張志秋，張紀(jì)梅，張　坤，馬慶運(yùn)

(天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387)

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雙發(fā)射熒光探針在F-離子檢測(cè)中的應(yīng)用

張志秋，張紀(jì)梅，張坤，馬慶運(yùn)

(天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387)

利用Turkevich-Frens法制備金納米粒子，然后利用St?ber法將水熱條件下制備的摻雜Zn的CdTe量子點(diǎn)(CdTe∶Zn QDs)修飾在SiO2微球上得到一種熒光微球。利用AuNPs和熒光微球構(gòu)建雙發(fā)射熒光探針，基于F-能夠使熒光探針的熒光恢復(fù)的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)F-的檢測(cè)。同時(shí)研究了平衡時(shí)間和pH值對(duì)該探針的影響。結(jié)果表明該探針具有較好的抗干擾性且在pH值=7.0的HEPES緩沖溶液中檢測(cè)限低達(dá)149 nmol/L。

量子點(diǎn)；微球；氟離子；熒光探針

0　引　言

熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer, FRET) 是一種非輻射的能量轉(zhuǎn)移，當(dāng)兩個(gè)基團(tuán)之間的距離在1～10 nm以?xún)?nèi)時(shí)，通過(guò)分子間的電偶極相互作用，將給體激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移到受體激發(fā)態(tài)[1]。量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的光學(xué)性能及尺寸效應(yīng)和較高的量子產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，使其在生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用前景[2-3]，尤其是量子點(diǎn)獨(dú)特的熒光性能，使其在FRET廣泛應(yīng)用[4]。金納米粒子(AuNPs)是一種優(yōu)良的淬滅劑，具有高的淬滅系數(shù)，其吸收光譜與量子點(diǎn)的發(fā)射光譜有較大范圍的重疊[5]，因此，利用AuNPs對(duì)量子點(diǎn)的熒光淬滅效應(yīng)可構(gòu)建一個(gè)熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)某種離子的檢測(cè)[1, 6-7]。為了解決量子點(diǎn)在水溶液中與目標(biāo)分析物相互作用的問(wèn)題，通常將量子點(diǎn)功能化修飾來(lái)提高檢測(cè)的靈敏度。Guo等[8]合成了表面帶正電荷CdTe QDs和帶負(fù)電荷AuNPs，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pb2+的檢測(cè)。

陰離子的檢測(cè)在化學(xué)監(jiān)測(cè)中占有重要的地位，其中氟離子檢測(cè)尤為重要[9]。氟離子廣泛地存在自然界中，且是人體必須的微量元素之一。但是，過(guò)量的氟使得釉原蛋白在成熟階段存留時(shí)間延長(zhǎng)，從而抑制釉質(zhì)晶體生長(zhǎng)，對(duì)人體造成危害。近年來(lái)已有不少關(guān)于氟離子化學(xué)傳感器的報(bào)道，但存在靈敏度低，便捷性差等缺點(diǎn)[10-11]。Tao Wu等將 NBDAE共聚合成新的熒光聚合物，用于構(gòu)建熒光探針來(lái)檢測(cè)F-1，其檢測(cè)限接近0.8 μmol/L。

本文通過(guò)水熱法合成了高熒光量子產(chǎn)率和光穩(wěn)定的摻雜Zn的CdTe QDs，降低了CdTe QDs的毒性，減少了對(duì)環(huán)境的污染。以此為基礎(chǔ)利用St?ber法合成一種修飾量子點(diǎn)的SiO2熒光微球[13]，討論并優(yōu)化了影響熒光微球與AuNPs之間的體系的條件。同時(shí)基于F-能夠恢復(fù)熒光微球的熒光的原理，構(gòu)建了雙共振能量轉(zhuǎn)移熒光探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溶液中F-1的靈敏檢測(cè)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有重要的意義。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1金納米粒子的合成

采用Turkevich-Frens法[14-15]制備AuNPs。即向燒瓶中加入98 mL的二次水和1 mL氯金酸(1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，加熱回流至95 ℃，加入2 mL的檸檬酸鈉(1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，反應(yīng)25 min，冷卻后得到AuNPs溶液。

1.2紅色量子點(diǎn)的合成和表面修飾

采用水熱法合成CdTe∶Zn QDs[16-17]。取40 mL乙醇和1 mL紅色(650 nm)CdTe∶Zn QDs溶液及0.5 mL TEOS加入燒瓶中，攪拌30 min后，加入1 mL25%的氨水，密封攪拌24 h。然后，再加入50 μL APTES和25 μL TEOS，反應(yīng)12 h。離心分離后，得到包覆紅色量子點(diǎn)的SiO2微球，將其溶解在二次水中，超聲分散備用。

1.3雙發(fā)射熒光微球的制備

取1 mL綠色CdTe∶Zn QDs溶液和0.5 mL修飾氨基的紅色量子點(diǎn)[18]及8 mL PBS緩沖液加入燒瓶中，再加入2 mg EDC·HCl和2 mg NHS，避光攪拌12 h，離心分離。最后將沉淀溶于二次水中，超聲分散備用。

1.4氟離子的檢測(cè)

為了研究熒光微球與AuNPs之間的能量轉(zhuǎn)移，在熒光微球溶液中加入不同濃度的AuNPs，用緩沖溶液(pH值=7)稀釋至2 mL，反應(yīng)30 min后，測(cè)定混合液的熒光強(qiáng)度。

在AuNPs與熒光微球的能量體系中加入不同濃度的F-1，然后稀釋至2 mL，反應(yīng)10 min后，測(cè)量體系的熒光強(qiáng)度，研究體系能量轉(zhuǎn)移的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)F-1的檢測(cè)。

2　結(jié)果與討論

2.1金納米粒子的TEM圖

從圖1可以看出，合成的AuNPs的粒徑分布比較均一，粒子間穩(wěn)定分散且沒(méi)有團(tuán)聚，經(jīng)測(cè)定其粒徑為15 nm。

圖1　AuNPs的TEM圖

2.2雙發(fā)射熒光微球的TEM圖

圖2(a)為SiO2包裹紅色量子點(diǎn)熒光納米微球(QDs紅色-SiO2)的TEM圖，圖2(b)為外包綠色量子點(diǎn)的SiO2紅色量子點(diǎn)熒光納米微球(QDs紅色-SiO2-QDs綠色)的TEM圖。

圖2　熒光微球TEM圖

由圖2可看出，合成的熒光納米粒子顆粒較均勻，QDs紅色-SiO2大小約為100 nm，QDs紅色-SiO2-QDs綠色大小約為101 nm，表明外包綠色量子點(diǎn)并沒(méi)有引起SiO2球粒徑太大的變化。同時(shí)，從圖2(a)可知，紅色量子點(diǎn)已經(jīng)被均勻地包進(jìn)了SiO2微球且圖2(b)顯示微球表面由于連接綠色量子點(diǎn)變得粗糙。TEM圖表明成功合成了雙發(fā)射熒光微球。

2.3雙發(fā)射熒光微球的發(fā)射光譜與AuNPs的吸收光譜

熒光微球的熒光發(fā)射光譜與AuNPs的紫外吸收光譜如圖3所示。從圖3可知，熒光微球的熒光發(fā)射光譜與AuNPs的紫外吸收光譜有較大范圍的重疊，尤其是量子點(diǎn)在530 nm左右的發(fā)射峰幾乎完全重疊，因此AuNPs能夠使雙發(fā)射量子點(diǎn)發(fā)生熒光淬滅，故AuNPs與該量子點(diǎn)能構(gòu)建一個(gè)能量共振轉(zhuǎn)移體系。

圖3熒光微球的熒光發(fā)射光譜與AuNPs的紫外吸收光譜

Fig 3 The fluorescence emission spectrum of fluorescent microspheres and UV absorption spectrum of AuNPs

2.4雙發(fā)射熒光微球與AuNPs體系的相互作用平衡時(shí)間的選擇

本文在pH值=7.0，10 mmol/L HEPES緩沖液中研究了平衡時(shí)間對(duì)雙發(fā)射熒光微球和AuNPs能量體系的影響。結(jié)果如圖4所示，從圖4可知，隨著平衡時(shí)間的增加，AuNPs的淬滅效率逐漸增強(qiáng)，25 min后基本不變，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中可以選擇30 min作為二者相互作用的時(shí)間。

圖4　不同時(shí)間下熒光微球的淬滅效率

Fig 4 The effect of the time on the quenching efficiency of fluorescent microspheres

2.5雙發(fā)射熒光微球與AuNPs體系的相互作用pH值的選擇

維持體系中AuNPs的濃度為1 nmol/L，pH值對(duì)雙發(fā)射熒光微球與AuNPs能量體系的影響如圖5所示。

圖5　不同pH值下熒光微球的淬滅效率

從圖5可看出，不同pH值下熒光微球的淬滅效率明顯不同，在pH值<7.0時(shí)，AuNPs對(duì)熒光微球有較好的淬滅效率，隨著pH值的增大，淬滅效率逐漸降低?？紤]到熒光微球與AuNPs的穩(wěn)定性選擇pH值=7.0。

2.6雙發(fā)射熒光微球與AuNPs體系的相互作用

本文研究了pH值=7.0時(shí)AuNPs濃度對(duì)雙發(fā)射熒光熒光探針體系的影響得到圖6(a)，圖6(b)為對(duì)應(yīng)的淬滅效率曲線(xiàn)。其中，I0和I分別為AuNPs不存在和存在時(shí)熒光微球穩(wěn)定的熒光強(qiáng)度，(I0-I)/I0表示熒光淬滅效率。

由圖6可知，隨著AuNPs濃度的增加，熒光微球的淬滅效率逐漸增強(qiáng)，當(dāng)AuNPs濃度達(dá)到1 nmol/L后，淬滅效率的變化趨于平緩且溶液顏色由粉紅色逐漸變紫，AuNPs濃度越高，顏色變化越明顯。

圖6　不同AuNPs濃度下雙發(fā)射熒光微球熒光淬滅譜和淬滅效率曲線(xiàn)圖

2.7雙發(fā)射熒光探針對(duì)F-的檢測(cè)

不同濃度F-對(duì)熒光體系熒光強(qiáng)度恢復(fù)的影響如圖7(a)所示，并以(I-I0)/I0的值對(duì)F-濃度作圖，得到圖7(b)所示的恢復(fù)效率曲線(xiàn)，其中，I0和I分別為F-不存在和存在時(shí)雙發(fā)射熒光探針?lè)€(wěn)定的熒光強(qiáng)度，(I-I0)/I0表示熒光恢復(fù)效率，圖7(c)為熒光探針熒光恢復(fù)效率的擬合直線(xiàn)。

圖7　不同F(xiàn)-濃度下探針的熒光譜圖和熒光效率增強(qiáng)曲線(xiàn)及擬合曲線(xiàn)

Fig 7 The fluorescence spectra of fluorescence probe; the curves of fluorescence efficiency enhancement; the fitting lines at different concentrations of F-

從圖7(a)和(b)可以看出，當(dāng)F-加入探針體系后，探針的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)且熒光增強(qiáng)效率也逐漸提高，外層量子點(diǎn)(FERT-1)的增強(qiáng)效率要高于內(nèi)層量子點(diǎn)(FRET-2)。由圖7(c)的直線(xiàn)方程可算出未知的F-濃度C(C=(C1+C2)/ 2)。實(shí)驗(yàn)中選取10 μmol/L，F(xiàn)-標(biāo)液做11組平行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)算出增強(qiáng)效率的標(biāo)準(zhǔn)方差(SD)，根據(jù)下列公式

可計(jì)算出該熒光探針的檢測(cè)限(LOD)。

表1熒光探針的檢測(cè)限

Table 1 The detection limit of the fluorescence probe

HEPES檢測(cè)限FRET-1FRET-2149nmol/L340nmol/L

2.8特異性實(shí)驗(yàn)

在特異性實(shí)驗(yàn)中，分別向體系中加入50 μmol/L Cl-、Br-、I-、SO42-、NO3-、HPO4-和Ag+、Hg+、Pb2+、K+、Na+等干擾離子，測(cè)量對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度值，用(I-I0)/I0的比值作圖。得到圖8所示的熒光增強(qiáng)(淬滅)效率圖，其中I0和I分別為離子不存在和存在時(shí)熒光探針的熒光強(qiáng)度，(I-I0)/I0表示熒光增強(qiáng)效率，負(fù)值表示探針的熒光強(qiáng)度減弱。結(jié)果表明該熒光探針具有較好的特異性，在陰離子溶液中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)F-的特異性檢測(cè)。

2.9F-離子的檢測(cè)機(jī)理

在檢測(cè)F-的體系中，隨著AuNPs的加入，熒光微球的熒光強(qiáng)度逐漸減弱，兩者之間發(fā)生了圖9中所示的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET-1和FRET-2)，其作用機(jī)理是熒光微球表面的巰基丙酸與AuNPs表面的檸檬酸之間形成氫鍵[19]，其相應(yīng)的O—H鍵(dO-H=1.08，WBI=0.116)和氫橋鍵(dOH…O=1.41，WBI=0.053) 使得在巰基丙酸和檸檬酸之間存在高的結(jié)合能，最終導(dǎo)致熒光淬滅。當(dāng)加入F-后， 由于F-與檸檬酸的結(jié)合能及其與巰基丙酸的結(jié)合能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于巰基丙酸與檸檬酸之間的結(jié)合能，所以F-迅速與橋氫反應(yīng)，同時(shí)結(jié)合AuNPs，使得熒光微球與AuNPs之間的氫鍵斷裂，即FERT被終止，導(dǎo)致熒光微球的熒光得到恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)F-的檢測(cè)。

圖8　不同離子作用下的熒光增強(qiáng)(淬滅)效率圖

Fig 8 Schematic of fluorescent probes enhancement (quenching) efficiency in different ions

圖9　雙發(fā)射熒光探針對(duì)F-檢測(cè)的過(guò)程示意圖

3　結(jié)　論

利用St?ber法合成了一種修飾量子點(diǎn)的雙發(fā)射的熒光微球，探討了熒光微球與AuNPs之間的相互作用，由于熒光微球表面的巰基丙酸與AuNPs表面的檸檬酸之間形成氫鍵，從而發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)。而F-能夠和熒光微球與AuNPs之間的橋氫反應(yīng)，恢復(fù)熒光微球的熒光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)F-的檢測(cè)。通過(guò)特異性實(shí)驗(yàn)可知該該熒光探針具有很強(qiáng)的抗干擾性且檢測(cè)限低達(dá)149 nmol/L。

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Dual emission fluorescent probefor the detection of F-

ZHANG Zhiqiu, ZHANG Jimei, ZHANG Kun, MA Qingyun

(School of Environment and Chemical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387,China)

The AuNPs were first synthesized by turkevich-frens method and SiO2fluorescent microspheres modified Zn doped CdTe QDs (CdTe∶Zn) were prepared using St?ber process. Next, we built fluorescent probes using AuNPs and fluorescent microspheres. Because of the ability to restore the fluorescence intensity of fluorescent probes, the F-ion could be detected by such probes. At the same time, the fluorescence intensity might be influenced by pH value and equilibrium time in the detect process. The results showed that fluorescent probes have good anti-interference and detection limit was as low as 149 nmol/L in HEPES buffer solution at pH=7.0.

quantum dots; microspheres; fluoride ions; fluorescent probe

1001-9731(2016)08-08128-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21106101);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(12JCZDJC29500);天津市青年基金資助項(xiàng)目(13JCQNJC06300)

2015-05-12

2015-07-05 通訊作者：張紀(jì)梅，E-mail: zhangjimei6d311@163.com

張志秋(1991-)男，山東鄆城人，在讀碩士，師承張紀(jì)梅教授，從事熒光納米材料方面研究。

O657

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.022