劉義章， 孫軍勇， 王 磊， 周 凱， 鞏振虎

(1. 滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 滁州 239001； 2. 安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)-亞甲基藍(lán)熒光能量轉(zhuǎn)移體系測(cè)定水中Bi3+

劉義章1*， 孫軍勇2， 王 磊1， 周 凱1， 鞏振虎1

(1. 滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 滁州 239001； 2. 安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

基于半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)和亞甲基藍(lán)間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移構(gòu)筑了一種鉍離子熒光探針。亞甲藍(lán)通過靜電作用吸附到半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)表面使其熒光發(fā)生猝滅。鉍離子存在時(shí)，由于它與半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)的結(jié)合力強(qiáng)于亞甲藍(lán)，使體系的能量轉(zhuǎn)移得到抑制，熒光恢復(fù)。在最優(yōu)化條件下，線性范圍為0～0.5mol/L(R=0.995 5)，最低檢出限為16 nmol/L。該方法成功用于湖水中的Bi3+測(cè)定，結(jié)果令人滿意。

半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)(Pdots)； 亞甲基藍(lán)(MB)； 熒光共振能量轉(zhuǎn)移； Bi3+

Abstract: A novel fluorescence nanosensor for Bi(Ⅲ) ions determination was developed based on the fluorescence resonance energy transfer from semiconducting polymer dots to methylene blue. The methylene blue attached to semiconducting polymer dots by electrostatic interaction, leading to fluorescence quenching of the fluorophores. When Bi ion was added, it coordinated more strongly with the carboxyl-functionalized semiconducting polymer dots than methylene blue, which made the methylene blue detached from semiconducting polymer dots and interrupted luminescence energy transfer, allowing recovery of fluorescence. Such fluorescence responses can be used for well quantifying Bi ions in the range of 0-0.5 μmol/L with a 16 nmol/L detection limit. The proposed sensing system has been successfully used for the assay of Bi ions in lake water.

Keywords: semiconducting polymer dots(Pdots); methylene blue; fluorescence resonance energy transfer; Bi(Ⅲ) ions

1 引 言

基于熒光物質(zhì)的光物理和光化學(xué)性質(zhì)建立的熒光分析技術(shù)(如熒光檢測(cè)、熒光成像)是化學(xué)/生物傳感、生物醫(yī)學(xué)以及生命科學(xué)等研究領(lǐng)域中一種廣泛采用且行之有效的研究工具。熒光分析技術(shù)通常需要借助熒光探針來輸出檢測(cè)信號(hào)或作為成像分析的造影劑[1-5]。熒光探針檢出限或成像分辨率與熒光材料的熒光強(qiáng)度、穩(wěn)定性有較大關(guān)系；傳統(tǒng)的有機(jī)分子存在熒光弱、光漂白性能差等缺點(diǎn)，使得基于此的熒光技術(shù)應(yīng)用受限。半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)(Pdots)熒光探針是一類最近發(fā)展起來的新型熒光材料，其高亮度熒光、緊致結(jié)構(gòu)、高光吸收截面、良好的光穩(wěn)定性、易于發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移以及容易進(jìn)行表面功能化修飾等性能[6-10]，特別適合于開發(fā)小尺寸、高亮度、無毒、穩(wěn)定的納米熒光探針，為熒光成像技術(shù)的發(fā)展提供了有效的標(biāo)記方法，在環(huán)境科學(xué)、生物檢測(cè)、細(xì)胞生物學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景[11-13]。

鉍的化合態(tài)較多應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)[14]。食用碳酸氧鉍和硝酸氧鉍可治療腸胃病和皮膚損傷等，但大量食用含鉍藥物會(huì)使鉍離子沉積于腦部和腎臟中，從而導(dǎo)致記憶力變差、尿毒癥、肝腎功能損傷等疾病。目前，鉍離子的測(cè)定主要有電感耦合等離子體法[15-19]、電化學(xué)法[20-21]和原子熒光光譜法[22]等。在多種分析技術(shù)中，熒光分析技術(shù)有選擇性好、靈敏度高、分析特征參數(shù)多等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境中的離子檢測(cè)。

基于Pdots諸多優(yōu)良特性，本文采用羧基功能化的Pdots作為能量供體，通過選擇合適的材料作為能量的受體，構(gòu)建了“打開型”熒光傳感器，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境樣品中金屬離子含量的定量分析。在水溶液中，亞甲基藍(lán)和Pdots作用形成 Pdots-MB復(fù)合物，從而體系熒光快速猝滅；而當(dāng)向該體系中加入Bi3+后，隨著Bi3+濃度的不斷增加，體系的熒光逐漸恢復(fù)。利用這一特性，我們?cè)O(shè)計(jì)出環(huán)境水質(zhì)中鉍離子的靈敏測(cè)定新方法。該方法具有分析速度快、靈敏度高、光穩(wěn)定性好、線性范圍寬和無毒性等諸多優(yōu)點(diǎn)，為應(yīng)用于生命體中Bi3+的測(cè)定奠定了基礎(chǔ)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)中使用的試劑主要有聚芴-苯并噻二唑交替共聚物(PFBT)(美國 ADS)、聚(苯乙烯-co-馬來酸酐)(PSMA)(美國 Sigma)、4-羥乙基哌嗪乙磺酸(Hepes，上海 生工)和四氫呋喃(THF、99.9%，Sigma)，其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

樣品表征使用儀器主要有日本日立公司的UV-3010紫外-可見分光光度計(jì)和H-600型透射電子顯微鏡、數(shù)顯型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國，IKA)、超聲波清洗器(美國，必能信)、美國PE公司的LS55熒光分光光度計(jì)(1 cm×1 cm的石英比色皿，DLS激光動(dòng)態(tài)光散射儀)、恒溫培養(yǎng)震蕩器(上海、世平)和恒溫磁力攪拌器(德國，IKA)等。

2.2 Pdots制備

將聚芴-苯并噻二唑交替共聚物(PFBT)、聚(苯乙烯-co-馬來酸酐)(PSMA)分別溶于有機(jī)溶劑THF中，配成質(zhì)量濃度為1 mg/mL 的原始溶液。分別移取250 μL PFBT和50 μL PSMA儲(chǔ)備液，用THF定容至5mL，并超聲震蕩使溶液混合均勻。將上述溶液在超聲震蕩條件下快速注入10 mL超純水中，并保持5～6 min。再將所得混合溶液加熱至95 ℃通N2除去溶液中的THF。最后，定容并用0.22 μm水相濾頭將上述溶液過濾，獲得水分散良好的半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)(Pdots)溶液，避光密封保存于4 ℃冰箱中備用。

2.3 Bi3+含量測(cè)定

3 結(jié)果與討論

3.1 羧基功能化的Pdots的表征

如圖1(a)所示，通過納米沉淀法制得水分散性良好的功能化半導(dǎo)體聚合物點(diǎn)(Pdots)水溶液，測(cè)得其吸收峰在455 nm，熒光發(fā)射峰在545 nm。在紫外燈的照射下，溶液呈現(xiàn)橙黃色。圖1(b)是羧基功能化的Pdots的動(dòng)態(tài)光散射粒徑分布圖和TEM圖。從圖中可以看出，功能化的Pdots是分散性較好、大小均一的球形顆粒，粒徑約為30 nm，且未發(fā)現(xiàn)聚集現(xiàn)象。從其動(dòng)態(tài)光散射粒徑分布圖看，粒徑大小與TEM圖相吻合。

3.2 對(duì)照實(shí)驗(yàn)

扶貧資金是貧困群眾的“救命錢”“保命錢”和減貧脫貧的“助推劑”，對(duì)加快貧困地區(qū)發(fā)展、改善扶貧對(duì)象基本生產(chǎn)生活條件發(fā)揮著重要作用。但近年來財(cái)政扶貧資金管理使用方面的“痼疾”仍存，資金使用效益仍有待提高，監(jiān)管任務(wù)依然艱巨。本文簡(jiǎn)要闡述了加強(qiáng)扶貧資金監(jiān)管的重要意義，分析了當(dāng)前廣西抓好扶貧資金監(jiān)管問題整改的做法，并提出下一步加強(qiáng)扶貧資金監(jiān)管的對(duì)策建議。

通過研究功能化Pdots-MB體系對(duì)Bi3+的響應(yīng)情況得知：0.5g/mL Pdots本身具有很強(qiáng)的熒光，如圖2(a)中a線所示；0.5g/mL Pdots加入45 nmol/L MB后，熒光猝滅，如圖2(a)中c線所示；而在Pdots-MB體系中加入0.3g/mL Bi3+后，熒光得以恢復(fù)，如圖2(a)中b線所示。該熒光恢復(fù)原理為我們建立“打開型”熒光能量轉(zhuǎn)移靈敏檢測(cè)Bi3+實(shí)現(xiàn)了可能。

圖1 (a)功能化Pdots的紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜；(b)動(dòng)態(tài)光散射粒徑分布圖和TEM圖。

Fig.1 (a) UV absorption spectrum and fluorescence emission spectrum of functional Pdots. (b)Dynamic light scattering particle size distribution and TEM image.

圖2 功能化Pdots熒光對(duì)照?qǐng)D。(a) Pdots熒光恢復(fù)過程；(b) Pdots的熒光發(fā)射光譜與亞甲基藍(lán)(MB)的紫外吸收光譜重疊圖。

Fig.2 Functional Pdots fluorescent contrast diagram. (a) Fluorescence recovery process of Pdots. (b) Overlap map of the emission spectrum of Pdots and UV absorption spectrum of methylene blue (MB).

圖2(b)為Pdots的熒光發(fā)射光譜與亞甲基藍(lán)(MB)的紫外吸收光譜重疊圖。測(cè)得Pdots熒光發(fā)射峰在545 nm(λex=455 nm)，與亞甲基藍(lán)的紫外吸收有部分重疊，具備熒光共振能量轉(zhuǎn)移的條件。圖3為Bi3+熒光探針的機(jī)理示意圖。我們認(rèn)為功能化Pdots表面因含大量羧基帶負(fù)電荷，亞甲基藍(lán)為帶正電荷的富含π電子的芳香雜環(huán)化合物，二者通過靜電作用和π-π堆積作用吸附在Pdots表面，從而形成 Pdots-MB 復(fù)合物，使得體系熒光猝滅。由于Bi3+所帶正電荷更多且體積更小，所以能夠?qū)喖谆{(lán)從Pdots-MB復(fù)合物中解離出來，從而熒光恢復(fù)。

圖3 打開型鉍離子熒光探針的機(jī)理示意圖

Fig.3 Schematic diagram of turn-on fluorescent detection of Bi3+

3.3 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

3.3.1 亞甲基藍(lán)濃度的選擇

本文研究了在功能化Pdots中加入不同濃度亞甲基藍(lán)的熒光強(qiáng)度變化。圖4顯示不同濃度的亞甲基藍(lán)對(duì)功能化的Pdots猝滅程度圖。向0.5g/mL的功能化Pdots溶液中加入不同濃度亞甲基藍(lán)溶液，隨著亞甲基藍(lán)濃度的升高，體系熒光逐漸變?nèi)?。?dāng)亞甲基藍(lán)溶液濃度達(dá)到45 nmol/L時(shí)，體系熒光最弱，猝滅程度達(dá)最大值，猝滅效率為87.12%。

圖4 不同MB濃度下的功能化Pdots 熒光猝滅圖

Fig.4 Fluorescence quenching of functional Pdots under different concentrations of MB

3.3.2 硝酸用量的選擇

因Bi(NO3)3·5H2O易水解，通常選用稀硝酸(1 mol/L)來配制Bi3+溶液。本文考察了在1～6 mL范圍內(nèi)不同量硝酸配制Bi3+溶液對(duì)Pdots-MB體系熒光強(qiáng)度恢復(fù)的影響，如圖5所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文選取4 mL 濃度為1 mol/L硝酸溶液配制Bi3+溶液。

圖5 硝酸用量對(duì)Pdots-MB體系熒光強(qiáng)度的影響

Fig.5 Influence of nitric acid dosage on the fluorescence intensity

在最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，圖6(a)顯示了Pdots-MB體系中加入不同濃度的Bi3+時(shí)熒光強(qiáng)度的恢復(fù)圖。隨著Bi3+濃度的不斷增加，體系的熒光強(qiáng)度也慢慢恢復(fù)。當(dāng)Bi3+溶液濃度為1.0mol/L時(shí)，體系熒光恢復(fù)到最大值，繼續(xù)增大Bi3+溶液濃度，體系熒光不再繼續(xù)增大。定義(F-F0)/F0為熒光恢復(fù)程度(F為加入不同濃度Bi3+時(shí)的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)0為不加Bi3+時(shí)的熒光強(qiáng)度)，圖6(b)為(F-F0)/F0與Bi3+濃度的線性關(guān)系曲線。由圖可知，Bi3+在0～0.5mol/L濃度范圍內(nèi)與(F-F0)/F0呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(R=0.995 5)，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為(F-F0)/F0=0.1904+7.902c(c單位為mol/L)。最低檢出限為16 nmol/L(S/N=3)。由測(cè)量0.5mol/L的Bi3+和7次重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差得到該方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.25%，表明Pdots-MB體系熒光能量轉(zhuǎn)移體系對(duì)Bi3+的檢測(cè)有很高的可重復(fù)性。

圖6 (a)功能化Pdots的熒光恢復(fù)圖；(b) (F-F0)/F0與Bi3+濃度的關(guān)系曲線。

Fig.6 (a) Functional Pdots fluorescence recovery figure. (b) (F-F0)/F0vs. concentration of Bi3+

3.5 干擾離子的影響

本文研究了在相同實(shí)驗(yàn)條件下環(huán)境中常見金屬陽離子和部分陰離子對(duì)該傳感器的影響。向Pdots-MB體系中分別加入一定濃度的干擾物質(zhì)，其中Bi3+濃度為1.0mol/L，除Cu2+濃度為10mol/L、Fe2+濃度為5mol/L外，其他均為100mol/L，圖7為體系的相對(duì)熒光強(qiáng)度變化(F-F0)/F0(F0為Pdots-MB體系不加任何物質(zhì)的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為代表體系加入Bi3+和相關(guān)干擾物質(zhì)的熒光強(qiáng)度)。從圖7可以看出，加入1.0mol/L Bi3+后，該傳感器的相對(duì)強(qiáng)度((F-F0)/F0)為6.0，相較加入干擾物質(zhì)，加入Bi3+能夠明顯恢復(fù)體系熒光。而其他干擾物質(zhì)的影響可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以利用“打開型”熒光法檢測(cè)Bi3+溶液。

圖7 干擾離子的熒光恢復(fù)圖

Fig.7 Fluorescence recovery figure of interference ions

3.6 實(shí)際樣品檢測(cè)

為了驗(yàn)證本方法的實(shí)際應(yīng)用性能，我們將所建立的新方法應(yīng)用于蕪湖鏡湖水中的Bi3+測(cè)定。水樣首先用離心機(jī)(5 000 r/min)離心分離10 min，然后取上層溶液為分析液。用標(biāo)準(zhǔn)加入法考察了該方法的回收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。方法的回收率為93.0%～101.3%，說明該方法可用于實(shí)際環(huán)境水樣分析。

表1實(shí)際樣品檢測(cè)及加標(biāo)回收率結(jié)果(n=6)

Tab.1 Actual sample testing and standard addition recovery results (n=6)

樣品加入量/(mmol·L-1)測(cè)定值/(mmol·L-1±SD)回收率/%10．100．093±0．0293．0±0．220．500．487±0．0597．4±0．131．001．013±0．03101．3±0．3

4 結(jié) 論

功能化Pdots與MB間相互作用使得體系熒光迅速猝滅，加入Bi3+能使體系熒光逐漸恢復(fù)，為此設(shè)計(jì)了“打開型”靈敏傳感器。當(dāng)體系中加入45 nmol/L的亞甲基藍(lán)溶液時(shí)，猝滅效率為87.12%。將10 μL濃度為50g/mL的Pdots 配制Pdot-MB復(fù)合物測(cè)定Bi3+，Bi3+濃度在0～0.5mol/L范圍內(nèi)與熒光恢復(fù)程度(F-F0)/F0呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(R=0.995 5)，最低檢出限為16 nmol/L(S/N=3)；實(shí)際環(huán)境水樣測(cè)定的回收率為93.0%～101.3%。本文方法為進(jìn)一步研究生命體中鉍的含量測(cè)定提供了基礎(chǔ)。

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劉義章(1969-)，男，安徽滁州人，碩士，副教授，2011年于安徽理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事多相光催化和熒光探針的研究。

E-mail: liuyizhanglll@126.com

SemiconductingPolymerDots-methyleneBlueFluorescenceEnergyTransferSystemforDeterminationofBi(Ⅲ)IonsinWater

LIU Yi-zhang1*, SUN Jun-yong2, WANG Lei1, ZHOU Kai1, GONG Zhen-hu1

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege，Chuzhou239001，China; 2.CollegeofChemistryandMaterialsScience,AnhuiNormalUniversity，Wuhu241000，China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:liuyizhang111@126.com

O657.3

A

10.3788/fgxb20173810.1353

1000-7032(2017)10-1353-06

2017-03-14；

2017-06-10

安徽省高校自然科學(xué)基金(KJ2016SD45)； 安徽省“省級(jí)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目(2013JXTD063)資助 Supported by Natural Science Foundation of Anhui province (KJ2016SD45); Excellent Teaching Team Project of Anhui Province (2013JXTD063)