富营养化水体中磷酸盐荧光分析材料进展

张迪，马媛媛，邹文生

(1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 材料与化学工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

磷是自然界中普遍存在的一种元素，几乎参与生物体的所有生理上的化学反应，是支撑社会、环境、经济发展的重要元素。许多富含磷的物质由于其优越的特性，已被广泛应用于现代日常生活与工业领域中。然而，人类在长期追求生产效益和经济效益的过程中，忽视了由此而产生的工业废水和生活污水，且被不断地排入天然水体中，从而引发严重的环境问题。在天然水体中，磷主要是以各种磷酸盐形态出现，它们分别为正磷酸盐和缩聚磷酸盐(多磷酸盐、偏磷酸盐和焦磷酸盐)。研究表明，可溶性正磷酸盐能被植被、藻类和细菌直接利用，是引起富营养化的主要形态[1]。当水体中磷含量过高(如高于0.2 mg/L)，会大量消耗溶解氧水平，可引起藻类的大量繁殖。当藻类数量上达到有害程度(称为富营养化)时，会导致植被和水生生物的腐烂和死亡，进而使水质不断恶化[2]。还有研究表明，每年从农田中浸出的磷达到2～3 kg/公顷，即可导致富营养化[3]。目前，中国绝大部分淡水湖泊已呈富营养化[4]，如在2007 年、2010 年和2011 年，分别在无锡太湖、云南滇池和安徽巢湖都曾发生过大面积蓝藻繁殖的情况。这不仅破坏了生态平衡，更造成了严重的环境恶化和恶劣的社会影响。在某种程度上，磷酸盐可以作为水体中有机污染的便利指示剂或示踪剂[5]，磷酸盐的检测对于控制和防止富营养化的发生具有重要意义。因此，水体中的磷的检测对于各国环境科学界来说，都是要不断研究探索的重要课题。

1 磷酸盐的检测方法

迄今为止，有很多种磷酸盐检测方法如比色法[6]，酶生物传感器法[7]，色谱分析法[8]，场效应晶体管生物传感器法[9]。电化学方法有印迹分子电极[10]，伏安法[11]，生物电催化法[12]，电势测定法等，这些方法都有助于对磷酸盐进行定量分析。

目前，我国用于测定磷酸盐的国标方法是磷钼蓝分光光度法，该方法也是世界通用的测定正磷酸盐的标准。但磷钼蓝分光光度法受到砷酸盐，硅酸盐，硫化物和氧化剂的干扰，易受折射率误差和样品浊度的影响。

从生物方法来看，基于酶的生物传感器法在生物医学应用中表现良好，但其对环境领域的适用性和稳健性是值得怀疑的。

从电化学方法来看，电化学传感器具有仪器设备简单，电极制作方便等特点。但离子选择电极的寿命有限，并且需要在溶液中进行预处理，限制了现场测量和连续监测的适用性。同样，伏安和电流传感器由于缺乏选择性，限制了它们的适用性。

综上所述，上述方法需要高成本和高能耗或需要很长的预处理时间，对现场、实时的磷酸盐检测很困难。由于荧光的高特异性和高灵敏度、快速响应和靶标位点的定位信息，甚至实时监测活细胞中靶标，可以满足对环境水体中磷酸盐水平监测的需求。如今，磷酸盐荧光探针吸引了相当多的研究努力。

2 荧光分析法磷酸盐的检测机理

荧光传感的检测机理主要有：光致电子转移(Photoinduced Electron Transfer，PET)[13]、分子内电荷转移(intramolecular charge transfer，ICT)[14]、荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer，FRET)[15]、激发态分子内质子转移(excited—state intramolecular proton transfer，ESIPT)[16]、金属-配体电荷转移(metal-to-ligand charge transfer，MLCT)[17]、扭曲分子内电荷转移(Twisted Intramolecular Charge Transfer，TICT)[18]、聚 合 诱 导 发 射(aggregation-enhanced emission，AEE)[19]、C=N 异构化[20]等。

3 荧光分析法检测磷酸盐进展

在材料科学飞速发展的今天，各种荧光材料层出不穷。这其中，设计用于识别磷酸盐的荧光传感材料也得到充分的发展。在近年来的研究中，该类荧光材料主要聚焦于有机荧光分子、荧光性配位聚合物、量子点和金属团簇等。下面以荧光信号材料作分类标准，简述荧光分析法检测磷酸盐进展。

3.1 有机染料

Paredes[21]等使用荧光素衍生物(2-Me-4-OMe TG)与荧光寿命成像显微镜(FLIM)结合，作为实时检测磷酸盐传感器。磷酸盐存在下，在2-Me-4-OMe TG 染料的激发态质子转移(ESPT)反应特征和染料快速噬入细胞的基础上，可以观察到细胞内染料的荧光衰减时间与磷酸盐的细胞外浓度之间的极好一致性。Zhao 等[22]设计了四-双脲-固定的四苯乙烯(TPE)配体(L2)，其中TPE 是一种经过充分研究的标志性聚合物诱导发光(aggregation-induced emission，AIE)发色团。非发光配体(L2)在宽浓度范围的磷酸根离子存在下，可以显示出极大的荧光增强。这是由于TPE 的苯环绕乙烯核的旋转受到阴离子配位的限制，从而打开荧光。Shi 等[23]根据扭曲的分子内电荷转移(TICT)机制合成了对H2PO4具有高选择性的长波长发射荧光(600nm)和比色反应(从粉红色到黄色)的化学传感器。该传感器带有2-吡啶-1 氢-咪唑并[4，5-b]吩嗪和Zn2+金属配合物(S2-Zn)，其对水溶液中的H2PO4-阴离子显示出明亮的荧光和比色响应。传感器对H2PO4-的检测限为4×10-6mol/L。

Liu 等[24]设计了一种新的基于喹啉的传感器。该传感器本身不发射荧光，但与Zn2+/ Cd2+两种阳离子作用后，阻断了光诱导电子转移路径，能够发射强的荧光，以此原理来检测Zn2+/ Cd2+。由于阳离子与磷酸根离子间的更强的静电作用，该喹啉衍生物-阳离子复合物中的金属离子被PO43-反应剥离，导致了荧光猝灭。该传感器实现了对Zn2+/Cd2+和磷酸根阴离子的连续荧光检测。Meng[25]等开发了一种Fe3+复合物(FP-Fe3+)作为荧光传感器检测磷酸盐。通过4-甲基荧光素醛与2-甲氨基吡啶在甲醇中的一步反应，可以简便地合成独特的配体FP。配体FP 在其它阳离子存在下对Fe3+(Ka=1.40×106mol/L)显示出了高的亲和力，并伴随着显著的荧光猝灭。磷酸盐和FP-Fe3+集合的特异性相互作用会导致荧光团FP 的释放，可使荧光恢复。此复合物通过置换过程显示出对水溶液中磷酸盐的荧光传感具有高选择性和灵敏度，对磷酸盐的检测限为300 nM。

3.2 配位聚合物

Sun 等[26]提出了一种多通道传感策略，设计并构建了基于荧光碳点-金属离子集合的三通道荧光传感器。覆盖在荧光碳点表面上的官能团能与金属离子(Ce3+，Fe3+，Cu2+)相互作用，当磷酸盐阴离子加入时，荧光碳点-金属离子集合体发生解聚或者进一步聚集，使得荧光碳点的荧光猝灭或者恢复。该传感器可用于鉴别和检测各种磷酸根阴离子(例如，磷酸根和焦磷酸根)，对磷酸盐的检测限为10μM。Joo 等[27]开发了一种多功能化学传感器用于Cu2+的比色检测和磷酸盐和硫化物的荧光检测。该传感器由N-氨基邻苯二甲酰亚胺和8-羟基葡萄糖-9-甲醛的组合合成，以分子内电荷转移(ICT)的传感机制检测Cu2+，以去质子化过程的传感机制检测PO43-和S2-(如图1 所示)。该传感器能在pH 值为7-10 范围内对磷酸盐进行检测。

图1 存在不同阴离子时的荧光光谱插图：1，1-PO43-和1-S2-(λex= 426nm)的荧光图片[21]

Song 等[28]提出利用铕基无限配位聚合物(Eu-ICP)纳米球作为检测磷酸盐的荧光探针。Eu-ICP具有独特的荧光性质，由于铕中心和PO43-之间的强大的亲和力，从而破坏了Eu-ICP 的固有结构并伴随着相应的荧光猝灭。该探针线性检测范围为2-100 mM，检测限为0.83 mM。Gao 等[29]基于zr-MOF(锆基金属有机骨架)的纳米复合材料平台，UiO-66-NH2和荧光染料罗丹明B(RhB)在UiO-66-NH2中掺入荧光染料罗丹明B(RhB)，构成纳米复合物RhB@UiO-66-NH2。因为配体到金属的电荷转移，整个复合物荧光较弱。磷酸盐能够与UiO-66-NH2中的Zr-O 节点之间强烈结合，从而减弱了配体向金属电荷的转移过程，使配体2-氨基对苯二甲酸(ATA)的荧光得到恢复。此探针的对磷酸盐检测限为2.0 μM，在80 到400 μM 的范围内线性关系良好。

Das[30]等在2019 年也有类似的报道。其合成了一种Zr(IⅤ)基UiO-66 金属有机骨架(MOF)的双功能荧光传感器，称为Zr-UiO-66-N2H3。该传感器可作为荧光“开”探针用于选择性检测磷酸盐(体内和体外)，也可作为荧光“关”探针，用于选择性检测DMSO / HEPES 中的4-硝基苯甲醛(4-NB)。即使存在干扰侵入物种，探针仍保持了其高选择性。该探针还具有高灵敏度，其对PO43-离子和4-NB 的检测限分别为0.196 和4.7 μM。如图2 所示，Wang等[31]制作了三种铜配合物(C1、C2、C3)作为检测PO43-的荧光探针。由于其中的Cu2+可以被PO43-替代，并诱导配合物产生荧光响应，通过ESI-MS 和荧光光谱证实了所提出的“开- 关”荧光响应的机制，且PO4的检出限分别低至0.029 μM，0.048 μM和0.079 μM。可用于高选择性和灵敏地检测PO43-。

图2 探针C1，C2，C3和不同阴离子的荧光发射光谱(λEX=434 nm) 插图：紫外线照射后可见的荧光变化[25]

3.3 量子点

Borse 等[32]合成了巯基乙酸(TGA)包裹的CdTe QDs，用来对无机磷酸盐的传感测定。该测定使用硝酸铕与CdTe QDs 形成络合物(QD-Eu)并通过光诱导电子转移(PET)过程猝灭QDs 的荧光。添加磷酸盐溶液后，可使TGA 包裹的CdTe QDs的荧光强度恢复。恢复时的荧光强度与样品中存在的磷酸盐浓度相关，在优化所需的磷酸盐浓度范围(0-2.6 mM)后，荧光强度与磷酸盐浓度曲线拟合为S 形(R = 0.99)。这种传感测定可重复用于测定无机磷酸盐水平。Qin 等[33]使用Ce3+/ 巯基丙酸(MPA)包裹的Mn-ZnS QDs 纳米复合物来检测水环境中的磷酸盐。Mn-ZnS QDs 本身具有磷光特性，加入Ce3+离子可以与MPA 包裹的Mn-ZnS QDs 表面的羧酸盐基团配位，导致磷光衰减。加入磷酸盐后，由于镧系元素Ce3+与磷酸盐的强亲和力，从而分散Ce3+/ MPA 包裹的Mn-ZnS QDs 纳米复合物并使Mn-ZnS QDs 的磷光得以恢复。在优化条件下，磷酸盐检测范围为8 至320 mM(R =0.9998)，检出限为2.71 mM。

Chen 等[34]使用基于与铝离子螯合的单层石墨烯量子点的s-GQDs-Al3+系统为PO43-提供高选择性检测。通过聚集诱导的发射增强(AIEE)效应，Al3+可以增强s-GQD 的光致发光(Photoluminescence，PL)。因为PO43-与Al3+具有更强的配位，随着PO43-的加入，the-GQDs-Al3+系统的PL 逐渐消失，这导致消除AIEE 效应和s-GQDs-Al3+系统的PL 强度的降低(如图3 所示)。存在Al3+时，在463 nm 处s-GQDs 的PL 强度比(I / I0)与PO43-在0.25-7.5 μM 范围内的浓度成正比，检测限低至0.1 μM。Chai 等[35]提出通过金属离子镝(Dy3+)诱导单层石墨烯量子点(s-GQDs)聚集发射猝灭效应来检测磷酸盐。s-GQDs 表面有足够的羟基可以被Dy3+诱导聚集形成s-GQDs-Dy3+复合物，从而导致荧光猝灭。此时加入磷酸盐，由于PO43-对Dy3+亲和力高于其对s-GQDs 的亲和力，荧光得以恢复。对磷酸盐的检测范围为0.2-30 μM，测定限低至0.1 μM。

图3 用s-GQDs-Al3+系统检测PO43-的灵敏度[28]

3.4 金属团簇

Cao 等[36]基于单宁酸(TA)制备了一种稳定的铜纳米团簇(TA-Cu NCs)作为荧光探针。向TACu NCs 中加入Eu3+离子引发了TA-Cu NCs 的聚集，从而使TA-Cu NCs 荧光发生猝灭。再将其加入到磷酸盐溶液，由于Pi 和Eu3+之间的结合能力强于TA-Cu NCs 和Eu3+之间的结合能力，使Eu3 +从聚集的TA-Cu NCs 的分散出来，TA-Cu NCs 的荧光得以恢复。此探针对于磷酸盐的检测限低至9.6×10-3μmol/ L，线性范围为0.07 -80 μmol/L。Dai 等[37]通过在AgNCs 周围形成金属有机壳来合成AgNCs /金属-有机壳复合物，在近红外(NIR)基础上检测磷酸盐。与裸露的AgNCs 相比，该复合材料在720 nm 处显示出强荧光，在510 nm 处显示出弱荧光。随着磷酸盐的加入，磷酸盐与复合物中Zn2+的结合，团簇与壳层间的荧光共振能量转移过程被受到影响，荧光逆向变化(在720 nm 处荧光减弱，510 nm 处荧光增强)。此复合物在水溶液对磷酸盐的检测限为0.06 μM。

Yan 等[38]在近红外发光Ag2S 量子点/金属—有机壳复合物基础上开发了一种磷酸盐荧光检测的新方法。该复合物分散在溶液中时，其在665 nm处出现较强的荧光响应。加入磷酸盐后，由于磷酸盐和金属离子之间的高亲和力，复合物有机壳会被磷酸盐破坏，从而导致荧光强度在665 nm 处降低，其与磷酸盐浓度在0.7 至4.2 μM 和11.2 至88.2 μM 范围内线性相关性良好，检出限低至6nM (如图4 所示)。这种Ag2S 量子点/金属—有机壳复合材料方法与前几种方法相比，具有无标记检测，无毒，选择性强和检测限低等优点，此外，该方法已成功应用于自来水和长江水样，回收率为94.76%～100.86%，预示着会有更多的应用机会在水生生态系统中。

4 总结与展望

图4 复合物随着磷酸盐浓度变化的荧光光谱图和荧光强度与磷酸盐浓度的线性关系图[32]

综上所述，用荧光分析法具有灵敏度度高、选择性强以及检出限低等优点，能够普遍地应用于化学传感和定量检测磷酸盐。荧光传感器的设计多样性为人们探索环境和化学领域的未知世界提供了可能。但是，由于环境组成复杂，干扰因素多，使得目前的荧光分析法虽然可以在复杂的水体中检测磷酸盐，但检测限仍然相对较高，实际水样的加标回收率还不够理想。因此检测与应用只停留在实验室阶段，在实用方面如对磷酸盐的现场自动检测的报道较少。希望后续的研究能以其它水体的强干扰和多组分共存为主要研究对象，分析磷酸盐荧光传感器在实际水样检测中的干扰因素，开展干扰因素的屏蔽和抑制作用研究，基于上述内容，建立磷酸盐荧光传感器对实际水样中磷酸盐检测的合理方法和步骤，可以又快又准地检测水体中的磷酸盐。