CN109211856A - 一种基于Ce（III）/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法 - Google Patents

一种基于Ce（III）/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，利用Ce(III)离子能够有效地增强银纳米簇(AgNCs)的荧光发射，形成Ce(III)/AgNCs复合体系。当往该体系中加入微量的S2‑时，由于S2‑与Ce(III)/AgNCs复合体系中的Ag原子发生作用，从而破坏了Ce(III)/AgNCs复合体系的原有结构导致Ce(III)/AgNCs复合体系的荧光强度猝灭，淬灭后的荧光强度与S2‑离子的浓度成线性关系，据此建立了一种检测S2‑离子的方法，该方法操作简单，能快速实时的对S2‑进行痕量检测。

Description

一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法
技术领域
本发明涉及一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法。
背景技术
随着社会经济的发展及人类生产活动的加剧，环境污染已经严重威胁到人类赖以生存的环境和身体健康，尤其是含硫污染物的排放，不仅污染水土资源，污水中的硫离子在酸性环境中还易变成硫化氢气体，从而造成大气污染。
含硫污染物主要来源有三种：其一，工业生产过程中所排放的含硫废水，这些废水未经过处理便直接排放到河流湖泊中，造成严重的水污染，硫化物含量是我国饮用水及地表水检测项目最重要的指标之一，含硫量超标将会直接威胁人类的身体健康及水生植物的生存环境；其二，自然界的硫酸盐遇到厌氧菌之后，便会还原成硫离子，从而造成各种环境污染；其三，肉类腐烂过程中的含硫氨基酸会分解产生硫化氢这类恶臭性气体。
由于硫离子的自身特性，使得其在环境污染及生理学方面的检测变成了一项非常有实际意义的任务。研究表明硫离子溶于水之后，在饮用水中硫化氢的浓度即使小于0.07mg/m3时，也会对饮用水的水质造成一定的影响。当水中硫化氢浓度达到0.15mg/m3时，会对新投入河塘的鱼苗生长定产生一定的影响，同时也会对河塘周围植物的根系产生一定的毒害作用。硫化氢不仅具有毒性，其溶液呈酸性且具有腐蚀性，可导致管道、罐类等设备发生硫化物应力开裂、氢鼓泡、氢致开裂等，导致泵类叶轮腐蚀磨损加快及出现腐蚀性气孔等问题。
因此，开发设计一种可以检测低浓度硫离子的新型检测材料具有重要的理论价值和应用价值。
目前硫离子的检测方法种类很多，主要有：离子色谱法、电化学分析法、光谱检测法、传统滴定法和荧光检测法。其中荧光法具有低成本、操作简便易行、较高的选择性和灵敏性等优异的特点，比其他几种方法更具有实用性。在荧光检测法中，检测体系的荧光强度会直接影响到检测的灵敏性。目前的前荧光纳米簇材料种类虽多，如银纳米簇、铜纳米簇、金纳米簇等，但是这些都是单一材料纳米簇，其发光效率均较低，检测时的灵敏度较低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法。利用Ce(III)离子能够有效地增强银纳米簇(AgNCs)的荧光发射，形成Ce(III)/AgNCs复合体系。当往该体系中加入微量的S2-时，由于S2-与Ce(III)/AgNCs复合体系中的Ag原子发生作用，从而破坏了 Ce(III)/AgNCs复合体系的原有结构导致Ce(III)/AgNCs复合体系的荧光强度猝灭，淬灭后的荧光强度与S2-离子的浓度成线性关系，据此建立了一种检测S2-离子的方法，该方法操作简单，能快速实时的对S2-进行痕量检测。
本发明采取的技术方案为：
一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，包括以下步骤：
A、将AgNCs纳米簇溶液与Ce(III)离子溶液混合，反应5min，形成 Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料；
B、分别向步骤A得到的混合溶液中加入不同浓度的S2-溶液，调节pH为 7.0，并用去离子水稀释定容，搅拌反应10分钟；
C、测量上述各组溶液的荧光强度；
D、以S2-浓度C为X轴，对应的425nm处的荧光强度F为Y轴作图，得到S2-浓度与荧光强度之间的线性方程，根据线性方程可计算出任意荧光强度F 所对应的S2-浓度。
所述AgNCs纳米簇通过谷胱甘肽(GSH)刻蚀银纳米颗粒(AgNPs)得到。
步骤A中，所述Ce(III)离子溶液为硝酸铈溶液。
经去离子水稀释定容后，所述AgNCs纳米簇溶液、Ce(III)离子溶液的终浓度分别为4.2μM、10μM。
步骤B中，经去离子水稀释定容后，体系中的S2-终浓度分别为0、0.2μM、0.3μM、0.4μM、0.6μM、0.8μM、0.9μM、1.0μM、1.1μM、1.4μM、1.6μM、 1.7μM、1.8μM、1.9μM、2.0μM。
步骤D中，所述线性方程为F＝1477.1-543.4C且线性相关系数R2为-0.998，其中，C的单位为μM。
所述方法在检测硫离子时具有良好的选择性和抗干扰性，对于硫离子的检测限可低至0.015μM。
本发明通过谷胱甘肽(GSH)对银纳米颗粒(AgNPs)进行蚀刻使AgNPs 分解成AgNCs，在向AgNCs溶液中加入Ce(III)/溶液后，Ce(III)离子与AgNCs 表面上的谷胱甘肽中羧酸基团反应形成Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料，导致其荧光强度增强。并以Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料作为荧光探针对硫离子进行检测，硫离子可与Ce(III)/AgNCs复合材料中的Ag反应形成Ag2S，导致原本具有强发光Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料的结构遭到破坏从而使荧光猝灭，淬灭后的荧光强度与0～2μM范围内的S2-离子的浓度成线性关系，进而得到淬灭后的荧光强度与S2-离子浓度之间的线性方程，根据线性方程即可检测出任意荧光强度下所对应的硫离子的浓度，进而可以实现对硫离子的快速痕量检测。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.通过Ce(III)复合AgNCs构筑的荧光探针后，其荧光强度较单一的AgNCs 显著增强，在进行硫离子的检测时，灵敏度更高；
2.通过Ce(III)复合AgNCs构筑的荧光探针在进行硫离子的检测时，具有良好的选择性和抗干扰能力，可排除其他常见阴、阳离子的干扰。
3.操作简单，方便快捷，可快速实现对于硫离子的痕量检测。
附图说明
图1为不同浓度硫化钠(从上往下：0–3.5μM)对Ce(III)/AgNCs复合材料体系荧光强度的变化图；
图2为Ce(III)离子功能化银纳米团簇(Ce(III)/AgNCs)及其检测S2-的示意图；
图3为不同浓度硫化钠对Ce(III)/AgNCs复合材料体系荧光强度的关系图；
图4为0～2μM范围内硫离子浓度与体系荧光强度的线性关系图；
图5为AgNCs制备过程的示意图；
图6为AgNCs的扫描电镜图；
图7为(a)谷胱甘肽(GSH)和(b)GSH蚀刻的AgNCs的红外光谱图；
图8为(a)银纳米颗粒(AgNPs)和(b)银纳米团簇(AgNCs)的紫外- 可见吸收光谱图；
图9为向AgNCs溶液中加入不同浓度Ce(III)离子的荧光光谱图；
图10为Ce(III)离子浓度对AgNCs荧光强度的影响。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明，本发明中所涉及的“溶液”如无特殊说明均为各物质溶于去离子水形成的水溶液。
实施例1
一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，包括以下步骤：
A、将50μL浓度为420μM的AgNCs纳米簇溶液与1mL 50μM的硝酸铈溶液在一系列试管中混合，反应5min，形成Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料溶液；
B、向每个管中的混合物中分别加入不同浓度的Na2S溶液，通过HNO3或NaOH将混合溶液的pH调节为7.0，并用去离子水稀释定容至5mL，搅拌反应 10分钟；此时各试管中Na2S溶液的终浓度分别为0、0.2μM、0.3μM、0.4μM、 0.6μM、0.8μM、0.9μM、1.0μM、1.1μM、1.4μM、1.6μM、1.7μM、1.8μM、 1.9μM、2.0μM、2.5μM、3.0μM、3.5μM。
C、测量上述各组溶液的荧光强度，所得荧光谱图如图1所示；从图1中可以看出，随着硫离子浓度的增大，体系的荧光强度逐渐降低，这是由于硫离子与Ce(III)/AgNCs复合材料中的Ag反应形成Ag2S，导致原本具有强发光 Ce(III)/AgNCs复合材料的结构遭到破坏从而使荧光猝灭；Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测S2-的示意图如图2所示；
D、以S2-浓度C为X轴，对应的425nm处的荧光强度F为Y轴作图，如图3所示，从图3中可以看出在0～2μM范围内的S2-浓度与荧光强度呈线性相关；并以0～2μM范围内的S2-浓度C为X轴，对应的425nm处的荧光强度F为 Y轴作线性曲线，如图4所示，进而得到S2-浓度与荧光强度之间的线性方程 F＝1477.1-543.4C且线性相关系数R2为-0.998，其中，C的单位为μM；根据线性方程可计算出任意荧光强度F所对应的S2-浓度。
步骤A中，所述AgNCs纳米簇溶液的制备方法为：
(1)将0.5mL的0.1M AgNO3和1mL的0.1M柠檬酸三钠加入到50mL 水中，然后在冰浴中，缓慢滴加75μl 20mM冷的NaBH4溶液直至溶液变为鲜黄色，将溶液从冰浴中取出并搅拌30分钟；
(2)再利用谷胱甘肽(GSH)刻蚀步骤(1)所制备的银纳米颗粒，具体方法为，将750μL的0.2M GSH加入到步骤(1)制备的Ag纳米颗粒溶液中，并将溶液搅拌10分钟，再在25℃室温下放置168小时，即可得到AgNCs纳米簇溶液，把该溶液稀释到119mL即得到浓度为420μM的AgNCs纳米簇溶液备用，AgNCs纳米簇溶液的制备步骤中默认原料中的银离子全部转换为AgNCs。
其反应过程如下图5所示。图6为AgNCs的扫描电镜图，从透射电子显微镜(TEM)图像可以看出所制备的AgNCs在溶液中可以均匀分散，其平均粒径在2nm左右。
图7为(a)谷胱甘肽(GSH)和(b)GSH蚀刻的AgNCs的红外光谱(FTIR) 光谱。如图7(a)所示，GSH在2524cm-1处有一个的吸收带，是谷胱甘肽上 S-H键的伸缩振动带，而图7(b)中S-H键的红外峰消失，表明GSH的巯基(S-H) 与Ag之间的强烈相互作用形成了Ag-S键。
图8为(a)银纳米颗粒(AgNPs)和(b)银纳米团簇(AgNCs)的紫外- 可见吸收图。如图8所示，当仅存在AgNPs时，在390nm附近发现称为表面等离子共振峰的强特征吸收峰。然而，用GSH蚀刻后AgNPs的吸收带消失。并在 350nm处出现新的特征吸收峰。这些现象归因于GSH对AgNPs的蚀刻导致 AgNPs分解成AgNCs。
实施例2
Ce(III)对AgNCs荧光强度的影响
在室温下，取一定体积的AgNCs的溶液与不同终浓度的的Ce(III)离子的溶液在一系列试管中混合，加入去离子水使体积达到5.0mL，此时AgNCs的终浓度为4.2μM，Ce(III)离子的终浓度为0～15μM；同时通过HNO3或NaOH将混合物调节pH至7。激发波长设定在358nm，激发与发射狭缝分别为10.0nm和 10.0nm，分别测其荧光光谱。
如图9所示，随着Ce(III)离子浓度的增加，AgNCs的荧光强度逐渐增强。 Ce(III)离子浓度对AgNCs荧光强度的影响如图10所示。从图9、10可以看出，当Ce(III)离子浓度达到9μM时，AgNCs的荧光强度达到最强。这是因为Ce(III) 离子能与GSH分子上的羧酸基团发生配位，据此，可以认为本实验的Ce(III)离子与AgNCs表面上的谷胱甘肽中羧酸基团反应形成Ce(III)/AgNCs复合材料，导致其荧光强度增强。
实施例3
Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料对S2-检测的选择性实验
一个稳定优良的荧光探针，必须有较好的选择性和抗干扰能力。为了探究此种荧光复合纳米簇材料的抗干扰能力，本发明选择了一些常见离子(F-、Cl-、 Br-、NO2 -、NO3 -、CrO4 2-、CO3 2-、SCN-、K+、Na+)来做干扰实验，干扰离子终浓度均为10.0μM，S2-离子终浓度为1.0μM。结果表明，加入硫离子使体系的荧光猝灭程度最大，并且除硫离子外，其他离子对Ce(III)/AgNCs复合材料体系荧光的猝灭程度影响很小，几乎可以忽略。实验结果表明，Ce(III)/AgNCs 复合材料体系在检测硫离子时具有很好的选择性和抗干扰性。
上述参照实施例对一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将AgNCs纳米簇溶液与Ce(III)离子溶液混合，反应5min；
B、分别向步骤A得到的混合溶液中加入不同浓度的S2-溶液，调节pH为7.0，并用去离子水稀释定容，搅拌反应10分钟；
C、测量上述各组溶液的荧光强度；
D、以S2-浓度C为X轴，对应的425nm处的荧光强度F为Y轴作图，得到S2-浓度与荧光强度之间的线性方程，根据线性方程可计算出任意荧光强度F所对应的S2-浓度。
2.根据权利要求1所述的基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，所述AgNCs纳米簇通过谷胱甘肽刻蚀银纳米颗粒得到。
3.根据权利要求1或2所述的基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，经去离子水稀释定容后，所述AgNCs纳米簇溶液、Ce(III)离子溶液的终浓度分别为4.2μM、10μM。
4.根据权利要求1所述的基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，所述Ce(III)离子溶液为硝酸铈溶液。
5.根据权利要求1或2所述的基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，步骤B中，经去离子水稀释定容后，体系中的S2-终浓度分别为0、0.2μM、0.3μM、0.4μM、0.6μM、0.8μM、0.9μM、1.0μM、1.1μM、1.4μM、1.6μM、1.7μM、1.8μM、1.9μM、2.0μM。
6.根据权利要求1或2所述的基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，步骤D中，所述线性方程为F＝1477.1-543.4C且线性相关系数R2为-0.998，其中，C的单位为μM。
7.根据权利要求1或2所述的基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，所述方法在检测硫离子时具有良好的选择性和抗干扰性。
8.根据权利要求1所述的基于Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料检测硫离子的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A、将50μL浓度为420μM的AgNCs纳米簇溶液与1mL 50μM的Ce(III)离子溶液在一系列试管中混合，反应5min，形成Ce(III)/AgNCs复合纳米簇材料溶液；
B、向每个试管中的混合物中分别加入不同浓度的Na2S溶液，通过HNO3或NaOH将混合溶液的pH调节为7.0，并用去离子水稀释定容至5mL，搅拌反应10分钟；此时各试管中Na2S溶液的终浓度分别为0、0.2μM、0.3μM、0.4μM、0.6μM、0.8μM、0.9μM、1.0μM、1.1μM、1.4μM、1.6μM、1.7μM、1.8μM、1.9μM、2.0μM；
C、测量上述各组溶液的荧光强度；
D、以S2-浓度C为X轴，对应的425nm处的荧光强度F为Y轴作图，得到S2-浓度与荧光强度之间的线性方程F＝1477.1-543.4C且线性相关系数R2为-0.998，其中，C的单位为μM；根据线性方程可计算出任意荧光强度F所对应的S2-浓度。
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