基于GSH-CdTe的熒光檢測法用于水溶液中氟離子濃度的檢測

王逸飛+陳曉琴+范紅松

摘 要 飲用水中氟離子濃度與人類健康息息相關，氟離子濃度過高或過低都會引發不同的健康問題，因此準確檢測水中氟離子濃度使其保持在一定范圍內至關重要。本文以谷胱甘肽為穩定劑合成了具有優異熒光性質的量子點（GSH-CdTe），在加入不同濃度的氟離子后，通過檢測量子點的熒光強度變化從而得到氟離子濃度與熒光強度的擬合相關曲線，其檢出限為20nmoL/L，通過對照實驗發現其他陰離子的存在并不會干擾氟離子濃度的檢測，此方法操作簡單，檢出限比傳統的方法更低且更靈敏。

關鍵詞 熒光強度；氟離子；GSH-CdTe；團聚

中圖分類號 O6-3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0251-05

氟離子與人類健康有著密切的關系，一方面氟是人體必需的微量元素之一，適量的氟能維持機體正常代謝，有利于鈣和磷的利用以及在骨骼中沉積，加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度。機體中氟攝入不足會嚴重的影響牙齒和骨骼的健康，導致齲齒與骨質疏松等疾病。另一方面，人體攝入氟過量會造成氟中毒[ 1 ]，引發尿石病[ 2 ]，腎功能衰竭[3]，癌癥甚至導致死亡等[4]。因此精確而又快速的檢測飲用水中氟離子的濃度，使其保持在最佳范圍至關重要[ 5 ]。

目前，科學家已研究出多種方法用于氟離子濃度的檢測。如離子選擇性電極法[ 6 ]，色譜分析法[ 7 ]，熒光分光光度法[8]，動態光散射法[ 9 ]。盡管每種方法都有自己的優點和缺點，但基于熒光的氟離子檢測法卻以其低成本，高靈敏度及高選擇性等優點引起了科研工作者的廣泛關注。多種不同的納米材料比如Au[10]，C量子點[ 1 1 ]，Si納米線[ 1 2 ]，量子點[13，14]都已被作為熒光探針用于氟離子的檢測。其中量子點由于其獨特的大小，優異的電學和光學性質等優勢在用作氟離子熒光探針的檢測中具有廣泛的應用前景。但通常采用有機相合成的量子點反應條件苛刻，毒性高，水溶性差。因此，研究開發出具有優異光學性質的低毒性水溶性量子點用于檢測水溶液中氟離子濃度具有較大的應用前景。谷胱甘肽（GSH）是一種含巰基的生物寡肽，以GSH為穩定劑，通過巰基與Cd2+之間的絡合配位作用可以包裹在Cd2+的周圍，合成谷胱甘肽包裹的量子點。由于谷胱甘肽含有大量的羧基和氨基，因此能更好地提高量子點的水溶性及化學穩定性。此外，根據我們之前的研究報道[ 1 5 ]以谷胱甘肽為穩定劑合成的量子點具有更為優異生物安全性，因此在實際應用中更為安全環保。

本文以谷胱甘肽（GSH）為表面活性劑，合成了具有優異的熒光性質以及低毒性的水溶性CdTe量子點，并將其用于水溶液中氟離子的檢測，實驗結果表明，以GSH-CdTe為熒光探針，在檢測水溶液中氟離子濃度時具有較高的選擇性及敏感性，其檢出限低至0.1mg/L。本文中研究出的這種方法操作簡單，成本低廉，環保無毒，具有較強的離子選擇性，能做到特異性檢測，具有非常好的應用前景。

1 實驗與方法

1.1 儀器與試劑

碲粉（99.9%，分析純）購于天津光伏精細化工研究所，氯化鎘（99%，分析純）、NaBH4（99%，分析純）購于上海阿拉丁有限公司，谷胱甘肽（95%，Sigma，美國）。其它試劑如無特殊說明均為分析純，購自成都科龍試劑有限公司，實驗用水均為超純水（電阻率為18.2 MQ-cm）。

1.2 GSH-CdTe量子點的合成

GSH-QD的制備方法參考此前的研究報道[ 1 5 ]。首先將95毫升的超純水加入四口瓶中，然后加入1mmol還原性谷胱甘肽和4ml氯化鎘（0.1mol/L）溶液，形成Cd2+-GSH絡合物，用NaOH和HCL（1mol/L）將溶液的pH調到9，對溶液進行加熱同時向溶液中通入N2以去除體系中的氧氣等成分使體系保持在無氧狀態，當溫度上升至90℃時，在劇烈攪拌下迅速注入1ml新鮮制備的NaHTe水溶液（0.1mol/L），各反應物的摩爾比為Cd2+：Te：GSH=4：1：10，在氮氣保護下冷卻回流，待1小時后終止反應，待其冷卻后按1：1的比例加入異丙醇混合均勻后進行離心洗滌（15 000rmp，10分鐘），以除去過量的未反應物質，反復3次后將純化后的量子點溶于超純水中并避光保存在4℃備用。

1.3 量子點的表征

在室溫條件下，分別通過紫外分光光度計（PerkinElemer，Lambda 650）、熒光分光光度計（HITACHI，F-7000）對不同回流時間合成的量子點的光學性能進行表征，通過馬爾文粒度測試儀對合成的量子點的粒徑大小和表面電荷進行表征。通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM，TECNAI G2，F20 S-TWIN，FEI）對量子點的形貌尺寸及晶格結構進行表征。

1.4 水溶液中氟離子濃度檢測

在一定濃度的GSH-CdTe量子點溶液中分別加入不同濃度（0.25mg/L～50mg/L）的氟離子溶液。將混合樣放入搖床中震蕩孵育（100r/min），震蕩20min后取出，利用熒光分光光度計檢測混合液的熒光發射波長及其熒光強度，激發波長統一為400nm，電壓600v，測定溫度為25℃。利用原始數據繪制得到（F-濃度）/（增加的熒光強度）的標準曲線，通過校準數據3σ/k得到氟離子的檢測極限（LOD），其中σ是空白樣的標準偏差，k是標準曲線的斜率。

為了評估在有其它相關離子存在干擾的情況下，利用GSH-QD的熒光測定F-離子濃度是否有選擇性，實驗

同時設置了Cl-，Br-，I-，S-，SO4-，SO3-，HCO3-，HPO4-，CH3COOH-，H2PO4-等離子對GSH-QD熒光強度的影響，離子濃度為50mg/L。

2 結果與討論

2.1 熒光探針的表針

本文以還原性谷胱甘肽（GSH）為穩定劑，利用簡單快速的水相法制備了水溶性GSH-CdTe量子點，由于谷胱甘肽含有大量的羧基和氨基基團，因此以其為穩定劑制備的量子點極易溶于水溶液。產物在水溶液中的紫外-可見吸收光譜如圖1所示，吸收光譜顯示GSH-CdTe量子點有很寬的吸收范圍，曲線平滑，沒有單獨的吸收峰，由此可見，GSH-CdTe量子點可以被多種不同的激發波長所激發，而普通的有機熒光染料只能通過特定的波長進行激發，這個優勢使得GSH-CdTe量子點在檢測氟離子濃度時，對儀器的要求不那么苛刻，多數儀器都能檢測。圖1同時顯示了GSH-CdTe量子點的熒光發射光譜圖，由圖中可以看出，本文合成的GSH-CdTe量子點具有完全對稱的發射光譜，發射波長為538nm，其半峰寬（FWHM）較窄約為38nm，顯示本文中合成的量子點質量較好，尺寸分布較窄，具有優異的熒光性能可作為熒光探針使用。

圖2表征了制備的GSH-CdTe量子點的粒徑，結果顯示本文中合成的量子點具有良好的水溶性與單分散性，粒徑比較均勻，尺寸較小，在3nm～5nm之間。圖3高分辨透射電鏡顯示合成的量子點晶面清晰可見，具有優異的晶體結構，粒徑尺寸約為3nm～5nm，與測出的量子點粒徑吻合。

2.2 氟離子濃度檢測

本文通過熒光法考察了不同濃度的氟離子對谷胱甘肽包裹的量子點（GSH-CdTe）熒光發射強度的影響，此法方便快捷，且具有選擇性和特異性。量子點在合成過程中用谷胱甘肽做穩定劑及包裹劑，使得其表面存在了大量的基團，對量子點純化后再加入相應濃度的氟離子，通過熒光分光光度計檢測不同濃度的氟離子對量子點熒光強度影響。

2.2.1 氟離子濃度檢測標準曲線

圖4顯示了在中性條件下不同濃度的F-（0.25mg/ L～50mg/L）與GSH-QD共孵育后溶液的熒光發射圖譜。結果顯示隨著F-離子濃度的增加，量子點的熒光發射強度逐漸增大，在一定范圍內，熒光強度的增加與F-濃度呈較好的線性關系（R2=0.9856），通過校準數據3σ/k可算出GSH-QD熒光檢測法檢測F-離子濃度的極限（LOD）約為0.1mg/L，與離子選擇電極法相比具有一定的優勢。

2.2.2 特異性分析，離子選擇性分析

為了考察GSH-QD熒光探針檢測氟離子濃度的選擇性和特異性，以及是否會受其它背景離子的干擾影響，本文繼續驗證了其它常見離子對GSHQD熒光強度的影響。文中分別選用了50mg/L的Cl-（Na+），Br（K+），S2-（Na+），CO32-（Na+），SO4-（Mg2+），NO3-（K+），HCO3-（Na+），CH2COOH-（Zn2+），H2PO4-（Na+）做了對比實驗，這些都是較可能存在于飲用水中的干擾離子。圖5顯示這些離子對GSH-QD熒光探針的強度和靈敏度沒有明顯的影響，證明即使在有其它背景離子存在的情況下，GSH-QD熒光探針依然可以選擇性的檢測氟離子濃度，具有較好的特異性。

2.2.3 機理探討

谷胱甘肽量子點表面帶有大量的羧基，氨基基團，在中性環境下，GSH-CdTe由于顆粒之間形成NH-N鍵，顆粒間的電荷排斥力減小，在水溶液中比較容易自發團聚和非特異性吸附，引起熒光強度的降低。加入氟離子后，氟離子可與氨基形成更強的NH—F氫鍵并取代NH—N氫鍵，誘導團聚的GSH-QD顆粒重新分散，熒光強度得到恢復[ 1 6 ]。后面加入Cl-、NO3-、H2PO4-可使量子點團聚體略有分散；加入Br、CO32-、HCO3-、SO4-離子對量子點團聚體基本無影響也是由于電性強度不同；而加入S離子反而加劇了顆粒的團聚，我們猜想是因為S離子可能與重金屬離子鎘和碲形成絡合物因而導致團聚更厲害，熒光因此淬滅，因此，可根據量子點熒光強度的變化實現對氟離子的特異性檢測.

3 結論

本文基于GSH-CdTe的熒光強度變化，成功研究出了可方便快捷檢測水溶液中氟離子濃度的熒光探針，文中合成的量子點熒光探針尺寸在3nm～5nm之間，具有較好的熒光強度。在加入不同濃度的氟離子后，量子點探針的熒光強度得到了顯著的提高，并具有較好的線性關系。校準曲線顯示本文研發的熒光探針最低可以檢測0.1mg/L的氟離子濃度。通過與其它離子對比研究發現，熒光探針的靈敏度并不會受到氟離子以外的其它離子的干擾，證明利用GSH-QD熒光探針檢測水溶液中氟離子濃度具有選擇性和特異性。本文提出的氟離子濃度檢測法操作簡單，價格低廉，檢測靈敏度高且具有選擇特異性，可用于檢測飲用水，生物環境中氟離子濃度的檢測。

參考文獻

[1] S. Ayooba， A. K. Guptaa， Fluoride in Drinking Water： A Review on the Status and Stress Effects，Crit. Rev. Env. Sci. Tech. 2006， 36， 4330487.

[2] Singh， P. P.； Barjatiya， M. K.； Dhing， S.； Bhatnagar， R.； Kothari， S.； Dhar， V. Evidence Suggesting that High Intake of FLuoride Provokes Nephrolithiasis in Tribal Population. Urol. Res. 2001， 29， 2380244.

[3] Cittanova， M.L.； Lelongt， B.； Verpont， M.C. Fluoride Ion Toxicity in Human Kidney Collecting Duct Cells. Anesthesiology 1996， 84， 428–435.

[4] Bassin， E. B.； Wypij， D.； Davis， R.B. AgeSpecific Fluoride Exposure in Drinking Water and Osteosarcoma （United States）. Cancer Cause. Control 2006， 17（4）， 421–428.

[5] Gilles， D； Loehr， R. Waste Generation and Minimization in Semiconductor Industry. J. Environ. Eng.， 1994， 120：1（72）， 72-86.

[6]. Frant， M. S.； Ross， J. W. Electrode for Sensing Fluoride Ion Activity in Solution. Science 1966，154， 155301555.

[7] Stefan， R. I.； van Staden， J. F.； Aboul0Enein，H. Y. Determination of Fluoride in Toothpaste，Effluents Streams and Natural and Borehole Water Using a Flow Injection System with a Fluoride Selective Membrane Electrode. Pharm. Acta Helv. 1999， 73， 307–310.

[8]Culik， B. Microdiffusion and Spectrophotometric Determination of Fluoride in Biological Samples. Anal. Chim. Acta 1986， 189， 3290337.

[9]WANG Qing，YANG Li—Yan，LIU Jian—Bo，YANG Xiao—Hai，WANG Ke—Min，JI Hai—Ning，LIU Yan.Chem.Dynamic Light Scattering for Fluoride Ions Detection. J.Chinese Universities [J]，2012，33（10）：2195—2198.

[10]Watanabe， S.； Seguchi， H.； Yoshida， K.； Kifune， K. Colorimetric Detection of Fluoride Ion in an Aqueous Solution using a ThioglucoseCapped Gold Nanoparticle. Tetrahedron Lett. 2005， 46， 8827 – 8829.

[11]Basu， A.； Suryawanshi， A.； Kumawat， B.； Dandi，A.； Guin， D.； Ogale， S. B. Starch （Tapioca） to Carbon Dots： an Efficient Green Approach to an On–Off–On Photoluminescence Probe for Fluoride Ion Sensing. Analyst 2015， 140， 1837 – 1841.

[12]Wang， H.； Fan， P.0H.； Tong， B.； Dong，Y.0P.； Ou， X.0M.； Li， F.； Zhang， X.0H. Hydrogen-Terminated Si Nanowires as Label0Free Colorimetric Sensors in the Ultrasensitive and Highly Selective Detection of Fluoride Anions in Pure Water Phase. Adv. Funct. Mater. 2015， 25，1506 – 1510.

[13]Mulrooney， R. C.； Singh， N.； Kaur， N.； Callan，J. F. An “Off–On” Sensor for Fluoride using Luminescent CdSe/ZnS Quantum Dots. Chem. Commun. 2009， 686 – 688.

[14]Jianbo Liu， Xiaohai Yang， Kemin Wang， Ronghua Yang， Haining Ji， Liyan Yang， Chunlei Wu. A switchable fluorescent quantum dot probe based on aggregation/disaggregation mechanism. Chem. Commun.， 2011，47， 935-937.

[15]Xiaoqin Chen ， Yajun Tang ， Bing Cai and Hongsong Fan. ‘One-pot synthesis of multifunctional GSH–CdTe quantum dots for targeted drug Delivery. Nanotechnology， 2014，25， 235101.

[16]Jianbo Liu， Xiaohai Yang， Kemin Wang，* Ronghua Yang， Haining Ji， Liyan Yang and Chunlei Wu，A switchable fluorescent quantum dot probe based on aggregation/disaggregation mechanism， Chem. Commun， 2011， 47， 935–937.