基于量子点的荧光传感微流纸基芯片离子印迹法检测铜离子

王欣然等

摘 要 基于离子印迹技术，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为功能单体，正硅酸乙酯（TEOS）作为交联剂，以铜离子（Cu2+）为模板离子，利用表面印迹法在室温下pH=6.5的水溶液中反应，于玻璃纸的表面合成印迹聚合物。玻璃纤维纸的表面经过活化、接氨基处理，接枝碲化镉量子点，成为具有荧光传感性能的基底，而接枝在其表面的离子印迹聚合物增强了体系的选择性，线性范围为0.032～3.20 mg/L，检出限为0.012 mg/L。将其应用于湖水及海水样品中加标Cu2+含量的检测，并与ICP-MS检测的结果进行了比较，结果表明，这种基于荧光传感的印迹纸芯片具有良好的分析性能。

关键词 纸芯片； 离子印迹聚合物； 铜离子； 碲化镉量子点

1 引 言

铜作为一种重金属元素，是一种生命有机体必需的微量元素，与人类健康密切相关[1，2]。但当体内铜含量过高时，会对肝脏等器官造成负担，新陈代谢发生紊乱，造成肝腹水、肝硬化等疾病。目前，在机械制造、建筑工业、医疗等领域中，铜材料的过度使用和不恰当处理导致其成为重金属污染物之一，控制和监测水体中Cu2+的含量已成为人们关注的热点问题。

人们已将离子印迹聚合物作为高选择性材料，分离水体样品中的Cu2+[3，4]。离子印迹技术是在分子印迹技术基础上发展起来的，对模板离子具有高选择性识别能力[5，6]。金属离子与配合物通过螯合作用结合，在交联剂、引发剂的作用下发生聚合，聚合后将金属离子洗脱，可得内部含有孔穴的印迹聚合物，该孔穴与模板离子的形状和大小相符，可与特定的金属离子结合[7]。微流控芯片（Microfluidic chip）又称为芯片实验室，将多种单元技术灵活组合并规模化集成在微小可控的平台上，实现了仪器设备的便携化、高效化、智能化[8，9]。纸芯片作为微流控芯片的分支，是当前研究的热点之一[10～12]。它利用纸张作为基底，代替了常见的玻璃、PDMS等加工材料，通过紫外光刻[13]、喷蜡打印[13，14]、等离子体处理[15]、丝网印刷[16]等加工技术，可在纸上加工出具有一定结构的亲/疏水微细通道网络及相关分析器件，构建微流控纸分析设备，与其它材料相比，纸芯片具有很多优势：轻薄、易变形，方便运输和储存；生物相容性好，可降解；自身多孔结构无需外力驱动运输样品；便于实现大规模生产等[17，18]。自 2007年Martinez等[19]首次提出微流控纸芯片概念后，微流控纸芯片分析技术得到了快速发展[19]。对一些发展中国家、偏远地区的临床医学检验有重大意义，在医学、生物学、化学领域有良好的应用前景。

本研究将碲化镉量子点（CdTe QDs）接枝在经处理的玻璃纤维纸表面，制得荧光响应基底。利用表面印迹技术在量子点表面合成以Cu2+为模板的印迹聚合物（Cu-IIP@ CdTe QDs），所得到的纸片能够选择性吸附溶液中的Cu2+，由于 Cu2+对碲化镉量子点的荧光有猝灭作用，因此可以通过荧光信号的变化对溶液中Cu2+的含量进行分析。研究结果表明，此印迹纸芯片可以准确、快速检测水体样品中的Cu2+。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

S-4800冷场发射扫描电镜（日本Hitachi公司）；FluoroMax-4荧光光谱仪（Horiba Scientific公司）；Milli-Q超纯水系统（美国 Millipore公司）；PHS-3C数字酸度计。

NaBH4、CdCl2、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸（EDC）均购自阿拉丁公司；3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES， Sigma-Aldrich公司）；其它试剂均为国产分析纯试剂，玻璃纤维滤纸购于山东德州蓝天环境监测用品厂。实验用水为二次蒸馏水。

2.2 合成水溶性碲化镉量子点

根据Xu等[20]报道的方法合成CdTe QDs。称取68.4 mg CdCl2溶于75 mL二次蒸馏水水中，加入药 63 μL巯基乙酸，用1 mol/L NaOH快速调节至pH 9.0～9.2，通氮气20 min。另取38.3 mg碲粉和40.0 mg NaBH4，加入1.5 mL乙醇和0.5 mL二次蒸馏水后密封，放置于40℃水浴中加热反应4 h。取1 mL淡紫色上层清液（NaHTe），迅速加入到之前制备的CdCl2溶液中，氮气保护下回流2 h，便得到黄绿色的CdTe QDs，其发射波长在545～560 nm之间。量子点溶液需避光保存，60天内荧光强度不会发生明显变化。

2.3 制作荧光传感的玻璃纸基底

将玻璃纤维纸裁剪成1.5 cm×1.5 cm，浸于0.2 mol/L HCl溶液中活化30 min。取出后浸于20 mL 50%（V/V）乙醇中，并加入200 μL APTES进行接氨基处理，培育2～4 h，取出并以去离子水洗去多余乙醇，纸片留存备用。

经巯基乙酸修饰的CdTe QDs需要经过EDC/NHS催化才能接枝在含有大量氨基的玻璃纤维纸上。EDC及NHS均以pH=5.2的MES缓冲溶液配制而成，取10 mL制备好的量子点溶液，加入6 mL 20 mg/mL EDC及6 mL 10 mg/mL NHS。将接氨基处理后的纸片浸泡到此溶液中，避光培育12 h以上，得到表面接枝量子点的纸片。

2.4 合成铜离子印迹聚合物（Cu-IIP）

取1 mL 100 mg/L CuCl2溶液于20 mL水中，加入APTES 40 μL，振荡20 min，进行预聚合。加入50 μL氨水和50 μL TEOS，继续振荡30 min。开始聚合后，将接有量子点的纸片浸入其中，选择80～100 r/min转速振荡4 h，得到接枝Cu-IIP的纸片，此过程体系需避光处理。另配制不加CuCl2的无模板对照组（NIP），其它条件不变，培育同样的荧光纸片。选择EDTA作为洗脱剂洗脱Cu2+。

2.5 吸附性能

静态吸附实验：将Cu-IIP@QDs纸片浸泡于10 mL，pH=6.5的不同浓度Cu2+溶液中，浓度分别为0， 0.032， 0.32， 0.64， 0.96， 1.28和1.60 mg/L。室温条件下振荡培育纸片，15 min后将纸片取出，用荧光光谱仪检测荧光强度。将培育前后纸芯片荧光的变化F0/F作为参数，绘制标准曲线，考察纸芯片的性能。

动态吸附实验：称取10 mL 0.96 mg/L Cu2+溶液，室温条件下振荡培育Cu-IIP@QDs纸片0～28 min，测定不同时间的荧光强度，绘制动力学吸附曲线。3 结果与讨论

3.1 形貌表征

采用冷场发射扫描电镜（SEM）对纸片上量子点及Cu-IIP的形貌进行表征，由图1可见，未处理的玻璃纤维表面存在杂质且纤维之间空隙较大（图1A）；接枝量子点后，量子点黏附在纸纤维表面，并悬挂在纤维之间（图1B）；合成的Cu-IIP与量子点连接，黏附于玻璃纤维（图1C）；量子点和Cu-IIP均匀分散在玻璃纤维上（图1D）。

3.2 纸芯片荧光猝灭机理

如图2A所示，Cu-IIP经过交联剂的作用可以与量子点连接，在量子点表面形成印迹层，Cu2+可以通过配合物中的化学键与CdTe QDs相互作用，其电荷与量子点表面发生电子转移，弥补量子点表面的电荷空穴，因而导致量子点荧光猝灭[21]，而洗去Cu2+后，荧光可以恢复。图2B显示了量子点、未洗模板时的Cu-IIP@QDs纸芯片、洗去模板后的Cu-IIP@QDs纸芯片以及未加模板的NIP纸芯片的荧光强度对比。当Cu2+聚合物与量子点接枝后，对量子点的荧光猝灭效果十分明显（图2B中未洗模板），而洗脱Cu2+后荧光得到部分恢复（图2B中洗去模板），未加入模板的NIP对照组荧光较强，但仍然低于量子点溶液的荧光强度。

3.3 实验条件的优化

裸纸的预处理经过活化和接氨基两步。为暴露玻璃纤维表面的羟基，保证有足够的位点接枝量子点，需用HCl浸泡进行活化。将裸纸浸泡在0.05， 0.1， 0.2和0.3 mol/L HCl溶液中30 min，得到的荧光强度如图3A所示，选择0.2 mol/L HCl作为活化溶液。接氨基时，每片1.5 cm×1.5 cm大小的纸片使用200 μL APTES即可得到足够强的荧光（图3B）。考察pH值对Cu-IIP@QDs纸芯片的影响时，将Na2HPO4-NaH2PO4作为缓冲体系，由于过酸或过碱的条件都会对量子点的荧光强度有影响，因此选择在5.25～8.35范围内调节pH值（图3C）。在pH=6.5时，荧光强度变化最大，印迹聚合物对Cu2+的结合效果最好。由于采用表面印迹法进行聚合，使用EDTA可以在很短时间内将Cu2+洗脱下来，而当EDTA浓度过高时，会猝灭量子点的荧光（图3D）。因此， 选择使用0.1 mmol/L EDTA快速漂洗的方法进行模板洗脱。最后用水漂洗，除去多余的EDTA。

3.4 Cu-IIP@QDs纸芯片吸附性能

静态吸附实验考察了Cu-IIP@QDs纸芯片的检出限和线性范围。Cu-IIP@ QDs纸芯片检测Cu2+浓度范围为0.032～3.20 mg/L的荧光强度（图4A），吸附15 min。与NIP（图4B）相比，在同样的浓度范围内，强度降低较为明显，荧光猝灭效果显著；纸芯片初始荧光强度F0与培育后荧光强度F的比值随着Cu2+浓度的增加而增大（图4C），Cu-IIP标准曲线的斜率较大， 而NIP标准曲线的斜率较小，且Cu-II标准曲线的线性系数为0.9953，最低检测浓度可以达到0.012 mg/L，5次重复测定的相对标准偏差（RSD）为4.9%。实验证明了Cu-IIP@QDs纸芯片对Cu2+有较为灵敏的响应能力。动态吸附实验表明，Cu-IIP@QDs纸芯片吸附在15 min后达到平衡，因此本实验中考察其它性能时的吸附时间为15 min。

3.5 选择性和稳定性

选择浓度均为20 μmol/L的Na+， K+， Ca2+， Mg2+， Zn2+， Ni2+， Co2+， Cd2+， Hg2+， Pb2+， Fe3+和Cu2+，对Cu-IIP@QDs纸芯片的选择能力进行考察，吸附时间均为15 min。如图4E所示，在考察的11种离子中，只有Cu2+能显著降低荧光强度，除Cu2+外，只有Pb2+和Hg2+能使纸芯片的荧光稍有猝灭。另外，纸片的稳定性也是影响实际应用的重要指标之一。选择了同一张纸芯片的20个位点进行检测。结果表明，荧光强度差异小于15%。纸芯片需在低温（4℃）避光环境下保存，检测前使其湿润，此荧光传感纸片的有效时间可达到30天。

3.6 实际样品中Cu2+含量的检测

取自然环境中的水样对铜离子印迹纸芯片的实际应用能力进行检测。水样取自烟台大学三元湖湖水及烟台市莱山区附近海水，进行4个浓度水平加标实验，浓度分别为2， 15， 30和50 μmol/L，为对比方便，换算为mg/L。将样品过滤并以Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液调节pH至6.5～7.5，吸附时间为15 min。对湖水、海水加标样品检测的回收率和RSD如表1所示，印迹纸芯片的检测结果与ICP-MS的检测结果一致。

4 结 论

本研究制作了荧光纸基芯片，并利用表面印迹技术，将APTES作为功能单体， TEOS作为交联剂，在玻璃纤维纸的表面合成了铜离子印迹聚合物层，通过Cu2+与碲化镉量子点之间的电子转移作用导致荧光猝灭，从而定量分析水体样品中Cu2+。这种Cu-IIP@QDs纸片制作方法简单、成本较低、便于携带并且具有较高的选择性和灵敏度，在现场即时检测方面具有良好的应用前景。

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