CN110954519B

CN110954519B - 一种Ag/Cu合金纳米簇的制备方法及其在Ag+检测中的应用

Info

Publication number: CN110954519B
Application number: CN201911297081.5A
Authority: CN
Inventors: 董江雪; 安苗; 李慧; 苏明; 申世刚; 高舒; 王明晨
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: CN110954519A

Abstract

本发明公开了一种Ag/Cu合金纳米簇的制备方法及其在Ag⁺检测中的应用。制备方法为将D‑青霉胺溶液、AgNO₃溶液和Cu(NO₃)₂溶液依次加入到装有超纯水的容器中，并混合均匀，得到混合物；将所述混合物用磁力搅拌器进行搅拌，同时用紫外灯照射4~10 h，即得发射黄色荧光的DPA@Ag/Cu合金纳米簇溶液。本发明制备方法成本低，操作简便且无有毒试剂，更加绿色环保。本发明将制备的DPA@Ag/Cu NCs用于构建检测水环境中Ag⁺的荧光传感器。其荧光猝灭值与Ag⁺浓度在0.01‑800µM范围内呈现良好的线性关系，且检测的选择性和灵敏度高，具有重要的实际应用价值。

Description

一种Ag/Cu合金纳米簇的制备方法及其在Ag+检测中的应用

技术领域

本发明涉及荧光探针技术领域，具体涉及一种Ag/Cu 合金纳米簇的制备方法及其在Ag⁺检测中的应用。

背景技术

金属纳米簇通常含有几到几十个金属原子，当金属纳米颗粒的尺寸进一步减小到接近电子的费米波长时，颗粒内部电子的自由运动将非常受限，连续的能级结构变得不连续，表现出一些类分子的行为，如HOMO–LUMO轨道的电子转移、固有的磁性、光致发光现象等。一般将尺寸小于2 nm的金属纳米颗粒定义为金属纳米簇（Nanoclusters， NCs），金属纳米簇与常规的荧光材料（如有机染料和量子点等）相比，其具有较好的光电性质、超小的尺寸、大的比表面积、较大的斯托克斯位移及低毒性等优点，已引起众多研究者的关注，并被广泛应用于催化、医药、传感器和生物成像等领域，成为当前纳米科学领域的研究热点之一。大部分金属纳米簇荧光探针存在制备方法复杂、原料昂贵和使用有毒试剂等缺点。因此，发展一种制备方法简单、过程简便、无有毒试剂、绿色环保的荧光传感器具有重要意义。

银由于具有优良的物理化学性质，被广泛应用于珠宝、钱币、医疗用品、影像用品、电子电气设备中。有研究表明人类每日从日常生活用具中摄入的银会达到7 μg -27 μg，而由于环境的污染，会有更高的无法控制的银被人类摄入体内。过度摄入银会导致银沉着病，也会对机体产生多方面的危害，包括神经系统、免疫系统等。美国环境保护署规定饮用水中Ag⁺的最大允许浓度是0.46 μmol/L，与此同时该机构的专家指出当水中Ag⁺的浓度达到1.6nmol/L的时候，就会对微生物以及鱼类产生毒性，进而影响生态平衡。因此，找到一种能够精确、快速定量痕量Ag⁺的方法具有非常重要的现实意义。

目前检测Ag⁺的方法有很多，包括荧光光谱法、电化学法和比色法等。电化学法虽然精度高，但是重复性较差；比色法灵敏度低。荧光光谱分析检测法拥有灵敏度、准确度和选择性较高的优点，受到了国内外研究者的关注，已被广泛应用于众多领域，发展成为一种十分重要且有效的化学分析手段。

发明内容

本发明的目的就是提供一种Ag/Cu 合金纳米簇的制备方法及其在Ag⁺检测中的应用，以解决现有合金纳米簇制备方法复杂、成本高以及现有Ag⁺检测方法整体应用效果不理想的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明提供了一种Ag/Cu 合金纳米簇的制备方法，包括以下步骤：

a、将D-青霉胺溶液（DPA）、AgNO₃溶液和Cu(NO₃)₂溶液依次加入到装有超纯水的容器中，并混合均匀，得到混合物，其中，所用D-青霉胺、AgNO₃、Cu(NO₃)₂的摩尔比为2~6∶ 1∶0.05~0.5；

b、将所述混合物用磁力搅拌器进行搅拌，同时用紫外灯照射4~10 h，即得发射黄色荧光的DPA@Ag/Cu合金纳米簇溶液；

c、将DPA@Ag/Cu合金纳米簇溶液进行冷冻干燥即得DPA@Ag/Cu合金纳米簇成品。

步骤a中，所用D-青霉胺、AgNO₃、Cu(NO₃)₂的摩尔比为4∶1∶0.25。

步骤b中，紫外灯照射时间为6 h。

上述制备方法制备的Ag/Cu 合金纳米簇在Ag+检测中的应用。

将制备的DPA@Ag/Cu 合金纳米簇用于构建检测水环境中的Ag⁺的荧光传感器。具体应用为：

a、配置Ag⁺浓度分别为0.05µM、0.1µM 、0.5µM、1µM、5µM、15µM、30µM、50µM、80µM、100µM、200µM、500µM、800µM、1000µM的标准溶液，将标准溶液分别加入到DPA@Ag/Cu合金纳米簇荧光探针溶液中，室温下孵育30 min后，在激发光波长为353 nm条件下，收集波长在450~650 nm范围内的荧光发射光谱，并绘制荧光猝灭强度与Ag⁺浓度的标准曲线；

b、对待测样品进行预处理得到待测溶液，测定待测溶液的荧光猝灭值，代入标准曲线即可计算得到待测样品的Ag⁺浓度。

所述待测样品取自自来水、生活污水或湖水。

所述预处理包括将待测样品的Ag⁺浓度调整至0.03~800µM范围内。

所述预处理包括在待测样品中添加EDTA以排除Cu²⁺的干扰，添加L-半胱氨酸以排除Hg²⁺和Fe³⁺的干扰。

将标准溶液或待测溶液加入到DPA@Ag/Cu合金纳米簇荧光探针溶液后，应用邻苯二甲酸-盐酸缓冲溶液调节体系pH为2.8。

本发明构建了一种DPA稳定的Ag/Cu合金纳米簇荧光探针，其最大激发波长为353nm，最大发射波长为564 nm，可作为荧光光谱法中检测Ag⁺的荧光探针，该探针具有良好的光学特性和稳定的结构。与其他纳米材料相比，本发明中的DPA@Ag/Cu NCs具有成本低、制备方法简便、没有使用有毒试剂和绿色安全的优点，因而具有较好的应用前景。

本发明中的合金纳米簇荧光探针能够实现对Ag⁺的检测，并且应用到了实际水样品（自来水、生活污水、湖水）的检测中。根据测试，Ag⁺可使DPA@Ag/Cu NCs荧光探针聚集，导致探针的荧光被有效的猝灭，即得到理想的荧光探针。经过实验证明，DPA@Ag/Cu NCs荧光探针对Ag⁺具有较高的灵敏度和选择性，检测Ag⁺的浓度在0.01-800µM范围内呈线性关系，线性关系方程为ΔF=0.6352C-3.5296 (R =0.9989)，最低检出限（LOD）为0.03µM，回收率为80.3%-99.0%，具有良好的实际应用价值。

附图说明

图1中a为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的SEM图；b和c为不同标尺下的DPA@Ag/Cu NCs荧光探针TEM图；d为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的晶格图片。

图2为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的荧光光谱图和紫外可见吸收光谱图。

图3为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针溶液在日光灯（左）和紫外灯（右）下的照片。

图4为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的PL衰减曲线。

图5为DPA 和DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的红外光谱图。

图6为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的XRD图。

图7为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的XPS光谱图。

图8为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的粒度分析结果图。

图9为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针与Ag⁺反应前后的紫外可见吸收光谱图。

图10中a为紫外灯照射时间对DPA@Ag/Cu NCs荧光强度的影响；b为[Ag⁺]与[DPA]的浓度比对DPA@Ag/Cu NCs荧光强度的影响；c为[Cu²⁺]对DPA@Ag/Cu NCs荧光强度的影响；d为不同缓冲溶液对DPA@Ag/Cu NCs荧光强度的影响；e为探针溶液、Ag⁺和缓冲溶液的添加顺序对DPA@Ag/Cu NCs荧光猝灭的影响；f为孵育时间对DPA@Ag/Cu NCs荧光猝灭的影响。

图11为[Ag⁺]与ΔF之间的关系图，插图为绘制的标准曲线图。

图12中a为DPA@Ag/Cu NCs荧光探针对Ag⁺检测的选择性分析结果图；b为选择性分析在日光灯（上）和紫外灯（下）下的照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的分析说明。

试剂

DPA购买自阿达玛斯试剂有限公司（上海，中国）。硝酸银（AgNO₃，99%）天津市大茂化学试剂厂（天津，中国）。硝酸铜（Cu(NO₃)₂•3H₂O）购买自阿拉丁（上海，中国）。

仪器

F-7000 荧光分光光度计（日本）；TU-1901双光束紫外可见分光光度计（中国）；Jeol 2100F场发射透射电子显微镜（日本）；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）（美国）；UltimaIV X射线衍射仪（日本）； Thermo ESCALAB 250XI X射线电子能谱（英国）；F7000稳态/瞬态荧光光谱仪（日本）；马尔文ZS90纳米粒度及Zeta电位分析仪（英国）。FC-10A冷冻干燥机（中国）。

实施例1

DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的制备

向试剂瓶中加入950 μL超纯水，然后依次加入DPA溶液(100 mM，800μL) ，AgNO₃溶液(100 mM，200 μL)和Cu(NO₃)₂溶液(100 mM，50 μL), 在室温下混匀，最后放到磁力搅拌器上同时用紫外灯照射6 h，即可制得2 mL DPA@Ag/Cu NCs溶液。在室温下将制得的样品DPA@Ag/Cu NCs放置12 h，然后将其移到离心管中置于冷冻干燥机的物料托盘上一起放入冷阱中预冻4 h，预冻完成后将样品迅速放到冻干架上进行冻干，冻干24 h后取出样品，即得DPA@Ag/Cu NCs荧光探针，用于后续实验。

DPA@Ag/Cu NCs DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的表征

对制备的DPA@Ag/Cu NCs荧光探针用扫描电镜（SEM），透射电镜（TEM），紫外可见吸收光谱（UV-vis），稳态/瞬态荧光光谱仪，傅里叶变换红外光谱， X射线衍射仪（XRD），X射线光电子能谱（XPS），纳米粒度及Zeta电位分析仪等技术进行表征，结果如图1-图8所示。DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的SEM （图1a）和TEM（图1b，c）图像清晰地显示了它的装配结构为片状结构，并且从TEM中可见清晰的纳米颗粒，此外，在纳米结构上层可见清晰的晶格（图1d）。由图2和图3可知，其发射波长为564 nm，在紫外灯下为黄色溶液。由图4可知在564 nm处的平均发光寿命为2.014 μs。进一步对DPA和DPA@Ag/Cu NCs进行了FT-IR表征（图5），结果表明形成纳米簇之后，DPA上2527 cm^-1附近表示S-H键的伸缩振动带消失了，说明由于巯基与Ag（Cu）之间的强烈相互作用形成了S-Ag（Cu）键，在3000 cm^-1左右处为-NH₂的伸缩振动带，在1630 cm^-1左右处为-COOH上羰基的特征峰，由此可知，制备的纳米簇表面含有大量的氨基和羧基功能基团，为纳米簇的性质和研究奠定了基础。图6显示DPA@Ag/Cu NCs的XRD谱图。用x射线光电子能谱(XPS)确定了DPA@Ag/Cu NCs化学成分和价态，在368.4 eV峰值分别为Ag3d_3/2的结合能，说明银元素是单价的。为进一步证实银元素的价态，研究了银元素的俄歇电子能谱(AES)。在1137.1 eV处的Ag MNN AES峰表明Ag元素是单价的；在932.7处的峰值为Cu(Ⅰ)的特征峰，Cu LMM AES峰值在571.6 eV左右为Cu(Ⅰ)，结果表明DPA@Ag/Cu NCs中只含有Cu(Ⅰ)。由纳米粒度及Zeta电位分析仪测量的DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的粒径分布如图8所示，表明其在溶液中自组装结构的平均水合粒径为2027 nm。

实施例2

缓冲液中Ag⁺的检测

将不同浓度的Ag⁺（0.05，0.1，0.5，1，5，15，30，50，80，100，200，500，800，100，1200，1500µM）加入到制得的DPA@Ag/Cu NCs荧光探针溶液中，之后加入邻苯二甲酸-盐酸缓冲溶液调节体系pH为2.8，室温下孵育30 min后，在激发波长353 nm下，收集450-650 nm范围内的荧光发射光谱，并绘制标准曲线，结果如图11所示。当Ag⁺浓度在0-1500µM范围内，随着Ag⁺浓度的增加，体系荧光强度逐渐减小，并且在Ag⁺高浓度时，荧光猝灭逐渐减缓。图11是不同浓度Ag⁺与其引起荧光变化的关系图，插图为其相应标准曲线，结果显示[Ag⁺]与ΔF在0.01-800µM范围内具有良好的线性关系，线性关系方程为ΔF=0.6352C-3.5296 (R =0.9989)，最低检出限（LOD）为0.03µM。与之前报道的方法相比较，DPA@Ag/Cu NCs荧光探针对Ag⁺的检测效果较好。

DPA@Ag/Cu NCs荧光探针检测Ag⁺的原理

在本实验中探索了检测Ag⁺的原理，如图9所示。DPA@Ag/Cu NCs在260 nm附近有一个尖峰，在300 nm附近没有吸收。添加Ag⁺后，在260nm附近的峰变为肩峰，吸收强度明显增强。在约300 nm处也观察到吸收，并且紫外可见吸收光谱发生红移，这是由于添加Ag⁺后合金纳米簇颗粒聚集变大引起的。因此，添加Ag⁺后，纳米团簇聚集形成较大的纳米颗粒，导致DPA@Ag/Cu NCs的荧光猝灭。将本发明与已报道的不同检测Ag⁺方法的线性范围与灵敏度进行对比，结果如表1所示。

表1：

。

实施例3

实验条件优化

改变实施例1制备方法中紫外灯照射时间（其他条件同实施例1），结果显示，照射6h为最佳时间（图10a）。

改变DPA和AgNO₃的用量比以及Cu(NO₃)₂的用量（其他条件同实施例1），结果显示，[Ag⁺]∶[DPA]=1∶4(图10b)且 [Cu²⁺]=2.5 mM(图10c)时，所制备的DPA@Ag/Cu NCs荧光探针的荧光强度较强。

改变不同缓冲溶液及其pH对检测体系荧光变化的影响（其他条件同实施例2），DPA@Ag/Cu NCs溶液和Ag⁺分别在Britton-Robinson缓冲溶液（B.R buffer solution），邻苯二甲酸-盐酸缓冲溶液（KHP-HCl buffer solution），甘氨酸-盐酸缓冲溶液（Gly-HClbuffer solution），磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液（Na₂HPO₄-CA buffer solution）和柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲溶液（CA-NaOH-HCl buffer solution）实验条件下反应，结果如图10d所示，表明邻苯二甲酸-盐酸缓冲溶液(KHP-HCl buffer solution)为最适宜缓冲溶液，且最适宜pH为2.8。

改变试剂添加顺序（其他条件同实施例2），由图10e可知，最佳添加顺序为先加DPA@Ag/Cu NCs和Ag⁺，最后加KHP-HCl缓冲溶液。

改变孵育时间（其他条件同实施例2），如图10f所示，Ag⁺加入到DPA@Ag/Cu NCs荧光探针溶液后，荧光探针的荧光逐渐猝灭，其荧光强度的差值在30 min后基本平衡，因此，本发明选择30 min的反应时间用于检测。

实施例4

选择性的考察

选择性是分析检测方法的关键指标之一。因此，本发明在最佳条件下，探究了无机离子对信号响应的干扰，包括常见无机阳离子（5 mM的Ba²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺、K⁺、Na⁺、Cd² ⁺、Al³⁺、Ce³⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺，1.2 mM的Hg²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺）和无机阴离子（1.5 mM的NO₃ ^-、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Cl^-、Br^-、I^-、SO₄ ^2-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、H₂PO₄ ^-）。结果表明Hg²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺会对检测Ag⁺产生干扰，其他离子对信号无干扰。所以，使用EDTA排除Cu²⁺的干扰，使用L-半胱氨酸（L-Cys）排除Hg²⁺、Fe³⁺的干扰。选择性实验结果如图12所示，只有Ag⁺对体系的响应是最显著的，因此该纳米探针对Ag⁺的选择性较好。

实施例5

DPA@Ag/Cu NCs荧光探针检测实际水环境中的Ag⁺

基于荧光光谱分析技术和加标法，实验将DPA@Ag/Cu NCs荧光探针用于实际水环境中Ag⁺的检测。实际样品分别来自实验室自来水，生后污水和当地湖水。实验结果如表2所示，回收率达到80.3%-99.0%，表明该结果有较好的回收率。

表2：

综上可知，本发明的基于DPA稳定的Ag/Cu 合金纳米簇荧光探针，制备过程的原料成本低廉、操作简便且无有毒试剂的使用，绿色环保。同时，该纳米探针可用于检测Ag⁺，并成功应用于实际水样品的检测。本发明检测Ag⁺方法简单、易于实施，为检测Ag⁺提供了一种新的纳米荧光探针。

Claims

1.一种Ag/Cu 合金纳米簇在Ag⁺检测中的应用，其特征在于，所述Ag/Cu 合金纳米簇通过以下方法制备得到：

a、将D-青霉胺溶液、AgNO₃溶液和Cu(NO₃)₂溶液依次加入到装有超纯水的容器中，并混合均匀，得到混合物，其中，所用D-青霉胺、AgNO₃、Cu(NO₃)₂的摩尔比为2~6∶1∶0.05~0.5；

c、将DPA@Ag/Cu合金纳米簇溶液进行冷冻干燥即得DPA@Ag/Cu合金纳米簇成品；

应用Ag/Cu 合金纳米簇检测Ag⁺包括以下步骤：

（1）配置Ag⁺浓度分别为0.05µM、0.1µM 、0.5µM、1µM、5µM、15µM、30µM、50µM、80µM、100µM、200µM、500µM、800µM、1000µM的标准溶液，将标准溶液分别加入到DPA@Ag/Cu合金纳米簇荧光探针溶液中，室温下孵育30 min后，在激发光波长为353 nm条件下，收集波长在450~650nm范围内的荧光发射光谱，并绘制荧光猝灭强度与Ag⁺浓度的标准曲线；

（2）对待测样品进行预处理得到待测溶液，测定待测溶液的荧光猝灭值，代入标准曲线即可计算得到待测样品的Ag⁺浓度。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤a中，所用D-青霉胺、AgNO₃、Cu(NO₃)₂的摩尔比为4∶1∶0.25。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤b中，紫外灯照射时间为6 h。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征是，所述待测样品取自自来水、生活污水或湖水。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征是，所述预处理包括将待测样品的Ag⁺浓度调整至0.03~800µM范围内。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征是，所述预处理包括在待测样品中添加EDTA以排除Cu²⁺的干扰，添加L-半胱氨酸以排除Hg²⁺和Fe³⁺的干扰。

7.根据权利要求1所述的应用，其特征是，将标准溶液或待测溶液加入到DPA@Ag/Cu合金纳米簇荧光探针溶液后，应用邻苯二甲酸-盐酸缓冲溶液调节体系pH为2.8。