基于銅納米簇的聚集誘導發光檢測鉛離子

韓冰雁+侯緒芬+相榮超+于明波+李瑩+彭婷婷+賀高紅

摘 要 基于谷胱甘肽保護的非貴金屬銅納米簇（Cu NCs@GSH）的聚集誘導發光現象， 建立了快速檢測鉛離子 （Pb2+）的“Turn on”型熒光分析方法。Cu NCs@GSH溶液熒光強度很弱， 當存在Pb2+時， 熒光強度可顯著增強， 溶液顯示明亮的橙黃色。基于此原理建立了檢測Pb2+的熒光方法， 線性范圍為200～700 μmol/L， 檢出限為106 μmol/L， 常見金屬離子不干擾Pb2+的測定。本方法簡單快速、選擇性高， 可實現對Pb2+的可視化定性檢測。

關鍵詞 聚集誘導發光； 銅納米簇； 鉛離子

1 引 言

熒光納米簇（NCs）作為一種新型熒光探針， 廣泛用于各種離子尤其是金屬陽離子[1～5]、小分子[6～9]的檢測以及細胞標記、細胞成像[10～12]、環境分析[13]等領域。Deng等[14]發現甲硫氨酸保護的金納米簇可作為靈敏的熒光“Turn.off”傳感器， 選擇性檢測Cu2+。Cao等[15]采用單寧酸制備了水溶性的CuNCs， 并利用電子轉移機理引起的熒光淬滅， 實現了對Fe3+的高靈敏檢測。Yang等[16]以半胱氨酸為保護劑合成CuNCs熒光探針， 利用Hg2+和半胱氨酸之間的相互作用， 通過熒光淬滅實現對Hg2+的檢測。目前， 利用熒光納米簇檢測金屬離子的工作大部分基于熒光淬滅機理。由于抑制熒光的物質比較多， 熒光淬滅是較為普遍的現象， 對選擇性或靈敏度影響較大[17]。

2001年， Luo等[18]發現硅雜環戊二烯衍生物在溶液中幾乎不發光， 而在形成固體后發光大大增強， 將此現象稱為“聚集誘導發光”（Aggregation.induced emission， AIE）。此后， 基于AIE機理的檢測方法被應用于多個發光體系。近年來， AIE不僅應用在設計合成強熒光的納米簇， 而且在化學傳感器、生物熒光探針等領域表現出廣闊的應用前景[19， 20]。2014年， Dou等[21]將AIE機理引入到熒光納米簇領域， 基于弱熒光的AuNCs， 通過聚集誘導發光合成了具有強熒光的Au@Ag NCs。Guo等[22]報道了基于Au（I）.巰基復合物的聚集誘導免標記方法檢測Ca2+的方法。Li等[23]探討了Ag+增強AuNCs熒光的機理， 并利用聚集誘導現象檢測Ag+。利用“Turn.on”型熒光探針對金屬離子檢測， 探針對特定的目標物有靈敏的響應信號， 且引起熒光信號增強， 因此， 該類探針具有更高的選擇性或靈敏度。不過， 目前金屬納米簇AIE現象的研究主要集中在Au、Ag等貴金屬上， 在非貴金屬Cu納米簇上的研究較少。Jia等[24，25]首先發現了CuNCs的溶劑AIE現象， 陽離子誘導CuNCs的AIE現象未見報道。

本研究合成了還原型谷胱甘肽（L.GSH）保護的銅納米簇（CuNCs@GSH）， 其熒光強度較弱； 基于AIE原理， Pb2+可使其熒光強度顯著增強， 采用CuNCs@GSH為熒光探針， 建立了“Turn.on”型定量檢測Pb2+的特異性檢測方法， 在紫外光下可實現對Pb2+的可視化定性檢測。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

F97Pro熒光分光光度計（上海棱光技術有限公司）； Tecnai G2透射電子顯微鏡（FEI公司）； PHS.3CpH計（上海儀電科學儀器股份有限公司）。

L.GSH， Cu（NO3）2·3H2O， ZnCl2， CrCl3， CoSO4·7H2O， MnCl2·4H2O， NiSO4·6H2O和Fe（NO3）3·9H2O（生工生物工程上海股份有限公司）； Pb（NO3）2（西格瑪奧德里奇上海貿易有限公司）； CaCl2（天津市大茂化學試劑廠）； MgCl2（西隴化工股份有限公司）； Hg（NO3）2·H2O（百靈威科技有限公司）。所用試劑均為分析純以上， 實驗用水為超純水。

2.2 Cu NCs@GSH合成

參照文獻[11＼]方法合成Cu NCs@GSH， 具體如下： 5.0 mL Cu（NO3）2（20 mmol/L）與5.0 mL L.GSH（80 mmol/L）溶液混合， 用1 mol/L NaOH調節至pH≈5.0， 在室溫下攪拌反應1 h， 得到微黃色透明溶液。取500 μL反應液， 使用截留分子量3000的超濾離心管（美國Millipore）進行離心分離， 除去未反應的GSH和Cu2+， 得到CuNCs@GSH（460 μL）。

2.3 Pb2+的檢測

將純化后的CuNCs@GSH溶液稀釋10倍， 取450 μL于0.5 mL離心管中， 分別加入50 μL不同濃度的Pb（NO3）2溶液， 測定熒光強度， 激發波長360 nm。

3 結果與討論

3.1 Cu NCs@GSH的聚集誘導增強現象

以360 nm為激發波長， 合成的Cu NCs@GSH溶液在624 nm處出現最大發射峰， 如圖1A所示， 與文獻[11＼]報道的結果基本一致。其透射電鏡圖（TEM）如圖1B所示，圖中沒有觀察到大的金屬納米粒子和團聚現象， 合成的納米簇尺寸相對均勻， 平均粒徑約2.6 nm， 證明成功合成了Cu NCs。

如圖2a所示， 在365 nm的紫外光下， 制備的CuNCs@GSH溶液稀釋10倍后幾乎觀察不到熒光現象。向此溶液中加入400 μmol/L Pb2+時， 溶液變為乳白色， 且發出強的橙黃色熒光， 如圖2b所示， 熒光強度急劇增強約38倍。同時， 熒光發射峰位置由624 nm藍移至607 nm。這可能是由于Pb2+可以與CuNCs@GSH表面殘留的羧基之間存在強的靜電吸附作用[26]， 通過形成GSH.Pb2+.GSH使分散在水溶液中的GSH.Cu（I）復合物相互靠近[27，28]， 電子從配體轉向Cu2+和Pb2+（Ligand.to.metal.metal charge transfer）， 使溶液熒光顯著增強[29]。Luo等[30]在研究金納米簇AIE現象時發現， 納米簇表面Au+.Au+之間的作用在聚集狀態時變得更緊密， 會造成發射峰的藍移。在本研究中， 可能由于CuNCs@GSH表面Cu+.Cu+之間的作用變得更強， 造成了發射峰藍移的現象。

3.2 基于AIE原理檢測Pb2+

如圖3A所示， 在反應體系中， 當Pb2+濃度由100 μmol/L增加到700 μmol/L時， CuNCs@GSH溶液由澄清逐漸變為乳白色溶液。在365 nm波長的紫外光下可觀察到， 隨著Pb2+濃度增加， 溶液發出明亮的橙黃色熒光。由圖3B可見， 隨著Pb2+濃度增加， 體系的熒光強度也隨之不斷升高。以Pb2+濃度（μmol/L）為橫坐標， 熒光強度變化的程度（F-F0）/F0為縱坐標（F0、F分別為Cu NCs@GSH加入Pb2+前后的熒光強度）繪制標準曲線， 如圖3C所示， 二者在Pb2+的濃度為200～700 μmol/L范圍內， 呈現良好的線性關系， 線性方程為（F-F0）/F0=0.1635C-23.0369， 相關系數R2=0.9982， 檢出限為106 μmol/L（S/N=3）

3.3 體系的選擇性

考察了400 μmol/L Pb2+和4 mmol/L Hg2+， Ca2+， Na+， Co2+， K+， Fe3+， Zn2+， Cu2+， Cr3+， Mn2+， Mg2+， Ni2+的熒光響應。如圖4A所示， 13種金屬離子中， 400 μmol/L Pb2+使體系熒光變化最為明顯， 熒光強度顯著增強， 在紫外光下觀察到溶液發出明亮的橙黃色熒光。如圖4B所示， 400 μmol/L Pb2+使體系熒光強度增強約38倍， Hg2+和Cu2+使熒光完全淬滅， Ca2+， Na+， Co2+， K+， Fe3+， Cr3+， Mn2+， Mg2+和Ni2+對體系的熒光幾乎沒有影響。Zn2+對體系也有AIE現象， 但10倍于Pb2+濃度的Zn2+僅使體系熒光增強2.5倍左右， 其AIE效果遠不如Pb2+。上述結果表明， 本方法具有良好的選擇性。

3.4 實際水樣中Pb2+的檢測

河水樣品取自大連理工大學盤錦校區中的凌水河， 用0.22 μm濾膜過濾， 除去水中的雜質和大的顆粒物。采用標準加入法向待測樣品中加入Pb2+， 測定各個樣品的熒光強度。河水中未檢出Pb2+。加標回收實驗結果如表1所示， Pb2+的回收率約為98.9%～101.1%， 表明本方法可以用于檢測實際河水樣品中的Pb2+。

本研究基于陽離子AIE的Cu NCs@GSH發光現象， 建立了檢測Pb2+的分析方法。Pb2+使得Cu NCs@GSH的熒光顯著增強， 顯示明亮的橙黃色熒光。CuNCs探針廉價易得， 聚集誘導簡單快速， 并具有很高的選擇性， 有望在冶金等領域中實現對Pb2+的可視化定性檢測。

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Abstract A turn.on fluorescence analysis method was established for detection of Pb2+ based on aggregation.induced emission. Glutathione.protected non.noble metal copper nanoclusters （CuNCs@GSH） exhibited nearly no fluorescence. However， the fluorescence intensity of CuNCs@GSH was remarkably improved in the presence of Pb2+and showed bright orange fluorescence. A fluorescencent method for detection of Pb2+ was established based on this principle. The fluorescence change of the CuNCs@GSH solution showed a linear relationship with Pb2+ concentration within the range of 200-700 μmol/L. The limit of detection was 106 μmol/L （S/N=3）. This method is simple， rapid and highly selective， and can be used for the visual qualitative detection of Pb2+ under ultraviolet （UV） lamp.

Keywords Aggregation.induced emission； Copper nanoclusters； Lead ion