李 林 王佳偉 霍俞錦 孫彩鳳 張瀚月 張彩鳳

(1太原師范學(xué)院化學(xué)系，晉中 030619)

(2山西省腐植酸工程技術(shù)研究中心，晉中 030619)

作為一種有機(jī)溶劑，乙醇由于具有良好的化學(xué)還原性和反應(yīng)活性，被廣泛用于醫(yī)學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域，尤其經(jīng)常被用作酒品添加劑和中藥溶解劑[1]。然而，過(guò)量使用乙醇會(huì)嚴(yán)重危害人體健康，導(dǎo)致人體的肝臟、肺臟、腎臟和神經(jīng)系統(tǒng)嚴(yán)重受損。如許多無(wú)良商人為牟取暴利，經(jīng)常在保健酒中添加過(guò)量乙醇，甚至還販賣假酒，導(dǎo)致因酒致死的食品安全事件逐年遞增[2]。因此，乙醇含量的精確定量檢測(cè)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床診斷、食品檢測(cè)以及飲用酒水品質(zhì)檢測(cè)都至關(guān)重要。

乙醇含量的傳統(tǒng)測(cè)定方法主要有近紅外光譜法[3]、氣相色譜法[4]、高效液相色譜法[5]、定量核磁共振法[6]等。雖然這些方法被廣泛使用，但其存在儀器昂貴、操作繁瑣、費(fèi)用較高、耗時(shí)較長(zhǎng)等缺陷，因此急需開(kāi)發(fā)一種快捷簡(jiǎn)便的分析方法用于高效檢測(cè)乙醇含量。

隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米材料由于具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)、良好的生物相容性以及靈敏度高、響應(yīng)快速并能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，為食品中乙醇含量檢測(cè)提供了新的發(fā)展思路[7-8]。Hooda等介紹了一種利用金納米顆粒和酶偶聯(lián)的PVC反應(yīng)池構(gòu)建的新型電流型生物傳感器，用于檢測(cè)商業(yè)樣品中的乙醇含量[9]。Byoun等借助室溫一鍋微波輔助法合成了有孔的SWCNT-Sn/SnO2納米復(fù)合物用于檢測(cè)乙醇[10]。Peng等構(gòu)建了一種基于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)的智能水凝膠用于快速靈敏檢測(cè)乙醇含量[11]。雖然生物傳感器具有儀器價(jià)格低廉、選擇性和重現(xiàn)性好、方便快捷且無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn)，但其建立時(shí)的長(zhǎng)期不穩(wěn)定性、可靠性、使用壽命時(shí)長(zhǎng)性和批量生產(chǎn)工藝等方面的問(wèn)題仍需進(jìn)一步探索。

熒光納米材料由于具有靈敏度高、響應(yīng)快速并能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛用于食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、癌癥識(shí)別、細(xì)胞成像等領(lǐng)域[12-15]。銅納米團(tuán)簇與金屬納米團(tuán)簇中的金、銀納米團(tuán)簇相比，由于其原料廉價(jià)易得且具有非常好的物理化學(xué)性質(zhì)(如電學(xué)、光學(xué)、磁性、熒光性以及良好生物相容性[16-17]等)，在生物分析、生物成像、工業(yè)催化以及電子設(shè)備等方面被廣泛運(yùn)用[18-21]。如Wen等設(shè)計(jì)、合成了一種摻雜碳點(diǎn)的雙發(fā)射(紅/藍(lán))熒光銅納米團(tuán)簇用于可視化檢測(cè)環(huán)境濕度[22]；Wang等制備合成腺苷穩(wěn)定的銅納米團(tuán)簇用于呋喃妥因的檢測(cè)[23]；Goswami等利用轉(zhuǎn)鐵蛋白作為穩(wěn)定劑和保護(hù)劑制備得到發(fā)紅色熒光銅納米團(tuán)簇[24]。雖然研究者采用各種保護(hù)劑、穩(wěn)定劑和還原劑制備得到具有不同發(fā)射熒光的銅納米團(tuán)簇，但其水溶性和穩(wěn)定性都較差，且迄今為止借助發(fā)橙色熒光銅納米團(tuán)簇對(duì)乙醇含量進(jìn)行檢測(cè)的報(bào)道較少[19,22]。

因此，為了獲得合成簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性高的水溶性熒光銅納米團(tuán)簇，我們以氯化銅(CuCl2)為原料、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為保護(hù)劑、2-巰基苯并噻唑(MBT)為穩(wěn)定劑、抗壞血酸(AA)為還原劑，合成了聚乙烯吡咯烷酮保護(hù)的具有橙色熒光的銅納米團(tuán)簇(PVP-Cu NCs)。與傳統(tǒng)方法制備的銅納米團(tuán)簇相比，借助聲化學(xué)還原一鍋法制備的PVP-Cu NCs具有更好的穩(wěn)定性。通過(guò)光學(xué)表征和光電子能譜測(cè)試證實(shí)PVP-Cu NCs成功制備。物質(zhì)響應(yīng)性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該P(yáng)VP-Cu NCs可作為檢測(cè)乙醇的熒光探針，其熒光強(qiáng)度隨著乙醇含量(體積分?jǐn)?shù))的增大而逐漸降低，且最終全部猝滅，該方法與文獻(xiàn)中的乙醇檢測(cè)方法相比，成本低廉、樣品用量少，可以實(shí)現(xiàn)更快速、更準(zhǔn)確的乙醇檢測(cè)。此外，我們利用該方法對(duì)啤酒中乙醇含量進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)其具有良好的回收率，有望應(yīng)用于食品檢測(cè)領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

CuCl2購(gòu)自天津市天力化學(xué)試劑有限公司。MBT(純度不低于98.0%)購(gòu)自上海阿拉丁試劑有限公司。PVP(K30)購(gòu)自上海麥克林生物試劑有限公司。AA(純度不低于98.0%)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。氫氧化鈉(NaOH)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、氯 化 鈣 (CaCl2)、草 酸 鈉 (Na2C2O4)、硝 酸 鈉(NaNO3)、碳酸鈉(Na2CO3)均為分析純，購(gòu)于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。異丁醇(Iso)、甲苯(Tol)、正丁醇(But)、甲醛(For)、正辛醇(Oct)、石油醚(Pet)、甲醇(Met)、乙醇(EtOH)購(gòu)自天津市大茂化學(xué)試劑廠。高半胱氨酸(Hcy)、苯丙氨酸(Phe)、甘氨酸(Gly)、賴氨酸(Lys)、半胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)、谷氨酸(Glu)等購(gòu)自美國(guó)Fine-Scientific。所有試劑均未經(jīng)再純化。實(shí)驗(yàn)所用水均為18.2 MΩ去離子水。

所用儀器有電子分析天平(FA-1004，上海上平儀器有限公司)、數(shù)控超聲波清洗器(KQ-300DE，昆山市超聲儀器有限公司)、酸度計(jì)(FE-20，上海梅特勒-托利多儀器有限公司)、熒光分光光度計(jì)(F-7000，日本日立)、暗箱式三用紫外分析儀(ZF-7ND，上海嘉鵬科技有限公司)、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(S-600，德國(guó)耶拿)、透射電子顯微鏡(TEM，Tecnai G2 F20 S-TWIN，美國(guó)FEI公司，工作電壓：200 kV)、納米粒度及電位分析儀(ZS-90，英國(guó)Malvern公司)、X射線光電子能譜儀(XPS，ThermoFisher ESCALAB 250Xi，美國(guó)賽默飛公司)。

1.2 PVP-Cu NCs的制備及條件優(yōu)化

在文獻(xiàn)[20]方法的基礎(chǔ)上稍許改變步驟制備得到PVP-Cu NCs，具體如下：首先取一支潔凈的25 mL比色管，隨后依次加入 2.0 mL CuCl2(1.0 mmol·L-1)、6.0 mL MBT(0.1 mmol·L-1)、1.0 mL PVP(0.069 mmol·L-1)和4.0 mL AA(0.1 mmol·L-1)，并用超純水定容到刻度線，混合均勻，然后放入超聲清洗器中密封反應(yīng)，反應(yīng)參數(shù)：20℃、50 W、20 min。待反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到30 kDa的超濾管，以4 500 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心純化，然后置于4℃冰箱避光保存?zhèn)溆谩４送?，為了探究制備PVP-Cu NCs的最優(yōu)條件，分別改變?cè)噭?CuCl2、PVP、MBT、AA)用量、超聲功率、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和pH并控制其他條件一致時(shí)制備PVP-Cu NCs，將制得的PVP-Cu NCs在340 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，測(cè)定發(fā)射波長(zhǎng)580 nm處的熒光強(qiáng)度。

1.3 PVP-Cu NCs的穩(wěn)定性測(cè)試

為了探究所制備的PVP-Cu NCs的穩(wěn)定性，我們分別研究了時(shí)間效應(yīng)、紫外輻射效應(yīng)和鹽效應(yīng)對(duì)其熒光強(qiáng)度的影響。

時(shí)間效應(yīng)：將制備好的PVP-Cu NCs保存于5.0 mL的EP管中，置于4℃冰箱中避光保存，每隔一段時(shí)間測(cè)定其在激發(fā)波長(zhǎng)為340 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為580 nm下的熒光光譜。

紫外輻射效應(yīng)：將制備好的PVP-Cu NCs分別放置于12管5.0 mL EP管中進(jìn)行不同時(shí)間紫外照射，然后測(cè)其在340 nm激發(fā)波長(zhǎng)、580 nm發(fā)射波長(zhǎng)下的熒光光譜。

鹽效應(yīng)：分別用1.8 mL不同濃度(0.05、0.1、0.2、0.25、0.5 mol·L-1)的 NaCl溶液稀釋 0.2 mL PVP-Cu NCs，然后測(cè)其在340 nm激發(fā)波長(zhǎng)、580 nm發(fā)射波長(zhǎng)下的熒光光譜。

1.4 PVP-Cu NCs熒光法檢測(cè)乙醇

取2.0 mL EP管若干進(jìn)行編號(hào)，分別加入200 μL制備好的PVP-Cu NCs和1.8 mL無(wú)水乙醇，此時(shí)得到的PVP-Cu NCs中乙醇體積分?jǐn)?shù)為90%，靜置5 min，測(cè)定其在發(fā)射波長(zhǎng)580 nm處的熒光光譜。重復(fù)上述步驟，在保證總體積為2.0 mL的條件下改變PVP-Cu NCs中乙醇的體積分?jǐn)?shù)，依次測(cè)得當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為5%～90%時(shí)，PVP-Cu NCs在發(fā)射波長(zhǎng)580 nm下的熒光光譜，其中空白對(duì)照為200 μL PVP-Cu NCs和1.8 mL超純水。

1.5 PVP-Cu NCs比色法檢測(cè)乙醇

首先，用剪刀將濾紙裁剪成正方形(如：1.0 cm×1.0 cm)[21]，隨后將濾紙浸入PVP-Cu NCs溶液中。干燥后，獲得基于PVP-Cu NCs的熒光試紙。隨后，將不同濃度的乙醇溶液滴加到PVP-Cu NCs試紙上并干燥。設(shè)置空白對(duì)照組(PVP-Cu NCs未浸泡濾紙)，將不同處理試紙放置于暗箱紫外儀中于365 nm紫外燈下照射，觀察試紙顏色變化并拍照記錄。

1.6 PVP-Cu NCs對(duì)啤酒樣品的檢測(cè)

為了檢測(cè)酒精飲品中乙醇含量，從超市購(gòu)買不同類型啤酒，在測(cè)量前，用超純水進(jìn)行稀釋，隨后借助1.4中方法進(jìn)行乙醇含量檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVP-Cu NCs的合成

借助一步聲化學(xué)還原法合成了PVP-Cu NCs，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。在此方法中，AA作為還原劑，可將Cu（Ⅱ）還原為Cu（Ⅰ）和Cu(0)，隨后Cu與作為穩(wěn)定劑的MBT分子中的S形成Cu—S鍵，從而形成銅納米團(tuán)簇，但由于其極易發(fā)生氧化，因此選擇PVP作為保護(hù)劑，從而制備得到具有良好穩(wěn)定性的PVP-Cu NCs。

圖1 PVP-Cu NCs的合成以及其用于熒光比色法檢測(cè)乙醇Fig.1 Synthesis of PVP-Cu NCs and its application in fluorescence colorimetric detection of EtOH

由于原料用量、反應(yīng)介質(zhì)的pH、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間都對(duì)PVP-Cu NCs的尺寸、結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)有重要影響，因而我們以熒光強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其合成條件進(jìn)行優(yōu)化探究。如圖2A所示，隨著CuCl2用量的增加，熒光強(qiáng)度先上升后下降，當(dāng)CuCl2用量為2.0 mL時(shí)，合成的PVP-Cu NCs熒光最強(qiáng)。圖2B顯示出當(dāng)PVP體積為1.0和6.0 mL時(shí)，其熒光強(qiáng)度相差不大，為了節(jié)約藥品，故PVP最佳用量選取1.0 mL。由圖2C得出，隨著MBT用量的增加，熒光強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，而后趨于穩(wěn)定，當(dāng)MBT用量為6.0 mL時(shí)，PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。由圖2D可知，AA用量與PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度的關(guān)系呈正態(tài)分布，當(dāng)AA用量為4.0 mL時(shí)，所制備的樣品熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。這一系列的用量探究，說(shuō)明原材料的用量對(duì)PVP-Cu NCs的熒光有影響。

除了各原料會(huì)影響所制備的PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度，超聲功率、超聲反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)介質(zhì)也可能使PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度有所變化。由圖2E可看出，超聲功率對(duì)其無(wú)太大影響，選用50 W為最佳功率。超聲時(shí)間過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)同樣也會(huì)降低其熒光強(qiáng)度，由圖2F可知20 min為最佳。由圖2G可看出超聲溫度對(duì)PVP-Cu NCs影響也較大，隨著溫度的上升，熒光強(qiáng)度越來(lái)越弱，但是15℃低于室溫，故選擇超聲溫度為20℃時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。溶液pH可以說(shuō)是制備PVP-Cu NCs時(shí)最為重要的一個(gè)因素，由圖2H可知，pH=11時(shí)最佳，pH大于或小于11都會(huì)導(dǎo)致PVP-Cu NCs的熒光發(fā)生猝滅或減弱。所以用該方法合成PVP-Cu NCs的最佳超聲功率、超聲時(shí)間、反應(yīng)溫度、溶液pH值分別為50 W、20 min、20℃、11。綜上，根據(jù)最優(yōu)條件，我們可制備出熒光強(qiáng)度較強(qiáng)的PVP-Cu NCs。

圖2 合成條件對(duì)PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度的影響：(A)CuCl2(1.0 mmol·L-1)用量、(B)PVP(0.069 mmol·L-1)用量、(C)MBT(0.1 mmol·L-1)用量、(D)AA(0.1 mmol·L-1)用量、(E)超聲功率、(F)超聲時(shí)間、(G)反應(yīng)溫度、(H)pHFig.2 Effect of preparation condition on fluorescence intensity of PVP-Cu NCs：(A)volume of CuCl2(1.0 mmol·L-1),(B)volume of PVP(0.069 mmol·L-1),(C)volume of MBT(0.1 mmol·L-1),(D)volume of AA(0.1 mmol·L-1),(E)ultrasonic power,(F)ultrasonic time,(G)reaction temperature,(H)pH

2.2 PVP-Cu NCs的表征

圖3A顯示了PVP-Cu NCs的紫外可見(jiàn)吸收光譜，從圖中可以觀察到其在340 nm左右出現(xiàn)紫外吸收峰，而反應(yīng)原料在此處無(wú)吸收峰，此外，在520 nm處沒(méi)有明顯的銅納米顆粒的表面等離子體共振峰，說(shuō)明合成的銅納米團(tuán)簇中沒(méi)有大粒徑的銅納米顆粒生成。圖3B則顯示在340 nm的光激發(fā)下，各反應(yīng)原料在580 nm處并無(wú)熒光發(fā)射峰，而PVP-Cu NCs出現(xiàn)了明顯的熒光發(fā)射峰，并且發(fā)射光譜窄而對(duì)稱，且與內(nèi)源性熒光的光譜區(qū)域充分分離。插圖為PVP-Cu NCs和各反應(yīng)原料混合物在日光燈和紫外燈(λmax=365 nm)下所拍照片，可看到在365 nm紫外燈的照射下，PVP-Cu NCs呈現(xiàn)出明亮的橙色熒光。如圖3C所示，與有機(jī)染料相比，PVP-Cu NCs有著大的斯托克斯位移，這避免了發(fā)射和激發(fā)信號(hào)的相互干擾，同時(shí)表明PVP-Cu NCs可以作為極好的熒光探針用于生物傳感和成像。圖3D為PVP-Cu NCs的紅外光譜，3 427和1 767 cm-1處為羧基中—OH和—C=O的特征峰，因此PVP-Cu NCs具有良好的水溶性；2 500 cm-1附近沒(méi)有出現(xiàn)明顯吸收峰，表明有S—Cu鍵的形成，說(shuō)明PVP-Cu NCs已成功制備。

圖3 PVP-Cu NCs和反應(yīng)物的(A)紫外可見(jiàn)吸收光譜圖和(B)熒光激發(fā)和發(fā)射光譜圖(插圖：PVP-Cu NCs或反應(yīng)原料混合物在365 nm的紫外燈下照片);PVP-Cu NCs的(C)紫外吸收光譜和熒光光譜圖(插圖：PVP-Cu NCs在可見(jiàn)光下照片)以及(D)紅外光譜圖Fig.3 (A)UV-Vis absorption spectra and(B)fluorescence excitation and emission spectra(Inset：photographs of PVP-Cu NCs and the reactant mixture under UV light irradiation of 365 nm)of PVP-Cu NCs and the reactant;(C)UV-Vis absorption spectra and fluorescence spectra of PVP-Cu NCs(Inset：photograph of PVP-Cu NCs under visible light)as well as(D)FTIR spectra

隨后通過(guò)XPS對(duì)PVP-Cu NCs進(jìn)行表征，結(jié)果如圖4所示。圖4A顯示了構(gòu)成PVP-Cu NCs的主要元素。圖4B中Cu2p的XPS譜圖證實(shí)存在Cu2p1/2和Cu2p3/2的峰，一個(gè)在951.65 eV，另一個(gè)在931.73 eV，分別歸屬于Cu(0)和Cu（Ⅰ）。另外，通過(guò)TEM和動(dòng)態(tài)光散射(DLS)表征PVP-Cu NCs的形態(tài)和大小。TEM圖像顯示PVP-Cu NCs是球形的，平均尺寸約為6.0 nm(圖4F)，與DLS測(cè)定的流體動(dòng)力學(xué)直徑相一致(圖4F插圖)。

圖4 PVP-Cu NCs的XPS譜圖：(A)PVP-Cu NCs、(B)Cu2p、(C)N1s、(D)O1s、(E)C1s;(F)PVP-Cu NCs的TEM圖Fig.4 XPS spectra of PVP-Cu NCs：(A)PVP-Cu NCs,(B)Cu2p,(C)N1s,(D)O1s,(E)C1s;(F)TEM image of PVP-Cu NCs

2.3 PVP-Cu NCs的穩(wěn)定性

我們選擇硫酸奎寧(量子產(chǎn)率為54%)作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測(cè)定PVP-Cu NCs的熒光量子產(chǎn)率為15.1%。圖5A為在一段時(shí)間內(nèi)，PVP-Cu NCs的最大發(fā)射峰熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。由圖可見(jiàn)PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度并無(wú)明顯降低，表明PVP-Cu NCs具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。圖5B為PVP-Cu NCs試紙不同儲(chǔ)存時(shí)間后在365 nm的紫外燈下的照片，可以看出在放置8 d后，熒光強(qiáng)度略微減弱，但沒(méi)有大幅猝滅。圖5C為1 h內(nèi)PVP-Cu NCs的紫外輻射熒光光譜，可觀察到PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度較為穩(wěn)定，證明PVPCu NCs的紫外輻射穩(wěn)定性良好。為了研究離子強(qiáng)度對(duì)PVP-Cu NCs的影響，將PVP-Cu NCs置于0.05～0.5 mol·L-1的NaCl溶液中，由圖5D觀察到伴隨著氯化鈉濃度從低到高的變化，PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，但整體比較穩(wěn)定，表明PVP-Cu NCs的耐鹽性良好。

圖5 PVP-Cu NCs的穩(wěn)定性測(cè)試：(A)PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化;(B)儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)PVP-Cu NCs試紙響應(yīng)性能的影響;(C)紫外輻射時(shí)間對(duì)PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度的影響;(D)NaCl溶液濃度對(duì)PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度的影響Fig.5 Stability tests of PVP-Cu NCs：(A)changes of fluorescence intensity of PVP-Cu NCs with time;(B)effect of storage time on response performance of PVP-Cu NCs test paper;(C)effect of UV radiation time on fluorescence intensity of PVP-Cu NCs;(D)effect of concentration of NaCl solution on fluorescence intensity of PVP-Cu NCs

2.4 PVP-Cu NCs選擇性檢測(cè)乙醇

為了評(píng)價(jià)PVP-Cu NCs對(duì)乙醇的響應(yīng)性，在pH=11、340 nm的激發(fā)光下對(duì)具有干擾性的代表陰離子、氨基酸(10 μmol·L-1)和其它醇類物質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，包括C2O42-、CO32-、Cl-、NO3-、Hcy、Phe、Gly、Lys、Cys、Tyr、Glu、Ca2+、Na+、K+、Iso、Tol、But、For、Oct、Pet、Met。如圖6A所示，只有乙醇能夠引起PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度顯著降低，而其他的物質(zhì)并沒(méi)有引起PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度的明顯變化。顯然，PVP-Cu NCs可以作為對(duì)乙醇具有高度選擇性的熒光探針。

圖6 PVP-Cu NCs對(duì)乙醇的響應(yīng)性和靈敏性測(cè)試：(A)PVP-Cu NCs與不同分析物共存時(shí)的熒光強(qiáng)度變化;(B)不同乙醇含量對(duì)PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度的影響;(C)PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度隨乙醇含量變化的曲線;(D)PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度與乙醇含量線性關(guān)系圖Fig.6 Responsiveness and sensitivity tests of PVP-Cu NCs to EtOH：(A)changes of fluorescence intensity of PVP-Cu NCs in the presence of various analytes;(B)effect of different EtOH contents on fluorescence intensity of PVP-Cu NCs;(C)plot of fluorescence intensity of PVP-Cu NCs vs EtOH content;(D)liner relationship of fluorescence intensity of PVP-Cu NCs vs EtOH content

由于PVP-Cu NCs對(duì)乙醇有明顯的選擇性，為了研究PVP-Cu NCs對(duì)乙醇檢測(cè)的靈敏度，定量探究了不同乙醇含量對(duì)PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度變化的影響，所得熒光光譜如圖6B所示。結(jié)果顯示隨著乙醇含量(體積分?jǐn)?shù))的增大，PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度隨之減弱，當(dāng)乙醇含量達(dá)到80%時(shí)，PVP-Cu NCs的熒光完全猝滅，說(shuō)明PVP-Cu NCs對(duì)乙醇有較好的響應(yīng)性(圖6C)。圖6D為PVP-Cu NCs熒光強(qiáng)度與乙醇含量的線性關(guān)系，其線性方程為y=3 283.37-65.884 6x，R2=0.991 7，檢出限(LOD)為3.42%，與文獻(xiàn)報(bào)道的乙醇檢測(cè)方法相比，我們的方法實(shí)現(xiàn)了良好的靈敏度和準(zhǔn)確性檢測(cè)，如表1所示。

表1 不同材料對(duì)乙醇檢測(cè)的對(duì)比Table 1 Comparison of different nanomaterials for EtOH sensing

2.5 PVP-Cu NCs比色法檢測(cè)乙醇

為了考察PVP-Cu NCs對(duì)乙醇的響應(yīng)性，將PVP-Cu NCs溶液浸泡濾紙并干燥后，用365 nm的紫外燈照射。如圖7A所示，與空白對(duì)照(d)相比，濾紙發(fā)出強(qiáng)烈的橙色熒光(e)，然后在濾紙上滴加乙醇溶液，橙色熒光猝滅(f)。圖7B展示了將不同含量的乙醇溶液滴加到PVP-Cu NCs濾紙上后顏色的變化，可以看出隨乙醇含量的增加，濾紙顏色逐漸由橙色向藍(lán)色變化。此現(xiàn)象表明可利用PVP-Cu NCs設(shè)計(jì)一種檢測(cè)乙醇溶液或者蒸汽的可視化檢測(cè)試紙。為了更進(jìn)一步明確溫度和時(shí)間對(duì)PVP-Cu NCs檢測(cè)乙醇的影響，我們進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，如圖8所示。由圖8A可知，溫度在20～35℃范圍內(nèi)，PVP-Cu NCs溶液檢測(cè)乙醇沒(méi)有受明顯影響。圖8B則表明向PVP-Cu NCs溶液中加入乙醇1 min后，熒光強(qiáng)度就會(huì)迅速下降，但二者作用3 min左右，熒光強(qiáng)度幾乎不再發(fā)生改變，表明PVP-Cu NCs溶液檢測(cè)乙醇響應(yīng)時(shí)間需要約3 min。圖8C為PVP-Cu NCs試紙檢測(cè)乙醇的響應(yīng)時(shí)間，由于裸眼觀察與儀器測(cè)試的差別，試紙檢測(cè)乙醇響應(yīng)時(shí)間相對(duì)滯后，約為4 min。

圖7 (A)(a、d)空白濾紙、(b、e)浸染PVP-Cu NCs的濾紙及(c、f)其加入乙醇后在365 nm紫外光照射時(shí)的顏色變化;(B)浸染PVP-Cu NCs的濾紙加入不同含量乙醇后在365 nm紫外光照射時(shí)的顏色變化Fig.7 (A)(a,d)Color changes of blank filter paper,filter paper stained by PVP-Cu NCs in the(b,e)absence and(c,f)presence of EtOH under UV light at 365 nm;(B)Color changes of filter paper stained by PVP-Cu NCs after adding various contents of EtOH under UV light at 365 nm

圖8 溫度(A)和時(shí)間(B)對(duì)PVP-Cu NCs溶液檢測(cè)乙醇的影響;(C)PVP-Cu NCs試紙對(duì)乙醇的響應(yīng)時(shí)間Fig.8 Effect of temperature(A)and time(B)on detection of EtOH by PVP-Cu NCs solution;(C)Response time of PVP-Cu NCs test paper to EtOH

2.6 PVP-Cu NCs檢測(cè)乙醇機(jī)理探討

為了探究PVP-Cu NCs檢測(cè)乙醇的機(jī)制，我們首先測(cè)試了加入乙醇后PVP-Cu NCs的形貌和粒徑大小，如圖9所示。未加乙醇之前，PVP-Cu NCs為球形，且平均尺寸約為6.0 nm(圖4F)；加入乙醇之后，其TEM圖呈現(xiàn)不規(guī)則分布結(jié)構(gòu)(圖9A)，且經(jīng)DLS測(cè)試，發(fā)現(xiàn)粒徑增大到約100 nm(圖9B)，這一現(xiàn)象表明乙醇與PVP之間可能形成氫鍵，而氫鍵可誘使銅納米團(tuán)簇穩(wěn)定性降低，從而使熒光猝滅。為了證實(shí)這一猜測(cè)，隨后設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：在熒光猝滅的PVPCu NCs+EtOH體系中，我們分別加入還原劑AA和NaBH4(10 mmol·L-1)，發(fā)現(xiàn)該檢測(cè)體系的熒光可以恢復(fù)，如圖10所示。這種現(xiàn)象可能是由于AA可以將乙醇分解為酯和水，NaBH4則與乙醇發(fā)生反應(yīng)：NaBH4+4C2H5OH=B(OC2H5)3+4H2+NaOC2H5，從 而 使PVP-Cu NCs熒光恢復(fù)。這證實(shí)了乙醇誘導(dǎo)PVP-Cu NCs熒光猝滅是由于其改變了銅納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，使PVP-Cu NCs穩(wěn)定性降低后發(fā)生了聚集，從而誘導(dǎo)熒光猝滅。

圖9 檢測(cè)乙醇后PVP-Cu NCs的TEM圖(A)和粒徑分布(B)Fig.9 TEM image(A)and size distribution(B)of PVP-Cu NCs after EtOH detection

圖10 PVP-Cu NCs、PVP-Cu NCs+EtOH、PVP-Cu NCs+EtOH+NaBH4和PVP-Cu NCs+EtOH+AA的(A)熒光光譜圖及(B)在365 nm紫外燈下的照片F(xiàn)ig.10 (A)Fluorescence emission spectra and(B)photos under UV light at 365 nm of PVP-Cu NCs,PVP-Cu NCs+EtOH,PVP-Cu NCs+EtOH+NaBH4and PVP-Cu NCs+EtOH+AA

2.7 酒精飲料中乙醇的檢測(cè)

為驗(yàn)證該方法的實(shí)用性，將其應(yīng)用于啤酒中乙醇含量的測(cè)定。利用上述建立的檢測(cè)乙醇的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)際樣品的檢測(cè)，并通過(guò)建立的回歸方程曲線計(jì)算啤酒中的乙醇含量。如表2所示，啤酒中的回收率為100.2%～106.1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PVP-Cu NCs對(duì)各種酒品飲料中乙醇的定量檢測(cè)分析有著巨大的潛力。

表2 PVP-Cu NCs對(duì)加標(biāo)啤酒稀釋樣品中乙醇含量的檢測(cè)Table 2 Detection of EtOH content in spiked beer diluent sample by PVP-Cu NCs

3 結(jié)論

以CuCl2為原料、PVP為保護(hù)劑、MBT為穩(wěn)定劑、AA為還原劑合成簡(jiǎn)單化且穩(wěn)定性高的水溶性熒光銅納米團(tuán)簇(PVP-Cu NCs)。利用紫外光譜和熒光光譜對(duì)PVP-Cu NCs的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征，結(jié)果證明其在300～350 nm處出現(xiàn)吸收峰，在激發(fā)波長(zhǎng)為340 nm時(shí)測(cè)得最大發(fā)射峰為580 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PVP-Cu NCs的熒光強(qiáng)度受時(shí)間、紫外輻射和鹽效應(yīng)影響不大，說(shuō)明其具有良好的耐光漂白性和耐鹽性。物質(zhì)響應(yīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)PVP-Cu NCs對(duì)乙醇有較好的響應(yīng)性，且可制作為乙醇檢測(cè)試紙，對(duì)50%的乙醇溶液可進(jìn)行可視化檢測(cè)，有可能用于開(kāi)發(fā)乙醇檢測(cè)試紙。