基于GSH-CdTe的熒光檢測(cè)法用于水溶液中氟離子濃度的檢測(cè)

王逸飛+陳曉琴+范紅松

摘 要 飲用水中氟離子濃度與人類健康息息相關(guān)，氟離子濃度過高或過低都會(huì)引發(fā)不同的健康問題，因此準(zhǔn)確檢測(cè)水中氟離子濃度使其保持在一定范圍內(nèi)至關(guān)重要。本文以谷胱甘肽為穩(wěn)定劑合成了具有優(yōu)異熒光性質(zhì)的量子點(diǎn)（GSH-CdTe），在加入不同濃度的氟離子后，通過檢測(cè)量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度變化從而得到氟離子濃度與熒光強(qiáng)度的擬合相關(guān)曲線，其檢出限為20nmoL/L，通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其他陰離子的存在并不會(huì)干擾氟離子濃度的檢測(cè)，此方法操作簡單，檢出限比傳統(tǒng)的方法更低且更靈敏。

關(guān)鍵詞 熒光強(qiáng)度；氟離子；GSH-CdTe；團(tuán)聚

中圖分類號(hào) O6-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）172-0251-05

氟離子與人類健康有著密切的關(guān)系，一方面氟是人體必需的微量元素之一，適量的氟能維持機(jī)體正常代謝，有利于鈣和磷的利用以及在骨骼中沉積，加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度。機(jī)體中氟攝入不足會(huì)嚴(yán)重的影響牙齒和骨骼的健康，導(dǎo)致齲齒與骨質(zhì)疏松等疾病。另一方面，人體攝入氟過量會(huì)造成氟中毒[ 1 ]，引發(fā)尿石病[ 2 ]，腎功能衰竭[3]，癌癥甚至導(dǎo)致死亡等[4]。因此精確而又快速的檢測(cè)飲用水中氟離子的濃度，使其保持在最佳范圍至關(guān)重要[ 5 ]。

目前，科學(xué)家已研究出多種方法用于氟離子濃度的檢測(cè)。如離子選擇性電極法[ 6 ]，色譜分析法[ 7 ]，熒光分光光度法[8]，動(dòng)態(tài)光散射法[ 9 ]。盡管每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但基于熒光的氟離子檢測(cè)法卻以其低成本，高靈敏度及高選擇性等優(yōu)點(diǎn)引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。多種不同的納米材料比如Au[10]，C量子點(diǎn)[ 1 1 ]，Si納米線[ 1 2 ]，量子點(diǎn)[13，14]都已被作為熒光探針用于氟離子的檢測(cè)。其中量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的大小，優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)等優(yōu)勢(shì)在用作氟離子熒光探針的檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。但通常采用有機(jī)相合成的量子點(diǎn)反應(yīng)條件苛刻，毒性高，水溶性差。因此，研究開發(fā)出具有優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)的低毒性水溶性量子點(diǎn)用于檢測(cè)水溶液中氟離子濃度具有較大的應(yīng)用前景。谷胱甘肽（GSH）是一種含巰基的生物寡肽，以GSH為穩(wěn)定劑，通過巰基與Cd2+之間的絡(luò)合配位作用可以包裹在Cd2+的周圍，合成谷胱甘肽包裹的量子點(diǎn)。由于谷胱甘肽含有大量的羧基和氨基，因此能更好地提高量子點(diǎn)的水溶性及化學(xué)穩(wěn)定性。此外，根據(jù)我們之前的研究報(bào)道[ 1 5 ]以谷胱甘肽為穩(wěn)定劑合成的量子點(diǎn)具有更為優(yōu)異生物安全性，因此在實(shí)際應(yīng)用中更為安全環(huán)保。

本文以谷胱甘肽（GSH）為表面活性劑，合成了具有優(yōu)異的熒光性質(zhì)以及低毒性的水溶性CdTe量子點(diǎn)，并將其用于水溶液中氟離子的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以GSH-CdTe為熒光探針，在檢測(cè)水溶液中氟離子濃度時(shí)具有較高的選擇性及敏感性，其檢出限低至0.1mg/L。本文中研究出的這種方法操作簡單，成本低廉，環(huán)保無毒，具有較強(qiáng)的離子選擇性，能做到特異性檢測(cè)，具有非常好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 儀器與試劑

碲粉（99.9%，分析純）購于天津光伏精細(xì)化工研究所，氯化鎘（99%，分析純）、NaBH4（99%，分析純）購于上海阿拉丁有限公司，谷胱甘肽（95%，Sigma，美國）。其它試劑如無特殊說明均為分析純，購自成都科龍?jiān)噭┯邢薰荆瑢?shí)驗(yàn)用水均為超純水（電阻率為18.2 MQ-cm）。

1.2 GSH-CdTe量子點(diǎn)的合成

GSH-QD的制備方法參考此前的研究報(bào)道[ 1 5 ]。首先將95毫升的超純水加入四口瓶中，然后加入1mmol還原性谷胱甘肽和4ml氯化鎘（0.1mol/L）溶液，形成Cd2+-GSH絡(luò)合物，用NaOH和HCL（1mol/L）將溶液的pH調(diào)到9，對(duì)溶液進(jìn)行加熱同時(shí)向溶液中通入N2以去除體系中的氧氣等成分使體系保持在無氧狀態(tài)，當(dāng)溫度上升至90℃時(shí)，在劇烈攪拌下迅速注入1ml新鮮制備的NaHTe水溶液（0.1mol/L），各反應(yīng)物的摩爾比為Cd2+：Te：GSH=4：1：10，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下冷卻回流，待1小時(shí)后終止反應(yīng)，待其冷卻后按1：1的比例加入異丙醇混合均勻后進(jìn)行離心洗滌（15 000rmp，10分鐘），以除去過量的未反應(yīng)物質(zhì)，反復(fù)3次后將純化后的量子點(diǎn)溶于超純水中并避光保存在4℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3 量子點(diǎn)的表征

在室溫條件下，分別通過紫外分光光度計(jì)（PerkinElemer，Lambda 650）、熒光分光光度計(jì)（HITACHI，F(xiàn)-7000）對(duì)不同回流時(shí)間合成的量子點(diǎn)的光學(xué)性能進(jìn)行表征，通過馬爾文粒度測(cè)試儀對(duì)合成的量子點(diǎn)的粒徑大小和表面電荷進(jìn)行表征。通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM，TECNAI G2，F(xiàn)20 S-TWIN，F(xiàn)EI）對(duì)量子點(diǎn)的形貌尺寸及晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1.4 水溶液中氟離子濃度檢測(cè)

在一定濃度的GSH-CdTe量子點(diǎn)溶液中分別加入不同濃度（0.25mg/L～50mg/L）的氟離子溶液。將混合樣放入搖床中震蕩孵育（100r/min），震蕩20min后取出，利用熒光分光光度計(jì)檢測(cè)混合液的熒光發(fā)射波長及其熒光強(qiáng)度，激發(fā)波長統(tǒng)一為400nm，電壓600v，測(cè)定溫度為25℃。利用原始數(shù)據(jù)繪制得到（F-濃度）/（增加的熒光強(qiáng)度）的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)3σ/k得到氟離子的檢測(cè)極限（LOD），其中σ是空白樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k是標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率。

為了評(píng)估在有其它相關(guān)離子存在干擾的情況下，利用GSH-QD的熒光測(cè)定F-離子濃度是否有選擇性，實(shí)驗(yàn)

同時(shí)設(shè)置了Cl-，Br-，I-，S-，SO4-，SO3-，HCO3-，HPO4-，CH3COOH-，H2PO4-等離子對(duì)GSH-QD熒光強(qiáng)度的影響，離子濃度為50mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光探針的表針

本文以還原性谷胱甘肽（GSH）為穩(wěn)定劑，利用簡單快速的水相法制備了水溶性GSH-CdTe量子點(diǎn)，由于谷胱甘肽含有大量的羧基和氨基基團(tuán)，因此以其為穩(wěn)定劑制備的量子點(diǎn)極易溶于水溶液。產(chǎn)物在水溶液中的紫外-可見吸收光譜如圖1所示，吸收光譜顯示GSH-CdTe量子點(diǎn)有很寬的吸收范圍，曲線平滑，沒有單獨(dú)的吸收峰，由此可見，GSH-CdTe量子點(diǎn)可以被多種不同的激發(fā)波長所激發(fā)，而普通的有機(jī)熒光染料只能通過特定的波長進(jìn)行激發(fā)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)使得GSH-CdTe量子點(diǎn)在檢測(cè)氟離子濃度時(shí)，對(duì)儀器的要求不那么苛刻，多數(shù)儀器都能檢測(cè)。圖1同時(shí)顯示了GSH-CdTe量子點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜圖，由圖中可以看出，本文合成的GSH-CdTe量子點(diǎn)具有完全對(duì)稱的發(fā)射光譜，發(fā)射波長為538nm，其半峰寬（FWHM）較窄約為38nm，顯示本文中合成的量子點(diǎn)質(zhì)量較好，尺寸分布較窄，具有優(yōu)異的熒光性能可作為熒光探針使用。

圖2表征了制備的GSH-CdTe量子點(diǎn)的粒徑，結(jié)果顯示本文中合成的量子點(diǎn)具有良好的水溶性與單分散性，粒徑比較均勻，尺寸較小，在3nm～5nm之間。圖3高分辨透射電鏡顯示合成的量子點(diǎn)晶面清晰可見，具有優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)，粒徑尺寸約為3nm～5nm，與測(cè)出的量子點(diǎn)粒徑吻合。

2.2 氟離子濃度檢測(cè)

本文通過熒光法考察了不同濃度的氟離子對(duì)谷胱甘肽包裹的量子點(diǎn)（GSH-CdTe）熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響，此法方便快捷，且具有選擇性和特異性。量子點(diǎn)在合成過程中用谷胱甘肽做穩(wěn)定劑及包裹劑，使得其表面存在了大量的基團(tuán)，對(duì)量子點(diǎn)純化后再加入相應(yīng)濃度的氟離子，通過熒光分光光度計(jì)檢測(cè)不同濃度的氟離子對(duì)量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度影響。

2.2.1 氟離子濃度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖4顯示了在中性條件下不同濃度的F-（0.25mg/ L～50mg/L）與GSH-QD共孵育后溶液的熒光發(fā)射圖譜。結(jié)果顯示隨著F-離子濃度的增加，量子點(diǎn)的熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸增大，在一定范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度的增加與F-濃度呈較好的線性關(guān)系（R2=0.9856），通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)3σ/k可算出GSH-QD熒光檢測(cè)法檢測(cè)F-離子濃度的極限（LOD）約為0.1mg/L，與離子選擇電極法相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 特異性分析，離子選擇性分析

為了考察GSH-QD熒光探針檢測(cè)氟離子濃度的選擇性和特異性，以及是否會(huì)受其它背景離子的干擾影響，本文繼續(xù)驗(yàn)證了其它常見離子對(duì)GSHQD熒光強(qiáng)度的影響。文中分別選用了50mg/L的Cl-（Na+），Br（K+），S2-（Na+），CO32-（Na+），SO4-（Mg2+），NO3-（K+），HCO3-（Na+），CH2COOH-（Zn2+），H2PO4-（Na+）做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，這些都是較可能存在于飲用水中的干擾離子。圖5顯示這些離子對(duì)GSH-QD熒光探針的強(qiáng)度和靈敏度沒有明顯的影響，證明即使在有其它背景離子存在的情況下，GSH-QD熒光探針依然可以選擇性的檢測(cè)氟離子濃度，具有較好的特異性。

2.2.3 機(jī)理探討

谷胱甘肽量子點(diǎn)表面帶有大量的羧基，氨基基團(tuán)，在中性環(huán)境下，GSH-CdTe由于顆粒之間形成NH-N鍵，顆粒間的電荷排斥力減小，在水溶液中比較容易自發(fā)團(tuán)聚和非特異性吸附，引起熒光強(qiáng)度的降低。加入氟離子后，氟離子可與氨基形成更強(qiáng)的NH—F氫鍵并取代NH—N氫鍵，誘導(dǎo)團(tuán)聚的GSH-QD顆粒重新分散，熒光強(qiáng)度得到恢復(fù)[ 1 6 ]。后面加入Cl-、NO3-、H2PO4-可使量子點(diǎn)團(tuán)聚體略有分散；加入Br、CO32-、HCO3-、SO4-離子對(duì)量子點(diǎn)團(tuán)聚體基本無影響也是由于電性強(qiáng)度不同；而加入S離子反而加劇了顆粒的團(tuán)聚，我們猜想是因?yàn)镾離子可能與重金屬離子鎘和碲形成絡(luò)合物因而導(dǎo)致團(tuán)聚更厲害，熒光因此淬滅，因此，可根據(jù)量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)氟離子的特異性檢測(cè).

3 結(jié)論

本文基于GSH-CdTe的熒光強(qiáng)度變化，成功研究出了可方便快捷檢測(cè)水溶液中氟離子濃度的熒光探針，文中合成的量子點(diǎn)熒光探針尺寸在3nm～5nm之間，具有較好的熒光強(qiáng)度。在加入不同濃度的氟離子后，量子點(diǎn)探針的熒光強(qiáng)度得到了顯著的提高，并具有較好的線性關(guān)系。校準(zhǔn)曲線顯示本文研發(fā)的熒光探針最低可以檢測(cè)0.1mg/L的氟離子濃度。通過與其它離子對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，熒光探針的靈敏度并不會(huì)受到氟離子以外的其它離子的干擾，證明利用GSH-QD熒光探針檢測(cè)水溶液中氟離子濃度具有選擇性和特異性。本文提出的氟離子濃度檢測(cè)法操作簡單，價(jià)格低廉，檢測(cè)靈敏度高且具有選擇特異性，可用于檢測(cè)飲用水，生物環(huán)境中氟離子濃度的檢測(cè)。

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