基于硅氮掺杂荧光碳点测定水样中痕量Hg(II)

2022-10-03曹丹李永生

应用化工 2022年8期

曹丹,李永生

(四川大学化学与化工学院，四川成都 610065)

Hg(II)可与生物体中蛋白质的巯基结合，使酶失活，影响细胞的正常代谢，进而对生物体脏器造成不可逆的损伤[1-3]。因此，高灵敏、快速检测痕量Hg(II)显得尤为重要。

近年来，荧光传感器因其操作简单、易于现场测试等优点受到越来越多的关注。目前，研究者们已研制出不同类型的荧光传感器用于生物和环境中Hg(II)的检测，如贵金属纳米材料[4-5]、荧光分子[6]、碳基纳米材料等[7-8]，但这些方法仍面临有选择性差或检出限高等局限性。因此建立一种灵敏度高、选择性好的测定痕量Hg(II)的方法仍然是一个挑战。本研究基于Hg(II)对Si、N掺杂碳点(SiN-CDs)的猝灭作用，提出荧光法检测痕量Hg(II)的方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTEs)、无水柠檬酸(CA)、各种氯化物(Ca2+、Fe3+、Cu2+、Cd2+等)、醋酸、醋酸钠均为分析纯，使用前不需要进一步纯化。

RF-5301PC荧光光度计；UV-1800 PC紫外可见光度计；JC202型电热恒温干燥箱；AUW型电子天平；25 mL聚四氟乙烯反应釜(上海予华仪器设备有限公司)；HI1290 pH 计；82-5型恒温磁力搅拌器。

1.2 溶液配制

1.2.1 Hg(II)储备液(1 mmol/L) 用超纯水溶解0.027 2 g HgCl2并转移至100 mL容量瓶中定容。

1.2.2 醋酸缓冲液(CBS) 10 mmol/L冰乙酸(30%，v/v)与10 mmol/L醋酸钠按照不同比例稀释混合，配制不同pH的缓冲液。

1.3 实验方法

1.3.1 SiN-CDs的制备为得到具有较高量子产率的碳点，修改了文献[9]的合成方法，具体步骤如下：称取1.44 g CA溶解于25 mL烧杯中，并定容至50 mL，得到浓度为0.15 mol/L的CA溶液。移取10 mL 0.15 mol/L的CA溶液与4 mL APTEs在室温下25 mL的烧杯中混合后，再转移至25 mL高压反应釜中，于180 ℃下反应6 h。得到的溶液即为SiN-CDs，定义此时该碳点浓度为100%。

1.3.2 Hg(II)的测定 1.5 mL不同浓度的Hg(II)标准液与1.4 mL CBS (pH=7) 混合，再加入0.1 mL 1.2% SiN-CDs荧光探针，在室温下反应30 s；用光程为10 mm的荧光杯，在激发波长(λex)为370 nm时，测定该混合液在发射波长(λem)为455 nm 处的荧光强度(F)。同样的，测定相同浓度的SiN-CDs的荧光强度(F0)。根据荧光猝灭程度(ΔF=F0-F)定量Hg(II)含量。激发和发射光谱狭缝均为5.0 mm。

1.3.3 相对荧光量子产率的计算通过比较样品的发射波长积分强度和标准硫酸奎宁的积分强度，测定了所有样品的相对量子产率(QY)。为了避免荧光物质自身内滤光效应，吸光度强度保持在0.05以下。使用公式(1)[10]计算所有产物的量子产率：

(1)

其中，I是荧光峰积分强度，A是吸光度，n为溶液折射率；下标s表示已知量子产率的标准物质，以硫酸奎宁为标准物。

2 结果与讨论

2.1 SiN-CDs的分子光谱

由图1可知，SiN-CDs在220～400 nm范围内主要有两个特征吸收峰，其在238 nm处的吸收峰是SiN-CDs碳核π→π*跃迁的结果，在338 nm处的吸收峰归因于SiN-CDs表面态的n→π*跃迁[11]。在320～410 nm的不同激发波长下，记录了SiN-CDs一系列的荧光光谱，在370 nm的激发下在455 nm处获得最大荧光强度。当激发波长为320～370 nm时，其对应的发射峰均位于455 nm处；当激发波长大于380 nm时，发射光谱随激发的增加而发生明显的红移，推测这可能是由于尺寸不均一和Si、N元素掺杂所致。

图1 SiN-CDs的荧光和紫外光谱Fig.1 Fluorescence and UV spectra of SiN-CDs

2.2 Si和N掺杂对碳点发光的影响

为评价Si和N元素掺杂的效果，用与APTEs具有类似结构的正丙胺和正硅酸作为合成的原料之一与CA混合后，按照相同的合成方法(180 ℃/6 h)及浓度进行对照组实验。三个对照组分别简写为正丙胺+CA(N-CDs)、正硅酸乙酯+CA(Si-CDs)、纯CA(O-CDs)。

由图2可知，4种碳点在合成后，在日光下，SiN-CDs呈亮黄色，N-CDs为淡黄色，而Si-CDs和O-CDs表现为透明无色；在365 nm的紫外灯的照射下，SiN-CDs与N-CDs均发出蓝色荧光，而Si-CDs和CDs无明显荧光产生。

图2 不同CDs的荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectra of different CDs插图为不同CDs在日光灯和紫外灯下照射的实物图

为保证各种碳点溶液不发生由浓度导致的荧光自猝灭，将特征吸收峰波长的吸光度均恒定为0.05后再进行荧光检测。相较于SiN-CDs和N-CDs的荧光光谱，Si-CDs和O-CDs在455 nm处没有明显的荧光峰。这表明仅以CA或CA/正硅酸为原料时，在本实验条件下合成的产物内没有发光碳点，即N掺杂对发光碳点的生成起决定性作用。为了更准确地比较CDs的发光效率，测定了四种碳点的荧光量子产率。由表1可知，Si元素的引入能够明显的增强N-CDs的量子产率，表面Si掺杂能有效促进N-CDs发光。

表1 不同物质的相对荧光量子产率Table 1 Fluorescence quantum yields of different substances

2.3 Hg(II)的检测原理

Sterm-Volmer方程F0/F= 1+Kqτ0[Q] =KD[Q]常被用于区分是动态还是静态猝灭。其中，F0和F分别是加入猝灭剂前后荧光物质的荧光强度；Kq是双分子猝灭常数；τ0是未加入猝灭剂时荧光物质的荧光寿命；Q为猝灭剂浓度。

按照实验方法，考察在不同温度下，Hg(II)浓度与F0/F的相关性。由图3可知，随着温度的增加，Hg(II)与F0/F的拟合方程的斜率在减小；这表明：温度增加抑制了Hg(II)与Si/N-CDs的反应。因此，Hg(II)猝灭Si/N-CDs为静态猝灭，两者之间形成了一种不发光的化合物。

图3 Hg(II)浓度与F0/F的关系Fig.3 Relationship between the concentration of Hg(II) and F0/F

2.4 优选检测Hg(II)的条件

2.4.1 反应pH Hg(II)能与磷酸根、柠檬酸根形成配合物，因此选择使用醋酸缓冲液考察pH对Hg(II)测定的影响。按照实验方法评价pH对Hg(II)猝灭SiN-CDS荧光强度的影响，其结果表明：pH为2～8时，体系的ΔF先增大后减小；当pH为7时，ΔF达到最大值。因此，Hg(II)/SiN-CDs反应体系的pH确定为7。

2.4.2 反应时间连续记录了2 mL 0.1% SiN-CDs溶液的荧光信号；当该碳点的荧光强度稳定后，注入0.01 mL 2 mmol/L Hg(II)，继续监测该混合溶液的动力学曲线；其结果表明，该浓度的Hg(II)能在30 s内猝灭SiN-CDs的荧光，并到达猝灭平衡。因此，该猝灭反应的时间确定为30 s。