吳楚僑，林 鑫，蔣臘生，王前明

(華南師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 引 言

近年來(lái)，Hg2+污染環(huán)境已成為全球關(guān)注的問(wèn)題。在各種形式中，二價(jià)汞離子(Hg2+)被廣泛認(rèn)為是水生生態(tài)系統(tǒng)中最危險(xiǎn)和最有毒的陽(yáng)離子之一[1-2]。長(zhǎng)期攝入汞會(huì)對(duì)人類造成毒害，因?yàn)镠g2+與含S的配體具有很強(qiáng)的親和力，可以破壞蛋白質(zhì)或酶中的S—S或S—H鍵，甚至在極低水平下導(dǎo)致大腦、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟出現(xiàn)各種疾病，對(duì)人類健康造成極其嚴(yán)重的損害[3-5]。為保護(hù)環(huán)境和人類的健康，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 規(guī)定飲用水中允許Hg2+的最高濃度為10 nmol·L-1[2,6]。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種合成步驟簡(jiǎn)單的材料，以高度敏感和高選擇性檢測(cè)水樣中的汞離子。

傳統(tǒng)的分析技術(shù)普遍存在預(yù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴和檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題[7-9]，無(wú)法實(shí)現(xiàn)方便快捷的在線Hg2+監(jiān)控。而熒光探針具有節(jié)能、低成本、較高選擇性和靈敏度等優(yōu)勢(shì)，引起了許多研究者的高度關(guān)注。迄今為止，研究人員已經(jīng)報(bào)道了多種對(duì)Hg2+具有特異性識(shí)別功能的熒光探針[10-15]。然而，大多數(shù)熒光探針在與Hg2+的特定結(jié)合時(shí)僅僅顯示出簡(jiǎn)單的熒光“開(kāi)啟”或“關(guān)閉”反應(yīng)。這種熒光強(qiáng)度的單一變化很容易受到與儀器和環(huán)境相關(guān)的各種因素的影響，從而阻礙了它們?cè)趯?shí)際檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的單強(qiáng)度熒光傳感器不同，比率熒光傳感器是基于測(cè)量相同激發(fā)波長(zhǎng)下兩種不同發(fā)射波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度的相對(duì)變化，這在很大程度上消除了儀器和環(huán)境引起的波動(dòng)，從而使其在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的應(yīng)用潛力。

與傳統(tǒng)熒光傳感器相比，稀土熒光傳感器具有優(yōu)越的光譜特性，包括大斯托克斯位移、長(zhǎng)熒光壽命和銳線發(fā)射譜帶，這些優(yōu)點(diǎn)使其適合用于時(shí)間分辨熒光檢測(cè)[16-17]。Nishiyabu等[18]報(bào)道鳥(niǎo)苷單磷酸(GMP) 可以與Tb3+自組裝，形成超分子鑭系配位聚合物 (Tb-GMP)，由于自組裝過(guò)程中GMP中部分氧原子和氮原子與Tb3 +離子發(fā)生配位，能量從鳥(niǎo)嘌呤G基轉(zhuǎn)移到Tb3+的發(fā)射5D4組態(tài)，因而Tb-GMP可以釋放Tb3+強(qiáng)烈的綠色發(fā)光[19-20]。受此啟發(fā)，我們計(jì)劃基于Tb-GMP來(lái)設(shè)計(jì)和制備一種新型雙發(fā)射熒光探針。

在這項(xiàng)工作中，我們研制出一種基于硫、氮雙摻型碳量子點(diǎn)(CQD)的稀土熒光信號(hào)驅(qū)動(dòng)式雙發(fā)射傳感器并用于檢測(cè)Hg2+。由于鳥(niǎo)苷單磷酸(GMP)對(duì)鋱離子具有優(yōu)異的生物相容性和選擇性敏化作用[18,21-22]，因此采用GMP作為中間配體構(gòu)建GMP/Tb超分子網(wǎng)絡(luò)。S,N-CQDs既作為載體，又在GMP和Tb3+的自組裝中協(xié)助構(gòu)筑雙發(fā)射比率熒光傳感器S,N-CQDs@GMP/Tb。S,N-CQDs@GMP/Tb在UV燈激發(fā)下發(fā)出藍(lán)偏綠色熒光，這是由于GMP的有效能量傳遞給Tb3+產(chǎn)生的綠色熒光峰和S,N-CQDs本身的藍(lán)色熒光峰兩個(gè)強(qiáng)特征發(fā)射峰形成的。而Hg2+的加入可以與鳥(niǎo)苷分子相互作用，鳥(niǎo)嘌呤部分氨基和GMP的磷酸基與汞離子產(chǎn)生配位結(jié)合形成新的復(fù)合物，這將導(dǎo)致GMP能傳遞給Tb3+的有效能量急劇減少，從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度相應(yīng)降低[20,23]，這就為Hg2+的熒光檢測(cè)提供了可能性?；诖?，我們得到了一種基于S,N-CQDs@GMP/Tb的低成本熒光活性Hg2+檢測(cè)途徑，并為此設(shè)計(jì)出識(shí)別Hg2+的紙質(zhì)可視化傳感器。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑和儀器

檸檬酸(Citric acid)、半胱氨酸(L-cysteine)、N-2-Hydroxyethylpiperazine-N′-2-ethanesulfonic acid(HEPES)、鳥(niǎo)苷單磷酸(GMP)和硝酸鋱六水合物((Tb(NO3)3·6H2O))購(gòu)自阿拉丁公司(中國(guó)上海)。將堿和堿土金屬陽(yáng)離子以氯酸鹽的形式作為吸收和熒光試劑加入到溶液中，其他金屬陽(yáng)離子以金屬硝酸鹽的形式加入。所有試劑和溶劑均從商業(yè)供應(yīng)商購(gòu)買且不經(jīng)任何處理直接使用。

采用紫外-2700分光光度計(jì)(日本島津) 測(cè)定了紫外相對(duì)吸收光譜。采用F-4600分光熒光計(jì)(日本日立) 在室溫下測(cè)試了熒光光譜。采用FLS-920熒光分光光度計(jì)(英國(guó)愛(ài)丁堡) 測(cè)定熒光壽命。采用JEM-2100HR(日本電子有限公司) 透射電子顯微鏡(TEM)觀察了樣品的形貌。通過(guò)X射線能譜(EDS) 分析了其表面元素組成和含量。采用日本Prestige-21光譜儀(日本島津)，以溴化鉀壓片法記錄了傅里葉變換紅外光譜(FT-IR) 。采用phs-3C pH計(jì)(中國(guó)上海)調(diào)整水溶液的pH值。所有測(cè)試均是在室溫下進(jìn)行。所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次或以上并計(jì)算均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 S,N-CQDs制備

采用溶劑熱法制備硫、氮雙摻雜的碳點(diǎn)(S, N-CQDs) 。將1.5 g檸檬酸和0.8 g L-半胱氨酸溶解在15 mL去離子水中，攪拌使其混合溶解后轉(zhuǎn)移到有聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜(50 mL) 中，升溫至180 ℃反應(yīng)12 h后冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移到截留分子量(MWCO) 為1 000 u的透析袋中，在去離子水中透析36 h，期間換三次水，以去除未反應(yīng)的物質(zhì)。然后在冷凍干燥器中干燥，獲得目標(biāo)產(chǎn)物S,N-CQDs粉末。隨后，將S,N-CQDs固體粉末分散在超純水中作為儲(chǔ)備溶液(濃度為1.0 mg·mL-1) 用于后續(xù)所有測(cè)試。目前采用相對(duì)方法計(jì)算了碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率(QY)，詳細(xì)信息見(jiàn)補(bǔ)充材料的實(shí)驗(yàn)部分。最終測(cè)得的相對(duì)量子產(chǎn)率為28%。

2.3 S,N-CQDs@GMP/Tb制備

將S,N-CQDs組裝到GMP/Tb納米顆粒中以形成S,N-CQDs@GMP/Tb復(fù)合物。用HEPES緩沖溶液(0.1 mol·L-1, pH 7.4, 10 mL)配制的GMP (50 mmol·L-1) 加入到10 mL 1 mg/mL S, N-CQDs水溶液中，室溫下攪拌30 min。隨后在劇烈攪拌下將Tb(NO3)3·6H2O (50 mmol·L-1, 10 mL)水溶液加入到上述S,N-CQDs@GMP溶液中。30 min內(nèi)，該溶液在室溫下形成白色沉淀物。最后，通過(guò)離心收集、洗滌干燥得到S,N-CQDs@GMP/Tb，待進(jìn)一步使用。S,N-CQDs@GMP/Tb的合成路線如圖1所示。

圖1 S,N-CQDs@GMP/Tb合成策略及Hg2+傳感機(jī)制示意圖

2.4 溶液中Hg2+滴定的熒光光譜測(cè)定

首先，用HEPES (0.1 mol·L-1, pH 7.4)將S,N-CQDs@GMP/Tb溶液 (1.0 mg·mL-1) 稀釋至50 mL，并測(cè)量在發(fā)射波長(zhǎng)位于497，551，593，628，457 nm的熒光峰強(qiáng)度。通過(guò)加入不同濃度的Hg2+(10-9～10-8mol·L-1) 配制S,N-CQDs@GMP/Tb溶液(0.1 mol·L-1HEPES中20 μg·mL-1S,N-CQDs@GMP/Tb，pH 7.4)，振蕩搖勻5 min后進(jìn)行熒光光度測(cè)定。在10-8mol·L-1Hg2+濃度下加入其他陽(yáng)離子(10-8mol·L-1)，重復(fù)上述滴定實(shí)驗(yàn)。所有的熒光光譜都是在400～650 nm的波長(zhǎng)范圍以305 nm最佳激發(fā)波長(zhǎng)下獲得。

2.5 S,N-CQDs@GMP/Tb對(duì)金屬離子的選擇性

通過(guò)測(cè)試S,N-CQDs@GMP/Tb傳感器對(duì)15種金屬陽(yáng)離子的響應(yīng)，評(píng)估了該傳感器的選擇性。金屬陽(yáng)離子包括K+、Na+、Al3+、Ba2+、Be2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Pd2+、Cd2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+(10-8mol·L-1)被分別加入到S,N-CQDs@GMP/Tb溶液中，分別記錄波長(zhǎng)位于497，551，593，628，457 nm的熒光發(fā)射峰強(qiáng)度的變化。

2.6 基于紙質(zhì)的可視化傳感器制備

本研究中，我們利用普通纖維濾紙制造紙質(zhì)傳感器用于Hg2+濃度的檢測(cè)?；撞牧峡梢圆捎孟嗤拇笮『秃穸冗M(jìn)行一次性切割。本研究用尺寸為3 cm圓型濾紙檢測(cè)Hg2+，用S,N-CQDs@GMP/Tb溶液浸泡圓形濾紙，孵化10 min后，把圓形濾紙取出在空氣中自然風(fēng)干。干燥后，S,N-CQDs@GMP/Tb固定化的濾紙片即可作為Hg2+檢測(cè)的紙質(zhì)視覺(jué)傳感器。將不同濃度的Hg2+(0，2，4，6，10 nmol·L-1) 滴加到已經(jīng)制做好的圓形濾紙上，立即用波長(zhǎng)為254 nm的紫外燈照射，肉眼即可觀察到熒光顏色的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 S,N@GMP/Tb的形貌與結(jié)構(gòu)組成

采用透射電鏡圖研究了S,N-CQDs@GMP/Tb的微觀結(jié)構(gòu)和尺寸特征，圖2(a)為S,N-CQDs的TEM圖像，顯示合成的S,N-CQDs呈球形且處于單分散狀態(tài)，粒徑為4 nm左右，晶格間距為0.21 nm，說(shuō)明該量子點(diǎn)材料具有較好的結(jié)晶性能。圖2(b)為S,N-CQDs@GMP/Tb的HRTEM圖，發(fā)現(xiàn)S,N-CQDs的周圍形成網(wǎng)絡(luò)狀的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這使材料的剛性大大增強(qiáng)，說(shuō)明鳥(niǎo)苷單磷酸在

圖2 (a)S,N-CQDs的TEM圖像，插圖：S,N-CQDs的HRTEM圖像;(b)S,N-CQDs@GMP/Tb納米復(fù)合材料的HRTEM圖像。

復(fù)合結(jié)構(gòu)中對(duì)鋱離子產(chǎn)生有效的配位結(jié)合作用，并引導(dǎo)碳量子點(diǎn)融入并形成延伸的枝狀形貌，因此S,N-CQDs@GMP/Tb納米結(jié)構(gòu)復(fù)合物得以順利組裝。此外，還對(duì)材料進(jìn)行了元素分析，圖S2為能譜分析數(shù)據(jù)，C、N、O、P、S和Tb元素峰的存在證實(shí)S,N-CQDs、Tb3+和GMP均參與S,N-CQDs@GMP/Tb的構(gòu)筑。

圖3 (a)S,N-CQDs(黑線)、S,N-CQDs@GMP(藍(lán)線)和S,N-CQDs@GMP/Tb(紅線)的FT-IR光譜圖;(b)S,N-CQDs(黑線)、GMP(黃線)和S,N-CQDs@GMP/Tb(紅線) 的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。

圖3(b)為S,N-CQDs和S,N-CQDs@GMP/Tb的紫外吸收光譜。S,N-CQDs在348 nm處表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收峰，該信號(hào)對(duì)應(yīng)的是n-π*躍遷。加入稀土和鳥(niǎo)苷單磷酸之后，348 nm處的吸收峰消失，表明稀土發(fā)光中心的引入干擾了非鍵電子的軌道躍遷。同時(shí)，原始碳點(diǎn)位于242 nm處的π-π*躍遷峰移動(dòng)到254 nm,說(shuō)明碳點(diǎn)表面的多重羧基有可能參與了稀土離子的配位，并且材料產(chǎn)生了部分聚集效應(yīng)(從圖2(b)電鏡圖也可得到印證)，因而譜峰發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象。以上結(jié)果證實(shí)S,N-CQDs與GMP/Tb發(fā)光中心產(chǎn)生了相互作用和微觀結(jié)構(gòu)的變化,S,N-CQDs@GMP/Tb納米復(fù)合材料被成功合成。

3.2 S,N-CQDs@GMP熒光光譜分析

為了研究S,N-CQDs被組裝到GMP/Tb中的光物理行為，我們基于S,N-CQDs@GMP/Tb開(kāi)展穩(wěn)態(tài)熒光測(cè)試。如圖4所示，S,N-CQDs@GMP發(fā)射的熒光略低于S,N-CQDs在457 nm發(fā)射的熒光，在加入Tb3+之后，得到S,N-CQDs@GMP/Tb的熒光光譜在457 nm的發(fā)射峰進(jìn)一步降低，同時(shí)得到了除上述峰以外在497，551，593，628 nm處的4個(gè)Tb3+的特征發(fā)射信號(hào)[2,29]，這主要是Tb3+的f-f軌道上的電子躍遷導(dǎo)致的，4個(gè)Tb3+特征信號(hào)可歸因于5D4→7F6、5D4→7F5、5D4→7F4和5D4→7F3組態(tài)的躍遷。因此，將鑭系Tb3+摻入S,N-CQDs@GMP中，使材料在Tb3+離子的綠光區(qū)域得到了增強(qiáng)。當(dāng)被254 nm的UV燈激發(fā)時(shí)，S,N-CQDs@GMP/Tb發(fā)出藍(lán)綠復(fù)合的熒光，而不是由純S,N-CQDs發(fā)出的藍(lán)色熒光。鳥(niǎo)苷單磷酸配體的引入使得有機(jī)結(jié)構(gòu)與稀土離子之間的分子內(nèi)能量傳遞效率提升，紫外區(qū)富集的能量被轉(zhuǎn)移到鋱離子的最低激發(fā)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了熒光信號(hào)從藍(lán)區(qū)向綠區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖4 S,N-CQDs(黑線)、 S，N-CQDs@GMP(藍(lán)線)和S,N-CQDs@GMP/Tb(紅線)的熒光發(fā)射譜。

3.3 S,N-CQDs@GMP/Tb傳感系統(tǒng)的最佳pH水平

檢測(cè)環(huán)境中的pH變化是離子檢測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)重要的影響因素，為此，實(shí)驗(yàn)在不同的pH條件下，測(cè)試了S,N-CQDs@GMP/Tb傳感器的熒光強(qiáng)度對(duì)Hg2+響應(yīng)的影響。在Hg2+存在下不同的pH水平的體系中監(jiān)測(cè)熒光發(fā)射強(qiáng)度，選取稀土Tb3+最強(qiáng)特征熒光峰(發(fā)射波長(zhǎng)位于551 nm) 歸一化作圖得到圖S3，顯示在pH=7～8范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度較強(qiáng)，說(shuō)明在中性環(huán)境中該傳感器具有較好的光學(xué)性質(zhì)。因此，后續(xù)所有操作均在中性環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)。

3.4 S,N-CQDs@GMP/Tb在液相中的傳感

如圖5(a)、(b)所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除Hg2+、Cu2+、Fe3+外，大多數(shù)金屬離子對(duì)S,N-CQDs@GMP/Tb沒(méi)有明顯的熒光猝滅作用。雖然在加入Cu2+、Fe3+后，熒光強(qiáng)度均有降低，但對(duì)Tb3+特征峰的猝滅效果不及Hg2+對(duì)Tb3+特征熒光的猝滅，從圖中仍可獲得Cu2+、Fe3+滴定之后清晰的鋱離子5D4→7F6、5D4→7F5躍遷信號(hào)。此外，加入Hg2+后位于457 nm的熒光峰增強(qiáng)效應(yīng)也比其他離子更為突出。由此可以看出，除了Hg2+之外，其他金屬離子的加入并不會(huì)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度比的顯著變化，這表明S,N-CQDs@GMP/Tb能夠?qū)g2+產(chǎn)生“綠-藍(lán)”的信號(hào)轉(zhuǎn)化，有望基于比率熒光的概念開(kāi)發(fā)出用于汞離子識(shí)別的探針材料。

圖5 (a)S,N-CQDs@GMP/Tb在HEPES緩沖液(0.1 mol·L-1，pH 7.4)中存在和不存在各種物種時(shí)(10-8 mol·L-1) 的熒光光譜；(b)條形圖表示存在各種陽(yáng)離子(10-8 mol·L-1)時(shí)S,N-CQDs@GMP/Tb的特征發(fā)射峰強(qiáng)度比F551/F457。

3.5 S,N-CQDs@GMP/Tb對(duì)Hg2+濃度的定量測(cè)定

如圖6(b)，S,N-CQDs@GMP/Tb溶液中稀土銳線窄帶發(fā)射信號(hào)很強(qiáng)，表明在極性溶液體系中能保持稀土的穩(wěn)定發(fā)光。但在Hg2+存在的情況下，S,N-CQDs@GMP/Tb的熒光發(fā)生明顯變化(示意圖6(a))。因此，在S,N-CQDs@GMP/Tb中逐步滴加Hg2+(0～10-8mol·L-1) 進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)S,N-CQDs@GMP/Tb對(duì)Hg2+濃度測(cè)定的可行性。

圖6 (a)加入Hg2+后，S,N-CQDs@GMP/Tb的熒光顏色變化示意圖;(b)S,N-CQDs@GMP/Tb(綠線)和S,N-CQDs@GMP/Tb+Hg2+(藍(lán)線)的發(fā)射光譜。

圖7(a)顯示了S,N-CQDs@GMP/Tb在HEPES緩沖液中(0.1 mol·L-1，pH 7.4)，通過(guò)加入不同濃度的Hg2+進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)的情況，Hg2+離子濃度從0增加到10-8mol·L-1，記錄了在305 nm激發(fā)下的光致發(fā)光光譜。如圖7所示，隨著逐漸加入Hg2+，位于457 nm的S,N-CQDs特征熒光峰逐漸增強(qiáng)，Tb3+的4個(gè)特征峰則循序下降，S,N-CQDs@GMP/Tb在497，551，592，628 nm的熒光峰下降程度與0～10-8mol·L-1范圍內(nèi)的Hg2+濃度成正比。隨著Hg2+濃度的增加，S,N-CQDs@GMP/Tb的綠色熒光逐漸減弱的同時(shí)，藍(lán)色熒光逐漸增強(qiáng)，這正好為Hg2+提供了稀土熒光信號(hào)驅(qū)動(dòng)的比率熒光傳感檢測(cè)的可能。F551/F457的發(fā)射強(qiáng)度與濃度的變化遵循簡(jiǎn)單線性方程Y=3.70114-0.03124X(R2=0.982 9)(圖7(b))。根據(jù)σDL=3σSD/K(σSD為空白樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差，K為斜率)[30]確定檢測(cè)限為7.04 nmol/L，低于美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA) 規(guī)定飲用水中允許Hg2+的最大濃度10 nmol/L。除此之外，我們?cè)赟,N-CQDs@GMP/Tb制備過(guò)程中，分別加入不同濃度的GMP前驅(qū)體(25，50，75 mmol·L-1)，得到的3種材料微觀結(jié)構(gòu)上有較大變化(圖S4)，低濃度(25 mmol·L-1)時(shí)還有較為明顯的球狀準(zhǔn)聚集體，高濃度(75 mmol·L-1)時(shí)枝狀形貌消失，聚集加劇。三者用于檢測(cè)Hg2+，發(fā)現(xiàn)不同GMP濃度下的S,N-CQDs@GMP/Tb的發(fā)射峰強(qiáng)度比F551/F457與Hg2+濃度呈線性關(guān)系(圖S5)，依次計(jì)算得到檢測(cè)限分別為12.2，7.04，16.78 nmol·L-1，以50 mmol·L-1合成的S,N-CQDs@GMP/Tb具有最低的檢測(cè)限(表S1)，因此實(shí)驗(yàn)選擇 50 mmol·L-1為合成預(yù)設(shè)條件。

圖7 (a)在HEPES緩沖液(0.1 mol·L-1, pH 7.4)中，不同濃度的Hg2+(10-9～10-8 mol·L-1)存在下, S，N-CQDs@GMP/Tb的發(fā)光響應(yīng)曲線;(b)S,N-CQDs@GMP/Tb的發(fā)射峰強(qiáng)度比F551/F457與Hg2+濃度的線性關(guān)系。

3.6 選擇性測(cè)試

除了靈敏度，干擾實(shí)驗(yàn)也是評(píng)估傳感系統(tǒng)的一個(gè)重要手段。為了進(jìn)一步考察S,N-CQDs@GMP/Tb材料對(duì)Hg2+的特定靶向性，實(shí)驗(yàn)在相同溫度和操作條件下，分別加入K+、Na+、Al3+、Ba2+、Be2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Pd2+、Cd2+、Cu2+、Fe3+(10-8mol·L-1)，研究其影響結(jié)果。如圖8，當(dāng)在10-8mol·L-1Hg2+存在時(shí)，該材料受到與環(huán)境相關(guān)的金屬離子的共存對(duì)Hg2+

圖8 條形圖表示在HEPES緩沖液(0.1 mol·L-1, pH 7.4) 中，10-8 mol·L-1 Hg2+與10-8 mol·L-1幾種陽(yáng)離子混合存在的情況下，S,N-CQDs@GMP/Tb的特征發(fā)射峰強(qiáng)度比F551/F457。

3.7 Hg2+的檢測(cè)機(jī)制

為了解Hg2+與S,N-CQDs@GMP/Tb納米級(jí)復(fù)合材料的相互作用，我們研究了在Hg2+不存在和存在下S,N-CQDs@GMP/Tb發(fā)射壽命的變化。如圖9(a)所示，S,N-CQDs@GMP/Tb納米復(fù)合物的壽命為0.632 8 ms；加入Hg2+(10-8mol·L-1) 后，壽命為0.662 3 ms。加入Hg2+前后復(fù)合物的熒光壽命變化甚小，可以忽略不計(jì)，由此說(shuō)明Hg2+的加入并未導(dǎo)致傳感系統(tǒng)中激發(fā)態(tài)發(fā)生改變[31]。此外，我們進(jìn)一步通過(guò)紫外吸收光譜研究熒光猝滅機(jī)制，如圖9(b)，由于每次加入的Hg2+濃度比S,N-CQDs@GMP/Tb濃度少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在少量的Hg2+存在下，難以觀察到S,N-CQDs@GMP/Tb吸收的變化。然而，在Hg2+、S,N-CQDs@GMP/Tb共存條件下，隨著Hg2+的滴加，S,N-CQDs@GMP/Tb在254 nm的紫外吸收峰強(qiáng)度依次增加，說(shuō)明Hg2+與鳥(niǎo)苷單磷酸產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)性配位形成新的復(fù)合物，因而對(duì)其π-π*躍遷造成了影響。由此說(shuō)明傳感器的檢測(cè)機(jī)制是Hg2+的介入取代了Tb3+與GMP發(fā)生基態(tài)改變，生成了新的基態(tài)復(fù)合物導(dǎo)致熒光靜態(tài)猝滅。

圖9 (a)S,N-CQDs@GMP/Tb的熒光壽命(黑線)與S,N-CQDs @GMP/Tb+Hg2+的熒光壽命(紫線);(b)不同濃度Hg2+(10-9～10-8 mol·L-1)存在下S,N-CQDs@GMP/Tb的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。

3.8 真實(shí)樣品中的Hg2+檢測(cè)

為研究定量熒光傳感器在真實(shí)樣品中檢測(cè)Hg2+的可行性，在純飲用水、自來(lái)水和河水等水樣中檢測(cè)Hg2+(表1)。由于濃度非常低，水樣中無(wú)法檢測(cè)到Hg2+，于是我們采用標(biāo)準(zhǔn)的加標(biāo)法測(cè)定汞含量。純飲用水樣品中，汞的回收率為95.83%～103.75%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.4%～3.3%。自來(lái)水樣中的汞回收率為95%～102.67%，RSD為2.9%～4.1%。河水水樣中的汞回收率為98.25%～106%，RSD為2.3%～2.8%?？山邮艿幕厥战Y(jié)果和令人滿意的RSD值表明S,N-CQDs@GMP/Tb測(cè)定實(shí)際水樣中汞含量的準(zhǔn)確性和可靠性，稀土信號(hào)驅(qū)動(dòng)式比率熒光傳感器對(duì)環(huán)境水樣中Hg2+的檢測(cè)具有很大的潛力。

表1 水樣中Hg2+檢測(cè)的回收率

3.9 利用紙質(zhì)傳感器對(duì)Hg2+的可視化分析

傳統(tǒng)檢測(cè)材料一般是以粉末形式存在，稱量、取用尤其是手執(zhí)式操作極為不便，因此開(kāi)發(fā)針對(duì)客體檢測(cè)的固體器件，尤其是不需要通過(guò)特殊物理方法構(gòu)筑的簡(jiǎn)易裝置，對(duì)后期應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。本實(shí)驗(yàn)采用的是普通纖維濾紙用作承載發(fā)光活性組分的基底材料。濾紙被裁剪成平均尺寸為3 cm的圓形，再使用S,N-CQDs@GMP/Tb溶液(10 mg·mL-1)浸泡10 min，然后把樣品取出在空氣中室溫條件下風(fēng)干，即可作為便攜式的離子檢測(cè)材料。

如圖10所示，在不同濃度的Hg2+中，肉眼即可觀察到Hg2+指示的紙質(zhì)視覺(jué)傳感器在254 nm紫外線燈下發(fā)生了從綠色到藍(lán)色的明顯熒光顏色轉(zhuǎn)換。該固相檢測(cè)手段響應(yīng)時(shí)間迅速，可在30 s內(nèi)完成。由S,N-CQDs@GMP/Tb衍生的器件具有成本低廉、方便攜帶、取用等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景，有望滿足藥物監(jiān)測(cè)、臨床分析和食品加工等領(lǐng)域?qū)g2+含量測(cè)定的需求。

圖10 在254 nm紫外光激發(fā)下，滴加50 μL不同濃度(0，2，4，6，10 nmol·L-1)的Hg2+溶液后，Hg2+指示的紙質(zhì)視覺(jué)傳感器的熒光彩色圖像。

4 結(jié) 論

本文在碳量子點(diǎn)基礎(chǔ)上，以稀土熒光信號(hào)變化構(gòu)筑了一種S,N-CQDs@GMP/Tb的Hg2+比率熒光傳感器。實(shí)驗(yàn)分別采用高分辨透射電鏡、能譜分析、紅外吸收和紫外光譜證實(shí)了材料的結(jié)構(gòu)。光物理分析表明稀土鋱離子可以在碳基質(zhì)材料中呈現(xiàn)出禁阻躍遷的特征信號(hào)，并得到藍(lán)-綠混合發(fā)光。該材料對(duì)Hg2+的濃度具有較高選擇性和靈敏度，線性范圍為10～110 nmol·L-1，檢測(cè)限為7.04 nmol·L-1。此外，利用S,N-CQDs@GMP/Tb沉積形成的濾紙，有效設(shè)計(jì)并獲取了一種建立在固相基底上的光學(xué)傳感器件，在手持紫外燈下肉眼可區(qū)分熒光顏色從綠色變化到藍(lán)色。該項(xiàng)研究有機(jī)地把碳量子點(diǎn)和稀土熒光結(jié)合在一起，利用兩個(gè)信號(hào)的比率熒光變化完成了對(duì)污染離子的檢測(cè)，這對(duì)于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè)和診斷具有較為重要的參考價(jià)值。同時(shí)，所提出的方法對(duì)檢測(cè)Hg2+也具有可靠、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，為后期開(kāi)發(fā)具有巨大應(yīng)用潛力的柔性傳感策略開(kāi)辟了新的途徑。

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