基于量子點的熒光傳感微流紙基芯片離子印跡法檢測銅離子

王欣然等

摘 要 基于離子印跡技術(shù)，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作為功能單體，正硅酸乙酯（TEOS）作為交聯(lián)劑，以銅離子（Cu2+）為模板離子，利用表面印跡法在室溫下pH=6.5的水溶液中反應(yīng)，于玻璃紙的表面合成印跡聚合物。玻璃纖維紙的表面經(jīng)過活化、接氨基處理，接枝碲化鎘量子點，成為具有熒光傳感性能的基底，而接枝在其表面的離子印跡聚合物增強了體系的選擇性，線性范圍為0.032～3.20 mg/L，檢出限為0.012 mg/L。將其應(yīng)用于湖水及海水樣品中加標Cu2+含量的檢測，并與ICP-MS檢測的結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明，這種基于熒光傳感的印跡紙芯片具有良好的分析性能。

關(guān)鍵詞 紙芯片； 離子印跡聚合物； 銅離子； 碲化鎘量子點

1 引 言

銅作為一種重金屬元素，是一種生命有機體必需的微量元素，與人類健康密切相關(guān)[1，2]。但當體內(nèi)銅含量過高時，會對肝臟等器官造成負擔，新陳代謝發(fā)生紊亂，造成肝腹水、肝硬化等疾病。目前，在機械制造、建筑工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中，銅材料的過度使用和不恰當處理導(dǎo)致其成為重金屬污染物之一，控制和監(jiān)測水體中Cu2+的含量已成為人們關(guān)注的熱點問題。

人們已將離子印跡聚合物作為高選擇性材料，分離水體樣品中的Cu2+[3，4]。離子印跡技術(shù)是在分子印跡技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對模板離子具有高選擇性識別能力[5，6]。金屬離子與配合物通過螯合作用結(jié)合，在交聯(lián)劑、引發(fā)劑的作用下發(fā)生聚合，聚合后將金屬離子洗脫，可得內(nèi)部含有孔穴的印跡聚合物，該孔穴與模板離子的形狀和大小相符，可與特定的金屬離子結(jié)合[7]。微流控芯片（Microfluidic chip）又稱為芯片實驗室，將多種單元技術(shù)靈活組合并規(guī)?；稍谖⑿】煽氐钠脚_上，實現(xiàn)了儀器設(shè)備的便攜化、高效化、智能化[8，9]。紙芯片作為微流控芯片的分支，是當前研究的熱點之一[10～12]。它利用紙張作為基底，代替了常見的玻璃、PDMS等加工材料，通過紫外光刻[13]、噴蠟打印[13，14]、等離子體處理[15]、絲網(wǎng)印刷[16]等加工技術(shù)，可在紙上加工出具有一定結(jié)構(gòu)的親/疏水微細通道網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)分析器件，構(gòu)建微流控紙分析設(shè)備，與其它材料相比，紙芯片具有很多優(yōu)勢：輕薄、易變形，方便運輸和儲存；生物相容性好，可降解；自身多孔結(jié)構(gòu)無需外力驅(qū)動運輸樣品；便于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等[17，18]。自 2007年Martinez等[19]首次提出微流控紙芯片概念后，微流控紙芯片分析技術(shù)得到了快速發(fā)展[19]。對一些發(fā)展中國家、偏遠地區(qū)的臨床醫(yī)學(xué)檢驗有重大意義，在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

本研究將碲化鎘量子點（CdTe QDs）接枝在經(jīng)處理的玻璃纖維紙表面，制得熒光響應(yīng)基底。利用表面印跡技術(shù)在量子點表面合成以Cu2+為模板的印跡聚合物（Cu-IIP@ CdTe QDs），所得到的紙片能夠選擇性吸附溶液中的Cu2+，由于 Cu2+對碲化鎘量子點的熒光有猝滅作用，因此可以通過熒光信號的變化對溶液中Cu2+的含量進行分析。研究結(jié)果表明，此印跡紙芯片可以準確、快速檢測水體樣品中的Cu2+。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

S-4800冷場發(fā)射掃描電鏡（日本Hitachi公司）；FluoroMax-4熒光光譜儀（Horiba Scientific公司）；Milli-Q超純水系統(tǒng)（美國 Millipore公司）；PHS-3C數(shù)字酸度計。

NaBH4、CdCl2、N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）和1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸（EDC）均購自阿拉丁公司；3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES， Sigma-Aldrich公司）；其它試劑均為國產(chǎn)分析純試劑，玻璃纖維濾紙購于山東德州藍天環(huán)境監(jiān)測用品廠。實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 合成水溶性碲化鎘量子點

根據(jù)Xu等[20]報道的方法合成CdTe QDs。稱取68.4 mg CdCl2溶于75 mL二次蒸餾水水中，加入藥 63 μL巰基乙酸，用1 mol/L NaOH快速調(diào)節(jié)至pH 9.0～9.2，通氮氣20 min。另取38.3 mg碲粉和40.0 mg NaBH4，加入1.5 mL乙醇和0.5 mL二次蒸餾水后密封，放置于40℃水浴中加熱反應(yīng)4 h。取1 mL淡紫色上層清液（NaHTe），迅速加入到之前制備的CdCl2溶液中，氮氣保護下回流2 h，便得到黃綠色的CdTe QDs，其發(fā)射波長在545～560 nm之間。量子點溶液需避光保存，60天內(nèi)熒光強度不會發(fā)生明顯變化。

2.3 制作熒光傳感的玻璃紙基底

將玻璃纖維紙裁剪成1.5 cm×1.5 cm，浸于0.2 mol/L HCl溶液中活化30 min。取出后浸于20 mL 50%（V/V）乙醇中，并加入200 μL APTES進行接氨基處理，培育2～4 h，取出并以去離子水洗去多余乙醇，紙片留存?zhèn)溆谩?/p>

經(jīng)巰基乙酸修飾的CdTe QDs需要經(jīng)過EDC/NHS催化才能接枝在含有大量氨基的玻璃纖維紙上。EDC及NHS均以pH=5.2的MES緩沖溶液配制而成，取10 mL制備好的量子點溶液，加入6 mL 20 mg/mL EDC及6 mL 10 mg/mL NHS。將接氨基處理后的紙片浸泡到此溶液中，避光培育12 h以上，得到表面接枝量子點的紙片。

2.4 合成銅離子印跡聚合物（Cu-IIP）

取1 mL 100 mg/L CuCl2溶液于20 mL水中，加入APTES 40 μL，振蕩20 min，進行預(yù)聚合。加入50 μL氨水和50 μL TEOS，繼續(xù)振蕩30 min。開始聚合后，將接有量子點的紙片浸入其中，選擇80～100 r/min轉(zhuǎn)速振蕩4 h，得到接枝Cu-IIP的紙片，此過程體系需避光處理。另配制不加CuCl2的無模板對照組（NIP），其它條件不變，培育同樣的熒光紙片。選擇EDTA作為洗脫劑洗脫Cu2+。

2.5 吸附性能

靜態(tài)吸附實驗：將Cu-IIP@QDs紙片浸泡于10 mL，pH=6.5的不同濃度Cu2+溶液中，濃度分別為0， 0.032， 0.32， 0.64， 0.96， 1.28和1.60 mg/L。室溫條件下振蕩培育紙片，15 min后將紙片取出，用熒光光譜儀檢測熒光強度。將培育前后紙芯片熒光的變化F0/F作為參數(shù)，繪制標準曲線，考察紙芯片的性能。

動態(tài)吸附實驗：稱取10 mL 0.96 mg/L Cu2+溶液，室溫條件下振蕩培育Cu-IIP@QDs紙片0～28 min，測定不同時間的熒光強度，繪制動力學(xué)吸附曲線。3 結(jié)果與討論

3.1 形貌表征

采用冷場發(fā)射掃描電鏡（SEM）對紙片上量子點及Cu-IIP的形貌進行表征，由圖1可見，未處理的玻璃纖維表面存在雜質(zhì)且纖維之間空隙較大（圖1A）；接枝量子點后，量子點黏附在紙纖維表面，并懸掛在纖維之間（圖1B）；合成的Cu-IIP與量子點連接，黏附于玻璃纖維（圖1C）；量子點和Cu-IIP均勻分散在玻璃纖維上（圖1D）。

3.2 紙芯片熒光猝滅機理

如圖2A所示，Cu-IIP經(jīng)過交聯(lián)劑的作用可以與量子點連接，在量子點表面形成印跡層，Cu2+可以通過配合物中的化學(xué)鍵與CdTe QDs相互作用，其電荷與量子點表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，彌補量子點表面的電荷空穴，因而導(dǎo)致量子點熒光猝滅[21]，而洗去Cu2+后，熒光可以恢復(fù)。圖2B顯示了量子點、未洗模板時的Cu-IIP@QDs紙芯片、洗去模板后的Cu-IIP@QDs紙芯片以及未加模板的NIP紙芯片的熒光強度對比。當Cu2+聚合物與量子點接枝后，對量子點的熒光猝滅效果十分明顯（圖2B中未洗模板），而洗脫Cu2+后熒光得到部分恢復(fù)（圖2B中洗去模板），未加入模板的NIP對照組熒光較強，但仍然低于量子點溶液的熒光強度。

3.3 實驗條件的優(yōu)化

裸紙的預(yù)處理經(jīng)過活化和接氨基兩步。為暴露玻璃纖維表面的羥基，保證有足夠的位點接枝量子點，需用HCl浸泡進行活化。將裸紙浸泡在0.05， 0.1， 0.2和0.3 mol/L HCl溶液中30 min，得到的熒光強度如圖3A所示，選擇0.2 mol/L HCl作為活化溶液。接氨基時，每片1.5 cm×1.5 cm大小的紙片使用200 μL APTES即可得到足夠強的熒光（圖3B）?？疾靝H值對Cu-IIP@QDs紙芯片的影響時，將Na2HPO4-NaH2PO4作為緩沖體系，由于過酸或過堿的條件都會對量子點的熒光強度有影響，因此選擇在5.25～8.35范圍內(nèi)調(diào)節(jié)pH值（圖3C）。在pH=6.5時，熒光強度變化最大，印跡聚合物對Cu2+的結(jié)合效果最好。由于采用表面印跡法進行聚合，使用EDTA可以在很短時間內(nèi)將Cu2+洗脫下來，而當EDTA濃度過高時，會猝滅量子點的熒光（圖3D）。因此， 選擇使用0.1 mmol/L EDTA快速漂洗的方法進行模板洗脫。最后用水漂洗，除去多余的EDTA。

3.4 Cu-IIP@QDs紙芯片吸附性能

靜態(tài)吸附實驗考察了Cu-IIP@QDs紙芯片的檢出限和線性范圍。Cu-IIP@ QDs紙芯片檢測Cu2+濃度范圍為0.032～3.20 mg/L的熒光強度（圖4A），吸附15 min。與NIP（圖4B）相比，在同樣的濃度范圍內(nèi)，強度降低較為明顯，熒光猝滅效果顯著；紙芯片初始熒光強度F0與培育后熒光強度F的比值隨著Cu2+濃度的增加而增大（圖4C），Cu-IIP標準曲線的斜率較大， 而NIP標準曲線的斜率較小，且Cu-II標準曲線的線性系數(shù)為0.9953，最低檢測濃度可以達到0.012 mg/L，5次重復(fù)測定的相對標準偏差（RSD）為4.9%。實驗證明了Cu-IIP@QDs紙芯片對Cu2+有較為靈敏的響應(yīng)能力。動態(tài)吸附實驗表明，Cu-IIP@QDs紙芯片吸附在15 min后達到平衡，因此本實驗中考察其它性能時的吸附時間為15 min。

3.5 選擇性和穩(wěn)定性

選擇濃度均為20 μmol/L的Na+， K+， Ca2+， Mg2+， Zn2+， Ni2+， Co2+， Cd2+， Hg2+， Pb2+， Fe3+和Cu2+，對Cu-IIP@QDs紙芯片的選擇能力進行考察，吸附時間均為15 min。如圖4E所示，在考察的11種離子中，只有Cu2+能顯著降低熒光強度，除Cu2+外，只有Pb2+和Hg2+能使紙芯片的熒光稍有猝滅。另外，紙片的穩(wěn)定性也是影響實際應(yīng)用的重要指標之一。選擇了同一張紙芯片的20個位點進行檢測。結(jié)果表明，熒光強度差異小于15%。紙芯片需在低溫（4℃）避光環(huán)境下保存，檢測前使其濕潤，此熒光傳感紙片的有效時間可達到30天。

3.6 實際樣品中Cu2+含量的檢測

取自然環(huán)境中的水樣對銅離子印跡紙芯片的實際應(yīng)用能力進行檢測。水樣取自煙臺大學(xué)三元湖湖水及煙臺市萊山區(qū)附近海水，進行4個濃度水平加標實驗，濃度分別為2， 15， 30和50 μmol/L，為對比方便，換算為mg/L。將樣品過濾并以Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液調(diào)節(jié)pH至6.5～7.5，吸附時間為15 min。對湖水、海水加標樣品檢測的回收率和RSD如表1所示，印跡紙芯片的檢測結(jié)果與ICP-MS的檢測結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本研究制作了熒光紙基芯片，并利用表面印跡技術(shù)，將APTES作為功能單體， TEOS作為交聯(lián)劑，在玻璃纖維紙的表面合成了銅離子印跡聚合物層，通過Cu2+與碲化鎘量子點之間的電子轉(zhuǎn)移作用導(dǎo)致熒光猝滅，從而定量分析水體樣品中Cu2+。這種Cu-IIP@QDs紙片制作方法簡單、成本較低、便于攜帶并且具有較高的選擇性和靈敏度，在現(xiàn)場即時檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。

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