氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)熒光探針測定葡萄酒中銅離子的含量

邱競瑤，何 崗，李 欣，白文鳳**，金 麗*，張建坡*

(1.吉林化工學(xué)院 化學(xué)與制藥工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林石化公司 精細(xì)化學(xué)品廠，吉林 吉林 132021)

銅(Ⅱ)是哺乳動(dòng)物所需營養(yǎng)中最重要的微量元素之一，正常人體銅的總含量約為100～150 mg[1],每天攝入1.5-2.0 mg銅是必不可少的.但是，如果大量攝入并堆積在組織中，反而會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒性，通常測定血清和尿液中的銅水平可用于某些疾病的早期診斷.目前有多種方法可檢測銅或者銅離子[2-4]，但是大部分檢測方法存在靈敏度低的問題，因此，最近發(fā)展起來的熒光檢測方法由于其操作簡便、成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注.制備具有優(yōu)良發(fā)光性能的熒光探針是提高傳感器性能的關(guān)鍵，故而各類熒光發(fā)光材料(量子點(diǎn)、氨基酸、有機(jī)發(fā)光材料、稀土等[5-9])被相繼報(bào)道.

石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子形成的厚平面片層二維(2D)晶體結(jié)構(gòu)材料，由于其非凡的性能和潛在的應(yīng)用而引起了廣泛的關(guān)注.理論上，原始石墨烯的零光學(xué)帶隙可防止其發(fā)出光，但將零能帶石墨烯切割成納米帶時(shí)，它呈現(xiàn)出令人難以置信的邊緣效應(yīng)和量子限制，這些物理特性也適用于石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)，并且隨著其尺寸的減小，性能會(huì)變得更強(qiáng).除此之外，GQDs還具有其他出色的化學(xué)和物理特性，可應(yīng)用于光學(xué)、生物、能量、電化學(xué)、催化和光伏設(shè)備[10-15].當(dāng)在材料中摻雜雜原子時(shí)，如：硼(P)、氮(N)、氟(F)和硫(S)，可有效修改電子密度、提升光化學(xué)性能[16]，并顯示出半導(dǎo)體的特性和更優(yōu)的光吸收率.本論文以氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)(N,S-GQDs)作為熒光探針，探討了銅離子與其的相互作用，并通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件、機(jī)理討論、干擾離子分析和實(shí)際樣品分析，開發(fā)出了一種新的定量分析銅離子含量的方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硫酸銅購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.N,S-GQDs為自制.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).

采用天津港東的F-280熒光分光光度計(jì)測得熒光發(fā)射光譜，以氙燈為光源，比色皿寬度1 cm.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

N,S-GQDs與銅離子的相互作用：用移液槍取一定量的N,S-GQDs和緩沖溶液(pH=7)于離心管內(nèi)，最終體積為2 mL，搖勻.倒入石英熒光比色皿中，然后放入熒光分光光度計(jì)中，測出其熒光強(qiáng)度F0.接著，向離心管中依次加入10 μL的被分析溶液，充分搖勻，測其熒光強(qiáng)度F.記錄并保存上述數(shù)據(jù)，計(jì)算熒光強(qiáng)度變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件

不同時(shí)間和pH對(duì)銅離子和N,S-GQDs體系的猝滅作用的影響如圖1～2所示.反應(yīng)時(shí)間在2 min后，隨著時(shí)間的推移，F(xiàn)0/F(F0表示未添加銅離子的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)表示添加銅離子后的熒光強(qiáng)度)值幾乎沒有變化，故反應(yīng)時(shí)間選擇在2 min.查表可知Cu(OH)2的Ksp=2.2×10-22，計(jì)算得出銅離子在pH=7.77時(shí)開始產(chǎn)生沉淀.由圖2可知pH=4時(shí)，N,S-GQDs處于酸性條件，體系不太穩(wěn)定;當(dāng)pH=7時(shí)，Cu2+對(duì)N,S-GQDs的猝滅程度最大，這也與上述計(jì)算條件相符，因此選擇pH為7作為實(shí)驗(yàn)最佳pH進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用.

t/min圖1 時(shí)間對(duì)銅離子和氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)體系熒光強(qiáng)度的影響

pH圖2 pH對(duì)銅離子和氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)體系熒光強(qiáng)度的影響

2.2 檢測范圍與檢出限的測定

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將不同濃度的Cu2+添加到2 mL的緩沖溶液(pH=7)和260 μL N,S-GQDs混合液中，隨著銅離子濃度的增加，N,S-GQDs的熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸降低，如圖3所示.

Wavelength/nm(a) N,S-GQDs的熒光強(qiáng)度變化關(guān)系圖

當(dāng)銅離子濃度在0.02～0.2 mmol·L-1(即0.004 4～0.044 g·L-1)范圍內(nèi)，銅離子濃度和N,S-GQDs熒光強(qiáng)度變化之間呈線性，其線性方程為F0/F=0.874 8[C]+1.335 9，檢出限為0.032 27 mmol·L-1.研究發(fā)現(xiàn)銅離子的檢測范圍和檢出限具有可調(diào)性.銅離子濃度為0.006～0.2 mmol·L-1(1.327～4.425 mg·L-1)范圍內(nèi)，線性方程為F0/F=4.313 8[C]+1.022，其相關(guān)系數(shù)R2=0.996 2，檢出限為0.973 6 μmol·L-1；在0.2～2.0 μmol·L-1(即0.0442 5～0.442 5 mg·L-1)范圍內(nèi)，線性方程為F0/F=0.047 3[C]+1.002，其相關(guān)系數(shù)R2=0.991，檢出限為0.118 0 μmol·L-1；在0.02～0.2 μmol·L-1(即0.004 425～0.044 25 mg·L-1)內(nèi)線性方程為F0/F=0.634 9[C]+0.996 9，其相關(guān)系數(shù)R2=0.997 8，檢出限為5.859 nmol·L-1；進(jìn)一步稀釋銅離子濃度，在0.004～0.02 μmol·L-1(即0.885 0～ 4.425 μg·L-1)內(nèi)呈線性范圍，F(xiàn)0/F=4.397 8[C]+0.993，其相關(guān)系數(shù)R2=0.963，最低檢出限為2.708 nmol·L-1，如圖4所示.說明了銅離子對(duì)該體系的檢測范圍具有可調(diào)性，并可根據(jù)測試要求調(diào)節(jié)檢測范圍.

Wavelength/nm(a) N,S-GQDs的熒光強(qiáng)度變化關(guān)系圖

2.3 實(shí)際樣品的檢測

為了進(jìn)行實(shí)際樣品分析(葡萄酒中銅離子含量)，研究了Ca2+、K+、Na+、葡萄糖和乙醇對(duì)檢測熒光系統(tǒng)的影響.如圖5所示，可以看出上述物質(zhì)對(duì)體系的干擾很小，而實(shí)際樣品中其含量都很低，故可以忽略不計(jì)，可以應(yīng)用于實(shí)際樣品分析.

Interfering Substance圖5 各種離子對(duì)猝滅體系的熒光強(qiáng)度影響

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對(duì)實(shí)際樣品(葡萄酒)中銅離子含量進(jìn)行了分析.向葡萄酒樣品中加入氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)和一系列濃度的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.02～0.2 mmol·L-1)，測得熒光光譜，以F0/F為縱坐標(biāo)，以銅離子的濃度為橫坐標(biāo)，繪制工作曲線.F0表示單純N,S-GQDs的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)表示加入銅離子和樣品后的熒光強(qiáng)度，線性關(guān)系式為F0/F=0.640 6[C]+1.004.

而由之前的實(shí)驗(yàn)可知，相同銅標(biāo)準(zhǔn)溶液的回歸方程為F0/F=0.634 9[C]+0.996 9，二者聯(lián)立，同時(shí)使F0/F=0，分別帶入對(duì)應(yīng)的關(guān)系式，可以得出待測溶液此時(shí)含有的銅離子濃度為1.567 3 μmol·L-1，而0.001 g·L-1的銅離子標(biāo)準(zhǔn)液對(duì)應(yīng)的銅離子濃度為1.570 1 μmol·L-1，由此可以得出葡萄酒中的銅離子含量應(yīng)為2.8 nmol·L-1.經(jīng)過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，可以計(jì)算出其回收率在102.4%～113.7%，如表1所示，說明該方法可以應(yīng)用到實(shí)際樣品分析中.平行測定11次空白樣(不添加Cu2+)的熒光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)RSD=0.2%，說明該實(shí)驗(yàn)具有良好的精密度.

表1 葡萄酒中銅離子含量分析

2.4 銅離子對(duì)氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)體系熒光猝滅的反應(yīng)機(jī)理

許金鉤將熒光猝滅過程分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)猝滅過程[14].動(dòng)態(tài)猝滅過程是基于猝滅劑與激發(fā)態(tài)熒光材料之間的碰撞作用，靜態(tài)猝滅過程是猝滅劑與熒光材料之間形成了非發(fā)光基態(tài)配合物.動(dòng)態(tài)和靜態(tài)猝滅均符合Stern-Volmer方程F0/F=1+Kqτ0[C]=1+Ksv[C]，Kq為熒光猝滅速率常數(shù)，它反映了該體系的相互擴(kuò)散和相互碰撞的反應(yīng)效應(yīng)，Ksv是猝滅常數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)曲線線的斜率).Kq=Ksv/τ0，τ0為無猝滅劑的熒光分子的平均熒光壽命.

如圖6所示，N,S-GQDs熒光強(qiáng)度的變化F0/F與Cu2+濃度具有良好的線性關(guān)系，斜率(Ksv)隨著溫度的升高而減小，這符合靜態(tài)猝滅過程的特點(diǎn).靜態(tài)猝滅過程主要是因?yàn)榉肿又g形成了復(fù)合物，隨著溫度的增加，復(fù)合物的穩(wěn)定性降低，猝滅率也減小，斜率也逐漸變小，所以高溫Ksv比低溫Ksv小，根據(jù)Kq=Ksv/τ0(N,S-GQDs的平均熒光壽命為τ0=(5.05 ns)的方程，在293、303、313 K處的Kq分別為3.02×1013、2.269×1013、1.809×1013mol·L-1·s-1，明顯比2×1010mol·L-1·s-1(最大動(dòng)態(tài)猝滅常數(shù))大，這也符合動(dòng)態(tài)靜態(tài)過程的特點(diǎn).

The consentration of Cu2+/(mmol·L-1)圖6 不同溫度下猝滅體系熒光強(qiáng)度變化擬合圖

3 結(jié) 論

基于銅離子濃度與N,S-GQDs熒光強(qiáng)度變化之間的線性關(guān)系，以N,S-GQDs為熒光探針，建立了一種定量分析銅離子含量的方法，并對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)討論，證明銅離子引起的猝滅為靜態(tài)猝滅過程.通過改變N,S-GQDs的濃度，該檢測方法的檢測范圍具有可調(diào)性，可以適應(yīng)不同濃度樣品的分析.并應(yīng)用該方法對(duì)葡萄酒中銅離子的含量進(jìn)行了分析，計(jì)算出其回收率為102.4 % ～ 113.7%，RSD=0.2%，說明該實(shí)驗(yàn)具有良好的精密度.