铜金属纳米簇在pH检测中的应用*

胡娅琪,张 博,张育珍,陈梓欣,秦 蓓

(西安医学院 药学院,陕西 西安 710021)

pH值作为广泛使用的必要参数应用于农业、工业、药物检测、生物工程等方面[1-2]。此外,维持人体内正常的pH酸碱度也是保证人体健康的指标,所以开发简单、便捷、响应快速的pH传感器具有重要的意义[3-4]。近年来,金属纳米簇由于具有尺寸较小、光稳定性好、斯托克斯位移大、条件温和无毒的优点,在分析检测、生物标记及荧光成像等领域具有广泛的应用[5-8]。目前,pH检测材料主要为有机荧光分子[9-10]。与有机分子相比,金属纳米簇具有比表面积大、荧光性质可调及表面易于修饰等突出特点[11-13]。因此,制备荧光性能优异且无毒的金属纳米簇用于pH传感体系的建立具有重要意义。作者以谷胱甘肽(GSH)为保护剂合成铜纳米簇(GSH-Cu NCs),考察了最佳合成条件,pH=4～8.5,GSH-Cu NCs荧光强度与pH呈良好的非线性关系,可用于建立一种高灵敏的pH传感体系,应用于实际检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

HAuCl4·3H2O：阿拉丁公司;GSH：西格玛公司;氢氧化钠、盐酸、硝酸铜、三氯化铁：天津化学试剂厂;硝酸银：南京化学试剂厂;实验所用试剂均为分析纯;蒸馏水：市售。

荧光光谱仪：F-4600,日本日立公司;傅里叶变换红外光谱：T27,布鲁克科技有限公司。

1.2 GSH-Cu NCs的合成

将160 μLc(硝酸铜)=50 mmol/L溶液缓慢滴加至20 mLc(谷胱甘肽)=9 mmol/L溶液中,搅拌反应30 min,调节至pH=9,t=90 ℃反应24 h,最终得到蓝色透明溶液,t=4 ℃保存备用。

1.3 GSH-Cu NCs合成条件优化

为了制备出荧光强度性能最佳的GSH-Cu NCs,考察了n(GSH)∶n(硝酸铜)、反应温度和反应时间3个重要因素。不同反应时间为2、4、6、17、18、20、21、24 h,反应温度为60、80、90、100、120 ℃,n(GSH)∶n(硝酸铜)=6∶1、12∶1、15∶1、18∶1、24∶1、30∶1。

1.4 GSH-Cu NCs对pH的荧光响应行为研究

通过0.2 mol/L的NaOH和HCl调节pH值,探究pH对GSH-Cu NCs的荧光响应影响,340 nm激发条件下进行荧光测定。

1.5 GSH-Cu NCs的稳定性和可逆性研究

GSH-Cu NCs的稳定性和可逆性是pH传感器的重要指标,将GSH-Cu NCs置于荧光比色皿中,间隔2 min检测荧光强度获得稳定性。调节GSH-Cu NCs pH=8.5,经过连续5个周期荧光强度的测定获得可逆性。

1.6 GSH-Cu NCs对pH响应的选择性研究

各取600 μL GSH-Cu NCs溶液配成10个样品,分别加入0.01 mol/L的Na+、K+、Mg2+、Zn2+、Cr3+、Ba2+、Cd2+、ClO-、Al3+、Ca2+溶液,混合后测定荧光强度,将GSH-Cu NCs调至pH=8.5,取1 mL溶液分别加入10 μL 0.01 mol/L Na+、K+、Ba2+、Cr3+、Cd2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、ClO-溶液,金属离子的最终浓度达100 μmol/L,分别测定混合液的荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 GSH-Cu NCs的表征

GSH-Cu NCs的表征光谱见图1。

λ/nma GSH-Cu NCs的荧光激发和发射光谱

2.2 GSH-Cu NCs实验条件优化

不同条件下的GSH-Cu NCs的荧光发射光谱图见图2。

λ/nma 不同反应时间

由图2a可知,24 h的GSH-Cu NCs的荧光强度最佳,因此选择反应时间为24 h;由图2b可知,n(GSH)∶n(硝酸铜)=18∶1,GSH-Cu NCs荧光强度最佳;由图2c可知,t=90 ℃,合成的GSH-Cu NCs荧光强度最佳,因此选择反应温度为90 ℃。

2.3 GSH-Cu NCs对pH的荧光响应行为的考察

GSH-Cu NCs对pH的荧光响应行为见图3。

由图3a可知,随着pH值增大,GSH-Cu NCs的荧光强度逐渐上升,pH=8.5,荧光强度最强,酸性条件下,荧光强度的降低归因于Cu NCs表面的羧基发生质子化而导致GSH分子之间的静电斥力减弱因而发生聚集。碱性条件下,GSH-Cu NCs表面的羧基脱质子化,GSH-Cu NCs分子之间的静电斥力增强,荧光强度也随pH值增大而增强[15]。由图3b可知,pH=4.0～8.5,荧光强度与pH呈现良好的非线性关系,关系曲线为y=-1668.8×e(-x/3.153 3)+994.54,R2=0.919 8,可用于构建pH传感器。

λ/nma GSH-Cu NCs 在不同pH值的荧光发射光谱

2.4 GSH-Cu NCs对pH的可逆性和稳定性考察

GSH-Cu NCs对pH的可逆性和稳定性见图4。

t/mina GSH-Cu NCs的稳定性

由图4a可知,经过20 min的检测,荧光强度下降幅度很微弱,说明GSH-Cu NCs的稳定性比较好;由图4b可知,经过连续5个周期的测量,发现GSH-Cu NCs在pH=4.0或8.5的变化较小,说明GSH-Cu NCs在pH传感体系中具有良好的可逆性,可以应用于实际检测。

2.5 GSH-Cu NCs对pH检测的选择性考察

为了考察GSH-Cu NCs对pH检测选择性,选择干扰的离子包括Na+、K+、Ba2+、Cr3+、Cd2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、ClO-,考察了其对GSH-Cu NCs荧光性质的影响,结果见图5。

a pH=4.0

由图5可知,当pH=4.0、8.5,所有干扰离子对GSH-Cu NCs的荧光强度影响较小,因此GSH-Cu NCs对pH检测具有良好的选择性。

3 结 论

合成了GSH保护的Cu NCs,通过实验条件优化,筛选出荧光性能优异的GSH-Cu NCs用于构建pH传感器。该法具有简单、pH响应快速、条件温和、性能良好等特点,为便捷的pH传感分析提供了平台。