基于L-半胱氨酸功能化的MoS2熒光量子點(diǎn)檢測(cè)Hg2+

張慧佳， 晉曉勇， 倪 剛， 彭 娟

(寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，寧夏銀川 750021)

MoS2作為一種類石墨烯結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)應(yīng)用于電池、催化劑和晶體管等領(lǐng)域[1 - 3]。但是對(duì)其光學(xué)特性，尤其是利用光致發(fā)光特性應(yīng)用于分析化學(xué)方面的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。具有熒光特性的MoS2量子點(diǎn)(MoS2QDs)在細(xì)胞成像和化學(xué)傳感應(yīng)用領(lǐng)域有卓越的表現(xiàn)[4 - 5]。為了進(jìn)一步改進(jìn)MoS2QDs熒光性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，表面功能化通常是一種很高效的方式。現(xiàn)實(shí)生活中含汞產(chǎn)品在人們的生活中隨處可見(jiàn)，而環(huán)境中的汞能被動(dòng)植物富集，經(jīng)生物轉(zhuǎn)化作用轉(zhuǎn)變成毒性更大的有機(jī)汞，且各種形態(tài)的汞可通過(guò)水體及食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生毒性作用。研究表明長(zhǎng)時(shí)間暴露在高汞環(huán)境中，可以導(dǎo)致腦損傷和死亡[6 - 7]。因此，環(huán)境中的痕量汞檢測(cè)極為重要。傳統(tǒng)檢測(cè)Hg2+的方法如原子吸收光譜法、電感耦合等離子質(zhì)譜法、氣相色譜法和X-射線熒光光譜法等[8]都具有較高的選擇性和靈敏度，但是都需要復(fù)雜的樣品制備和儀器使用。另外這些方法無(wú)法對(duì)環(huán)境中的Hg2+進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。最近，小熒光有機(jī)分子、DNA核酶、蛋白質(zhì)、貴金屬納米材料及量子點(diǎn)等，已被用于檢測(cè)Hg2+[9 - 15]。然而，這些策略需要進(jìn)行多個(gè)步驟，其中一些材料甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的毒性。

本研究采用Na2MoO4作為鉬源，L-半胱氨酸作為硫源和穩(wěn)定劑，在水熱條件下制備MoS2QDs。在合成時(shí)將L-半胱氨酸修飾在MoS2QDs上，而L-半胱氨酸可以與Hg2+發(fā)生鍵合作用，從而可以將MoS2QDs作為熒光探針有選擇性的檢測(cè)Hg2+。而使用MoS2QDs作為熒光探針檢測(cè)Hg2+可以達(dá)到制備簡(jiǎn)單、靈敏度高、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-3600紫外-可見(jiàn)光譜儀(日本，島津(中國(guó))公司)；F-7000熒光光譜儀(日本，高新技術(shù)有限公司)；JEOL JEM-2010透射電鏡(日本，JEOL公司)。

Na2MoO4·2H2O，L-半胱氨酸，ZnSO4,CaCl2,MgCl2·6H2O,BaCl2,NaCl,Cd(NO3)2·4H2O,HgCl2，CuSO4·5H2O,KBr,Ni(NO3)2·6H2O,Al2(SO4)3·18H2O,均購(gòu)買于阿拉丁試劑公司。所有試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1MoS2QDs的合成稱取0.25 g Na2MoO4·2H2O，溶于25 mL去離子水中，室溫下超聲5 min后，用0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至6.5之后，將50 mL 濃度為5 g/L的L-半胱氨酸水溶液加入上述溶液中，繼續(xù)超聲10 min。將混合物轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中在200 ℃下反應(yīng)36 h。反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾，將產(chǎn)物在4 ℃下儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2熒光探針檢測(cè)Hg2+將200 μL MoS2QDs水溶液加入到含有不同濃度Hg2+的磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH=7)中，將溶液充分混合后，置于室溫下反應(yīng)5 min。隨后在330 nm激發(fā)波長(zhǎng)下測(cè)定溶液的熒光強(qiáng)度。其中激發(fā)與發(fā)射的狹縫寬度設(shè)為10 nm。所有測(cè)試平行三次。

2 結(jié)果與討論

2.1 MoS2 QDs的表征

圖1(A)和圖1(B)分別是MoS2QDs的透射電鏡(TEM)和高倍透射電鏡(HRTEM)圖。從圖1(A) 中可以看出：MoS2QDs為形狀均一，大小較均勻，尺寸約為8 nm左右的單分散納米晶體。同時(shí)在圖1(B)中觀察到明顯的MoS2晶格條紋。

圖1 MoS2QDs的透射電鏡(TEM)(A)和高倍透射電鏡(HRTEM)(B)圖Fig.1 TEM (A) and HRTEM (B) images of MoS2 QDs

2.2 MoS2 QDs的光學(xué)性能

圖2(A)為MoS2QDs 的熒光激發(fā)與發(fā)射光譜圖。實(shí)驗(yàn)確定激發(fā)波長(zhǎng)為330 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為400 nm。因此在紫外燈照射下觀察到MoS2QDs 呈藍(lán)光的現(xiàn)象。圖2(B)為不同激發(fā)波長(zhǎng)下MoS2QDs的發(fā)射光譜?？疾炝思ぐl(fā)波長(zhǎng)在300～380 nm范圍內(nèi)MoS2QDs 的熒光發(fā)射。由圖可知，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的逐漸增大，熒光強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為330 nm時(shí)，其熒光強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，繼續(xù)增大激發(fā)波長(zhǎng)，熒光強(qiáng)度則逐漸減弱。因此選擇330 nm為后續(xù)實(shí)驗(yàn)中MoS2QDs 的激發(fā)波長(zhǎng)。在圖中還可以觀察到熒光發(fā)射光譜隨著激發(fā)波長(zhǎng)的逐漸增大產(chǎn)生紅移現(xiàn)象，這說(shuō)明在熒光激發(fā)過(guò)程中，MoS2QDs 本身發(fā)生了一些變化，如團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖2 (A) MoS2 QDs 的熒光激發(fā)與發(fā)射光譜圖(插圖分別為可見(jiàn)光(左)和365 nm紫外燈照射下(右)的照片);(B)不同激發(fā)波長(zhǎng)下MoS2 QDs 的熒光發(fā)射譜圖Fig.2 (A) Fluorescence emission and excitation spectra of MoS2 QDs(Inset is the digital photograph of the MoS2 QDs aqueous solution (200 μL) under daylight (left) and 365 nm UV light (right))；(B) Fluorescence emission spectra of MoS2 QDs at different excitation wavelengths

2.3 基于MoS2 QDs熒光猝滅法檢測(cè)Hg2+

圖3 MoS2 QDs紅外(FI-IR)光譜圖Fig.3 FT-IR spectrum of MoS2 QDs

圖3為MoS2QDs的紅外光譜圖，可見(jiàn)在465 cm-1附近的弱峰歸屬于Mo-S振動(dòng),在2 955 cm-1處的峰為飽和C-H 伸縮振動(dòng)，在低頻區(qū)域1 564 cm-1和1 419 cm-1處的峰分別為不飽和碳碳鍵的伸縮振動(dòng)和C-N鍵的伸縮振動(dòng)，所有結(jié)果說(shuō)明L-半胱氨酸可能包裹于MoS2的表面。

MoS2QDs熒光猝滅法檢測(cè)Hg2+原理如圖4所示。MoS2QDs是表面有L-半胱氨酸修飾的具有藍(lán)色熒光的納米材料，當(dāng)MoS2QDs水分散體系加入Hg2+時(shí)，Hg2+會(huì)與L-半胱氨酸發(fā)生鍵合作用，使MoS2QDs熒光發(fā)生猝滅。

圖4 基于MoS2 QDs 熒光猝滅法檢測(cè)Hg2+示意圖Fig.4 Schematic illustration of the Hg2+detection based on MoS2 QDs

從圖5(A)可以看出，當(dāng)體系中存在MoS2QDs時(shí)，其熒光強(qiáng)度為圖中曲線a所示，當(dāng)向體系中加入2.0×10-5mol/L的Hg2+時(shí)，其熒光強(qiáng)度減弱。從圖5(B)中可以看出，向體系加入Hg2+時(shí)，紫外-可見(jiàn)吸收光譜發(fā)生紅移。說(shuō)明Hg2+可以使MoS2QDs的熒光發(fā)生猝滅，因此可以用MoS2QDs構(gòu)建熒光探針檢測(cè)Hg2+。

圖5 MoS2 QDs和MoS2 QD5-Hg2+體系的熒光發(fā)射光譜(A)和紫外-可見(jiàn)吸收光譜(B)圖Fig.5 The fluorescence emission spectra (A) and UV-Vis absorption spectra (B) of MoS2 QDs and MoS2 QDs-Hg2+ system

2.3.1測(cè)定條件優(yōu)化對(duì)MoS2QDs熒光法測(cè)定Hg2+的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)圖6。選取pH范圍為4.0～10.0，對(duì)MoS2QDs的pH進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果如圖6(A)所示，隨著pH的逐漸增大，MoS2QDs的熒光強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，當(dāng)pH增大到7.0時(shí)，熒光強(qiáng)度值F0達(dá)到最大，當(dāng)pH繼續(xù)增大時(shí)，F(xiàn)0有所減弱。因此，選擇pH=7.0為MoS2QDs熒光檢測(cè)Hg2+的最適宜pH。

在對(duì)測(cè)定條件反應(yīng)時(shí)間的考察中，選擇了MoS2QDs-Hg2+作用的時(shí)間范圍為1～30 min。由圖6(B)可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的逐漸增加，MoS2QDs-Hg2+體系的熒光強(qiáng)度前后差值(F0-F)在2 min內(nèi)有明顯的增加，2 min后趨于平緩，再延長(zhǎng)時(shí)間到30 min時(shí)，(F0-F)值也沒(méi)有明顯的增強(qiáng)。因此，選擇反應(yīng)時(shí)間2 min作為MoS2QDs檢測(cè)Hg2+的最佳條件。

在溫度條件的優(yōu)化中，選擇了25 ℃、37 ℃和50 ℃ 3個(gè)溫度，從圖6(C)中可以看出，當(dāng)溫度為37 ℃時(shí)，(F0-F)值最大，其他溫度下MoS2QDs-Hg2+體系的熒光強(qiáng)度增幅不大，選取37 ℃為檢測(cè)Hg2+的最佳溫度。

圖6 MoS2 QDs溶液在不同pH(A)、反應(yīng)時(shí)間(B)和反應(yīng)溫度(C)下的熒光光譜(F和F0分別是MoS2 QDs體系中有無(wú)Hg2+的熒光強(qiáng)度)Fig.6 Fluorescence spectra of MoS2 QDs solutions at different pH values (A),reaction time(B) and reaction temperature (C)(F0 and F are the fluorescence intensity of MoS2 QDs in the absence and presence of Hg2+)

2.3.2線性范圍及檢測(cè)限為了證實(shí)方法的可行性，采用MoS2QDs熒光猝滅法檢測(cè)Hg2+。從圖7(A)中可以看出，MoS2QDs的熒光強(qiáng)度隨著Hg2+濃度的增加而減弱。此現(xiàn)象表明Hg2+能與MoS2QDs發(fā)生相互作用，從而熒光減弱。而圖7(B)是Hg2+濃度與(F0-F)/F0的標(biāo)準(zhǔn)曲線。線性范圍為5.0×10-7～2.0×10-4mol/L，相關(guān)系數(shù)R2=0.9983，檢測(cè)限為2.3×10-7mol/L。

圖7 (A) MoS2 QDs在含不同濃度Hg2+的PBS(pH=7.0)中的熒光發(fā)射光譜圖(激發(fā)波長(zhǎng)為330 nm)；(B)(F0-F)/F0與Hg2+濃度的線性關(guān)系圖Fig.7 (A) Fluorescence spectra of MoS2 QDs with different Hg2+ concentrations in PBS buffer (pH=7.0) under excitation at 330 nm;(B) Linear plots of the (F0-F)/F0 with Hg2+ concentration

圖8 MoS2 QDs 對(duì)Hg2+(5.0×10-6 mol/L)的選擇性Fig.8 Selectivity of the MoS2 QDs toward 5.0×10-6 mol/L Hg2+ the concentrations of the other metal ions were 5.0×10-3 mol/L;all experiments were performed in pH=7.0 PBS buffer;excitation wavelength was 330 nm.

2.3.3方法的選擇性在相同的反應(yīng)條件下選取了一些常見(jiàn)金屬陽(yáng)離子作為干擾對(duì)象，所有物質(zhì)的濃度均為5.0×10-3mol/L。如圖8所示，結(jié)果表明只有加入Hg2+的時(shí)候熒光強(qiáng)度才會(huì)減弱，其余陽(yáng)離子(如Zn2+、Mg2+、Ca2+、Al3+等)對(duì)MoS2QDs 的熒光強(qiáng)度基本上都沒(méi)有明顯影響。這就證明該方法對(duì)Hg2+具有較高的選擇性。

2.4 實(shí)際樣品分析

為了研究該方法的實(shí)用性，將該方法應(yīng)用于自來(lái)水樣品中Hg2+的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在自來(lái)水樣品中未發(fā)現(xiàn)Hg2+，然后測(cè)量實(shí)際樣品中Hg2+的回收率(表1)。這些結(jié)果表明我們的方法對(duì)自來(lái)水樣品種Hg2+測(cè)定的可靠性。

表1 自來(lái)水樣品中Hg2+的分析結(jié)果(n=6)Table 1 Analytical results ofHg2+in tap water samples(n=6)

3 結(jié)論

本工作采用水熱法制備了L-半胱氨酸功能化的MoS2QDs。該MoS2QDs呈現(xiàn)較強(qiáng)的藍(lán)色熒光性能，并具有較好的水溶性。當(dāng)有Hg2+存在時(shí)，MoS2QDs的熒光發(fā)生猝滅，基于該原理發(fā)展了一種熒光法來(lái)檢測(cè)自來(lái)水中的Hg2+。該方法具有較好的靈敏度和選擇性，有望用于環(huán)境試樣中Hg2+含量的檢測(cè)。

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