一种荧光探针检测水溶液中碘离子

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本站小编 Free考研考试/2022-01-01

刘炉英¹, 范远东¹, 王静², 王静珊¹, 谢浩源¹, 谢丽君¹
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
2020-10-13 收稿, 2021-01-07 录用
基金项目: 广东省青年创新人才项目（2018KQNCX178，2017KQNCX143）、广东省大学生创新实验项目（S201914278031）、广东省基础与应用基础研究基金项目（2020A1515010788）资助
^*通讯作者: 谢丽君

摘要: 本文选用无水柠檬酸和N-（β-氨乙基-γ-氨丙基）甲基二甲氧基硅烷，利用水热法制得碳量子点，此碳量子点发蓝光，激发波长和发射波长分别为370 nm、466 nm。由于碘的重原子效应和碘离子易于给出电子的能力，当碳量子点在水溶液中遇到碘离子时会发生荧光猝灭，通过测量荧光寿命，发现碳量子点和碘离子之间存在动态猝灭效应。利用这一特性，建立一种选择性检测水溶液中碘离子的荧光探针。优化分散溶剂对碳量子点荧光强度的影响，以及响应时间和溶液pH值对猝灭效率的影响。在最优实验条件下：荧光变化值（F₀-F）与碘离子浓度的对数呈线性，线性方程为Y=427.60X+646.88，R²=0.9945，碘离子浓度的线性范围为5×10^-7~5×10^-4 mol/L，检出限为3.2×10^-8 mol/L。选用三个浓度加标检测自来水样时，回收率范围为101%~105%。
关键词: 碳量子点碘离子重原子效应动态猝灭效应荧光探针
A Fluorescent Probe for Detecting the Iodide Ion in Aqueous Solution
LIU Luying¹, FAN Yuandong¹, WANG Jing², WANG Jingshan¹, XIE Haoyuan¹, XIE Lijun¹
1. Department of Chemistry, Guangdong University of Education, Guangzhou 510303, Guangdong, P. R. China;
2. Sun Yat-Sen Memorial Hospital, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510120, Guangdong, P. R. China
^*Corresponding author: XIE Lijun
Abstract: In this paper, anhydrous citric acid and N-(β-aminoethyl-γ-aminopropyl) methyldimethoxysilane were used to prepare carbon quantum dots by hydrothermal method. The carbon quantum dot emits blue light, and the excitation wavelength and emission wavelength were 370 nm and 466 nm, respectively. Due to the heavy atom effect of iodine and the ability of iodine ions to easily donate electrons, fluorescence quenching occurs when carbon quantum dots encounter iodide ions in an aqueous solution. By measuring the fluorescence lifetime, it was found that there was a dynamic quenching effect between carbon quantum dots and iodide ions. Using this feature, a fluorescent probe for selective detection of iodide ions in aqueous solution was established. Optimize the influence of the dispersion solvent on the fluorescence intensity of carbon quantum dots, and the influence of response time and pH on the quenching efficiency. Under the optimal experimental conditions: the fluorescence change value (F₀-F) with the logarithm of iodide ion concentration was linear, the linear equation was Y=427.60X+646.88, R²=0.9945, and the linear range was 5×10^-7-5×10^-4 mol/L, the detection limit was 3.2×10^-8 mol/L. The recovery range was 101%-105% when three concentrations spiked were used to test the water samples.
Key words: carbon quantum dotsiodine ionheavy atom effectdynamic quenching effectfluorescent probe
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

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

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 条件优化研究了CDs的分散溶剂对荧光强度的影响，以及反应时间、溶液的pH值等对荧光体系猝灭效率

的影响。如图 3所示，不同的分散溶剂对CDs的荧光强度有一定的影响，CDs在超纯水中荧光强度最强。如图 4(a)所示，当在体系中加入碘离子，CDs荧光很快被猝灭并在反应时间为5 min时达到稳定值，后续实验反应时间选用5 min。图 4(b)给出了溶液的pH对荧光猝灭效率的影响：pH=7时，猝灭效率最高，为54%；pH=3~7时，猝灭效率随着pH值提升；pH=7~10时，随pH值的升高猝灭效率降低。特别注意的是，当pH小于3或大于10时，量子点的荧光强度非常弱，说明溶液质子化或高电负性都会对CDs的荧光强度产生影响。因此，后续实验选用pH=7.0的超纯水作为反应溶剂。
图 3

图 3 CDs分散在不同溶剂中的荧光强度

图 4

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^-4 mol/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^-8 mol/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。
图 5

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

表1

表 1 比较不同荧光探针检测碘离子

荧光探针	检出限/(mol·L^-1)	线性范围/(mol·L^-1)	参考文献
CDs	3.2×10^-8	5×10^-7~5×10^-4	本项工作
g-C₃N₄ QDs	5×10^-6	1×10^-5~4×10^-3	[13]
CS/ZnS*Mn²⁺ QDs	-	0~3.6×10^-5	[14]
N-CQDs/Hg²⁺	3.54×10^-7	5×10^-7~4×10^-5	[15]

表 1 比较不同荧光探针检测碘离子

2.4 选择性将I^-与无机阴离子Cl^-、HCO₃^-、CO₃^2-、SO₄^2-、Br^-、S^2-、Ac^-和F^-的荧光猝灭效果进行对比，离子浓度设定为0.01 mol/L，结果如图 6所示，只有I^-离子能有效猝灭CDs的荧光，甚至连卤族其它元素离子，如F^-、Cl^-、Br^-，均未引起荧光探针的明显猝灭。分析认为，I^-属于重原子离子，易与荧光物质的激发态分子形成电荷转移配合物发生能量降低，加之I^-的给电子能力比其它阴离子(卤族其它元素)强，因而猝灭效率最高。从图 6中紫外灯下的发光图可以看到，加入I^-的CDs的荧光最弱。因此，本研究构建的荧光探针对碘离子的检测是灵敏的、高效的。
图 6

图 6 不同离子对CDs的荧光猝灭效果比较

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。

(1)

图 7

图 7 CDs的荧光寿命图

表2

表 2 CDs和CDs/I^-寿命衰减曲线的双指数拟合

样品	τ₁ (ns)/B₁	τ₂(ns)/B₂	average τ(ns)	residuals	χ²
CDs	1.25/240.03	4.38/1962.46	15.52	±8.57	1.0028
CDs+0.5 mmol/L I^-	15.62/2726.48	7.81/906.09	5.93	±2.58	1.0750

表 2 CDs和CDs/I^-寿命衰减曲线的双指数拟合

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。
2.6 回收率取自来水样, 分别加入浓度1×10^-6、1×10^-5、1×10^-4 mol/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^-4 mol/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。

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