一种荧光探针检测水溶液中碘离子

刘炉英，范远东，王 静，王静珊，谢浩源，谢丽君*

1.广东第二师范学院化学系，广东 广州 510303；2.中山大学孙逸仙纪念医院，广东 广州 510120

碳量子点(carbon dots,CDs)是由碳材料衍生而来的一类高级纳米材料，2004年被发现，逐渐引起研究者们的极大兴趣[1]，与传统的有机染料和半导体量子点相比，CDs在化学惰性、可调节的光致发光特性、出色的生物相容性及低毒性方面均表现出色，因而在生物医药、环境监测、食品安全等领域中被广泛应用，并表现出检测的高灵敏度[2，3]。

阴离子检测一直是研究的热点，因为阴离子在生物、化学、环境等各领域扮演着重要角色。碘离子作为生物学上重要的阴离子之一，是调节人体生长和甲状腺功能必需的微量元素。人体内碘含量偏离正常值会导致代谢异常，容易出现各种疾病，如甲状腺功能减退、甲状腺功能亢进、智力低下，以及发生自身免疫性疾病甚至癌变等。最近几十年，多种检测碘离子的方法被提出，如离子色谱法[4]、电化学检测法[5]、比色法[6]、光谱检测[7，8]等，其中，光谱检测法的特点是检测速度快、灵敏度高，已有多个文献运用量子点[9-11]对碘离子进行检测研究。但是，目前运用量子点对碘离子检测的方法存在合成方法复杂繁琐、量子点含重金属或有毒等缺点，运用简单环保的方式合成低毒甚至无毒的碳量子点，用此碳量子实现碘离子检测还没有报道。因此，研发一种对碘离子检测快、灵敏度高、环境友好的检测方法十分必要。本文利用硅烷化试剂的光学特性和固有稳定性，得到光学稳定、荧光强度高、低毒环境友好的量子点，选用无水柠檬酸和N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷，利用水热法合成碳量子点，采用碳量子点荧光被碘离子猝灭这一特性，建立了一种能检测水溶液中碘离子的荧光探针。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

柠檬酸和N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷(AEAPMS)，购于阿拉丁试剂公司；碘化钾(AR)购于广州化学试剂厂，其它试剂均为分析纯试剂；实验用水均来自超纯水机纯化的超纯水(18.2 MΩ cm)，上海乐枫生物科技有限公司；LS-45荧光光谱仪，美国珀金埃尔默公司；JEM-2100F投射电镜，日本电子株式会社；稳态/瞬态荧光光谱仪FLS1000，美国爱丁堡。

1.2 碳量子点的合成

将0.5 g无水柠檬酸分散在10 mL N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷中，倒入50 mL聚四氟乙烯反应釜中，并用氮气脱气20 min后密封。将高压釜保持在240 ℃下2 h，反应结束后，高压釜冷却至室温。用针头过滤器(0.22 μm)过滤溶液得到产物，产物用石油醚洗涤3次。最后，获得的CDs分散在1 L超纯水中，保存于4℃ 冰箱中[12]。

1.3 碘离子的测定

取上述1 mL的CDs加入1 mL超纯水(pH=7.0)中进行稀释,再加入2 mL不同浓度的碘化钾溶液，黑暗中反应5 min后检测荧光，以466 nm处的荧光变化值(F0-F)作为定量分析，其中，F0为无碘离子存在下的荧光强度，F为碘离子存在下的荧光强度。本方法的原理图如图1所示。

图1 CDS检测碘离子的原理图

2 结果与讨论

2.1 碳量子点的荧光光谱及稳定性

图2(a)为通过透射电镜拍摄得到碳量子点的图，图中可见，量子点呈现球形，粒径在40 nm左右，尺寸较均一。制备得到的碳量子点发蓝光，荧光强度高。图2(b)是在激发和发射狭缝宽度均为10 nm,光电倍增管电压为650 V时的荧光光谱图，从图中可以看出，CDs的最佳激发波长和发射波长分别为370 nm、466 nm。随着激发波长的改变，CDs的最佳发射波长位置几乎不变，制得的碳量子点发射波长不随激发波长的变化而变化，光波不可调。紫外光连续照射12 h荧光强度几乎不变，如图2(c)所示，且长期保存不会出现沉淀，说明合成的CDs有很好的荧光稳定性，通过测试得到CDs的绝对量子产率为68%。

图2 (a) CDs的透射电镜图；(b) 不同激发波长的发射光谱；(c) CDs荧光稳定性

2.2 条件优化

图3 CDs分散在不同溶剂中的荧光强度 图4 加入碘离子,CDs的荧光猝灭效率随着反应时间(a)、超纯水pH值(b)的变化

2.3 标准曲线

基于碘离子对CDs的荧光猝灭作用，构建了一种荧光探针检测碘离子的方法。由图5(a)可知，随着加入碘离子的浓度增加，CDs荧光值减弱。碘离子浓度范围为5×10-7～5×10-4mol/L范围内，I-浓度的对数与荧光强度的变化值(F0-F)具有良好的线性关系，见图5(b)，线性方程为Y=427.60X+646.88，相关系数为R2=0.9945，以3倍的信噪比算出最低检出限为3.2×10-8mol/L。与某些荧光探针的相关研究比较,本研究方法能提供更低的检出限和更宽的线性范围，见表1。

表1 比较不同荧光探针检测碘离子

图5 (a) 加入不同的浓度的碘离子CDs的荧光光谱变化；(b) CDs的荧光强度变化值与Log[I-]的关系

2.4 选择性

图6 不同离子对CDs的荧光猝灭效果比较图7 CDs的荧光寿命图

2.5 检测机理的探讨

为了了解CDs和I-之间的荧光猝灭机理，利用时间相关单光子计数(TCSPC)法研究了存在和缺乏I-时CDs的荧光寿命，如图7和表2所示，荧光衰减曲线利用双指数方程按照公式(1)进行拟合。

R(t)=B1e-t/τ1+B2e-t/τ2+B3e-t/τ3

(1)

其中，τ1和τ2为两条放射衰减曲线的时间常数，B1和B2是对应的振幅。根据最佳拟合数据(表2)可知，缺乏和存在I-时，CDs和CDs/I-的平均寿命值分别为15.52 ns和5.93 ns，说明I-的存在使CDs的荧光寿命缩短，得到t/t0=0.38不等于1,非静态猝灭。因此，I-对CDs的猝灭存在动态猝灭效应。

表2 CDs和CDs/I-寿命衰减曲线的双指数拟合

2.6 回收率

取自来水样,分别加入浓度1×10-6、1×10-5、1×10-4mol/L的碘离子，平行做3次，用荧光探针检测，检测到的浓度分别为1.01×10-6、1.05×10-5、1.001×10-4mol/L，加标回收率分别为101%、105%、101%。

3 结论

本研究制备了一种检测水液中碘离子含量的碳量子点荧光探针，其荧光强度高且稳定，对环境友好，合成方法简单经济，与已报道检测碘离子的荧光探针比较，具有线性范围宽、检出限低、灵敏度高等优点。不仅拓展了碳量子点的应用，也丰富了对样品中碘离子含量的检测方法，此外，该探针有望发展为简易便携式检测产品，在生物医药、环境监测等领域得到应用。