薛曉潔，雷茹淋，張帆，熊華玉，文為，張修華，王升富

(1. 湖北大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院， 湖北 武漢 430062； 2. 銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 貴州 銅仁 554330)

0 引言

鉛離子(Pb2+)是環(huán)境中毒性最強(qiáng)、分布最廣的重金屬污染之一，已引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注.Pb2+對(duì)人體的許多組織和器官都能造成毒害，尤其是對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)的毒害[1-2].現(xiàn)有研究已表明長期暴露在低濃度的Pb2+中將對(duì)兒童造成嚴(yán)重的智力損傷[3].目前檢測(cè)Pb2+的常用方法有：電感耦合等離子質(zhì)譜法[4]、原子吸收光譜測(cè)定法[5-6]、反向高效液相色譜法[7]、表面增強(qiáng)拉曼光譜法[8]等，這些方法選擇性好、靈敏度高，但也存在需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理、分析時(shí)間長、不適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等缺點(diǎn).其中，基于金屬納米粒子的比色測(cè)定法因其簡便，快速，經(jīng)濟(jì)高效且不需要任何復(fù)雜的儀器來檢測(cè)各種分析物而受到越來越多的關(guān)注.但是，大多數(shù)檢測(cè)限為微摩爾量級(jí).因此，結(jié)合比色法開發(fā)高靈敏度、高選擇性的檢測(cè)Pb2+雙信號(hào)探針具有重要意義.

與傳統(tǒng)有機(jī)發(fā)色團(tuán)的消光系數(shù)相比，Au NPs消光系數(shù)要較之大幾個(gè)數(shù)量級(jí).此外，Au NPs的表面等離子體共振帶對(duì)其粒子之間的距離十分敏感.當(dāng)Au NPs相互接近并聚集時(shí)，Au NPs表面等離子體共振帶會(huì)發(fā)生紅移[9-11]，相應(yīng)地，其溶液顏色會(huì)從紅色逐漸變?yōu)樗{(lán)色.因此，通過目標(biāo)物對(duì)Au NPs的聚集程度的影響，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的分析檢測(cè).由于Au NPs的這些特殊的性質(zhì)，其經(jīng)常應(yīng)用于可視化檢測(cè)體系[12-13]，如Chen等基于Au NPs對(duì)CdTe QDs的內(nèi)濾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶菌酶的可視化和熒光檢測(cè)[14].

石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)是橫向尺寸小于20 nm的石墨烯的零維結(jié)構(gòu)，由于其具有合成方法簡單、成本低、優(yōu)異的化學(xué)和光穩(wěn)定性、高生物相容性、水溶性好以及可調(diào)的粒徑與光致發(fā)光等優(yōu)點(diǎn)，引起越來越多人的興趣.并作為半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)熒光團(tuán)的替代物廣泛地用于熒光成像[15]和生化分析[16].Liu等由氧化石墨制得了發(fā)橙色熒光的GQDs，在辣根過氧化物酶以及過氧化氫(H2O2)的同時(shí)存在下，兒茶酚會(huì)被羥基自由基氧化并轉(zhuǎn)化為鄰苯醌，可以顯著淬滅GQDs的熒光.然而，當(dāng)抗壞血酸存在時(shí)，它可以抑制鄰苯醌的產(chǎn)生，導(dǎo)致熒光復(fù)蘇，實(shí)現(xiàn)了抗壞血酸的檢測(cè)[17].Jiang報(bào)道了一種使用Fe3O4和GQDs納米復(fù)合材料的新型的靶向熒光成像診斷腎病的方法[18].

與單獨(dú)通過測(cè)定吸光度或熒光強(qiáng)度來檢測(cè)目標(biāo)物的方法相比，基于內(nèi)濾效應(yīng)的方法因?yàn)槲馕镔|(zhì)的吸光度的變化會(huì)導(dǎo)致熒光團(tuán)的熒光強(qiáng)度呈指數(shù)變化從而獲得更高的靈敏度，且該過程并不需要吸光物質(zhì)和熒光團(tuán)之間的連接，使得該方法相對(duì)簡單和靈活[19-20].基于此，本工作構(gòu)建了功能化納米金對(duì)石墨烯量子點(diǎn)的內(nèi)濾作用可視化檢測(cè)Pb2+新方法.工作原理如圖1所示，具有雙齒性質(zhì)的二硫代氨基甲酸鹽(DTC)配體通過螯合作用緊密地結(jié)合在Au NPs表面，N-C-S2基團(tuán)形成共振結(jié)構(gòu)，對(duì)Pb2+具有很強(qiáng)的親和力并將其捕獲到Au NPs表面，從而誘導(dǎo)DTC-Au NPs的聚集，降低了其內(nèi)濾效應(yīng)，使GQDs的熒光得到恢復(fù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的熒光傳感器可以方便快捷、選擇性、可視化地檢測(cè)實(shí)際樣品中的Pb2+.

圖1 DTC-Au NPs和GQD的Pb2 +檢測(cè)機(jī)制的示意圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器RF-5301PC的熒光分光光度計(jì)(日本島津公司)；UV-2700的紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司)；Tecnai G20透射電子顯微鏡(TEM，美國FEI公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑二硫化碳(CS2)、二乙醇胺(DEA)、乙酸鋅二水合物(ZnC4H6O4·2H2O)、氯化鍶(SrCl2)、硝酸鉛(Pb(NO3)2)、氯化鈉(NaCl)、氯化鎂六水合物(MgCl2·6H2O)、氯化鋇一水合物(BaCl2·H2O)均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.乙酸錳四水合物(MnC4H6O4·4H2O)、氯化銅(CuCl2·2H2O)、檸檬酸鈉二水合物(Na3C6H5O7·2H2O)均購于西格瑪奧德里奇有限公司.氯金酸三水合物(HAuCl4·3H2O)、硼氫化鈉(NaBH4)、氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)均購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司.實(shí)驗(yàn)用的石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)購于南京先豐納米有限公司.所有試劑均為分析純.實(shí)驗(yàn)用水為超純水(18.25 MΩ·cm).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 DTC-Au NPs的合成 按文獻(xiàn)方法制備DTC-Au NPs[21-22]，過程如下：首先，將1 mmol/L DEA和1 mmol/L CS2在甲醇中混合超聲5 min，得到DTC溶液；然后，在100 mL的水中加入80 μL HAuCl4·3H2O(10%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))，0.1 mL 檸檬酸鈉(1 mmol/L)和0.75 mL DTC(1 mmol/L)攪拌20 min；向混合溶液中加入4 mg的NaBH4還原HAuCl4；最后，將混合溶液在室溫下攪拌2 h得到DTC-Au NPs，將其放入冰箱中保存?zhèn)溆?

1.3.2 Pb2+的測(cè)試方法 將10 μL不同濃度的Pb2+的溶液依次加入到1 mL DTC-Au NPs溶液中，渦旋30 s并反應(yīng)8 min后，向其中加入10 μL GQDs(10 mg/mL).經(jīng)充分混合后，在激發(fā)波長為347 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度分別為10 nm和5 nm的條件下，在波長范圍360～600 nm測(cè)定熒光信號(hào).

2 結(jié)果與分析

2.1 DTC-Au NPs的表征DTC配體以CS2和DEA為主要前體分子混合超聲原位合成.N-C-S2基團(tuán)在二硫代氨基甲酸酯分子中形成共振結(jié)構(gòu)，從而對(duì)金屬具有很強(qiáng)的親和力.圖2A(曲線c)為DTC的UV-vis光譜，在紫外區(qū)260 nm和290 nm出現(xiàn)DTC的兩個(gè)吸收峰，與文獻(xiàn)報(bào)道一致[22].當(dāng)將NaBH4和HAuCl4添加到形成的DTC溶液中時(shí)，形成了透明的酒紅色Au NPs溶液；同時(shí)，UV-vis光譜表明，在524 nm處出現(xiàn)一個(gè)吸收峰(圖3A，曲線a)，這是由于Au NPs的表面等離子體吸收引起的.利用透射電鏡(TEM)表征了DTC-Au NPs和GDQs的形態(tài)和大小.結(jié)果表明，DTC-Au NPs具有高度均勻的單分散性，呈球形，平均直徑約為5 nm(圖2B).圖2C顯示GQDs也呈球形且分散性良好，平均直徑為約3 nm.

圖2 (A)二乙醇胺(a)、CS2(b)和二硫代氨基甲酸酯(c)的UV-Vis吸收光譜和(B)DTC-Au NPs、(C)GQDs的TEM圖像

2.2 Pb2+的檢測(cè)機(jī)理利用紫外可見光譜和熒光光譜探究Pb2+的檢測(cè)機(jī)理.如圖3A所示，隨著Pb2+的加入，DTC-Au NPs紫外吸收發(fā)生輕微的藍(lán)移，強(qiáng)度逐漸減小(圖3A，曲線b)，這是由于Pb2+與DTC-Au NPs上的DTC產(chǎn)生配位使得DTC-Au NPs發(fā)生聚集.透射電鏡圖像進(jìn)一步證實(shí)了Pb2+存在時(shí)DTC-Au NPs的聚集：Pb2+存在時(shí)，單分散納米顆粒(圖2B)聚集為較大的納米顆粒(圖3B)，其原因是Pb2+通過配體DTC的N、O原子與Au NPs表面發(fā)生強(qiáng)結(jié)合，導(dǎo)致Au NPs的聚集.這種Pb2+-Au的聚集模式可以利用視覺色彩的變化來檢測(cè)Pb2+.如圖3C所示，隨著Pb2+的逐漸加入，DTC-Au NPs的顏色由酒紅色變?yōu)樽仙?，再變?yōu)樯钏{(lán)色.人眼可見引起顏色變化的Pb2+最低濃度為5 μmol/L.

GQDs的熒光光譜顯示其在440 nm處出現(xiàn)最大發(fā)射(圖3A，曲線c，λex=347 nm)，與DTC-Au NPs的最大吸收(圖3A，曲線a)部分重疊.當(dāng)DTC-Au NPs加入到GQDs溶液中后，GQDs的熒光強(qiáng)度顯著的降低(圖3A，曲線d).這是由于DTC-Au NPs內(nèi)濾效應(yīng)(IFE)引起GQDs的熒光猝滅.在DTC-Au NPs/GQDs溶液中加入50 μmol/L Pb2+，GQDs的熒光得到了明顯的恢復(fù)(圖3A，曲線e)，這是由于Pb2+誘導(dǎo)了DTC-Au NPs的聚集，減弱了其內(nèi)濾效應(yīng)，使得GQDs的熒光恢復(fù)；此外，GQDs的熒光發(fā)射光譜形狀和位置不受Pb2+和DTC-Au NPs加入的影響，表明增加的熒光發(fā)射強(qiáng)度來自GQDs，而不是任何其他新形成物種的發(fā)射.因此，基于DTC-Au NPs的內(nèi)濾效應(yīng)，GQDs熒光發(fā)射將受Pb2+濃度的影響，可用于Pb2+濃度的檢測(cè).

圖3 (A)UV-Vis光譜：DTC-Au NPs(a)和DTC-Au NPs中加入50 μmol/L Pb2+(b)；熒光發(fā)射光譜：0.1 mg/mL GQDs(c)，DTC-Au NPs/GQDs(d)和加入50 μmol/L Pb2+時(shí)，DTC-Au NPs/GQDs(e).(B)加入10 μmol/L Pb2+的DTC-Au NPs的TEM圖像.(C)在DTC-Au NPs中加入不同濃度的Pb2+(1至10∶0.2、0.8、2、5、8、20、50、80和100 μmol/L)后的顏色變化

2.3 Pb2+的線性測(cè)定為獲得更好地檢測(cè)Pb2+的效果，優(yōu)化了反應(yīng)時(shí)間對(duì)DTC-Au NPs聚集程度的影響.如圖4所示，DTC-Au NPs中加入Pb2+后，DTC-Au NPs于524 nm處的吸收強(qiáng)度迅速降低且在5 min之后保持穩(wěn)定，使得Pb2+的檢測(cè)能在相對(duì)靈活的時(shí)間范圍內(nèi)靈敏和快速地進(jìn)行.

圖4 加入Pb2+后，反應(yīng)時(shí)間對(duì)DTC-Au NPs吸光度的影響

在最佳條件下，DTC-Au NPs /GQDs的熒光強(qiáng)度隨著Pb2+濃度的增加而逐漸增加(圖5 A).在0.5～100 μmol/L的范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度增加(ΔF=F-F0)與Pb2+濃度之間具有良好的線性關(guān)系(其中F0表示DTC-Au NPs/GQDs的初始熒光強(qiáng)度，F(xiàn)表示DTC-Au NPs/GQDs在Pb2+存在下的熒光強(qiáng)度)，線性曲線擬合回歸方程為ΔF=4.82c(μmol/L)+ 37.37(R2=0.99，圖5B)，檢測(cè)限為0.35 μmol/L(S/N=3).

圖5 (A)加入不同濃度的Pb2+(從上到下，100、80、50、20、10、8、5、2、1、0.8、0.5和0 μmol/L的DTC-Au NPs/GQDs的熒光光譜和(B)Pb2+的線性關(guān)系曲線

2.4 選擇性實(shí)驗(yàn)為研究探針的選擇性，選擇些常見的金屬離子作為干擾物.如圖6 A所示，分別將5 mmol/L的Pb2+、Mn2+、Zn2+、Cd2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Cu2+加入到3 mL的DTC-Au NPs中，結(jié)果表明只有加入Pb2+的DTC-Au NPs的顏色從紅色變?yōu)榱怂{(lán)黑色，其他離子基本不影響DTC-Au NPs的聚集.同時(shí)，紫外-可見光譜表明，添加其他二價(jià)金屬離子對(duì)DTC-Au NPs的吸收光譜沒有明顯影響(圖6B).結(jié)果表明該探針對(duì)Pb2+的選擇性高于其他金屬離子.

圖6 在比色皿(A)和UV-vis光譜(B)中加入不同顏色的金屬離子后，DTC-Au NPs對(duì)Pb2+的選擇性

2.5 實(shí)際樣品中Pb2+的分析檢測(cè)通過檢測(cè)自來水樣品中的Pb2+，評(píng)估了該方法在Pb2+檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用.將自來水煮沸冷卻至室溫，添加已知濃度的Pb2+的標(biāo)準(zhǔn)溶液來進(jìn)行加標(biāo)回收測(cè)試，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定三次，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn).結(jié)果如表1所示，回收率在93.8%至98.0%之間，相應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.5%至3.5%.實(shí)驗(yàn)表明，自來水樣品中其他物質(zhì)對(duì)實(shí)際樣品中Pb2+測(cè)定沒有明顯干擾，該熒光傳感器可用于實(shí)際樣品中Pb2+的分析檢測(cè).

表1 自來水中Pb2+的測(cè)定

3 結(jié)論

本研究通過簡單的方法成功制備了DTC穩(wěn)定化的Au NPs懸浮液，基于其對(duì)GQDs的內(nèi)濾效應(yīng)設(shè)計(jì)了可視化分析檢測(cè)Pb2+的高選擇性和靈敏度的雙信號(hào)探針.向DTC-Au NPs/GQDs中加入Pb2+時(shí)，使GQDs熒光得到大幅恢復(fù).同時(shí)，DTC-Au NPs的顏色也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生一定的變化，這歸因于Pb2+和DTC之間的極強(qiáng)的絡(luò)合作用，以及Au NPs的表面等離子體共振帶對(duì)Au NPs之間的距離非常敏感的特性.該熒光傳感器具有可視化、方便快捷、靈敏度較高、選擇性較好以及線性范圍相對(duì)較寬的優(yōu)點(diǎn).整個(gè)過程可以在10 min內(nèi)完成，滿足現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)痕量Pb2+的需求.