碳化鈦介導原位還原的無標簽可視化銀離子檢測綜合實驗設計

董寧寧，許琳琪，熊峰，閆博宇，李昆,3,＊，郭棟才,3

1化學生物傳感與計量學國家重點實驗室，長沙 410082

2湖南大學化學化工學院，長沙 410082

3化學國家級實驗教學示范中心(湖南大學)，長沙 410082

1 引言

化學專業本科教育的中高年級，是讓學生在掌握基礎化學理論和實驗技能的基礎上接觸和理解科研方法的重要時期。在化學實驗教學中開設的研究型綜合實驗，應成為連通學生基礎實驗技能提升和科研素養訓練的橋梁。然而，目前我國高校化學實驗教學仍較多地集中于各個化學二級學科的基礎實驗課程，雖有部分綜合性實驗，但依然存在一些問題。首先，綜合性實驗的數量較少，現存的部分綜合實驗僅是相關基礎實驗的整合，而能夠將多個化學分支學科融會貫通的實驗項目，仍有待進一步擴充。其次，新時期的化學教學對促進學生綜合創新素質的培養提出了更高要求，提升學生對科學研究的理解和興趣是化學實驗教學的重要任務，系統的、探索性的、問題導向的實驗項目仍需開發。因此，巧妙地設計一些符合本科教學規律的新創實驗，從而使學生能動地發揮自己的創造力，利用自己掌握的基礎化學理論和基本實驗技能，完成一定的探索性課題；并了解和體驗完整的科研流程，認識相關學科的研究范式，掌握科學研究的方法論——這是在當前化學實驗教學的實踐中亟需解決的關鍵問題。

基于以上思考，本文將科研前沿成果融入轉化到實驗教學中，對與碳化鈦介導原位還原的無標簽可視化銀離子檢測相關的研究重新進行了設計，通過反復調整和驗證，形成了一項涵蓋材料合成、物性表征和實際應用在內的一整套、全鏈條的探索性綜合創新實驗。這彌補了本科基礎實驗教學中各項內容相割裂的弊端，從而有效地實現實驗教學內容和教學方式的改革，提高實驗教學質量。

銀是一種重金屬元素，其氧化會產生有毒的銀離子(Ag+)，對人體及生物有著巨大危害[1,2]。目前，已發展出多種檢測Ag+的技術，例如原子吸收/原子發射光譜、電感耦合等離子質譜、熒光法、比色法和電化學方法等[3-5]。然而，上述大多數方法通常需要昂貴的大型儀器、復雜的實驗過程以及熟練的操作技巧。等離激元金屬(金、銀等)納米顆粒具有獨特的光學性質，即由其局域表面等離激元共振引起的對特定波長光的吸收和散射。因其光譜易受到多種因素的影響，等離激元納米顆粒已經被廣泛地用于金屬離子、小分子、DNA、蛋白質和酶等的檢測之中[6-8]。因此，設計原位生成的等離激元納米顆粒作為比色傳感平臺，對于實現無標簽傳感策略具有重要意義。

碳化鈦(Ti3C2)是近年來發展的一類新型二維材料，具有良好的導電性和親水性，已在能源轉化與存儲、環境監測與修復等領域有了廣泛的應用。同時，Ti3C2表面具有氧、羥基等封端基團，這賦予了其優異的還原性和對重金屬離子的強吸附能力。因此，在本實驗中，利用Ti3C2對Ag+的吸附作用以及Ti3C2將Ag+原位還原的機制，可生成銀納米顆粒(Ag NPs)，其獨特的光學性質使得對Ag+進行無標簽、可視化的檢測成為可能。

這一探索性綜合創新實驗結合了實驗教學和科研探索的特點，涉及到無機材料化學、儀器分析和物理化學等課程的相關理論知識，涵蓋了部分基礎化學實驗操作，也應用了譜圖解析、數據處理和圖像處理等技術。在本實驗項目16個學時的教學實踐中，能夠使學生熟悉科學研究中一個完整課題的探索過程，學會用掌握的理論知識分析和解釋實驗現象與結果，體驗到科研成果在生產生活實際中的應用，并通過分組完成實驗提高團隊協作的能力。有助于利用化學實驗教學促進學生對學科知識體系的融會貫通，也為學生畢業后在相關領域學術界和產業界的工作中展現良好科學素養打下堅實基礎。

2 實驗目的

(1) 理解貴金屬納米顆粒的光學性質及在光譜分析法中的應用。

(2) 熟悉Ti3C2二維材料的制備與表面修飾方法，掌握相關設備的基本操作。

(3) 理解紫外-可見分光光度計的結構和原理，學會儀器使用方法和數據處理方式。

(4) 掌握標準加入法的使用和回收率的計算。

3 實驗原理

基于Ti3C2納米片構建用于Ag+檢測的無標簽、可視化納米等離激元傳感平臺。在該方法中，不需要預先合成比色探針，而是利用Ti3C2納米片的還原性原位生成Ag NPs，產生納米等離激元光學信號的輸出。首先，將碳鋁鈦粉末在HF中進行刻蝕，經過離心、洗滌和超聲等處理后得到Ti3C2納米片。而后，利用聚丙烯酸(PAA)修飾Ti3C2納米片，改善其對金屬離子的親和力與穩定性。最后，通過Ag+在納米片上的原位還原形成Ag NPs，使溶液產生從灰色到棕褐色的顏色變化，從而以比色法檢測Ag+。

反應后樣品溶液體系的紫外-可見吸收光譜中在波長450 nm的位置有最大的消光強度，表明了Ag NPs的產生。同時，根據朗伯-比爾定律(A=εbc)建立吸光度與濃度的關系。其中A為吸光度；ε為摩爾吸光系數，表示濃度為1 mol·L-1、介質厚度為1 cm的吸光物質對光的吸收能力；b為介質厚度，單位是cm；c為溶液濃度，單位是mol·L-1。

以已知不同濃度的Ag+反應后得到一系列樣品溶液，測定這些溶液體系在450 nm的吸光度，即可通過擬合建立定量Ag+濃度的工作曲線，并確定其線性范圍及檢測限。檢測限的計算為LOD = 3σ/S，其中LOD為檢測限，σ為空白樣品信號的標準偏差，而S是標準曲線的斜率。此外，通過添加回收實驗，利用標準加入法，可以測定未知樣中Ag+濃度。

同樣地，將溶液的吸光度轉換為從反應后溶液體系數碼照片中的樣品顏色提取出的RGB三原色值，也有同樣的正比例關系，即V=kbc，其中V為樣品照片提取出的RGB值，k表示含有濃度為1 mol·L-1、介質厚度為1 cm的吸光物質對應的RGB值。研究表明本實驗中應采取藍色通道的Blue值[9]。因此，在實際操作中，只需要處理樣品的照片就可以獲得較為準確的結果。

Ag+的氧化性和相應還原產物Ag NPs的光學特性，使該方法對Ag+的檢測具有良好的特異性，這將以可能與Ag+共存于真實水樣中的干擾離子來測試驗證。

4 試劑與設備

4.1 實驗試劑

本實驗所用試劑見表1。

表1 主要實驗試劑

4.2 實驗設備

燒杯(100 mL)、離心管(1 mL、50 mL)、移液器(10 μL、100 μL、1000 μL)、透析袋(10 kDa)。本實驗所用其他儀器見表2。

表2 主要實驗儀器

5 實驗步驟

5.1 Ti3C2納米片的合成、表征與修飾

將1.5 g LiF緩慢添加到20 mL 9 mol·L-1HCl中，攪拌直到LiF完全溶解。在10 min內分多次緩慢加入2.0 g Ti3AlC2粉末。將反應體系保持在35 °C并攪拌24 h以確保對Al的刻蝕。以5000 r·min-1轉速離心5 min后在室溫下用超純水洗滌沉淀，重復3-5次，至pH達到5.0-6.0。將所得固體再次分散在30 mL超純水中并振搖30 min，然后以3500 r·min-1轉速離心5 min。保留上清液以去除未分層的Ti3C2。測定紫外-可見吸收光譜。將懸浮液儲存在4 °C冰箱。

分別用紫外光譜、紅外光譜、透射電子顯微術、X射線衍射等對Ti3C2進行表征。紫外、紅外光譜學生可以學生自己操作，透射電子顯微術、X射線衍射可由學生負責樣品制備，教師負責測試。

利用聚丙烯酸(PAA)對Ti3C2納米片進行表面改性。將PAA (MW= 3000)和Ti3C2納米片的混合物(1 : 7，V/V)在N2氣氛下超聲處理5 h，得到PAA修飾的Ti3C2納米片(稱為Ti3C2-PAA)。以5000 r·min-1轉速離心5 min，保留上清液，并將其透析(保留分子量為10 kDa) 24 h以除去過量的PAA。將最終獲得的Ti3C2-PAA儲存在4 °C冰箱。

5.2 檢測限的測定

(1) Ti3C2與Ag+的反應。

將超純水、Ti3C2-PAA (120 μg·mL-1)和相應的Ag+溶液(表3)混合，總體積保持在1 mL。震蕩搖勻1 min，放入預熱好的50 °C恒溫水槽反應40 min。

表3 Ti3C2納米片與不同濃度Ag+溶液的反應體系

(2) 紫外-可見分光光度分析。

測定每個樣品溶液的紫外-可見吸收光譜。記錄450 nm的吸光度數據，將各樣品的吸光度對Ag+濃度線性擬合，從而建立標準曲線，并計算Ag+的檢測限。

(3) 數碼照片分析。

將上述各樣品溶液置于相同厚度的比色皿內，使用智能手機等設備在微型攝影棚內拍攝照片。拍攝時相機采用手動曝光模式，曝光參數及攝影棚的光照參數均保持一致。用圖片RGB分析程序提取各樣品圖像上Blue通道的數據，并作Blue值-濃度標準曲線。

5.3 傳感體系的特異性

以Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Fe3+等九種金屬離子為干擾離子，在上述體系中加入其硝酸鹽考察此檢測方法對Ag+的特異性。(1) 單一離子實驗：在1 mL體系中，向120 μg·mL-1的Ti3C2-PAA分別加入200 μmol·L-1的Ag+或干擾離子；(2) 共存離子實驗：在1 mL體系中，向120 μg·mL-1的Ti3C2-PAA溶液中加入200 μmol·L-1的Ag+后，再加入200 μmol·L-1干擾離子。在50 °C下恒溫反應40 min，用紫外光譜儀測試各組樣品。

5.4 實際水樣中Ag+的檢測

為了評估該比色檢測系統對實際水樣中Ag+的檢測能力，選用自來水作為真實水樣代替超純水進行測試。在標準添加回收實驗中，將濃度范圍為0-300 μmol·L-1的Ag+標樣添加到真實樣品中，再使用上述檢測方法進行分析。

6 實驗結果討論與教學意義

6.1 Ti3C2納米片的表征

Ti3C2納米片溶液為黑色，紫外-可見光譜顯示400-1000 nm之間存在寬吸收(圖1)。根據本實驗中Ti3C2在775 nm處的吸光度為0.45，可計算出Ti3C2納米片(ε775nm= 27.5 L·g-1·cm-1)的濃度。使用PAA對Ti3C2納米片改性后，紫外-可見光譜無明顯變化。紅外光譜顯示667 cm-1和466 cm-1處存在Ti-O和Ti-C的特征峰，同時在1181 cm-1存在較明顯的C-O伸縮振動峰。

圖1 Ti2C3在用PAA修飾前后的紫外-可見吸收光譜

6.2 Ag+的檢測限

從反應后體系的紫外-可見光譜(圖2a)中可以看出，Ag NPs在450 nm處的局域表面等離激元共振特征峰逐漸增強，這對應于溶液的顏色從淺灰色到棕褐色的變化。需要指出的是，原來的淺灰色來自稀釋的Ti3C2-PAA溶液，棕褐色是Ti3C2-PAA的淺灰色和生成的Ag NPs特征性黃色的混合。依據450 nm處吸光度隨Ag+濃度增加的改變，可以繪制Ag+離子檢測的標準曲線(圖2b)。可以發現，在Ag+濃度5-300 μmol·L-1范圍內存在良好的線性關系(R2= 0.999)，并且計算出檢測限為0.912 μmol·L-1。

為了驗證這種比色方法在便攜式傳感中的潛力，由手機拍攝最終反應溶液的照片(圖2c)。可通過圖片RGB分析程序提取照片中各樣品的藍色(Blue)通道數值。將Blue值與Ag+濃度作圖，繪制標準曲線(圖2d)。其線性范圍為5-100 μmol·L-1，檢測限為0.772 μmol·L-1，這與使用精密儀器的分析結果大致相當。

圖2 (a) 加入不同濃度Ag+后各反應體系的紫外-可見吸收光譜；(b) 450 nm的吸光度與Ag+濃度的關系；(c) 加入不同濃度Ag+后各反應體系的數碼照片；(d) 數碼照片中各樣品的色彩提取出的Blue通道數值與Ag+濃度的關系

學生需要在理解實驗原理及反應過程的基礎上，使用朗伯-比爾定律來建立待測物濃度和體系吸光度的關系，這在實際應用中加強了學生對朗伯-比爾定律的掌握。用智能手機解析樣品的測試結果，不僅增加了實驗趣味性，更能促進學生思考其中蘊含的光學分析基本原理。在對吸收光譜的分析方法中，紫外-可見分光光度法的優點是精確度高，數碼攝影RGB分析的優點是便捷而成本低。另外，通過這一研究實例，使學生掌握分析化學研究中確定線性范圍和計算檢測限的處理方法。

6.3 對Ag+的檢測特異性

在碳化鈦溶液中分別加入Ag+或其他干擾離子后進行反應。結果表明，加入Ag+的體系中吸光度較高，而加入其他金屬離子后的吸光度很低，與空白對照樣品基本一致(圖3a)。同時，在相應的數碼照片中可以看到樣品之間存在明顯的色差(圖3b)。這表明此傳感策略具有很高的選擇性。

圖3 單獨加入金屬離子的選擇性測試

Ag+與干擾離子共存時的競爭性試驗結果如圖4所示。在Ag+及不同金屬離子混合體系中，450 nm處的吸收非常接近(圖4a)，照片中不同體系的顏色基本相同(圖4b)。應注意，其中含Fe3+的樣品的吸光度略有下降，這可能是由于Fe3+具有相對較強的氧化性所致。以上結果表明，此方法具有良好的特異性，其他金屬離子的存在不會對Ag+的檢測的產生干擾。

圖4 Ag+與干擾離子共存時的選擇性測試

在典型的納米傳感分析研究中，一種傳感策略對檢測目標物的特異性與靈敏度同等重要，都是評價分析方法優劣的重要指標。本部分實驗內容意在以該領域的科研課題為例，傳授給學生分析化學的研究范式。而在實驗時，可以要求學生自行探索，選取合理干擾離子的種類并設計實驗體系，從而熟練其測定方法。

6.4 檢測實際樣品中Ag+

在一系列真實水樣中，隨著Ag+濃度的增加，樣品發生了明顯的顏色變化，紫外光譜中450 nm處吸光度顯著增加。實際樣品中Ag+的回收率在96%至105%之間(表4)。這說明該檢測體系可以實現實際水樣中Ag+的高靈敏檢測。

表4 檢測自來水樣品中加入的Ag+標準樣

選取真實樣品進行測試是驗證一種新型分析方法是否具有實際使用意義的基本方式。在本實驗中，學生由此可以進一步掌握標準加入法和添加回收實驗的處理思路和應用場景，從而體會化學研究方法論如何指導化學科學研究過程，牢固確立理論聯系實際原則，學以致用。

7 實驗安排與注意事項

本實驗涉及到無機納米材料的制備與修飾、多種表征手段的使用、分析方法的建立與拓展應用等環節，建議以綜合實驗或專業高級實驗的形式在本科三年級開設。在上課前要求學生預習，了解實驗原理并完成資料調研與閱讀。課堂上的實驗過程以小組為單位進行，2人一組合作完成。建議總學時為16小時，其中：(1) Ti3C2納米片的合成，4小時；(2) 納米材料的表面修飾與表征，4小時；(3) Ag+溶液配制、反應，以及靈敏度、選擇性等分析化學測試，6小時；(4) 實際未知樣品的測定，2小時。需要指出的是，在本實驗的材料制備環節中，部分樣品處理過程需要較長時間，總計16個學時可以靈活安排，分次完成。

本實驗過程中要注意以下事項：硝酸銀見光易分解，應用錫紙包裹避光，現配現用；氟化鋰有毒，吸入或與皮膚接觸時有毒害，操作時應佩戴口罩及手套。

8 實施效果

該實驗是在充分調研目前化學實驗教學的迫切需要的基礎上，選取了切合本科教學實際的科研前沿成果，將分析化學的新方法、新技術融入到本科綜合實驗的教學內容之中。通過反復驗證和改進優化，提出了完善的、重現性好的、適宜本科教學的研究型綜合實驗設計。本實驗所需試劑相對廉價且易于從國內試劑提供商購得，開展成本較低。以一個教學班級30人計，15組實驗所需試劑的成本在1000元人民幣以內。該實驗內容已經于近一年在本校大學生創新創業訓練計劃項目中進行了多次嘗試，實驗復現性高，取得了良好的效果。

在理論講解中，學生通過查閱文獻，可以理解和掌握二維無機材料合成與性質、貴金屬納米顆粒的光學特性及在光譜分析中的應用等相關理論知識。在實驗操作中，不僅將無機材料的合成以及常用設備的基本操作有機結合，還將分析儀器的使用和數據處理的方法等科研過程呈現給學生，同時在整個實驗過程中引入了實驗條件優化與數據分析等環節。如上內容在整個實驗項目中相互配合，使學生在獲得實驗技能訓練的同時，掌握納米傳感分析領域的科學研究方法，有利于培養學生的綜合實驗能力，提升學生的探索精神和創新思維。而且，該實驗設計最終應用于生活中真實樣品的測試，體現了科研工作在生產生活中的現實意義。在實驗課程的教學中融入思政元素，能夠讓學生扎牢科學研究應服務于社會和國家需要的深刻意識，激發他們從事科研工作的熱情，樹立正確的價值觀。

9 結語

本文介紹了一個研究型綜合實驗，集材料合成、表征、分析方法建立與應用于一體，為學生舉例呈現了科研工作的全過程。特別是其中使用到智能手機處理結果，有助于學生理解光學分析基本原理，激發其對科學探索的興趣。另外，實驗最后用于檢測實際樣品中的Ag+，貼近生活，增強趣味，能夠有效啟發學生思考科學研究的意義。