富營養(yǎng)化水體中磷酸鹽熒光分析材料進(jìn)展

張迪，馬媛媛，鄒文生

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

磷是自然界中普遍存在的一種元素，幾乎參與生物體的所有生理上的化學(xué)反應(yīng)，是支撐社會、環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展的重要元素。許多富含磷的物質(zhì)由于其優(yōu)越的特性，已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代日常生活與工業(yè)領(lǐng)域中。然而，人類在長期追求生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益的過程中，忽視了由此而產(chǎn)生的工業(yè)廢水和生活污水，且被不斷地排入天然水體中，從而引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題。在天然水體中，磷主要是以各種磷酸鹽形態(tài)出現(xiàn)，它們分別為正磷酸鹽和縮聚磷酸鹽(多磷酸鹽、偏磷酸鹽和焦磷酸鹽)。研究表明，可溶性正磷酸鹽能被植被、藻類和細(xì)菌直接利用，是引起富營養(yǎng)化的主要形態(tài)[1]。當(dāng)水體中磷含量過高(如高于0.2 mg/L)，會大量消耗溶解氧水平，可引起藻類的大量繁殖。當(dāng)藻類數(shù)量上達(dá)到有害程度(稱為富營養(yǎng)化)時，會導(dǎo)致植被和水生生物的腐爛和死亡，進(jìn)而使水質(zhì)不斷惡化[2]。還有研究表明，每年從農(nóng)田中浸出的磷達(dá)到2～3 kg/公頃，即可導(dǎo)致富營養(yǎng)化[3]。目前，中國絕大部分淡水湖泊已呈富營養(yǎng)化[4]，如在2007 年、2010 年和2011 年，分別在無錫太湖、云南滇池和安徽巢湖都曾發(fā)生過大面積藍(lán)藻繁殖的情況。這不僅破壞了生態(tài)平衡，更造成了嚴(yán)重的環(huán)境惡化和惡劣的社會影響。在某種程度上，磷酸鹽可以作為水體中有機污染的便利指示劑或示蹤劑[5]，磷酸鹽的檢測對于控制和防止富營養(yǎng)化的發(fā)生具有重要意義。因此，水體中的磷的檢測對于各國環(huán)境科學(xué)界來說，都是要不斷研究探索的重要課題。

1 磷酸鹽的檢測方法

迄今為止，有很多種磷酸鹽檢測方法如比色法[6]，酶生物傳感器法[7]，色譜分析法[8]，場效應(yīng)晶體管生物傳感器法[9]。電化學(xué)方法有印跡分子電極[10]，伏安法[11]，生物電催化法[12]，電勢測定法等，這些方法都有助于對磷酸鹽進(jìn)行定量分析。

目前，我國用于測定磷酸鹽的國標(biāo)方法是磷鉬藍(lán)分光光度法，該方法也是世界通用的測定正磷酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)。但磷鉬藍(lán)分光光度法受到砷酸鹽，硅酸鹽，硫化物和氧化劑的干擾，易受折射率誤差和樣品濁度的影響。

從生物方法來看，基于酶的生物傳感器法在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)良好，但其對環(huán)境領(lǐng)域的適用性和穩(wěn)健性是值得懷疑的。

從電化學(xué)方法來看，電化學(xué)傳感器具有儀器設(shè)備簡單，電極制作方便等特點。但離子選擇電極的壽命有限，并且需要在溶液中進(jìn)行預(yù)處理，限制了現(xiàn)場測量和連續(xù)監(jiān)測的適用性。同樣，伏安和電流傳感器由于缺乏選擇性，限制了它們的適用性。

綜上所述，上述方法需要高成本和高能耗或需要很長的預(yù)處理時間，對現(xiàn)場、實時的磷酸鹽檢測很困難。由于熒光的高特異性和高靈敏度、快速響應(yīng)和靶標(biāo)位點的定位信息，甚至實時監(jiān)測活細(xì)胞中靶標(biāo)，可以滿足對環(huán)境水體中磷酸鹽水平監(jiān)測的需求。如今，磷酸鹽熒光探針吸引了相當(dāng)多的研究努力。

2 熒光分析法磷酸鹽的檢測機理

熒光傳感的檢測機理主要有：光致電子轉(zhuǎn)移(Photoinduced Electron Transfer，PET)[13]、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(intramolecular charge transfer，ICT)[14]、熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET)[15]、激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(excited—state intramolecular proton transfer，ESIPT)[16]、金屬-配體電荷轉(zhuǎn)移(metal-to-ligand charge transfer，MLCT)[17]、扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(Twisted Intramolecular Charge Transfer，TICT)[18]、聚 合 誘 導(dǎo) 發(fā) 射(aggregation-enhanced emission，AEE)[19]、C=N 異構(gòu)化[20]等。

3 熒光分析法檢測磷酸鹽進(jìn)展

在材料科學(xué)飛速發(fā)展的今天，各種熒光材料層出不窮。這其中，設(shè)計用于識別磷酸鹽的熒光傳感材料也得到充分的發(fā)展。在近年來的研究中，該類熒光材料主要聚焦于有機熒光分子、熒光性配位聚合物、量子點和金屬團簇等。下面以熒光信號材料作分類標(biāo)準(zhǔn)，簡述熒光分析法檢測磷酸鹽進(jìn)展。

3.1 有機染料

Paredes[21]等使用熒光素衍生物(2-Me-4-OMe TG)與熒光壽命成像顯微鏡(FLIM)結(jié)合，作為實時檢測磷酸鹽傳感器。磷酸鹽存在下，在2-Me-4-OMe TG 染料的激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESPT)反應(yīng)特征和染料快速噬入細(xì)胞的基礎(chǔ)上，可以觀察到細(xì)胞內(nèi)染料的熒光衰減時間與磷酸鹽的細(xì)胞外濃度之間的極好一致性。Zhao 等[22]設(shè)計了四-雙脲-固定的四苯乙烯(TPE)配體(L2)，其中TPE 是一種經(jīng)過充分研究的標(biāo)志性聚合物誘導(dǎo)發(fā)光(aggregation-induced emission，AIE)發(fā)色團。非發(fā)光配體(L2)在寬濃度范圍的磷酸根離子存在下，可以顯示出極大的熒光增強。這是由于TPE 的苯環(huán)繞乙烯核的旋轉(zhuǎn)受到陰離子配位的限制，從而打開熒光。Shi 等[23]根據(jù)扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)機制合成了對H2PO4具有高選擇性的長波長發(fā)射熒光(600nm)和比色反應(yīng)(從粉紅色到黃色)的化學(xué)傳感器。該傳感器帶有2-吡啶-1 氫-咪唑并[4，5-b]吩嗪和Zn2+金屬配合物(S2-Zn)，其對水溶液中的H2PO4-陰離子顯示出明亮的熒光和比色響應(yīng)。傳感器對H2PO4-的檢測限為4×10-6mol/L。

Liu 等[24]設(shè)計了一種新的基于喹啉的傳感器。該傳感器本身不發(fā)射熒光，但與Zn2+/ Cd2+兩種陽離子作用后，阻斷了光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移路徑，能夠發(fā)射強的熒光，以此原理來檢測Zn2+/ Cd2+。由于陽離子與磷酸根離子間的更強的靜電作用，該喹啉衍生物-陽離子復(fù)合物中的金屬離子被PO43-反應(yīng)剝離，導(dǎo)致了熒光猝滅。該傳感器實現(xiàn)了對Zn2+/Cd2+和磷酸根陰離子的連續(xù)熒光檢測。Meng[25]等開發(fā)了一種Fe3+復(fù)合物(FP-Fe3+)作為熒光傳感器檢測磷酸鹽。通過4-甲基熒光素醛與2-甲氨基吡啶在甲醇中的一步反應(yīng)，可以簡便地合成獨特的配體FP。配體FP 在其它陽離子存在下對Fe3+(Ka=1.40×106mol/L)顯示出了高的親和力，并伴隨著顯著的熒光猝滅。磷酸鹽和FP-Fe3+集合的特異性相互作用會導(dǎo)致熒光團FP 的釋放，可使熒光恢復(fù)。此復(fù)合物通過置換過程顯示出對水溶液中磷酸鹽的熒光傳感具有高選擇性和靈敏度，對磷酸鹽的檢測限為300 nM。

3.2 配位聚合物

Sun 等[26]提出了一種多通道傳感策略，設(shè)計并構(gòu)建了基于熒光碳點-金屬離子集合的三通道熒光傳感器。覆蓋在熒光碳點表面上的官能團能與金屬離子(Ce3+，F(xiàn)e3+，Cu2+)相互作用，當(dāng)磷酸鹽陰離子加入時，熒光碳點-金屬離子集合體發(fā)生解聚或者進(jìn)一步聚集，使得熒光碳點的熒光猝滅或者恢復(fù)。該傳感器可用于鑒別和檢測各種磷酸根陰離子(例如，磷酸根和焦磷酸根)，對磷酸鹽的檢測限為10μM。Joo 等[27]開發(fā)了一種多功能化學(xué)傳感器用于Cu2+的比色檢測和磷酸鹽和硫化物的熒光檢測。該傳感器由N-氨基鄰苯二甲酰亞胺和8-羥基葡萄糖-9-甲醛的組合合成，以分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)的傳感機制檢測Cu2+，以去質(zhì)子化過程的傳感機制檢測PO43-和S2-(如圖1 所示)。該傳感器能在pH 值為7-10 范圍內(nèi)對磷酸鹽進(jìn)行檢測。

圖1 存在不同陰離子時的熒光光譜插圖：1，1-PO43-和1-S2-(λex= 426nm)的熒光圖片[21]

Song 等[28]提出利用銪基無限配位聚合物(Eu-ICP)納米球作為檢測磷酸鹽的熒光探針。Eu-ICP具有獨特的熒光性質(zhì)，由于銪中心和PO43-之間的強大的親和力，從而破壞了Eu-ICP 的固有結(jié)構(gòu)并伴隨著相應(yīng)的熒光猝滅。該探針線性檢測范圍為2-100 mM，檢測限為0.83 mM。Gao 等[29]基于zr-MOF(鋯基金屬有機骨架)的納米復(fù)合材料平臺，UiO-66-NH2和熒光染料羅丹明B(RhB)在UiO-66-NH2中摻入熒光染料羅丹明B(RhB)，構(gòu)成納米復(fù)合物RhB@UiO-66-NH2。因為配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移，整個復(fù)合物熒光較弱。磷酸鹽能夠與UiO-66-NH2中的Zr-O 節(jié)點之間強烈結(jié)合，從而減弱了配體向金屬電荷的轉(zhuǎn)移過程，使配體2-氨基對苯二甲酸(ATA)的熒光得到恢復(fù)。此探針的對磷酸鹽檢測限為2.0 μM，在80 到400 μM 的范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

Das[30]等在2019 年也有類似的報道。其合成了一種Zr(IⅤ)基UiO-66 金屬有機骨架(MOF)的雙功能熒光傳感器，稱為Zr-UiO-66-N2H3。該傳感器可作為熒光“開”探針用于選擇性檢測磷酸鹽(體內(nèi)和體外)，也可作為熒光“關(guān)”探針，用于選擇性檢測DMSO / HEPES 中的4-硝基苯甲醛(4-NB)。即使存在干擾侵入物種，探針仍保持了其高選擇性。該探針還具有高靈敏度，其對PO43-離子和4-NB 的檢測限分別為0.196 和4.7 μM。如圖2 所示，Wang等[31]制作了三種銅配合物(C1、C2、C3)作為檢測PO43-的熒光探針。由于其中的Cu2+可以被PO43-替代，并誘導(dǎo)配合物產(chǎn)生熒光響應(yīng)，通過ESI-MS 和熒光光譜證實了所提出的“開- 關(guān)”熒光響應(yīng)的機制，且PO4的檢出限分別低至0.029 μM，0.048 μM和0.079 μM。可用于高選擇性和靈敏地檢測PO43-。

圖2 探針C1，C2，C3和不同陰離子的熒光發(fā)射光譜(λEX=434 nm) 插圖：紫外線照射后可見的熒光變化[25]

3.3 量子點

Borse 等[32]合成了巰基乙酸(TGA)包裹的CdTe QDs，用來對無機磷酸鹽的傳感測定。該測定使用硝酸銪與CdTe QDs 形成絡(luò)合物(QD-Eu)并通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)過程猝滅QDs 的熒光。添加磷酸鹽溶液后，可使TGA 包裹的CdTe QDs的熒光強度恢復(fù)。恢復(fù)時的熒光強度與樣品中存在的磷酸鹽濃度相關(guān)，在優(yōu)化所需的磷酸鹽濃度范圍(0-2.6 mM)后，熒光強度與磷酸鹽濃度曲線擬合為S 形(R = 0.99)。這種傳感測定可重復(fù)用于測定無機磷酸鹽水平。Qin 等[33]使用Ce3+/ 巰基丙酸(MPA)包裹的Mn-ZnS QDs 納米復(fù)合物來檢測水環(huán)境中的磷酸鹽。Mn-ZnS QDs 本身具有磷光特性，加入Ce3+離子可以與MPA 包裹的Mn-ZnS QDs 表面的羧酸鹽基團配位，導(dǎo)致磷光衰減。加入磷酸鹽后，由于鑭系元素Ce3+與磷酸鹽的強親和力，從而分散Ce3+/ MPA 包裹的Mn-ZnS QDs 納米復(fù)合物并使Mn-ZnS QDs 的磷光得以恢復(fù)。在優(yōu)化條件下，磷酸鹽檢測范圍為8 至320 mM(R =0.9998)，檢出限為2.71 mM。

Chen 等[34]使用基于與鋁離子螯合的單層石墨烯量子點的s-GQDs-Al3+系統(tǒng)為PO43-提供高選擇性檢測。通過聚集誘導(dǎo)的發(fā)射增強(AIEE)效應(yīng)，Al3+可以增強s-GQD 的光致發(fā)光(Photoluminescence，PL)。因為PO43-與Al3+具有更強的配位，隨著PO43-的加入，the-GQDs-Al3+系統(tǒng)的PL 逐漸消失，這導(dǎo)致消除AIEE 效應(yīng)和s-GQDs-Al3+系統(tǒng)的PL 強度的降低(如圖3 所示)。存在Al3+時，在463 nm 處s-GQDs 的PL 強度比(I / I0)與PO43-在0.25-7.5 μM 范圍內(nèi)的濃度成正比，檢測限低至0.1 μM。Chai 等[35]提出通過金屬離子鏑(Dy3+)誘導(dǎo)單層石墨烯量子點(s-GQDs)聚集發(fā)射猝滅效應(yīng)來檢測磷酸鹽。s-GQDs 表面有足夠的羥基可以被Dy3+誘導(dǎo)聚集形成s-GQDs-Dy3+復(fù)合物，從而導(dǎo)致熒光猝滅。此時加入磷酸鹽，由于PO43-對Dy3+親和力高于其對s-GQDs 的親和力，熒光得以恢復(fù)。對磷酸鹽的檢測范圍為0.2-30 μM，測定限低至0.1 μM。

圖3 用s-GQDs-Al3+系統(tǒng)檢測PO43-的靈敏度[28]

3.4 金屬團簇

Cao 等[36]基于單寧酸(TA)制備了一種穩(wěn)定的銅納米團簇(TA-Cu NCs)作為熒光探針。向TACu NCs 中加入Eu3+離子引發(fā)了TA-Cu NCs 的聚集，從而使TA-Cu NCs 熒光發(fā)生猝滅。再將其加入到磷酸鹽溶液，由于Pi 和Eu3+之間的結(jié)合能力強于TA-Cu NCs 和Eu3+之間的結(jié)合能力，使Eu3 +從聚集的TA-Cu NCs 的分散出來，TA-Cu NCs 的熒光得以恢復(fù)。此探針對于磷酸鹽的檢測限低至9.6×10-3μmol/ L，線性范圍為0.07 -80 μmol/L。Dai 等[37]通過在AgNCs 周圍形成金屬有機殼來合成AgNCs /金屬-有機殼復(fù)合物，在近紅外(NIR)基礎(chǔ)上檢測磷酸鹽。與裸露的AgNCs 相比，該復(fù)合材料在720 nm 處顯示出強熒光，在510 nm 處顯示出弱熒光。隨著磷酸鹽的加入，磷酸鹽與復(fù)合物中Zn2+的結(jié)合，團簇與殼層間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移過程被受到影響，熒光逆向變化(在720 nm 處熒光減弱，510 nm 處熒光增強)。此復(fù)合物在水溶液對磷酸鹽的檢測限為0.06 μM。

Yan 等[38]在近紅外發(fā)光Ag2S 量子點/金屬—有機殼復(fù)合物基礎(chǔ)上開發(fā)了一種磷酸鹽熒光檢測的新方法。該復(fù)合物分散在溶液中時，其在665 nm處出現(xiàn)較強的熒光響應(yīng)。加入磷酸鹽后，由于磷酸鹽和金屬離子之間的高親和力，復(fù)合物有機殼會被磷酸鹽破壞，從而導(dǎo)致熒光強度在665 nm 處降低，其與磷酸鹽濃度在0.7 至4.2 μM 和11.2 至88.2 μM 范圍內(nèi)線性相關(guān)性良好，檢出限低至6nM (如圖4 所示)。這種Ag2S 量子點/金屬—有機殼復(fù)合材料方法與前幾種方法相比，具有無標(biāo)記檢測，無毒，選擇性強和檢測限低等優(yōu)點，此外，該方法已成功應(yīng)用于自來水和長江水樣，回收率為94.76%～100.86%，預(yù)示著會有更多的應(yīng)用機會在水生生態(tài)系統(tǒng)中。

4 總結(jié)與展望

圖4 復(fù)合物隨著磷酸鹽濃度變化的熒光光譜圖和熒光強度與磷酸鹽濃度的線性關(guān)系圖[32]

綜上所述，用熒光分析法具有靈敏度度高、選擇性強以及檢出限低等優(yōu)點，能夠普遍地應(yīng)用于化學(xué)傳感和定量檢測磷酸鹽。熒光傳感器的設(shè)計多樣性為人們探索環(huán)境和化學(xué)領(lǐng)域的未知世界提供了可能。但是，由于環(huán)境組成復(fù)雜，干擾因素多，使得目前的熒光分析法雖然可以在復(fù)雜的水體中檢測磷酸鹽，但檢測限仍然相對較高，實際水樣的加標(biāo)回收率還不夠理想。因此檢測與應(yīng)用只停留在實驗室階段，在實用方面如對磷酸鹽的現(xiàn)場自動檢測的報道較少。希望后續(xù)的研究能以其它水體的強干擾和多組分共存為主要研究對象，分析磷酸鹽熒光傳感器在實際水樣檢測中的干擾因素，開展干擾因素的屏蔽和抑制作用研究，基于上述內(nèi)容，建立磷酸鹽熒光傳感器對實際水樣中磷酸鹽檢測的合理方法和步驟，可以又快又準(zhǔn)地檢測水體中的磷酸鹽。