半导体聚合物量子点-亚甲基蓝荧光能量转移体系测定水中Bi3+

刘义章， 孙军勇， 王 磊， 周 凯， 巩振虎

(1. 滁州职业技术学院， 安徽 滁州 239001； 2. 安徽师范大学 化学与材料科学学院， 安徽 芜湖 241000)

半导体聚合物量子点-亚甲基蓝荧光能量转移体系测定水中Bi3+

刘义章1*， 孙军勇2， 王 磊1， 周 凯1， 巩振虎1

(1. 滁州职业技术学院， 安徽 滁州 239001； 2. 安徽师范大学 化学与材料科学学院， 安徽 芜湖 241000)

基于半导体聚合物量子点和亚甲基蓝间的荧光共振能量转移构筑了一种铋离子荧光探针。亚甲蓝通过静电作用吸附到半导体聚合物量子点表面使其荧光发生猝灭。铋离子存在时，由于它与半导体聚合物量子点的结合力强于亚甲蓝，使体系的能量转移得到抑制，荧光恢复。在最优化条件下，线性范围为0～0.5mol/L(R=0.995 5)，最低检出限为16 nmol/L。该方法成功用于湖水中的Bi3+测定，结果令人满意。

半导体聚合物量子点(Pdots)； 亚甲基蓝(MB)； 荧光共振能量转移； Bi3+

Abstract: A novel fluorescence nanosensor for Bi(Ⅲ) ions determination was developed based on the fluorescence resonance energy transfer from semiconducting polymer dots to methylene blue. The methylene blue attached to semiconducting polymer dots by electrostatic interaction, leading to fluorescence quenching of the fluorophores. When Bi ion was added, it coordinated more strongly with the carboxyl-functionalized semiconducting polymer dots than methylene blue, which made the methylene blue detached from semiconducting polymer dots and interrupted luminescence energy transfer, allowing recovery of fluorescence. Such fluorescence responses can be used for well quantifying Bi ions in the range of 0-0.5 μmol/L with a 16 nmol/L detection limit. The proposed sensing system has been successfully used for the assay of Bi ions in lake water.

Keywords: semiconducting polymer dots(Pdots); methylene blue; fluorescence resonance energy transfer; Bi(Ⅲ) ions

1 引 言

基于荧光物质的光物理和光化学性质建立的荧光分析技术(如荧光检测、荧光成像)是化学/生物传感、生物医学以及生命科学等研究领域中一种广泛采用且行之有效的研究工具。荧光分析技术通常需要借助荧光探针来输出检测信号或作为成像分析的造影剂[1-5]。荧光探针检出限或成像分辨率与荧光材料的荧光强度、稳定性有较大关系；传统的有机分子存在荧光弱、光漂白性能差等缺点，使得基于此的荧光技术应用受限。半导体聚合物量子点(Pdots)荧光探针是一类最近发展起来的新型荧光材料，其高亮度荧光、紧致结构、高光吸收截面、良好的光稳定性、易于发生共振能量转移以及容易进行表面功能化修饰等性能[6-10]，特别适合于开发小尺寸、高亮度、无毒、稳定的纳米荧光探针，为荧光成像技术的发展提供了有效的标记方法，在环境科学、生物检测、细胞生物学及临床医学等领域显示了广阔的应用前景[11-13]。

铋的化合态较多应用于临床医学[14]。食用碳酸氧铋和硝酸氧铋可治疗肠胃病和皮肤损伤等，但大量食用含铋药物会使铋离子沉积于脑部和肾脏中，从而导致记忆力变差、尿毒症、肝肾功能损伤等疾病。目前，铋离子的测定主要有电感耦合等离子体法[15-19]、电化学法[20-21]和原子荧光光谱法[22]等。在多种分析技术中，荧光分析技术有选择性好、灵敏度高、分析特征参数多等诸多优点，广泛应用于环境中的离子检测。

基于Pdots诸多优良特性，本文采用羧基功能化的Pdots作为能量供体，通过选择合适的材料作为能量的受体，构建了“打开型”荧光传感器，实现了环境样品中金属离子含量的定量分析。在水溶液中，亚甲基蓝和Pdots作用形成 Pdots-MB复合物，从而体系荧光快速猝灭；而当向该体系中加入Bi3+后，随着Bi3+浓度的不断增加，体系的荧光逐渐恢复。利用这一特性，我们设计出环境水质中铋离子的灵敏测定新方法。该方法具有分析速度快、灵敏度高、光稳定性好、线性范围宽和无毒性等诸多优点，为应用于生命体中Bi3+的测定奠定了基础。

2 实 验

2.1 试剂与仪器

实验中使用的试剂主要有聚芴-苯并噻二唑交替共聚物(PFBT)(美国 ADS)、聚(苯乙烯-co-马来酸酐)(PSMA)(美国 Sigma)、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(Hepes，上海 生工)和四氢呋喃(THF、99.9%，Sigma)，其他试剂均为国产分析纯。

样品表征使用仪器主要有日本日立公司的UV-3010紫外-可见分光光度计和H-600型透射电子显微镜、数显型旋转蒸发仪(德国，IKA)、超声波清洗器(美国，必能信)、美国PE公司的LS55荧光分光光度计(1 cm×1 cm的石英比色皿，DLS激光动态光散射仪)、恒温培养震荡器(上海、世平)和恒温磁力搅拌器(德国，IKA)等。

2.2 Pdots制备

将聚芴-苯并噻二唑交替共聚物(PFBT)、聚(苯乙烯-co-马来酸酐)(PSMA)分别溶于有机溶剂THF中，配成质量浓度为1 mg/mL 的原始溶液。分别移取250 μL PFBT和50 μL PSMA储备液，用THF定容至5mL，并超声震荡使溶液混合均匀。将上述溶液在超声震荡条件下快速注入10 mL超纯水中，并保持5～6 min。再将所得混合溶液加热至95 ℃通N2除去溶液中的THF。最后，定容并用0.22 μm水相滤头将上述溶液过滤，获得水分散良好的半导体聚合物量子点(Pdots)溶液，避光密封保存于4 ℃冰箱中备用。

2.3 Bi3+含量测定

3 结果与讨论

3.1 羧基功能化的Pdots的表征

如图1(a)所示，通过纳米沉淀法制得水分散性良好的功能化半导体聚合物点(Pdots)水溶液，测得其吸收峰在455 nm，荧光发射峰在545 nm。在紫外灯的照射下，溶液呈现橙黄色。图1(b)是羧基功能化的Pdots的动态光散射粒径分布图和TEM图。从图中可以看出，功能化的Pdots是分散性较好、大小均一的球形颗粒，粒径约为30 nm，且未发现聚集现象。从其动态光散射粒径分布图看，粒径大小与TEM图相吻合。

3.2 对照实验

扶贫资金是贫困群众的“救命钱”“保命钱”和减贫脱贫的“助推剂”，对加快贫困地区发展、改善扶贫对象基本生产生活条件发挥着重要作用。但近年来财政扶贫资金管理使用方面的“痼疾”仍存，资金使用效益仍有待提高，监管任务依然艰巨。本文简要阐述了加强扶贫资金监管的重要意义，分析了当前广西抓好扶贫资金监管问题整改的做法，并提出下一步加强扶贫资金监管的对策建议。

通过研究功能化Pdots-MB体系对Bi3+的响应情况得知：0.5g/mL Pdots本身具有很强的荧光，如图2(a)中a线所示；0.5g/mL Pdots加入45 nmol/L MB后，荧光猝灭，如图2(a)中c线所示；而在Pdots-MB体系中加入0.3g/mL Bi3+后，荧光得以恢复，如图2(a)中b线所示。该荧光恢复原理为我们建立“打开型”荧光能量转移灵敏检测Bi3+实现了可能。

图1 (a)功能化Pdots的紫外吸收光谱和荧光发射光谱；(b)动态光散射粒径分布图和TEM图。

Fig.1 (a) UV absorption spectrum and fluorescence emission spectrum of functional Pdots. (b)Dynamic light scattering particle size distribution and TEM image.

图2 功能化Pdots荧光对照图。(a) Pdots荧光恢复过程；(b) Pdots的荧光发射光谱与亚甲基蓝(MB)的紫外吸收光谱重叠图。

Fig.2 Functional Pdots fluorescent contrast diagram. (a) Fluorescence recovery process of Pdots. (b) Overlap map of the emission spectrum of Pdots and UV absorption spectrum of methylene blue (MB).

图2(b)为Pdots的荧光发射光谱与亚甲基蓝(MB)的紫外吸收光谱重叠图。测得Pdots荧光发射峰在545 nm(λex=455 nm)，与亚甲基蓝的紫外吸收有部分重叠，具备荧光共振能量转移的条件。图3为Bi3+荧光探针的机理示意图。我们认为功能化Pdots表面因含大量羧基带负电荷，亚甲基蓝为带正电荷的富含π电子的芳香杂环化合物，二者通过静电作用和π-π堆积作用吸附在Pdots表面，从而形成 Pdots-MB 复合物，使得体系荧光猝灭。由于Bi3+所带正电荷更多且体积更小，所以能够将亚甲基蓝从Pdots-MB复合物中解离出来，从而荧光恢复。

图3 打开型铋离子荧光探针的机理示意图

Fig.3 Schematic diagram of turn-on fluorescent detection of Bi3+

3.3 实验条件优化

3.3.1 亚甲基蓝浓度的选择

本文研究了在功能化Pdots中加入不同浓度亚甲基蓝的荧光强度变化。图4显示不同浓度的亚甲基蓝对功能化的Pdots猝灭程度图。向0.5g/mL的功能化Pdots溶液中加入不同浓度亚甲基蓝溶液，随着亚甲基蓝浓度的升高，体系荧光逐渐变弱。当亚甲基蓝溶液浓度达到45 nmol/L时，体系荧光最弱，猝灭程度达最大值，猝灭效率为87.12%。

图4 不同MB浓度下的功能化Pdots 荧光猝灭图

Fig.4 Fluorescence quenching of functional Pdots under different concentrations of MB

3.3.2 硝酸用量的选择

因Bi(NO3)3·5H2O易水解，通常选用稀硝酸(1 mol/L)来配制Bi3+溶液。本文考察了在1～6 mL范围内不同量硝酸配制Bi3+溶液对Pdots-MB体系荧光强度恢复的影响，如图5所示。根据实验结果，本文选取4 mL 浓度为1 mol/L硝酸溶液配制Bi3+溶液。

图5 硝酸用量对Pdots-MB体系荧光强度的影响

Fig.5 Influence of nitric acid dosage on the fluorescence intensity

在最优化的实验条件下，图6(a)显示了Pdots-MB体系中加入不同浓度的Bi3+时荧光强度的恢复图。随着Bi3+浓度的不断增加，体系的荧光强度也慢慢恢复。当Bi3+溶液浓度为1.0mol/L时，体系荧光恢复到最大值，继续增大Bi3+溶液浓度，体系荧光不再继续增大。定义(F-F0)/F0为荧光恢复程度(F为加入不同浓度Bi3+时的荧光强度，F0为不加Bi3+时的荧光强度)，图6(b)为(F-F0)/F0与Bi3+浓度的线性关系曲线。由图可知，Bi3+在0～0.5mol/L浓度范围内与(F-F0)/F0呈现良好的线性关系(R=0.995 5)，标准曲线方程为(F-F0)/F0=0.1904+7.902c(c单位为mol/L)。最低检出限为16 nmol/L(S/N=3)。由测量0.5mol/L的Bi3+和7次重复测量的标准偏差得到该方法的相对标准偏差为3.25%，表明Pdots-MB体系荧光能量转移体系对Bi3+的检测有很高的可重复性。

图6 (a)功能化Pdots的荧光恢复图；(b) (F-F0)/F0与Bi3+浓度的关系曲线。

Fig.6 (a) Functional Pdots fluorescence recovery figure. (b) (F-F0)/F0vs. concentration of Bi3+

3.5 干扰离子的影响

本文研究了在相同实验条件下环境中常见金属阳离子和部分阴离子对该传感器的影响。向Pdots-MB体系中分别加入一定浓度的干扰物质，其中Bi3+浓度为1.0mol/L，除Cu2+浓度为10mol/L、Fe2+浓度为5mol/L外，其他均为100mol/L，图7为体系的相对荧光强度变化(F-F0)/F0(F0为Pdots-MB体系不加任何物质的荧光强度，F为代表体系加入Bi3+和相关干扰物质的荧光强度)。从图7可以看出，加入1.0mol/L Bi3+后，该传感器的相对强度((F-F0)/F0)为6.0，相较加入干扰物质，加入Bi3+能够明显恢复体系荧光。而其他干扰物质的影响可忽略不计。实验结果表明，可以利用“打开型”荧光法检测Bi3+溶液。

图7 干扰离子的荧光恢复图

Fig.7 Fluorescence recovery figure of interference ions

3.6 实际样品检测

为了验证本方法的实际应用性能，我们将所建立的新方法应用于芜湖镜湖水中的Bi3+测定。水样首先用离心机(5 000 r/min)离心分离10 min，然后取上层溶液为分析液。用标准加入法考察了该方法的回收率，实验结果如表1所示。方法的回收率为93.0%～101.3%，说明该方法可用于实际环境水样分析。

表1实际样品检测及加标回收率结果(n=6)

Tab.1 Actual sample testing and standard addition recovery results (n=6)

样品加入量/(mmol·L-1)测定值/(mmol·L-1±SD)回收率/%10．100．093±0．0293．0±0．220．500．487±0．0597．4±0．131．001．013±0．03101．3±0．3

4 结 论

功能化Pdots与MB间相互作用使得体系荧光迅速猝灭，加入Bi3+能使体系荧光逐渐恢复，为此设计了“打开型”灵敏传感器。当体系中加入45 nmol/L的亚甲基蓝溶液时，猝灭效率为87.12%。将10 μL浓度为50g/mL的Pdots 配制Pdot-MB复合物测定Bi3+，Bi3+浓度在0～0.5mol/L范围内与荧光恢复程度(F-F0)/F0呈现良好的线性关系(R=0.995 5)，最低检出限为16 nmol/L(S/N=3)；实际环境水样测定的回收率为93.0%～101.3%。本文方法为进一步研究生命体中铋的含量测定提供了基础。

[1] GUO Z Q, PARK S, YOON J,etal.. Recent progress in the development of near-infrared fluorescent probes for bioimaging applications [J].Chem.Soc.Rev., 2014, 43(1):16-29.

[2] 张佳楠, 常开文, 李琼, 等. 半导体聚合物纳米荧光探针的制备及生物应用研究进展 [J]. 发光学报, 2015, 36(7):725-737. ZHANG J N, CHANG K W, LI Q,etal.. Preparation, regulation and biological application of fluorescent semiconducting polymer dots [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(7):725-737. (in Chinese)

[3] YUAN L, LIN W Y, ZHENG K B,etal.. Far-red to near infrared analyte-responsive fluorescent probes based on organic fluorophore platforms for fluorescence imaging [J].Chem.Soc.Rev., 2013, 42(2):622-661.

[4] RESCH-GENGER U, GRABOLLE M, CAVALIERE-JARICOT S,etal.. Quantum dots versus organic dyes as fluorescent labels [J].Nat.Methods, 2008, 5(9):763-775.

[5] CHAN Y H, WU P J. Semiconducting polymer nanoparticles as fluorescent probes for biological imaging and sensing [J].Part.Part.Syst.Charact., 2015, 32(1):11-28.

[6] TUNCEL D, DEMIR H V. Conjugated polymer nanoparticles [J].Nanoscale, 2010, 2(4):484-494.

[7] XIA L, WEI Z X, WAN M X. Conducting polymer nanostructures and their application in biosensors [J].J.ColloidInterf.Sci., 2010, 341(1):1-11.

[8] WU C F, CHIU D T. Highly fluorescent semiconducting polymer dots for biology and medicine [J].Angew.Chem.Int.Ed., 2013, 52(11):3086-3109.

[9] KUO C T, THOMPSON A M, GALLINA M E,etal.. Optical painting and fluorescence activated sorting of single adherent cells labelled with photoswitchable Pdots [J].Nat.Commun., 2016, 7:11468.

[10] LIU J, FENG G X, DING D,etal.. Bright far-red/near-infrared fluorescent conjugated polymer nanoparticles for targeted imaging of HER2-positive cancer cells [J].Polym.Chem., 2013, 4(16):4326-4334.

[11] CHAN Y H, JIN Y H, WU C F,etal.. Copper(Ⅱ) and iron(Ⅱ) ion sensing with semiconducting polymer dots [J].Chem.Commun., 2011, 47(10):2820-2822.

[12] CHILDRESS E S, ROBERTS C A, SHERWOOD D Y,etal.. Ratiometric fluorescence detection of mercury ions in water by conjugated polymer nanoparticles [J].Anal.Chem., 2012, 84(3):1235-1239.

[13] ZHOU X B, LIANG H, JIANG P F,etal.. Multifunctional phosphorescent conjugated polymer dots for hypoxia imaging and photodynamic therapy of cancer cells [J].Adv.Sci., 2016, 3(2):1500155-1-12.

[14] FATHIRAD F, AFZALI D, MOSTAFAVI A,etal.. Fabrication of a new carbon paste electrode modified with multi-walled carbon nanotube for stripping voltammetric determination of bismuth (Ⅲ) [J].Electrochim.Acta, 2013, 103:206-210.

[15] KARAMI H, MOUSAVI M F, YAMINI Y,etal.. On-line preconcentration and simultaneous determination of heavy metal ions by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry [J].Anal.Chim.Acta, 2004, 509(1):89-94.

[16] SABARUDIN A, NOGUCHI O, OSHIMA M,etal.. Application of chitosan functionalized with 3, 4-dihydroxy benzoic acid moiety for on-line preconcentration and determination of trace elements in water samples [J].Microchim.Acta, 2007, 159(3-4):341-348.

[17] NORISUYE K, SOHRIN Y. Determination of bismuth in open ocean waters by inductively coupled plasma sector-field mass spectrometry after chelating resin column preconcentration [J].Anal.Chim.Acta, 2012, 727:71-77.

[18] XIONG C M, HU B. Headspace trapping of the hydrides on a Pd(Ⅱ)-coated graphite adsorptive bar as a microextraction method for ETV-ICP-MS determination of Se, Te and Bi in seawater and human hair samples [J].Talanta, 2010, 81(1-2):578-585.

[19] JIA X Y, HAN Y, LIU X L,etal.. Dispersive liquid-liquid microextraction combined with flow injection inductively coupled plasma mass spectrometry for simultaneous determination of cadmium, lead and bismuth in water samples [J].Microchim.Acta, 2010, 171(1-2):49-56.

[20] GADHARI N S, SANGHAVI B J, KARNA S P,etal.. Potentiometric stripping analysis of bismuth based on carbon paste electrode modified with cryptand [2.2.1] and multiwalled carbon nanotubes [J].Electrochim.Acta, 2010, 56(2):627-635.

[21] KOPER A, GRABARCZYK M. Simultaneous voltammetric determination of trace bismuth(Ⅲ) and cadmium(Ⅱ) in water samples by adsorptive stripping voltammetry in the presence of cupferron [J].J.Electroanal.Chem., 2012, 681:1-5.

[22] D’ULIVO A, PAOLICCHI I, ONOR M,etal.. Flame-in-gas-shield miniature flame hydride atomizers for ultra trace element determination by chemical vapor generation atomic fluorescence spectrometry [J].Spectrochim.ActaPart B, 2009, 64(1):48-55.

刘义章(1969-)，男，安徽滁州人，硕士，副教授，2011年于安徽理工大学获得硕士学位，主要从事多相光催化和荧光探针的研究。

E-mail: liuyizhanglll@126.com

SemiconductingPolymerDots-methyleneBlueFluorescenceEnergyTransferSystemforDeterminationofBi(Ⅲ)IonsinWater

LIU Yi-zhang1*, SUN Jun-yong2, WANG Lei1, ZHOU Kai1, GONG Zhen-hu1

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege，Chuzhou239001，China; 2.CollegeofChemistryandMaterialsScience,AnhuiNormalUniversity，Wuhu241000，China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:liuyizhang111@126.com

O657.3

A

10.3788/fgxb20173810.1353

1000-7032(2017)10-1353-06

2017-03-14；

2017-06-10

安徽省高校自然科学基金(KJ2016SD45)； 安徽省“省级优秀教学团队”项目(2013JXTD063)资助 Supported by Natural Science Foundation of Anhui province (KJ2016SD45); Excellent Teaching Team Project of Anhui Province (2013JXTD063)