基于水溶性硅量子點(diǎn)的汞離子熒光傳感器

鄭愛華， 王佳慧， 吉邢虎， 何治柯*

(1.湖北醫(yī)藥學(xué)院藥學(xué)院，湖北十堰 442000；2.生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

汞是一種有毒的重金屬元素，對動(dòng)植物和人體的健康危害極大。因此，Hg2+的檢測在生命科學(xué)、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域起著極其重要的作用。目前，Hg2+檢測的方法主要有原子吸收光譜法[1]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[2]、電化學(xué)法[3]及原子發(fā)射光譜法[4]等。然而，這些方法通常需要較為昂貴的儀器，制約了其應(yīng)用。因此，開發(fā)簡單、快捷、高效的Hg2+檢測技術(shù)仍然具有重要意義。近年來，基于納米材料的Hg2+檢測方法受到研究工作者的關(guān)注。Guo等[5]報(bào)道了一種基于寡核苷酸穩(wěn)定的Ag納米簇的Hg2+熒光探針；Lee等[6]和王麗華等[7]分別將巰基修飾的DNA序列(poly-T)共價(jià)連接在Au納米顆粒表面，借助DNA巰基與Hg2+特異性結(jié)合的方式構(gòu)成納米捕獲探針。硅量子點(diǎn)(Si QDs)是熒光納米材料領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，與常用的CdS、CdTe等量子點(diǎn)相比，具有水溶性好、無毒、生物相容性好等特點(diǎn)[8 - 11]，為其在高性能硅基功能化納米探針及納米傳感器等方面的應(yīng)用提供了有利條件。

本文實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Hg2+能夠與Si QDs表面的氨基結(jié)合，使其熒光猝滅，據(jù)此建立了一種Hg2+檢測的新方法。二巰基丙磺酸鈉(Dimercaptosulphonate Sodium，DMPS)是一種常用的治療汞、銅、砷、鉻、鉍、銻等重金屬中毒的解毒藥，但其自身也具有一定的毒性，故解毒時(shí)使用濃度也有嚴(yán)格限制[12 - 13]。因此，建立DMPS的定量檢測方法，將為其合理使用提供理論依據(jù)。當(dāng)在Hg2+猝滅Si QDs熒光體系中加入DMPS時(shí)，由于巰基與Hg2+的結(jié)合力比氨基與Hg2+的結(jié)合力大，DMPS可奪取Si QDs表面氨基結(jié)合的Hg2+，釋放出量子點(diǎn)使其熒光恢復(fù)，達(dá)到定量檢測DMPS的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

RF-5301型熒光光譜儀(日本，島津公司)；PB-10 酸度計(jì)(北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；BS110S電子分析天平(北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；Milli-Q 超純水處理器(美國，Millipore公司)。

3-氨丙基三甲氧基硅烷((3-Aminopropyl)trimethoxysilane，APTMS)購于阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；二水合檸檬酸三鈉、DMPS均為Sigma-Aldrich公司產(chǎn)品；HgCl2購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其余試劑均為國產(chǎn)分析純試劑。所用透析袋(MWCO:1 000)購于上海源葉有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1水溶性熒光SiQDs的制備水溶性熒光Si QDs的合成參照實(shí)驗(yàn)室已建立的方法[13]：在25 mL三口燒瓶中加入超純水，通入氮?dú)獬?0 min后，加入檸檬酸三鈉(濃度為0.125 mol/L)，繼續(xù)通入氮?dú)獠⒓尤階PTMS，使其終濃度為1.127 mol/L。該混合溶液在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌均勻后，轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中升溫至200 ℃反應(yīng)120 min，冷卻后得到Si QDs溶液。將所得量子點(diǎn)溶液置于透析袋中進(jìn)行純化，得到無色透明溶液，置于4 ℃冷藏，待用。

1.2.2實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)的檢測原理如圖1所示。Si QDs表面帶有氨基，呈藍(lán)色熒光。當(dāng)加入Hg2+時(shí)，量子點(diǎn)表面的氨基與Hg2+形成配合物，使量子點(diǎn)的熒光猝滅。根據(jù)量子點(diǎn)的熒光猝滅程度可測定Hg2+的濃度。在該體系中加入DMPS時(shí)，由于DMPS分子中有兩個(gè)巰基，與Hg2+結(jié)合力更強(qiáng)，能奪取Si QDs 表面氨基結(jié)合的Hg2+，形成穩(wěn)定的水溶性配合物，釋放出量子點(diǎn)而使其熒光恢復(fù)。根據(jù)量子點(diǎn)熒光回升程度可測定DMPS的濃度。

圖1 基于Si QDs的Hg2+熒光傳感器檢測原理示意圖Fig.1 Schematic illustration of fluorescence sensor based on Si QDs and Hg2+

1.2.3檢測方法在100 μL Si QDs溶液中，加入HAc-NaAc緩沖溶液，再加入不同濃度的Hg2+溶液，混合后反應(yīng)體積保持400 μL，靜置15 min后，測量體系的熒光強(qiáng)度值。以未加入Hg2+時(shí)Si QDs的熒光強(qiáng)度為F0，加入Hg2+后的熒光強(qiáng)度為F。實(shí)驗(yàn)中以熒光強(qiáng)度變化率(F0-F)/F0為考察指標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，以相對熒光強(qiáng)度(F0-F)繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

圖2 pH對體系熒光強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of pH on the fluorescence intensity of Hg2+ sensing system

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.1.1pH的優(yōu)化水溶性Si QDs的熒光對強(qiáng)酸及強(qiáng)堿范圍的pH較敏感，但在pH=4.5～7.0范圍內(nèi)熒光相對穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)選取不同pH的HAc-NaAc緩沖溶液進(jìn)行了pH的優(yōu)化，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)pH為6.0時(shí)，熒光強(qiáng)度變化最小，Hg2+檢測體系最穩(wěn)定。因此，檢測條件選擇pH=6.0的緩沖體系。

2.1.2緩沖溶液種類的優(yōu)化考察了不同種類緩沖體系對Si QDs檢測Hg2+的影響。實(shí)驗(yàn)分別選擇了HAc-NaAc、NaH2PO4-NaOH、鄰苯二甲酸納-NaOH和六次甲基四胺-HCl 4種緩沖溶液(濃度均為20 mmol/L)進(jìn)行考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。HAc-NaAc緩沖體系的熒光猝滅最小，表明該緩沖體系對Hg2+檢測的影響最小。因此，實(shí)驗(yàn)選用HAc-NaAc緩沖體系。

圖3 緩沖溶液種類對體系熒光強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of different buffer solution at pH=6.0 on the fluorescence intensity of Hg2+ sensing system

圖4 不同離子對體系熒光強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of different ions on the fluorescence intensity of Hg2+ sensing system

2.2 分析性能

在100 μL Si QDs溶液中，加入20 mmol/L HAc-NaAc緩沖溶液(pH=6.0)，再加入一定濃度的Hg2+溶液，使最終待測液體積為 400 μL。渦旋混勻，靜置15 min后，熒光檢測結(jié)果如圖5(A)所示。從圖中可以看出，隨著Hg2+濃度的增加，熒光猝滅程度不斷增強(qiáng)。以F0-F為縱坐標(biāo)(y)，cHg2+為橫坐標(biāo)(x)作圖得到標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖5(B))。線性范圍為5.0×10-8～1.0×10-6mol/L，線性方程式為：y=134.8x+19.96(R2=0.9978)，檢出限(3σ)為2.2×10-8mol/L。

圖5 (A)Si QDs對Hg2+的熒光響應(yīng)光譜圖;(B)檢測Hg2+校準(zhǔn)曲線Fig.5 (A) Fluorescence spectra of the sensing system in response to the different concentrations of Hg2+；(B) Calibration curve for the detection of Hg2+

圖6 (A) 檢測體系對DMPS的熒光光譜圖；(B)檢測DMPS的校準(zhǔn)曲線Fig.6 (A) Fluorescence spectra of the sensing system in response to the different concentrations of DMPS；(B) Calibration curve for the detection of DMPS

2.3 二巰基丙磺酸鈉的檢測

DMPS是常用于治療汞、鉻、銅、砷等重金屬離子中毒的特效藥，由于其結(jié)構(gòu)中含有可以與Hg2+相結(jié)合的巰基，從而可以有效奪取已被絡(luò)合的Hg2+。在上述測定Hg2+的體系中，加入不同濃度DMPS溶液，渦旋混勻，靜置15 min后，測定體系熒光強(qiáng)度(圖6(A))。隨著DMPS濃度的增加，Si QDs的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)其濃度為1.200 μmol/L，Si QDs的熒光強(qiáng)度基本上能夠得到完全回升。在2.5×10-8～4.0×10-7mol/L濃度范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度恢復(fù)值F-F0(y)與DMPS濃度(x)呈線性關(guān)系，線性方程式為：y=245.5x+136.8(R2=0.9976)(圖6(B))。

3 結(jié)論

本文利用表面帶氨基的水溶性熒光Si QDs與Hg2+的相互作用，建立了一種操作簡單、方便快捷的Hg2+檢測方法。與基于納米金、碳點(diǎn)、碳納米管等納米材料的Hg2+傳感器相比，本文所提出的傳感器具有分析速度快、靈敏度高等優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，借助巰基比氨基與Hg2+具有更強(qiáng)的親和力的策略，建立了一種檢測DMPS的新方法。當(dāng)DMPS加入Si QDs檢測Hg2+的反應(yīng)體系，可奪取已與量子點(diǎn)表面氨基相結(jié)合的Hg2+，釋放出自由的量子點(diǎn)，使其熒光強(qiáng)度恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)DMPS的檢測。

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