CN110865061B

CN110865061B - 同时检测亚硝酸根离子与Hg2+的双发射荧光探针及其方法

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Publication number: CN110865061B
Application number: CN201911224465.4A
Authority: CN
Inventors: 童裳伦; 武会芳
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: CN110865061A

Abstract

本发明公开了一种双发射荧光探针以及对亚硝酸根离子与Hg²⁺的同时检测方法，属于环境检测技术领域。该荧光探针是由碳量子点CQDs、Tb³⁺、3‑氨基苯硼酸在pH＝7.0～8.0的缓冲溶液体系中形成的复合物；碳量子点CQDs由烟酸和巴比妥酸的混合水溶液通过水热反应制备而成。该检测方法为：将待检测溶液定量加入缓冲溶液体系中定容，然后将定容后的缓冲溶液以260～280nm为激发波长，在320～650nm波长范围内扫描荧光体系的发射光谱；分别以373nm和545nm处的荧光淬灭效率与待检测物质浓度的线性关系，计算待检测溶液中Hg²⁺、NO₂ ^‑的浓度。本发明的荧光探针不仅可以实现水样中NO₂ ^‑和Hg²⁺的痕量检测，而且其检测结果与分光光度法相比具有较好的一致性和选择性。

Description

同时检测亚硝酸根离子与Hg2+的双发射荧光探针及其方法

技术领域

本发明涉及水样中亚硝酸根离子与Hg²⁺的检测方法，具体涉及一种双发射荧光探针以及对亚硝酸根离子与Hg²⁺的同时检测方法，属于环境检测技术领域。

背景技术

亚硝酸根离子是氮循环的中间产物，亚硝酸根进入人体后，可将低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，使之失去输送氧的能力，还可与仲胺类物质反应生成具有致癌性的亚硝胺类物质。水中亚硝酸根离子常用的测定方法有离子色谱法、气相分子吸收光谱法和N-(1-萘基)乙二胺分光光度法等。离子色谱法、气相分子吸收光谱法简便、快速、干扰较少，N-(1-萘基)乙二胺分光光度法有一定干扰，但这些方法的灵敏度都不够高。

Hg²⁺离子是剧毒物质，其常用的测定方法有冷原子吸收光谱法、冷原子荧光光谱法和原子荧光光谱法等。发展简便、灵敏、选择性好，并能实现多组分同时测定的快速检测方法，是当前迫切而十分重要的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，并提供一种同时检测亚硝酸根离子与 Hg²⁺的双发射荧光探针及其方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的双发射荧光探针，该荧光探针是由碳量子点CQDs、Tb³⁺、3-氨基苯硼酸在pH＝7.0～8.0的缓冲溶液体系中形成的复合物；所述的碳量子点CQDs由烟酸和巴比妥酸的混合水溶液，置于高压反应釜中通过水热反应制备而成。

作为优选，所述碳量子点CQDs的合成方法为：

取3.0mmol烟酸和3.0mmol巴比妥酸加入20mL去离子水，超声充分分散后，将混合物转移到100mL聚四氟乙烯内衬的的高压反应釜中，在180℃条件下反应8小时，然后使其自然冷却至室温；反应产物经过离心分离后，取其上清液纯化，得到淡黄色量子点溶液，再经冷冻干燥得到碳量子点固体粉末产物CQDs。

作为优选，所述缓冲溶液为氨基乙酸缓冲溶液，pH优选为7.5。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述方案所述的双发射荧光探针同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其步骤如下：将待检测溶液定量加入所述的缓冲溶液体系中定容，然后将定容后的缓冲溶液以260～280nm为激发波长，在 320～650nm波长范围内扫描荧光体系的发射光谱；以373nm处的荧光淬灭效率与Hg²⁺浓度的线性关系计算待检测溶液中Hg²⁺的浓度，以545nm处的荧光淬灭效率与NO₂ ^-浓度的线性关系计算待检测溶液中NO₂ ^-的浓度。

作为优选，所述定容后的缓冲溶液中，碳量子点CQDs的浓度为25～100 mg/L。

作为优选，所述定容后的缓冲溶液中，Tb(NO₃)₃的浓度为20.0μM。

作为优选，所述定容后的缓冲溶液中，3-氨基苯硼酸的浓度为8～20μM。

作为优选，所述定容后的缓冲溶液中，各组分的浓度优选为：CQDs:50mg/L， Tb³⁺:20.0μM，3-氨基苯硼:10.0μM，氨基乙酸缓冲溶液:20mM。

作为优选，所述的激发波长优选为270nm。

作为优选，所述的荧光淬灭效率＝(F₀-F)/F₀，其中F₀为未加入待检测溶液的缓冲溶液体系空白样本在定容后的荧光强度，F为加入待检测溶液后的缓冲溶液体系在定容后的荧光强度。

本发明的荧光探针不仅可以实现水样中NO₂ ^-和Hg²⁺的痕量检测，而且其检测结果与分光光度法相比具有较好的一致性和选择性。该探针对加标水样中 NO₂ ^-和Hg²⁺的检测回收率在95.8-100.3％之间，相对标准偏差小于4.4％，对NO₂ ^-的检出限为2nM，对Hg²⁺的的检出限为38nM。

附图说明

图1为不同体系的荧光光谱图，其中CQDs:50mg/L，Tb³⁺:20.0μM，APBA: 10.0μM，NO₂ ^-:2.0μM，Hg²⁺:5.0μM，氨基乙酸缓冲溶液:20mM(pH＝7.5)，λex ＝270nm.

图2为CQDs浓度对CQDs-Tb³⁺荧光体系在加入NO₂ ^-前后荧光强度(A)和淬灭效率(B)的影响；(C)APBA浓度对CQDs-Tb³⁺/APBA荧光体系荧光强度的影响；(D)Hg²⁺对CQDs-Tb³⁺/APBA荧光体系淬灭效率的影响.

图3为CQDs-Tb³⁺/APBA荧光探针对NO₂ ^-(A,B)和Hg²⁺(C,D)检测的选择性试验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

实施例1

本实施例中，设计了一种基于碳量子点的双发射荧光探针，该双发射荧光探针中的碳量子点由烟酸和巴比妥酸的混合水溶液，置于高压反应釜中通过水热反应制备而成，其具体合成方法如下：

分别称取烟酸(3.0mmol,369.11mg)和巴比妥酸(3.0mmol,384.27mg)放入50mL烧杯中，加入20mL去离子水，超声分散15min后，将混合物转移到 100mL聚四氟乙烯内衬的的高压反应釜中，在180℃条件下反应8小时，然后使其自然冷却至室温。反应产物在10000rpm转速下离心15min，取其上清液，并用透析袋(1000Da)进一步纯化，得到淡黄色量子点溶液，经冷冻干燥可得碳量子点固体粉末产物(CQDs)，将其分散于超纯水中可用于后续分析测定。

利用该碳量子点CQDs构建的双发射荧光探针，由碳量子点CQDs、Tb³⁺、 3-氨基苯硼酸APBA在pH＝7.0～8.0的缓冲溶液体系中形成的复合物。在实际测定时，可将待检测溶液定量加入该缓冲溶液体系中，定容后通过荧光光谱法进行定量检测。

下面通过实施例对具体的检测方法和参数进行确定和优化。

实施例2

本实施例基于实施例1制备的碳量子点CQDs，构建双发射荧光探针，以对 NO₂ ^-和Hg²⁺进行同时检测：

在10mL比色管中依次加入一定量的氨基乙酸缓冲溶液(pH＝7.5)、CQDs 溶液、Tb(NO₃)₃溶液、APBA溶液构成CQDs-Tb³⁺/APBA双发射荧光探针的缓冲溶液体系，再向缓冲溶液体系中加入一定浓度的NaNO₂(5.0～5000.0nM)或 Hg(NO₃)₂(0.1～10.0μM)或一定体积的预处理水样作为待检测样品，最后用超纯水定容至10.0mL。定容后的混合溶液中，氨基乙酸浓度为20mM，CQDs溶液浓度为25～100mg/L,Tb(NO₃)₃溶液浓度为20.0μM，APBA溶液浓度为8～20 μM，摇匀并室温静置5min。以260～280nm为激发波长，在320～650nm波长范围内扫描荧光体系的发射光谱，用于NO₂ ^-和Hg²⁺荧光定量检测的最佳波长分别为545nm与373nm。

为了确定该检测体系中的最佳参数，通过设置多个试验组对其进行优化。

1.双发射荧光探针的构建与荧光性能

定容后的CQDs-Tb³⁺/APBA双发射荧光探针体系中，各组分的最佳浓度分别确定为CQDs:50mg/L，Tb³⁺:20.0μM，APBA:10.0μM。如图1所示，在最佳激发波长270nm下，CQDs-Tb³⁺/APBA荧光探针具有373nm和545nm两个荧光峰，分别对应于APBA和CQDs-Tb³⁺的特征荧光。NO₂ ^-和Hg²⁺的加入可以分别使CQDs-Tb³⁺和APBA的荧光淬灭，基于这一响应结果，成功构建了双发射荧光探针并应用于NO₂ ^-和Hg²⁺的同时检测。

2.双发射荧光探针浓度比的优化

下面通过具体优化过程说明上一步中各组分最佳浓度的确定依据：

固定Tb³⁺浓度为20.0μM，对CQDs-Tb³⁺体系中CQDs的浓度进行了优化选择，如图2A\B所示。CQDs的浓度变化显著影响了CQDs-Tb³⁺体系的荧光强度以及NO₂ ^-对体系的淬灭效率，当CQDs浓度为50.0mg/L时，淬灭效率取得最大值，因此选择CQDs浓度为50.0mg/L。

对于CQDs-Tb³⁺/APBA双发射荧光体系，APBA浓度是一个重要影响因素。如图2C\D所示，随着APBA浓度的增加，373nm处的荧光逐渐增强，位于545 nm处的荧光几乎没有变化，然而由Hg²⁺引起APBA荧光淬灭的效率却逐渐减少，综合考虑该双发射荧光体系的荧光强度以及猝灭效率，APBA浓度选择10.0μM 用于构建CQDs-Tb³⁺/APBA双发射荧光探针。

3.双发射荧光探针对NO₂ ^-和Hg²⁺的定量检测

在上述最佳浓度条件下，试验了该双发射荧光探针对NO₂ ^-和Hg²⁺的检测灵敏度与线性范围。

当向CQDs-Tb³⁺/APBA荧光体系中加入不同浓度的NO₂ ^-时，随着NO₂ ^-浓度的增加，545nm处的荧光逐渐减弱，而373nm处荧光保持稳定。结果表明，当 NO₂ ^-浓度在5.0-1200.0nM范围内，545nm处的荧光淬灭效率(F₀-F)/F₀与NO₂ ^-浓度呈良好的线性关系，线性方程式为(F₀-F)/F₀＝3.55371e^-4c+0.04487(R²＝0.9959)， NO₂ ^-的检出限为2nM。该检出限远远低于世界卫生组织(WHO)所规定的3.0 mg/L饮用水水质标准和美国环保署(EPA)规定的1.0mg/L饮用水水质标准，也低于我国地下水I类水水质标准(≤0.002mg/L)。与之前所报道的方法相比，该探针对NO₂ ^-检测具有更高的灵敏度。

该双发射探针用于Hg²⁺离子的检测，向CQDs-Tb³⁺/APBA荧光体系中加入不同浓度的Hg²⁺，随着Hg²⁺浓度的增加，373nm处的荧光不断减弱，而545nm 处的荧光保持不变。当Hg²⁺浓度在0.1-6.0μM范围内，荧光淬灭效率(F₀-F)/F₀与Hg²⁺浓度呈线性关系，线性方程式为(F₀-F)/F₀＝0.12446c-1.96998e^-4(R²＝0.9990)，检出限为38nM。

需要说明的是，在545nm处的荧光淬灭效率计算公式中，F₀为未加入任何待检测溶液的缓冲溶液体系空白样本在定容后测得的荧光强度，而F为加入待检测溶液后的缓冲溶液体系在定容后的荧光强度。在373nm处的荧光淬灭效率计算公式亦同。线性方程式中c表示待检测溶液中的目标物质(NO₂ ^-或Hg²⁺) 浓度。

4.双发射荧光探针对NO₂ ^-和Hg²⁺的选择性检测

为了考察该荧光探针对NO₂ ^-和Hg²⁺检测的选择性，试验了环境水样中常见的阴、阳离子对CQDs-Tb³⁺/APBA荧光探针体系的影响，结果如图3所示。结果表明，常见阳离子(K⁺,Ca²⁺,Na⁺,Mg²⁺,Al³⁺,Zn²⁺,Ba²⁺,Fe²⁺,Fe³⁺,Ni²⁺,Mn²⁺,Co²⁺、 Cu²⁺,Pb²⁺,Ag⁺,Cd²⁺,Cr³⁺与阴离子(PO₄ ^3-,SO₄ ^2-,NO₃ ^-,CO₃ ^2-,CH₃COO^-,SO₃ ^2-, S^2-,SCN^-,F^-,Cl^-,Br^-,I^-)没有使CQDs-Tb³⁺/APBA荧光探针体系荧光发生明显变化，表明该荧光探针对NO₂ ^-和Hg²⁺检测具有较好的选择性。

5.双发射荧光探针对实际水样的检测应用

为了评估CQDs-Tb³⁺/APBA双发射荧光探针对实际样品中NO₂ ^-和Hg²⁺的检测可行性，通过标准加入法对湖水中NO₂ ^-和Hg²⁺浓度进行了测定，结果如表1 所示。结果表明该探针对加标水样中NO₂ ^-和Hg²⁺的检测回收率在95.8-100.3％之间，相对标准偏差小于4.4％。将该双发射荧光探针应用于自来水、地下水、湖水和雨水等多种水样中NO₂ ^-的检测，同时用我国国标中规定的重氮偶合分光光度法进行了对比检测，结果如表2所示。结果表明该荧光探针不仅可以实现水样中NO₂ ^-的痕量检测，而且其对NO₂ ^-的检测结果与分光光度法具有较好的一致性，表明该双发射探针可以应用于实际环境样品中NO₂ ^-含量的检测。

表1加标湖水中NO₂ ^-和Hg²⁺的同时检测

表2本法与分光光度法对实际水样中NO₂ ^-检测的结果比对

实施例3

基于上述实施例，本实施例设计了一种利用双发射荧光探针同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其做法为：

1)将实施例1制备的碳量子点CQDs、Tb(NO₃)₃、APBA加入pH＝7.5的氨基乙酸缓冲溶液中，再向缓冲溶液体系中定量加入待检测样品，最后用超纯水定容至10.0mL。同时设置一组不加入待检测样品的缓冲溶液体系，同样定容至10.0 mL，作为空白样本。定容后的混合溶液中，氨基乙酸浓度为20mM，CQDs溶液浓度为50mg/L,Tb(NO₃)₃溶液浓度为20.0μM，APBA溶液浓度为10μM，摇匀并室温静置5min。

2)以270nm为激发波长，在320～650nm波长范围内扫描缓冲溶液体系的发射光谱。对于加入待检测样品的定容后缓冲溶液体系，分别读取波长545nm 的荧光强度F₅₄₅与373nm处的荧光强度F₃₇₃用于NO₂ ^-和Hg²⁺荧光定量检测，同样的对于空白样本，也分别读取波长545nm的荧光强度F⁰ ₅₄₅与373nm处的荧光强度F⁰ ₃₇₃。由此计算545nm波长处的荧光淬灭效率(F₅₄₅-F⁰ ₅₄₅)/F⁰ ₅₄₅和373nm 波长处的荧光淬灭效率(F₃₇₃-F⁰ ₃₇₃)/F⁰ ₃₇₃。再根据预先利用标样测得的545nm、 373nm波长处荧光淬灭效率分别与NO₂ ^-、Hg²⁺浓度之间的线性关系，换算得到待检测样品中的NO₂ ^-和Hg²⁺浓度。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的双发射荧光探针，其特征在于，该荧光探针是由碳量子点CQDs、Tb³⁺、3-氨基苯硼酸在pH=7.0～8.0的缓冲溶液体系中形成的复合物；所述的碳量子点CQDs由烟酸和巴比妥酸的混合水溶液，置于高压反应釜中通过水热反应制备而成。

2.如权利要求1所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的双发射荧光探针，其特征在于，所述碳量子点CQDs的合成方法为：

取3.0 mmol烟酸和3.0 mmol巴比妥酸加入20 mL去离子水，超声充分分散后，将混合物转移到100 mL聚四氟乙烯内衬的的高压反应釜中，在180℃条件下反应8小时，然后使其自然冷却至室温；反应产物经过离心分离后，取其上清液纯化，得到淡黄色量子点溶液，再经冷冻干燥得到碳量子点固体粉末产物CQDs。

3.如权利要求1所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的双发射荧光探针，其特征在于，所述缓冲溶液为氨基乙酸缓冲溶液，pH优选为7.5。

4. 一种利用如权利要求1~3任一所述的双发射荧光探针同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其特征在于，步骤如下：将待检测溶液定量加入所述的缓冲溶液体系中定容，然后将定容后的缓冲溶液以260～280 nm为激发波长，在320～650 nm波长范围内扫描荧光体系的发射光谱；以373 nm处的荧光淬灭效率与Hg²⁺浓度的线性关系计算待检测溶液中Hg²⁺的浓度，以545 nm处的荧光淬灭效率与NO₂ ⁻浓度的线性关系计算待检测溶液中NO₂ ⁻的浓度。

5. 如权利要求4所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其特征在于，所述定容后的缓冲溶液中，碳量子点CQDs的浓度为25～100 mg/L。

6. 如权利要求4所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其特征在于，所述定容后的缓冲溶液中，Tb(NO₃)₃的浓度为20.0 μM。

7. 如权利要求4所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其特征在于，所述定容后的缓冲溶液中，3-氨基苯硼酸的浓度为8～20 μM。

8. 如权利要求4所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其特征在于，所述定容后的缓冲溶液中，各组分的浓度优选为：CQDs: 50 mg/L，Tb³⁺: 20.0 μM，3-氨基苯硼: 10.0 μM，氨基乙酸缓冲溶液: 20 mM。

9. 如权利要求4所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其特征在于，所述的激发波长优选为270 nm。

10.如权利要求4所述的同时检测亚硝酸根离子与Hg²⁺的方法，其特征在于，所述的荧光淬灭效率=(F ₀ -F)/F ₀，其中F ₀为未加入待检测溶液的缓冲溶液体系空白样本在定容后的荧光强度，F为加入待检测溶液后的缓冲溶液体系在定容后的荧光强度。