基于氮摻雜硅量子點檢測Cr(Ⅵ)的熒光傳感新方法

吳一微,董 淼,曹 杰

(1.稀有金屬湖北省協同創新中心,污染物分析與資源化技術湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435000;2.湖北師范大學 化學化工學院,湖北 黃石 435002)

0 引言

Cr(Ⅵ)具有強氧化性,是毒性很大的一級致癌物[1],能夠導致人體皮膚損傷、肺癌以及腎臟功能損害,對人體健康造成極大危害。因此建立一種簡單、靈敏、快速檢測Cr(Ⅵ)的方法具有重要意義。目前,常見的Cr(Ⅵ)檢測方法主要有原子吸收光譜法[2]、熒光光譜法[3]和比色法[4]等,其中熒光法因其具有操作簡單、靈敏度高、選擇性好等優點受到了廣泛關注。

基于以上調研,本文利用氮摻雜硅量子點(N-SiQDs)作為熒光探針,嘗試建立快速檢測不同基體樣品中Cr(Ⅵ)的熒光傳感新方法。該方法具有操作簡單、靈敏度高、速度快、成本低廉等優點。已經成功用于環境水樣和食物樣品中Cr(Ⅵ)的含量檢測,結果令人滿意。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

1.1.1 試劑 N-SiQDs(本課題組自行研制);K2Cr2O7(分析純天津博迪化工股份有限公司);其他金屬離子(分析純天津市科密歐化學試劑有限公司)。

1.1.2 儀器 紫外可見分光光度計(日本, U-3010);熒光分光光度計(日本, F-4700);微波化學反應器(中國, MCR-3);熒光壽命光譜儀(英國, FLS 980)。

1.2 實驗方法

1.2.1 N-SiQDs用于Cr(Ⅵ)的檢測 將0.77 mM N-SiQDs和625 μL 100 mM PBS緩沖溶液(pH 7.0)在室溫下混合10 min,隨后,在上述混合溶液中分別加入不同濃度的K2Cr2O7標準溶液,用二次去離子水定容至5.0 mL,室溫下超聲30 s,在360 nm激發波長下,用熒光分光光度計記錄所得溶液的熒光光譜。

1.2.2 樣品預處理 水樣:取自湖北師范大學青山湖、三角荷塘以及本實驗室自來水,分別以10 000 rpm離心10 min,所得溶液用0.45 μm濾膜過濾。 紅酒:從學校超市購入,分別以10 000 rpm離心10 min,所得溶液用0.45 μm濾膜過濾。 菊花茶:將菊花茶茶包(從黃石超市購買)浸泡在50 mL的二次去離子水中,煮沸10 min,所得溶液用0.45 μm濾膜過濾。 牛奶:取1 mL牛奶(從黃石超市購買),以12 000 rpm高速離心15 min,棄去上層脂肪,取用下層液體。

1.2.3 實際樣品中Cr(Ⅵ)的檢測 將0.77 mM N-SiQDs,625 μL 100 mM PBS緩沖溶液(pH 7.0)在室溫下混合均勻,然后分別加入一定體積的水樣、葡萄酒、菊花茶、牛奶樣品,用二次去離子水定容至5 mL,超聲30 s,在360 nm激發波長下,用熒光分光光度計記錄所得溶液的熒光光譜。

2 結果與討論

2.1 N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的原理

圖1列出了水溶性N-SiQDs的微波合成路線及其用于檢測Cr(Ⅵ)的熒光猝滅原理。我們以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和乙二胺四乙酸二鈉鹽為原料,在180℃下微波加熱10 min,快速合成了水溶性的N-SiQDs,其熒光量子產率為18.3%,由于Cr(Ⅵ)與N-SiQDs之間的內濾效應,N-SiQDs的熒光被顯著猝滅,基于此現象,建立了一種靈敏檢測Cr(Ⅵ)的熒光傳感新方法。

圖1 N-SiQDs的形成過程和Cr(Ⅵ)的檢測原理

2.2 N-SiQDs熒光探針的熒光光譜和紫外可見吸收光譜表征

圖2是N-SiQDs的熒光光譜和紫外可見吸收光譜,λex=360 nm,λem= 445 nm,最大紫外吸收波長為295 nm,紫外燈照射下溶液顏色為藍色。

圖2 N-SiQDs的熒光光譜和紫外-可見吸收光譜

2.3 N-SiQDs熒光探針的選擇性

圖3 N-SiQDs對各種金屬離子的選擇性(N-SiQDs: 0.77 mM,[Mn+]: 15 μg mL-1, I0/I表示初始熒光強度/最終熒光強度)

為了探究N-SiQDs熒光探針的猝滅機理,我們研究了Cr(Ⅵ)和N-SiQDs的紫外吸收光譜及熒光光譜。如圖4(a)可見,Cr(Ⅵ)在313～450 nm處有較寬的紫外吸收,N-SiQDs在350 nm處也有一條較寬的激發帶,其最大發射波長為440 nm.Cr(Ⅵ)的紫外吸收譜圖與N-SiQDs的激發譜圖重疊,因此我們推測N-SiQDs熒光猝滅的機理可能是:Cr(Ⅵ)與N-SiQDs之間存在內濾效應,導致N-SiQDs熒光猝滅。如圖4(b)為Cr(Ⅵ)與N-SiQDs及N-SiQDs+ Cr(Ⅵ)的紫外吸收譜圖,可見并未產生新峰,即并未產生新物質,因此說明Cr(Ⅵ)與N-SiQDs之間存在內濾效應,導致N-SiQDs熒光猝滅。說明在Cr(Ⅵ) 猝滅N-SiQDs熒光的過程中內濾效應起主導作用。為了進一步探究N-SiQDs熒光探針的猝滅機理,我們測量了N-SiQDs在與Cr(Ⅵ)混合前后的熒光壽命(τ0,τ1)。結果如圖4(c)所示,其熒光壽命未發生明顯變化(τ0=13.14 ns,τ1=12.69 ns),證明了這是一個靜態猝滅過程。

圖4 (a) Cr(VI)的紫外-可見吸收光譜和N-SiQDs的熒光激發和發射光譜,(b) Cr(VI)、N-SiQDs和N-SiQDs+Cr(VI)的紫外-可見吸收光譜,(c)在360 nm激發下加入Cr(Ⅵ)前后的N-SiQDs的熒光壽命衰減曲線

2.4 N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)新方法的條件優化

2.4.1 pH值優化 在固定Cr(Ⅵ)的濃度為7 μg·mL-1,N-SiQDs濃度為0.77 mM時,考察了pH對N-SiQDs熒光猝滅程度的影響。結果如圖5(a)所示,在pH 4～7時隨著酸性減弱N-SiQDs的熒光猝滅效率逐漸增加,在pH 7～12時N-SiQDs的熒光猝滅效率達到最大并保持穩定,考慮到該方法未來可能運用到生物樣品的檢測。因此,選擇pH 7的PBS緩沖溶液為最佳條件。

圖5 (a) pH對N-SiQDs熒光猝滅效率的影響(N-SiQDs: 0.77 mM, Cr(VI): 7 μg·mL-1 ),(b) N-SiQDs對Cr(VI)響應時間的優化(N-SiQDs: 0.77 mM, Cr(VI): 10 μg·mL-1),(c) N-SiQDs用量對熒光傳感平臺測Cr(VI)的影響(Cr(VI): 10 μg·mL-1).

2.4.2 反應時間優化 圖5(b)反映了在Cr(Ⅵ)存在下,反應時間(0.5～30 min)對N-SiQDs熒光強度的影響。從圖中可以看出,Cr(Ⅵ)存在時,N-SiQDs熒光探針的熒光強度在(0.5～30 min)內保持不變,說明N-SiQDs對Cr(Ⅵ)的響應較快。因此,綜合考慮選擇0.5 min為最佳條件。

2.4.3 N-SiQDs用量優化 為了獲得最佳的靈敏度,對N-SiQDs的用量進行了優化。將Cr(Ⅵ)濃度固定在10 μg·mL-1,在pH 7的12.5 mM PBS緩沖溶液中,考察N-SiQDs的用量對熒光強度比值的影響,結果如圖5(c)所示,N-SiQDs的濃度在(0.77～4 mM)范圍內,該熒光探針熒光強度的比值基本不變。因此,綜合考慮N-SiQDs最佳用量為0.77 mM.

2.5 N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的分析性能

在最優條件下,進一步探究了N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的分析性能。將不同濃度的Cr(Ⅵ)標準溶液分別加入0.77 mM的N-SiQDs溶液中。結果如圖6所示,從圖6(a)中可見,N-SiQDs熒光強度隨Cr(Ⅵ)濃度(0.5～5.0 μg·mL-1和5～12 μg·mL-1)的增加呈線性下降。圖6(b)表示N-SiQDs熒光強度的比值(I0/I)與Cr(Ⅵ)濃度的線性關系,發現I0/I分別在0.5～5.0 μg·mL-1和5.0～12.0 μg mL-1這兩個濃度范圍呈線性關系,其線性方程分別為I0/I=0.144 06C+0.953 7 (R2=0.992 7)和I0/I=0.0.288 48C+0.215 9 (R2=0.994 0),RSD=0.56%,檢出限(LOD)為0.16 μg·mL-1.

圖6 (a)N-SiQDs熒光探針在不同濃度Cr(Ⅵ)存在下的熒光發射光譜(0.5～12 μg mL-1),(b) I0/I與之相應的Cr(Ⅵ)濃度關系圖(N-SiQDs: 0.77 mM, λex=360 nm).

將建立的N-SiQDs熒光檢測Cr(Ⅵ)的方法與其他方法做了比較,結果如表1所示,從表1中可以看出與原子火焰吸收光譜法、電化學法等非熒光方法相比[5,6],本方法的LOD低于Ye等[5,6]工作,高于Li等[7,8]研究,且具有操作簡單、選擇性好、靈敏度高的優勢,和其它熒光傳感方法相比[7,8],本方法的量子產率高于Zhang[8]的工作,低于Li[7]的研究,也具有一定的優勢,同時反應時間較絕大多數方法快[5～8]。

表1 本方法與其它Cr(Ⅵ)傳感平臺性能比較

2.6 實際樣品檢測

為了探索N-SiQDs熒光探針檢測Cr(Ⅵ)的可行性和現實應用,我們在最佳條件下,對環境水樣、菊花茶、紅酒和牛奶中的Cr(Ⅵ)進行分析。結果如表2所示,我們成功測出不同加標濃度的Cr(Ⅵ),回收率為88.1%～106.8%,標準偏差(RSD)小于2% (n=5),說明N-SiQDs熒光探針在檢測不同環境水樣和食物樣品中Cr(Ⅵ)含量方面具有較好的應用潛力,抗干擾能力強。

表2 實際樣品中Cr(VI)的測定

3 結論

綜上所述,以N-SiQDs為探針,基于Cr(VI)對N-SiQDs的內濾效應,引起N-SiQDs的熒光猝滅,建立了一種靈敏檢測Cr(VI)的傳感新方法。本方法具有選擇性好、樣品前處理簡單、操作簡便、成本低廉、速度快等優點,且已成功用于不同基體樣品中Cr(VI)的檢測,對于環境水樣和食品中Cr(VI)的監測具有應用推廣價值。