荧光钯纳米簇的合成及用于2,4-二硝基酚的检测

杜孝艳， 温广明*,2， 李忠平*

(1.山西大学环境科学研究所，化学化工学院，山西太原 030006；2.晋中学院，山西晋中 030619)

2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)是一种具有甜味和霉味的有机黄色晶体，可溶于有机溶剂和碱性溶液，是生物化学的活性化合物，通过穿过线粒体质子和叶绿体膜散热，不产生三磷酸腺苷(ATP)[1]。它被广泛用作染料、显影剂、农药、防腐剂、指示剂和炸药等化学品的中间体[2 - 5]。虽然2,4-DNP用途很广，但2,4-DNP易被人体吸收，通过胃肠道和呼吸道从而导致急性和慢性毒性，其急性毒性包括增加基础代谢率，恶心，呕吐，出汗，头晕，头痛；慢性毒性如白内障，皮肤病变和对骨髓，中枢神经系统(CNS)，心血管系统的影响[6]。2,4-DNP被认为是影响水生和陆地生物的直接或间接污染源。因此，建立快速、简便、高灵敏和高选择性的分析方法用于2,4-DNP的检测，对公众安全与环境保护具有重要意义。

近年来，金属纳米簇(Nanoclusters,NCs)作为一种新兴的荧光探针，因为具有优异的光稳定性，光致发光，大的斯托克斯变换，低毒性，高量子产率，良好的水溶性和生物相容性[7 - 9]，在化学传感器、催化和生物成像方面的应用受到广泛关注。金属纳米簇由几个到几百个原子组成，与较大的金属纳米颗粒相比，其电学、光学和化学性质明显不同，其中金属纳米簇最优异的特征是光致发光的产生[10]。目前，按组成原子的不同贵金属纳米簇可分为Ag、Au、Cu、Pd和Pt等纳米簇。其中Pd NCs在有机合成的催化领域具有成熟的应用，但是Pd NCs在荧光方面的应用还很少，尤其在针对Pd NCs的相关配体以及应用方面仍然需要进行深入地研究。本文以Pd(NO3)2为原料，谷胱甘肽(GSH)为稳定剂，抗坏血酸为还原剂，通过化学还原法制备荧光Pd NCs。合成的Pd NCs具有优异的荧光性质和良好的稳定性。基于2,4-DNP和Pd NCs之间的内滤作用引起的荧光共振能量转移，导致Pd NCs荧光猝灭，构建了定量检测2,4-DNP的荧光探针体系，该体系具有较高的灵敏度和良好的选择性。本方法已成功应用于自来水中2,4-DNP含量的检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

高分辨率透射电子显微镜(HRTEM，Tecnai G2 F20 S-Twin，USA)；傅里叶变换红外光谱仪系统(FTIR，Nicolet Is5，United Kingdom)；Shimadzu UV-265分光光度计(Tokyo，Japan)；Hitachi F4500荧光分光光度计(Tokyo，Japan)。

Pd(NO3)2、谷胱甘肽(GSH)、抗坏血酸、间苯二酚(RES)、苯丙氨酸(PHE)、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)、邻氯苯酚(3-CP)、对氯苯酚(3-CP)、邻甲酚(2-MP)、间甲酚(3-MP)、对甲酚(4-MP)、邻硝基酚(2-NP)、间硝基酚(3-NP)、对硝基酚(4-NP)、2,4-二硝基酚(2,4-DNP)，均购自阿拉丁试剂有限公司。试剂均为分析纯，使用前未经处理，实验用水均为去离子水。

1.2 实验方法

1.2.1 Pd NCs的合成于温度60 ℃条件下，将0.1 mL Pd(NO3)2溶液(100 mmol/L)加入到2.1 mL的GSH溶液(100 mmol/L)中，匀速搅拌10 min之后，加入300 μL NaOH溶液(1 mol/L)，100 μL抗环血酸溶液(1.5 mol/L)反应5 h。将所得溶液用0.22 μm的微孔滤膜过滤，再在8 000 r/min下离心15 min，用1 000 Da透析袋透析48 h，去除杂质。所得溶液在4 ℃下保存，备用。

1.2.2 2,4-DNP的检测取100 μL Pd NCs溶液，用磷酸盐缓冲溶液(PBS)稀释到1 mL，摇晃30 s使混合均匀，测其荧光强度。然后将不同浓度的2,4-DNP溶液或样品溶液加入到比色皿中，混合均匀后，在360激发波长和450 nm发射波长下测定荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 Pd NCs的表征及性质

图1(a)为Pd NCs的透射电镜(TEM)图，表明合成的Pd NCs形状近似为球形、分散性良好，其平均粒径为1.75 nm。图1(b)为2,4-DNP的紫外吸收光谱、Pd NCs的紫外吸收光谱和激发/发射光谱，Pd NCs的紫外吸收没有明确的特征吸收峰，2,4-DNP的紫外吸收光谱与Pd NCs的激发/发射光谱有一点重叠。图1(c)是Pd NCs的荧光光谱图，其中1～8分别是激发波长为300、310、320、330、340、370、350、360 nm激发下的荧光光谱图。可以看出，最大发射波长为450 nm，最佳激发波长为360 nm。

图1 (a)Pd NCs的透射电镜(TEM)图像；(b)2,4-DNP紫外光谱和Pd NCs紫外光谱和激发/发射光谱；(c)Pd NCs在不同激发波长下(1-8:300,310,320,330,340,370,350,360 nm)的荧光光谱Fig.1 (a)TEM images of Pd NCs;(b)UV spectrum of 2,4-DNP,spectrum and excitation/emission of Pd NCs;(c)fluorescence spectra of Pd NCs at different excitation wavelengths (1-8:300,310,320,330,340,370,350,360 nm)

图2(a)为Pd NCs和GSH的红外光谱图，从图中可看出GSH在2 360 cm-1处巯基的吸收峰消失，可能是由于和纳米簇中Pd原子络合的原因。Pd NCs在3 500～3 000 cm-1区域内的吸收峰是由-OH和-NH的拉伸振动引起的，这说明Pd NCs的表面存在丰富的羟基和氨基。1 602 cm-1处的强吸收带可能归属于C=O伸缩振动。1 650 cm-1处的尖峰对应于C=N的特征振动，1 383 cm-1处的峰归属于O-H 的弯曲振动。这些官能团可以促进Pd NCs的亲水性。图2(b)显示Pd NC在284.8、347.4、400.7、531.2 eV 处包含4个特征峰，分别对应于C 1s、Pd 3d、N 1s和O 1s。图2(c)为Pd NCs的C 1s光谱图。在284.4 eV、284.8 eV、285.3 eV、285.8 eV处的特征峰，分别对应C-C、C-N和C-O、C=O键。如图2(d)所示，Pd 3d由两个价态组成，一个是346.9 e V处的特征峰，这是分布在Pd NCs外围表面上的Pd2+与GSH上的氨基形成Pd-N键后的化合价态。另一个是在347.7 eV处还原的Pd(0)，它可能主要集中在金属团簇的中心。XPS分析结果与傅里叶红外光谱分析结果基本一致，表明合成的Pd NCs表面有羟基、羧基、氨基等亲水性官能团，因此具有良好的水溶性。

图2 (a)Pd NCs的红外光谱；(b)Pd NCs的XPS全谱图；(c)C 1s XPS谱图；(d)Pd 3d XPS谱图Fig.2 (a)The FTIR spectrum of the Pd NCs;(b)Full-scan XPS spectrum of the Pd NCs;(c)C 1s XPS spectrum;(d)Pd 3d XPS spectrum

2.2 Pd NCs的稳定性

图3(a)所示，荧光强度在碱性条件下比酸性条件下更高，可能是由于Pd NCs表面的氨基多于较易电离的羟基。此外，如图3(b)、3(c)所示，Pd NCs在氙灯下连续照射2.5 h或保存6个月，其荧光强度基本保持不变，这表明Pd NCs具有良好的光稳定性和存储稳定性。另外，图3(d)说明即使在高的离子强度下所合成的Pd NCs也具有高的稳定性。

图3 Pd NCs的稳定性。不同pH (a)、Xe灯连续照射(b)、储存时间(c)和离子强度(d)对Pd NCs的荧光强度的影响Fig.3 Stability of Pd NCs.Effect of different pH (a),Xe lamp continuous irradiation (b),storage time (c) and ionic strength (d) on the fluorescence intensity of Pd NCs

2.3 Pd NCs对2,4-DNP的检测

在pH为7、激发波长为360 nm的条件下，测量了相似物质对Pd NCs的荧光猝灭情况，结果如图4(a)所示，其他物质对Pd NCs的荧光几乎无影响。当2,4-DNP的浓度为0～230 nmol/L，随着2,4-DNP浓度的增加，Pd NCs荧光强度逐渐降低,2,4-DNP的浓度与Pd NCs的荧光猝灭程度呈良好的线性关系(图4(b))。线性拟合方程为：y=-1.6649x+455.09，相关系数0.9961，检出限0.03 nmol/L。由于2,4-DNP的紫外吸收峰与Pd NCs的激发光谱和发射光谱有一定的重叠，因此，可认为2,4-DNP对Pd NCs的荧光猝灭来自于内滤作用所诱导的荧光共振能量转移。

图4 (a)Pd NCs的选择性；(b)2,4-DNP浓度对Pd NCs荧光强度的影响(插图是F0-F与2,4-DNP浓度线性图)Fig.4 (a)Selectivity of Pd NCs;(b)Effect of 2,4-DNP concentration on fluorescence intensity of Pd NCs(The inset was the linear plot of F0-F versus the concentration of 2,4-DNP)

2.4 检测2,4-DNP不同方法比较

目前2,4-DNP的检测方法有分光光度法[11]、高效液相色谱法[12]、电化学分析法[13]和荧光分析法[4,14 - 17]等。由于样品的预处理过程复杂，分析耗时，仪器昂贵及高运行成本，以致于上述的一些分析方法不利于实际应用。相比之下，本文探针合成方法简单、稳定性高、水溶性好，对2,4-DNP的检出限低、灵敏度高，同时具有良好的选择性。如表1所示。

2.5 实际样品检测

以自来水为样品，水样用0.22 μm滤膜过滤后进行测定。如表2所示，2,4-DNP的加标回收率在96.3%～103.0%范围，相对标准偏差(RSD)在2.4%～4.4%之内。

3 结论

本文以Pd(NO3)2为原料，谷胱甘肽为稳定剂，抗坏血酸为还原剂，合成荧光Pd NCs，该Pd NCs具有良好的稳定性、低毒性、良好的生物相容性和抗光漂白性，将其作为荧光探针可快速、灵敏检测2,4-DNP,并且可以用于自来水中2,4-DNP的检测。因此，本方法在未来环境分析检测中具有较好的应用前景。