Cu/Ag納米簇比率型熒光探針的構(gòu)建及其在Ag+檢測(cè)中的應(yīng)用

陸可鈺， 孔令燦

(1.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122；2.無(wú)錫市疾病預(yù)防控制中心，江蘇無(wú)錫 214023)

隨著全球化、工業(yè)化和城市化的飛速發(fā)展，重金屬污染已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。銀因具有極好的殺菌特性和光電特性而被廣泛應(yīng)用于臨床、影像、化妝品等領(lǐng)域[1 - 2]。但如今，由于其高毒性、非生物降解，Ag+污染已經(jīng)成為一個(gè)對(duì)人類(lèi)健康最有害的重金屬離子之一。人體中Ag+的積累可導(dǎo)致多種癥狀，如頭痛和器官功能衰竭等[3 - 4]。傳統(tǒng)檢測(cè)Ag+的方法主要有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電化學(xué)分析法等[5 - 7]。然而，這些技術(shù)往往由于成本較高、操作復(fù)雜、耗時(shí)等原因，無(wú)法對(duì)樣品(特別是復(fù)雜基質(zhì)樣品，如血液、尿液和食物)中的Ag+實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的檢測(cè)。因此發(fā)展高效、簡(jiǎn)易、環(huán)保、靈敏的檢測(cè)Ag+的方法就顯得尤為重要。

金屬納米簇一般是由幾個(gè)至幾百個(gè)金屬原子組成，粒徑大小接近于電子的費(fèi)米波長(zhǎng)，因此呈現(xiàn)出很多不同于金屬納米粒子的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，如較強(qiáng)的熒光性、良好的光穩(wěn)定性等[8 - 12]。這些性質(zhì)為金屬納米簇在化學(xué)傳感和光電等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了可能。例如，Wang等人利用納米簇實(shí)現(xiàn)了Pb2+的檢測(cè)[13]；Yang等人利用銅納米簇實(shí)現(xiàn)了汞離子的檢測(cè)[14]。然而，這些研究主要是通過(guò)調(diào)節(jié)配體間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬離子的檢測(cè)。相應(yīng)的通過(guò)調(diào)整金屬間的相互作用特別是聚集誘導(dǎo)發(fā)光的方法來(lái)高效、靈敏地檢測(cè)重金屬離子的研究報(bào)道較少。

本文在水溶液中以D -青霉胺為配體，在室溫下通過(guò)一鍋法制備出具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光的銅/銀合金納米簇(Cu/AgNCs)發(fā)光探針，而且Ag+的摻雜會(huì)使探針的發(fā)光表現(xiàn)出了明顯的藍(lán)移效應(yīng)，基于此，建立了Ag+的比率發(fā)光檢測(cè)方法，該方法不僅快速、靈敏，而且其他常見(jiàn)的金屬離子對(duì)Ag+的檢測(cè)沒(méi)有明顯的干擾作用，并將其成功地應(yīng)用于人體尿樣和環(huán)境水樣中Ag+的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F-4500型熒光光譜儀、UV-2450型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本，島津公司)；JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本，JEOL公司)；Nexus670型傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)，Nicolet公司)；6220型 LC-TOF MS儀(美國(guó)，Agilent公司)；量子產(chǎn)率測(cè)量系統(tǒng)(日本，Hamamatsu Photonics K.K.公司)。

氯金酸(HAuCl4)、D -青霉胺(純度98%)購(gòu)自西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司。CuSO4·5H2O(純度98%)、AgNO3(純度99%)購(gòu)自阿拉丁試劑(中國(guó))公司。所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為Millipore Milli-Q純水系統(tǒng)制備的超純水。

1.2 Cu/Ag納米簇(Cu/AgCNs)的制備

參考文獻(xiàn)方法[15]，稍加改進(jìn)制備Cu/AgNCs。具體如下：室溫下將70 μL的CuSO4溶液(100 mmol/L)和50 μL 100 mmol/L的AgNO3溶液，依次加入到5 mL的D -青霉胺溶液(3 g/L)中，攪拌5 min后離心，取沉淀物待用。

1.3 Ag+檢測(cè)的靈敏度和選擇性實(shí)驗(yàn)

將一系列不同濃度的AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液和70 μL的CuSO4溶液(100 mmol/L)，依次加入到5 mL的D -青霉胺溶液(3 g/L)中，室溫?cái)嚢? min后，收集相應(yīng)的熒光光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)比率發(fā)光數(shù)值(I570/I615)和Ag+濃度之間的比例關(guān)系建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。在Ag+加入量不變的情況下(50 μL，100 mmol/L)，分別加入等量的其它金屬離子或HAuCl4，并保持其他條件不變，研究Cu/AgNCs比率熒光探針對(duì)Ag+的選擇性。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu/AgCNs比率熒光探針的制備與表征

根據(jù)1.2節(jié)合成方法制備出不同Ag+摻雜量的Cu/AgNCs，并分別命名為N1、N2、N3，見(jiàn)表1。從傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜結(jié)果(圖1)可以看出，相比于純的D -青霉胺，Cu/AgNCs(N1和N2)在2 520 cm-1處的峰消失了，這是由于S-H鍵發(fā)生了斷裂并形成了新的S-Cu(Ag)鍵。從Cu/AgNCs的電噴霧電離-飛行時(shí)間質(zhì)譜(ESI-TOF MS)(圖2)結(jié)果可以看出，在Cu/AgNCs中存在許多Cu/Ag離子碎片，比如Cu2Ag2L2，Cu3AgL3，Cu3Ag2L4等(L代表配體D -青霉胺)。透射電鏡(TEM)結(jié)果(圖3)顯示N1表現(xiàn)為不規(guī)則的組裝結(jié)構(gòu)，而Cu/AgNCs(N2、N3)變成相對(duì)規(guī)整的近球形結(jié)構(gòu)。隨著Ag+摻雜量的增加，這些球狀結(jié)構(gòu)隨著尺寸的增大而進(jìn)一步融合成不規(guī)則的組裝結(jié)構(gòu)，Cu/AgNCs的平均尺寸由30 nm(N2)增加到125 nm(N3)。以上結(jié)果都表明確實(shí)形成了Cu/AgNCs。

表1 Cu/AgNCs(N1-N3)合成條件及其發(fā)射峰的位置

a：D -penicillamine.

圖1 D -青霉胺(a)、N1(b)和N2(c)的紅外(IR)光譜圖Fig.1 IR spectra of D -penicillamine(a)，N1(b) andN2(c)

圖2 Cu/AgNCs N1和N2的ESI-TOF MS數(shù)據(jù)Fig.2 The ESI-TOF MS data of Cu/AgNCs N1 and N2

圖3 N1(a)、N2(b)和N3(c)的透射電鏡(TEM)照片F(xiàn)ig.3 TEM images of N1(a),N2(b) and N3(c)

2.2 Cu/AgNCs的聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)及其內(nèi)在機(jī)制

圖4(a)為Cu/AgNCs在水中的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，可以看出它們(N1、N2和N3)的吸收光譜比較相似，都在276～407 nm范圍內(nèi)。在用波長(zhǎng)360 nm 紫外光激發(fā)時(shí) Cu/AgNCs表現(xiàn)出較強(qiáng)的聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)，如圖4(b)所示。而且，隨著Ag+摻雜量的增加，它們的最大發(fā)射峰位置出現(xiàn)明顯的藍(lán)移，從615 nm(N1)移動(dòng)到576 nm(N3)。

圖4 (a)N1-N3水溶液的紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)吸收光譜；(b)N1-N3水溶液中在紫外光下的發(fā)射光譜Fig.4 (a) UV-Vis absorption spectra of N1-N3 in aqueous solution;(b) Emission spectra of N1-N3 in aqueous solution under UV light(λex=360 nm)

高分辨透射電鏡(HRTEM)結(jié)果(圖5)顯示Cu/AgNCs中有明顯的晶格條紋。由于Cu元素的晶格常數(shù)小于Ag元素，所以可以預(yù)測(cè)Cu納米簇(CuNCs)的平均晶格間距要小于Cu/AgNCs。而事實(shí)上，CuNCs(N1)平均晶格距離為2.68 ?，要大于Cu/AgNCs(N2和N3，分別為2.25 ?和2.37 ?)，這個(gè)現(xiàn)象是由于小納米粒子中存在晶格張力而導(dǎo)致的[16]。以上結(jié)果表明Ag+成功地?fù)诫s到Cu/AgNCs中。值得注意的是，CuNCs和Cu/AgNCs有序的微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了配體與金屬間的電荷轉(zhuǎn)移(LMCT)以及配體與金屬-金屬間的電荷轉(zhuǎn)移(LMMCT)，從而導(dǎo)致聚集誘導(dǎo)發(fā)光行為的出現(xiàn)[17 - 18]；而且，隨著Ag+含量的增加，可能導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的排斥力減少以及金屬-金屬作用的增強(qiáng)，從而增加了Cu/AgNCs超結(jié)構(gòu)中金屬-金屬間的平均距離，最終導(dǎo)致了發(fā)光光譜的藍(lán)移[19]。

圖5 N1(a)、N2(b)和N3(c)的高分辨透射電鏡(HRTEM)照片(它們的晶格間距分別為2.68 ?、2.25 ?和2.37 ?)Fig.5 HRTEM images of N1(a),N2(b) and N3(c)(Their lattice distances are 2.68 ?,2.25 ?,and 2.37 ?,respectively)

2.3 Ag+的檢測(cè)及選擇性試驗(yàn)

將不同體積的100 mmol/L AgNO3溶液(0、1、2、4、8、12、16、20、24、30、40、80、120、160、200 μL)，以及100 mmol/L CuSO4溶液(70 μL)，依次加入到5 mL D -青霉胺溶液(3 g/L)中，在室溫下反應(yīng)5 min，之后進(jìn)行光譜測(cè)量。為了清楚地研究Cu/AgNCs的比率熒光變化，其歸一化的發(fā)射光譜如圖6(a)所示?？梢杂^察到，隨著Ag+量的增加它們的光致發(fā)光光譜呈現(xiàn)明顯的藍(lán)移(從右到左Ag+體積為0～120 μL)。此外，比率熒光強(qiáng)度(I570/I615)與Ag+濃度(0～80 μL或0～1 600 μmol/L)之間有良好的線性關(guān)系，檢出限(S/N=3)為0.9 μmol/L(圖6(b))。

圖6 不同劑量AgNO3制備所得Cu/AgNCs的歸一化發(fā)射光譜(a)、比率熒光強(qiáng)度(I570/I615)和Ag+濃度(0～80 μL或0～1 600 μmol/L)的線性關(guān)系(b)Fig.6 The normalized emission spectra of Cu/AgNCs prepared upon addition of different volumes of AgNO3(a),the linear relationship between the ratios of emission intensity(I570/I615) and the concentration of Ag+(0 - 80 μL or 0 - 1 600 μmol/L)(b)(a):(a-o)0,1,2,4,8,12,16,20,24,30,40,80,120,160,200 μg AgNO3.

圖7 不同金屬離子對(duì)比率熒光強(qiáng)度(I570/I615)的影響Fig.7 Effects of metal ions on ratio fluorescence intensity(I570/I615)metal ions(1→15):Na+,Mg2+,Pb2+,Ba2+,Cd2+,Fe2+,Fe3+,Ag+,K+,Mn2+,Zn2+,Ca2+,Co2+,Hg2+,HAuCl4.

為深入了解Cu/AgNCs熒光探針是否可用于實(shí)際樣品中Ag+的特異性檢測(cè)，我們考察了水體系中可能存在的其它金屬離子Na+、K+、Mg2+、Mn2+、Pb2+、Zn2+、Ba2+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Fe2+、Hg2+、Fe3+或HAuCl4等對(duì)該探針檢測(cè)Ag+的干擾。如圖7所示，當(dāng)Ag+濃度保持不變(50 μL，100 mmol/L)，且其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，向體系中分別加入等量的不同金屬陽(yáng)離子時(shí)，可以看到探針的比率熒光強(qiáng)度(I570/I615)只有輕微的變化，這說(shuō)明，當(dāng)這些陽(yáng)離子或HAuCl4和Ag+共同存在時(shí)，它們幾乎對(duì)Ag+的檢測(cè)無(wú)干擾作用，進(jìn)一步說(shuō)明了該探針對(duì)Ag+具有較好的選擇性。

2.4 實(shí)際樣品中Ag+檢測(cè)

基于該Cu/AgNCs在Ag+的檢測(cè)中具有良好的靈敏度和選擇性，將其應(yīng)用于人體尿樣及實(shí)際水樣中Ag+的檢測(cè)。尿樣(先用去離子水稀釋50倍混勻)或水樣經(jīng)過(guò)靜置、過(guò)濾后取上層清液，采用加入回收法進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)驗(yàn)條件下，向樣品中分別加入不同濃度(10.2、25.3、50.5 μmol/L)的AgNO3溶液，然后進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)濃度平行測(cè)定3次，結(jié)果列于表2中?？梢杂^察到加標(biāo)人體尿液和水樣中Ag+的回收率在93%～99%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在3.6%～5.9%之間(表2)。為了驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性，利用火焰原子吸收光譜法(FAAS)對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示人體尿液和水樣中Ag+的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別在94%～98%和3.2%～5.6%范圍內(nèi)，與本文所建立方法結(jié)果一致。

表2 人體尿樣和水樣中Ag+含量測(cè)定結(jié)果(n=3)

a:the flame atomic absorption spectrometric method.

3 結(jié)論

本研究利用D -青霉胺為配體，在室溫下通過(guò)一鍋法制備出具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光行為的Cu/Ag納米簇比率型熒光探針，探究了其內(nèi)在機(jī)制?；贏g+的摻雜會(huì)對(duì)該探針的熒光做出明顯的藍(lán)移效應(yīng)，建立了快速靈敏檢測(cè)Ag+的方法，并已成功地應(yīng)用于人體尿樣和實(shí)際水樣中Ag+的測(cè)定。該方法由于其廉價(jià)易得、簡(jiǎn)單快速，并具有很高的選擇性，將在分析檢測(cè)領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景。