv.Mater., 2010, 22:1078-1082.

[6] TAY C, YU Y, Setyawati M,etal.. Presentation matters: identity of gold nanocluster capping agent governs intracellular uptake and cell metabolism [J].NanoRes., 2014, 7:805-815.

[7] UDAYABHASKARARAO T, PRADEEP T. New protocols for the synthesis of stable Ag and Au nanocluster molecules [J].J.Phys.Chem.Lett., 2013, 4:1553-1564.

[8] YU Y, YAO Q, LUO Z,etal.. Precursor engineering and controlled conversion for the synthesis of monodisperse thiolate-protected metal nanoclusters [J].Nanoscale, 2013, 5:4606-4620.

[9] ZHENG J, ZHOU C, YU M,etal.. Different sized luminescent gold nanoparticles [J].Nanoscale, 2012, 4:4073-4083.

[10] GUO W W， YUAN J P, WANG E K. Oligonucleotide-stabilized Ag nanoclusters as novel fluorescence probes for the highly selective and sensitive detection of the Hg2+ion [J].Chem.Commun., 2009, 23:3395-3397.

[11] WANG C X, XU L, WANG Y,etal.. Fluorescent silver nanoclusters as effective probes for highly selective detection of mercury(Ⅱ) at parts-per-billion levels [J].Chem.Asian.J., 2012, 7:1652-1656.

[12] PETTY J T, ZHENG J, HUD N V,etal.. DNA-templated Ag nanocluster formation [J].J.Am.Chem.Soc., 2004, 126:5207-5212.

[13] KAWASAKI H, YAMAMOTO H, FUJIMORI H,etal.. Stability of the DMF-protected Au nanoclusters: photochemical, dispersion, and thermal properties [J].Langmuir, 2010, 26:5926-5933.

[14] LIU X, LI C, XU J,etal.. Surfactant-free synthesis and functionalization of highly fluorescent gold quantum dots [J].J.Phys.Chem. C, 2008, 112:10778-11783.

[15] KUMAR S, BOLAN M D, BIGIONI T P. Glutathione-stabilized magic-number silver cluster compounds [J].J.Am.Chem.Soc., 2010, 132:13141-13143.

[16] PARK J H, LEE J Y, BAN C G,etal.. An approach toward SNP detection by modulating the fluorescence of DNA-templated silver nanoclusters [J].Biosens.Bioelectron., 2013, 43:19-24.

[17] LIU J, REN X G, MENG X W,etal.. Sensitive and selective detection of Hg2+and Cu2+ions by fluorescent Ag nanoclusters synthesizedviaa hydrothermal method [J].Nanoscale, 2013, 5:10022-10028.

[18] SHARMA J W, ROCHA R C, PHIPPS M L,etal.. A DNA-templated fluorescent silver nanocluster with enhanced stability [J].Nanoscale, 2012, 4:4107-4110.

[19] LIN Y H, TSENG W L. Ultrasensitive sensing of Hg2+and CH3Hg+based on the fluorescence quenching of lysozyme type VI—stabilized gold nanoclusters [J].Anal.Chem., 2010, 82:9194-9200.

[20] TIAN D H, QIAN Z S, XIA Y S,etal.. Gold nanocluster-based fluorescent probes for near-infrared and turn-on sensing of glutathione in living cells [J].Langmuir, 2012, 28:3945-3951.

[21] PENG J, LING J, ZHANG X Q,etal.. Sensitive detection of mercury and copper ions by fluorescent DNA/Ag nanoclusters in guanine-rich DNA hybridization [J].Spectrochim.ActaA, 2015, 137:1250-1257.

熊小莉(1970-)，女，四川大英人，副教授，2005年于四川大學獲得碩士學位，主要從事納米材料、化學與生物傳感器等方面的研究。

E-mail: xiongxiaoli2000@163.com

鄭保戰(1980-)，男，河南滑縣人，博士，副教授，2010年于四川大學獲得博士學位，主要從事納米材料、化學與生物傳感器等方面的研究。

E-mail: zhengbaozhan@scu.edu.cn

Preparation of Fluorescent Silver Nanoclusters Protected by DMF and Its Application in Hg2+Detection

XIONG Xiao-li1, TANG Yan1, XUE Kang1, YOU Chao1, ZHENG Bao-zhan2*

(1.CollegeofChemistryandMaterialsScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China; 2.SchoolofChemistry,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:zhengbaozhan@scu.edu.cn

A facile preparation of highly fluorescent Ag nanoclusters (AgNCs) was synthesized using a surfactant-free N,N-dimethylformamide (DMF) reduction method by reflux at 140 ℃. The as-prepared samples were characterized by UV-Vis absorbtion spectroscopy, fluorescence spectroscopy and HRTEM. The results show that the AgNCs with small size emit strong blue fluorescence possessing excellent water-solubility and photostability. Moreover, the fluorescence from AgNCs can be efficiently quenched by Hg2+. By virtue of the specific response, a new, simple, selective and sensitive fluorescent method for detecting Hg2+has been developed based on DMF-AgNCs. This method shows a good linear relationship within the concentration range of 5.0×10-9～1.5×10-7mol/L, the detection limit was 3.0×10-9mol/L, and the correlation coefficientR2= 0.995 8.

N,N-dimethylformamide (DMF); fluorescence; Ag nanoclusters (AgNCs); Hg2+

1000-7032(2016)01-0117-07

2015-09-26；

2015-11-11

國家自然科學基金(21407109)； 四川省教育廳重點項目基金(14ZA0027)； 四川師范大學大精設備開放基金項目(2015)資助

O657.39

A

10.3788/fgxb20163701.0117