杜孝艷， 溫廣明*,2， 李忠平*

(1.山西大學環(huán)境科學研究所，化學化工學院，山西太原 030006；2.晉中學院，山西晉中 030619)

2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)是一種具有甜味和霉味的有機黃色晶體，可溶于有機溶劑和堿性溶液，是生物化學的活性化合物，通過穿過線粒體質子和葉綠體膜散熱，不產生三磷酸腺苷(ATP)[1]。它被廣泛用作染料、顯影劑、農藥、防腐劑、指示劑和炸藥等化學品的中間體[2 - 5]。雖然2,4-DNP用途很廣，但2,4-DNP易被人體吸收，通過胃腸道和呼吸道從而導致急性和慢性毒性，其急性毒性包括增加基礎代謝率，惡心，嘔吐，出汗，頭暈，頭痛；慢性毒性如白內障，皮膚病變和對骨髓，中樞神經系統(tǒng)(CNS)，心血管系統(tǒng)的影響[6]。2,4-DNP被認為是影響水生和陸地生物的直接或間接污染源。因此，建立快速、簡便、高靈敏和高選擇性的分析方法用于2,4-DNP的檢測，對公眾安全與環(huán)境保護具有重要意義。

近年來，金屬納米簇(Nanoclusters,NCs)作為一種新興的熒光探針，因為具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性，光致發(fā)光，大的斯托克斯變換，低毒性，高量子產率，良好的水溶性和生物相容性[7 - 9]，在化學傳感器、催化和生物成像方面的應用受到廣泛關注。金屬納米簇由幾個到幾百個原子組成，與較大的金屬納米顆粒相比，其電學、光學和化學性質明顯不同，其中金屬納米簇最優(yōu)異的特征是光致發(fā)光的產生[10]。目前，按組成原子的不同貴金屬納米簇可分為Ag、Au、Cu、Pd和Pt等納米簇。其中Pd NCs在有機合成的催化領域具有成熟的應用，但是Pd NCs在熒光方面的應用還很少，尤其在針對Pd NCs的相關配體以及應用方面仍然需要進行深入地研究。本文以Pd(NO3)2為原料，谷胱甘肽(GSH)為穩(wěn)定劑，抗壞血酸為還原劑，通過化學還原法制備熒光Pd NCs。合成的Pd NCs具有優(yōu)異的熒光性質和良好的穩(wěn)定性?；?,4-DNP和Pd NCs之間的內濾作用引起的熒光共振能量轉移，導致Pd NCs熒光猝滅，構建了定量檢測2,4-DNP的熒光探針體系，該體系具有較高的靈敏度和良好的選擇性。本方法已成功應用于自來水中2,4-DNP含量的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM，Tecnai G2 F20 S-Twin，USA)；傅里葉變換紅外光譜儀系統(tǒng)(FTIR，Nicolet Is5，United Kingdom)；Shimadzu UV-265分光光度計(Tokyo，Japan)；Hitachi F4500熒光分光光度計(Tokyo，Japan)。

Pd(NO3)2、谷胱甘肽(GSH)、抗壞血酸、間苯二酚(RES)、苯丙氨酸(PHE)、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)、鄰氯苯酚(3-CP)、對氯苯酚(3-CP)、鄰甲酚(2-MP)、間甲酚(3-MP)、對甲酚(4-MP)、鄰硝基酚(2-NP)、間硝基酚(3-NP)、對硝基酚(4-NP)、2,4-二硝基酚(2,4-DNP)，均購自阿拉丁試劑有限公司。試劑均為分析純，使用前未經處理，實驗用水均為去離子水。

1.2 實驗方法

1.2.1 Pd NCs的合成于溫度60 ℃條件下，將0.1 mL Pd(NO3)2溶液(100 mmol/L)加入到2.1 mL的GSH溶液(100 mmol/L)中，勻速攪拌10 min之后，加入300 μL NaOH溶液(1 mol/L)，100 μL抗環(huán)血酸溶液(1.5 mol/L)反應5 h。將所得溶液用0.22 μm的微孔濾膜過濾，再在8 000 r/min下離心15 min，用1 000 Da透析袋透析48 h，去除雜質。所得溶液在4 ℃下保存，備用。

1.2.2 2,4-DNP的檢測取100 μL Pd NCs溶液，用磷酸鹽緩沖溶液(PBS)稀釋到1 mL，搖晃30 s使混合均勻，測其熒光強度。然后將不同濃度的2,4-DNP溶液或樣品溶液加入到比色皿中，混合均勻后，在360激發(fā)波長和450 nm發(fā)射波長下測定熒光強度。

2 結果與討論

2.1 Pd NCs的表征及性質

圖1(a)為Pd NCs的透射電鏡(TEM)圖，表明合成的Pd NCs形狀近似為球形、分散性良好，其平均粒徑為1.75 nm。圖1(b)為2,4-DNP的紫外吸收光譜、Pd NCs的紫外吸收光譜和激發(fā)/發(fā)射光譜，Pd NCs的紫外吸收沒有明確的特征吸收峰，2,4-DNP的紫外吸收光譜與Pd NCs的激發(fā)/發(fā)射光譜有一點重疊。圖1(c)是Pd NCs的熒光光譜圖，其中1～8分別是激發(fā)波長為300、310、320、330、340、370、350、360 nm激發(fā)下的熒光光譜圖?？梢钥闯觯畲蟀l(fā)射波長為450 nm，最佳激發(fā)波長為360 nm。

圖1 (a)Pd NCs的透射電鏡(TEM)圖像；(b)2,4-DNP紫外光譜和Pd NCs紫外光譜和激發(fā)/發(fā)射光譜；(c)Pd NCs在不同激發(fā)波長下(1-8:300,310,320,330,340,370,350,360 nm)的熒光光譜Fig.1 (a)TEM images of Pd NCs;(b)UV spectrum of 2,4-DNP,spectrum and excitation/emission of Pd NCs;(c)fluorescence spectra of Pd NCs at different excitation wavelengths (1-8:300,310,320,330,340,370,350,360 nm)

圖2(a)為Pd NCs和GSH的紅外光譜圖，從圖中可看出GSH在2 360 cm-1處巰基的吸收峰消失，可能是由于和納米簇中Pd原子絡合的原因。Pd NCs在3 500～3 000 cm-1區(qū)域內的吸收峰是由-OH和-NH的拉伸振動引起的，這說明Pd NCs的表面存在豐富的羥基和氨基。1 602 cm-1處的強吸收帶可能歸屬于C=O伸縮振動。1 650 cm-1處的尖峰對應于C=N的特征振動，1 383 cm-1處的峰歸屬于O-H 的彎曲振動。這些官能團可以促進Pd NCs的親水性。圖2(b)顯示Pd NC在284.8、347.4、400.7、531.2 eV 處包含4個特征峰，分別對應于C 1s、Pd 3d、N 1s和O 1s。圖2(c)為Pd NCs的C 1s光譜圖。在284.4 eV、284.8 eV、285.3 eV、285.8 eV處的特征峰，分別對應C-C、C-N和C-O、C=O鍵。如圖2(d)所示，Pd 3d由兩個價態(tài)組成，一個是346.9 e V處的特征峰，這是分布在Pd NCs外圍表面上的Pd2+與GSH上的氨基形成Pd-N鍵后的化合價態(tài)。另一個是在347.7 eV處還原的Pd(0)，它可能主要集中在金屬團簇的中心。XPS分析結果與傅里葉紅外光譜分析結果基本一致，表明合成的Pd NCs表面有羥基、羧基、氨基等親水性官能團，因此具有良好的水溶性。

圖2 (a)Pd NCs的紅外光譜；(b)Pd NCs的XPS全譜圖；(c)C 1s XPS譜圖；(d)Pd 3d XPS譜圖Fig.2 (a)The FTIR spectrum of the Pd NCs;(b)Full-scan XPS spectrum of the Pd NCs;(c)C 1s XPS spectrum;(d)Pd 3d XPS spectrum

2.2 Pd NCs的穩(wěn)定性

圖3(a)所示，熒光強度在堿性條件下比酸性條件下更高，可能是由于Pd NCs表面的氨基多于較易電離的羥基。此外，如圖3(b)、3(c)所示，Pd NCs在氙燈下連續(xù)照射2.5 h或保存6個月，其熒光強度基本保持不變，這表明Pd NCs具有良好的光穩(wěn)定性和存儲穩(wěn)定性。另外，圖3(d)說明即使在高的離子強度下所合成的Pd NCs也具有高的穩(wěn)定性。

圖3 Pd NCs的穩(wěn)定性。不同pH (a)、Xe燈連續(xù)照射(b)、儲存時間(c)和離子強度(d)對Pd NCs的熒光強度的影響Fig.3 Stability of Pd NCs.Effect of different pH (a),Xe lamp continuous irradiation (b),storage time (c) and ionic strength (d) on the fluorescence intensity of Pd NCs

2.3 Pd NCs對2,4-DNP的檢測

在pH為7、激發(fā)波長為360 nm的條件下，測量了相似物質對Pd NCs的熒光猝滅情況，結果如圖4(a)所示，其他物質對Pd NCs的熒光幾乎無影響。當2,4-DNP的濃度為0～230 nmol/L，隨著2,4-DNP濃度的增加，Pd NCs熒光強度逐漸降低,2,4-DNP的濃度與Pd NCs的熒光猝滅程度呈良好的線性關系(圖4(b))。線性擬合方程為：y=-1.6649x+455.09，相關系數(shù)0.9961，檢出限0.03 nmol/L。由于2,4-DNP的紫外吸收峰與Pd NCs的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜有一定的重疊，因此，可認為2,4-DNP對Pd NCs的熒光猝滅來自于內濾作用所誘導的熒光共振能量轉移。

圖4 (a)Pd NCs的選擇性；(b)2,4-DNP濃度對Pd NCs熒光強度的影響(插圖是F0-F與2,4-DNP濃度線性圖)Fig.4 (a)Selectivity of Pd NCs;(b)Effect of 2,4-DNP concentration on fluorescence intensity of Pd NCs(The inset was the linear plot of F0-F versus the concentration of 2,4-DNP)

2.4 檢測2,4-DNP不同方法比較

目前2,4-DNP的檢測方法有分光光度法[11]、高效液相色譜法[12]、電化學分析法[13]和熒光分析法[4,14 - 17]等。由于樣品的預處理過程復雜，分析耗時，儀器昂貴及高運行成本，以致于上述的一些分析方法不利于實際應用。相比之下，本文探針合成方法簡單、穩(wěn)定性高、水溶性好，對2,4-DNP的檢出限低、靈敏度高，同時具有良好的選擇性。如表1所示。

2.5 實際樣品檢測

以自來水為樣品，水樣用0.22 μm濾膜過濾后進行測定。如表2所示，2,4-DNP的加標回收率在96.3%～103.0%范圍，相對標準偏差(RSD)在2.4%～4.4%之內。

3 結論

本文以Pd(NO3)2為原料，谷胱甘肽為穩(wěn)定劑，抗壞血酸為還原劑，合成熒光Pd NCs，該Pd NCs具有良好的穩(wěn)定性、低毒性、良好的生物相容性和抗光漂白性，將其作為熒光探針可快速、靈敏檢測2,4-DNP,并且可以用于自來水中2,4-DNP的檢測。因此，本方法在未來環(huán)境分析檢測中具有較好的應用前景。