基于硅氮摻雜熒光碳點測定水樣中痕量Hg(II)

曹丹,李永生

(四川大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，四川 成都 610065)

Hg(II)可與生物體中蛋白質(zhì)的巰基結(jié)合，使酶失活，影響細(xì)胞的正常代謝，進(jìn)而對生物體臟器造成不可逆的損傷[1-3]。因此，高靈敏、快速檢測痕量Hg(II)顯得尤為重要。

近年來，熒光傳感器因其操作簡單、易于現(xiàn)場測試等優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注。目前，研究者們已研制出不同類型的熒光傳感器用于生物和環(huán)境中Hg(II)的檢測，如貴金屬納米材料[4-5]、熒光分子[6]、碳基納米材料等[7-8]，但這些方法仍面臨有選擇性差或檢出限高等局限性。因此建立一種靈敏度高、選擇性好的測定痕量Hg(II)的方法仍然是一個挑戰(zhàn)。本研究基于Hg(II)對Si、N摻雜碳點(SiN-CDs)的猝滅作用，提出熒光法檢測痕量Hg(II)的方法。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTEs)、無水檸檬酸(CA)、各種氯化物(Ca2+、Fe3+、Cu2+、Cd2+等)、醋酸、醋酸鈉均為分析純，使用前不需要進(jìn)一步純化。

RF-5301PC熒光光度計；UV-1800 PC紫外可見光度計；JC202型電熱恒溫干燥箱；AUW型電子天平；25 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜(上海予華儀器設(shè)備有限公司)；HI1290 pH 計；82-5型恒溫磁力攪拌器。

1.2 溶液配制

1.2.1 Hg(II)儲備液(1 mmol/L) 用超純水溶解0.027 2 g HgCl2并轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中定容。

1.2.2 醋酸緩沖液(CBS) 10 mmol/L冰乙酸(30%，v/v)與10 mmol/L醋酸鈉按照不同比例稀釋混合，配制不同pH的緩沖液。

1.3 實驗方法

1.3.1 SiN-CDs的制備 為得到具有較高量子產(chǎn)率的碳點，修改了文獻(xiàn)[9]的合成方法，具體步驟如下：稱取1.44 g CA溶解于25 mL燒杯中，并定容至50 mL，得到濃度為0.15 mol/L的CA溶液。移取10 mL 0.15 mol/L的CA溶液與4 mL APTEs在室溫下25 mL的燒杯中混合后，再轉(zhuǎn)移至25 mL高壓反應(yīng)釜中，于180 ℃下反應(yīng)6 h。得到的溶液即為SiN-CDs，定義此時該碳點濃度為100%。

1.3.2 Hg(II)的測定 1.5 mL不同濃度的Hg(II)標(biāo)準(zhǔn)液與1.4 mL CBS (pH=7) 混合，再加入0.1 mL 1.2% SiN-CDs熒光探針，在室溫下反應(yīng)30 s；用光程為10 mm的熒光杯，在激發(fā)波長(λex)為370 nm時，測定該混合液在發(fā)射波長(λem)為455 nm 處的熒光強度(F)。同樣的，測定相同濃度的SiN-CDs的熒光強度(F0)。根據(jù)熒光猝滅程度(ΔF=F0-F)定量Hg(II)含量。激發(fā)和發(fā)射光譜狹縫均為5.0 mm。

1.3.3 相對熒光量子產(chǎn)率的計算 通過比較樣品的發(fā)射波長積分強度和標(biāo)準(zhǔn)硫酸奎寧的積分強度，測定了所有樣品的相對量子產(chǎn)率(QY)。為了避免熒光物質(zhì)自身內(nèi)濾光效應(yīng)，吸光度強度保持在0.05以下。使用公式(1)[10]計算所有產(chǎn)物的量子產(chǎn)率：

(1)

其中，I是熒光峰積分強度，A是吸光度，n為溶液折射率；下標(biāo)s表示已知量子產(chǎn)率的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiN-CDs的分子光譜

由圖1可知，SiN-CDs在220～400 nm范圍內(nèi)主要有兩個特征吸收峰，其在238 nm處的吸收峰是SiN-CDs碳核π→π*躍遷的結(jié)果，在338 nm處的吸收峰歸因于SiN-CDs表面態(tài)的n→π*躍遷[11]。在320～410 nm的不同激發(fā)波長下，記錄了SiN-CDs一系列的熒光光譜，在370 nm的激發(fā)下在455 nm處獲得最大熒光強度。當(dāng)激發(fā)波長為320～370 nm時，其對應(yīng)的發(fā)射峰均位于455 nm處；當(dāng)激發(fā)波長大于380 nm時，發(fā)射光譜隨激發(fā)的增加而發(fā)生明顯的紅移，推測這可能是由于尺寸不均一和Si、N元素?fù)诫s所致。

圖1 SiN-CDs的熒光和紫外光譜Fig.1 Fluorescence and UV spectra of SiN-CDs

2.2 Si和N摻雜對碳點發(fā)光的影響

為評價Si和N元素?fù)诫s的效果，用與APTEs具有類似結(jié)構(gòu)的正丙胺和正硅酸作為合成的原料之一與CA混合后，按照相同的合成方法(180 ℃/6 h)及濃度進(jìn)行對照組實驗。三個對照組分別簡寫為正丙胺+CA(N-CDs)、正硅酸乙酯+CA(Si-CDs)、純CA(O-CDs)。

由圖2可知，4種碳點在合成后，在日光下，SiN-CDs呈亮黃色，N-CDs為淡黃色，而Si-CDs和O-CDs表現(xiàn)為透明無色；在365 nm的紫外燈的照射下，SiN-CDs與N-CDs均發(fā)出藍(lán)色熒光，而Si-CDs和CDs無明顯熒光產(chǎn)生。

圖2 不同CDs的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra of different CDs插圖為不同CDs在日光燈和紫外燈下照射的實物圖

為保證各種碳點溶液不發(fā)生由濃度導(dǎo)致的熒光自猝滅，將特征吸收峰波長的吸光度均恒定為0.05后再進(jìn)行熒光檢測。相較于SiN-CDs和N-CDs的熒光光譜，Si-CDs和O-CDs在455 nm處沒有明顯的熒光峰。這表明僅以CA或CA/正硅酸為原料時，在本實驗條件下合成的產(chǎn)物內(nèi)沒有發(fā)光碳點，即N摻雜對發(fā)光碳點的生成起決定性作用。為了更準(zhǔn)確地比較CDs的發(fā)光效率，測定了四種碳點的熒光量子產(chǎn)率。由表1可知，Si元素的引入能夠明顯的增強N-CDs的量子產(chǎn)率，表面Si摻雜能有效促進(jìn)N-CDs發(fā)光。

表1 不同物質(zhì)的相對熒光量子產(chǎn)率Table 1 Fluorescence quantum yields of different substances

2.3 Hg(II)的檢測原理

Sterm-Volmer方程F0/F= 1+Kqτ0[Q] =KD[Q]常被用于區(qū)分是動態(tài)還是靜態(tài)猝滅。其中，F(xiàn)0和F分別是加入猝滅劑前后熒光物質(zhì)的熒光強度；Kq是雙分子猝滅常數(shù)；τ0是未加入猝滅劑時熒光物質(zhì)的熒光壽命；Q為猝滅劑濃度。

按照實驗方法，考察在不同溫度下，Hg(II)濃度與F0/F的相關(guān)性。由圖3可知，隨著溫度的增加，Hg(II)與F0/F的擬合方程的斜率在減小；這表明：溫度增加抑制了Hg(II)與Si/N-CDs的反應(yīng)。因此，Hg(II)猝滅Si/N-CDs為靜態(tài)猝滅，兩者之間形成了一種不發(fā)光的化合物。

圖3 Hg(II)濃度與F0/F的關(guān)系Fig.3 Relationship between the concentration of Hg(II) and F0/F

2.4 優(yōu)選檢測Hg(II)的條件

2.4.1 反應(yīng)pH Hg(II)能與磷酸根、檸檬酸根形成配合物，因此選擇使用醋酸緩沖液考察pH對Hg(II)測定的影響。按照實驗方法評價pH對Hg(II)猝滅SiN-CDS熒光強度的影響，其結(jié)果表明：pH為2～8時，體系的ΔF先增大后減小；當(dāng)pH為7時，ΔF達(dá)到最大值。因此，Hg(II)/SiN-CDs反應(yīng)體系的pH確定為7。

2.4.2 反應(yīng)時間 連續(xù)記錄了2 mL 0.1% SiN-CDs溶液的熒光信號；當(dāng)該碳點的熒光強度穩(wěn)定后，注入0.01 mL 2 mmol/L Hg(II)，繼續(xù)監(jiān)測該混合溶液的動力學(xué)曲線；其結(jié)果表明，該濃度的Hg(II)能在30 s內(nèi)猝滅SiN-CDs的熒光，并到達(dá)猝滅平衡。因此，該猝滅反應(yīng)的時間確定為30 s。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

按照實驗方法對Hg(II)標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行測定，并繪制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，其結(jié)果見圖4。

圖4 Hg(II)濃度猝滅程度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the concentration of Hg(II) and ΔF

由圖4可知，Hg(II)的濃度在0.005～0.1 μmol/L 及0.1～6 μmol/L內(nèi)與SiN-CDs的熒光猝滅程度呈線性關(guān)系。線性回歸方程分別為ΔF= 872.01c+ 8.52和ΔF= 96.41c+ 103.66，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)(r)為0.999和0.997。

按照3倍連續(xù)測定空白樣品液11次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)除以標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率(k)的方法計算出本方法的檢出限(3σ/k)為3.33 nmol/L。

2.6 干擾實驗

2.7 環(huán)境水中Hg(II)的測定

真實水樣取自自來水、沱江河水以及江安湖水。河水和湖水用定性濾紙過濾以除去大顆粒物質(zhì)，得到的濾液在100 ℃下煮沸10 min以消除微生物的干擾，冷至室溫的濾液再通過0.22 μm的過濾器，該濾液即作為檢測樣。自來水不經(jīng)過預(yù)處理。

按照實驗方法進(jìn)行水樣中Hg(II)測定，由于環(huán)境水樣中未能檢出Hg(II)，所以，用標(biāo)準(zhǔn)加入法繼續(xù)評估本方法的實用性。添加的Hg(II)濃度分別為0.01，0.04，0.06，1.00，2.00 μmol/L，測定結(jié)果見表2。

由表2可知，自來水、湖水以及河水3種樣品的Hg(II)回收率分別為97%～105%，97%～104%，92%～104%，這表明本方法用于水樣中Hg(II)的檢測時，其結(jié)果是可靠的。

表2 環(huán)境水樣中Hg(II)的測定分析結(jié)果(n=3)Table 2 Analytical results of the determination of Hg(II) in environmental water samples (n=3)

3 結(jié)論

本研究證明摻雜Si和N元素能有效提高對碳點熒光強度，且利用該碳點建立了一種檢測痕量Hg(II)的方法，再以標(biāo)準(zhǔn)加入實驗評估了其實用性。本方法具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低的特點，具有很大的應(yīng)用潛力。