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基于金纳米簇与碳酸氢根缓冲体系定量检测钴离子

发布时间:2020-02-03 15:18

  摘要:在本研究中,我们利用金纳米簇的强荧光性能,在碳酸氢根缓冲体系下实现钴离子的定量检测。首先我们用牛血清蛋白(BSA)合成金纳米簇,并且发现在碳酸氢根体系中,钴离子可以很好的使金纳米簇猝灭。当钴离子浓度范围为0.8 μmol/L--20 μmol/L时,钴离子浓度与金纳米簇的猝灭程度之间存在着良好的线性关系。由此建立了一种基于荧光纳米簇的钴离子定量方法,该方法检测限可达0.32 μmol。利用该荧光探针对自来水样进行了分析测定和加标回收,取得了良好的效果。

  关键词:钴离子, 碳酸氢根, 金纳米簇, 猝灭,荧光探针

  1. 前言

  工业活动产生的废水中污染物种类很多,包含碳氢化合物、苯酚及其衍生物、含硫、氮、卤素的有机化合物和各种重金属离子[1]。在这些污染物中,矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业产生了许多含重金属离子(镉、铬、铜、汞、钴、镍等)的废水。如果用含重金属离子的废水和污泥对农田进行农田灌溉和施肥,不仅使土壤受到污染,同时会进一步污染水体,造成重金属离子在农作物生长和水生生物中的富集和积蓄,通过食物链对人体造成严重危害。此外若人类直接饮用含有重金属离子的水,会诱发各种疾病,有的甚至会致癌。除此之外,重金属离子还存在以下的特征[2]:(1)重金属离子污染物无法被微生物降解,有些重金属在微生物的作用下甚至会转变成毒性更强的污染物。(2)重金属在人体内会和蛋白质结合,使其失活,当其在人体内的器官里累积后,会使器官衰竭。(3)土壤中的重金属离子会在雨水等地表水的作用下缓慢向下渗透,污染地下水,最终产生循环污染。总之,重金属污染有隐蔽性,长期性和不可逆转性,需要我们用合理的检测和控制手段来消除其污染。

  重金属离子的检测是重金属离子污染防治中非常重要的一个环节,它可以快速反应出水体或土壤中重金属离子污染的程度,从而为消除污染提供可靠的依据。目前,重金属离子的检测主要为电化学分析法和光谱法两大类。而光谱法作为近现代新兴的检测方法,其普及度已经高于传统的电化学分析法[3],而光谱法中的原子荧光光谱法因其具有灵敏度高、检测限低,操作简单、分析速度快、精确度高等优点在检测重金属离子方面受到了广泛的关注。

  发光纳米材料是现今原子荧光光谱法的一个热门研究领域,直到现在,研究者们已经得到了各种发光纳米材料,包括碳纳米点[4]、半导体量子点(QDs)[5]、掺杂染料的纳米粒子[6]和金属钠米簇[7]等,其中金属钠米簇作为一种新型的发光材料有着接近电子费米波长的尺寸[8],具有良好的光稳定性、很强的光致发光性质和高发射率,其发光主要是由于电子在最高占据轨道和最低为占据轨道之间的跃迁或在已占用的d轨道和费米能级上的状态之间的跃迁引起的[9]。在各种金属纳米簇中,以牛血清蛋白(BSA)为介导合成出的金纳米簇因其具有稳定性而较为普遍[10],由于它具有量子尺寸效应,良好的水溶性和生物相容性以及很强的光致发光性,在生物成像、疾病监测、光电学、环境监测等领域具有广阔的前景[11]。

  碳酸氢根是自然界的水体中存在最为广泛的相对无毒的阴离子之一。对于一些金属离子来说,碳酸氢根是一种重要的配体,它可以和金属离子形成配合物从而使这些金属离子的氧化还原电位发生较大的改变。例如在pH为8.3的碳酸氢根水溶液中加入二价锰离子,由于二价锰离子与碳酸氢根会形成碳酸氢盐的配合物,二价锰离子到三价锰离子的氧化电位由1.19 V转变到0.63 V[12]。此外,它也是一种高效的过氧化氢活化剂,能使过氧化氢分解产生各种活性氧化物,这种简单绿色的体系已经被运用在了许多有机染料的降解上,例如Xu[13-14]等人报道了将钴离子与碳酸氢根体系作为催化剂,将过氧化氢作为氧化剂,在温和的条件下可以实现Orange II、亚甲蓝的高效降解。在此过程中,Xu等人提出了暂时笼状?OH自由基这个专业术语,并通过荧光研究与自由基清除剂证明了?OH自由基的存在。在中等浓度的碳酸氢根浓度下,钴离子与碳酸氢根会形成稳定的配合物[Co(HCO3-)] +,它可以快速活化过氧化氢,产生瞬时笼状?OH自由基,该自由基活性很高,一旦形成会与上述有机染料迅速反应并使其降解成有机小分子和无机物,因此在该体系中,有机染料的降解速率由?OH自由基的形成速率决定,不依赖于有机染料的浓度。

  Co2+--HCO3-体系已经被证明是一种有效的过氧化氢分解催化剂[15],鲁米诺发光剂[16]和还原型辅酶I(NADH)过氧化剂[17]。但是将该体系与金纳米簇结合,通过金纳米簇的荧光信号变化来检测Co2+浓度的报道以前还未有过。在此,本文的研究表明:在碳酸氢根缓冲溶液中,可以通过金纳米簇的荧光信号变化定量的检测钴离子,在最佳实验条件下,测得其线性范围是0.8 μmol/L到20 μmol/L,检测限为0.32 μmol。金纳米簇与碳酸氢根缓冲体系的结合为我们测定水中重金属离子提供了一种系统的思路。

  2. 实验部分

  2.1 实验试剂

  牛血清蛋白(BSA)(AR,苏州亚科化学);氯金酸(HAuCl4·4H2O)、硝酸钴(Co(NO3)3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、硫酸(H2SO4)、氢氧化钠(NaOH)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、柠檬酸(C6H8O7)及各种测干扰使用的试剂(KBr、CaCl2、AlCl3、CrCl3、MnCl2、MgCl2、CdCl2、ZnCl2、Fe(NO3)3、CuCl2和NiCl2)均为分析纯且都来自于国药集团化学试剂有限公司;整个实验均使用去离子水配置样品溶液。

  2.2 实验仪器

  集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S,郑州科泰实验设备有限公司)、紫外可见分光光度计(TU-190双光束,北京普析通用仪器有限责任公司)、荧光分光光度计(F-4600,日本日立)。

  2.3实验步骤

  2.3.1 金纳米簇(BSA-AuNCs)的制备

  参照文献以牛血清蛋白(BSA)为介导合成BSA-AuNCs[18]。首先在放有磁子的单口烧瓶中加入5 ml 50 mg/ml 的BSA和5 ml 10 mM/L 的HAuCl4,水浴到37 oC,在密闭条件下磁力搅拌2 min,然后逐滴滴加0.5 ml 1 M/L 的NaOH,在37 oC下避光恒温反应24h,可以看到溶液颜色由浅黄到浅棕最后到深棕色的变化。反应后的产物在4 oC下避光保存。

  用该法得到的BSA-AuNCs荧光强度很高,为了提高其检测目标物的灵敏度,将制得的金纳米簇稀释300倍使用。

  2.3.2 钴离子在碳酸氢根缓冲溶液中对金纳米簇的猝灭

  在40 mM的pH为7.0的碳酸氢根缓冲溶液中,将100 μM钴离子与稀释后的金纳米簇混合,在365 nm激发波长下测定其荧光发射光谱。为了探究其猝灭程度,需要空白试验:不加钴离子,在40 mM的pH为7.0的碳酸氢根缓冲溶液中,加入稀释后的金纳米簇,然后在365 nm激发波长下测定其荧光发射光谱。然后计算其猝灭程度。为了得到更高的猝灭程度,对碳酸氢根缓冲溶液pH 、反应时间进行了优化。

  2.3.3钴离子浓度对金纳米簇猝灭效果的分析

  在40 mM的pH为7.0的碳酸氢根缓冲溶液中,将金纳米簇与不同浓度的钴离子混合,反应30 min后,将样品转移至比色皿中,在365 nm的激发波长下测量其在最大发射波长下的荧光强度。按上述方法进行空白试验,并计算金纳米簇的猝灭程度。

  2.3.4 碳酸氢根缓冲体系中,其他离子对金纳米簇猝灭效果的影响

  在40 mM的pH为7.0的碳酸氢根缓冲溶液中,分别将一定浓度的KBr、CaCl2、AlCl3、CrCl3、MnCl2、MgCl2、CdCl2、ZnCl2、Fe(NO3)3、CuCl2和NiCl2和稀释后的金纳米簇混合,365 nm的激发波长下测量荧光发射光谱。并进行空白试验得到金纳米簇的猝灭程度。

  2.3.5 实样检测

  取实验室中一定量的自来水样,用孔径为0.2 μm的薄膜过滤后,加到pH为7.0的碳酸氢根缓冲溶液中,再加入稀释后的金纳米簇,在365 nm激发波长下测定其荧光发射光谱。

  3. 结果与讨论

  3.1 牛血清蛋白和金纳米簇的紫外可见吸收光谱

  通过紫外可见分光光度计扫描了BSA与BSA-AuNCs的紫外可见吸收光谱,如图3-1所示,牛血清蛋白在280 nm处有一个特征吸收峰,这是其肽链上的色氨酸和19个酪氨酸的芳杂环π-π*跃迁引起的[19],而金纳米簇中原来属于牛血清蛋白的特征吸收峰消失,在275 nm处出现了特征吸收峰,经研究发现,这是由于金纳米簇中芳香族残基及二硫键而形成的[20]。

  图3-1:BSA 与BSA-AuNCs的紫外可见吸收光谱,其中a为BSA-AuNCs紫外可见吸收光谱,b为BSA的紫外可见吸收光谱。

  3.2钴离子在碳酸氢根缓冲溶液中对金纳米簇的猝灭

  图3-2为钴离子在磷酸缓冲体系或碳酸氢根缓冲体系中对金纳米簇猝灭效果的对比谱图。将a 和b对比,金纳米簇在最大发射波长660 nm处荧光强度几乎一样,可以说明在磷酸缓冲溶液中,钴离子的加入对金纳米簇的荧光强度几乎没有影响,将c和d对比,在660 nm处,金纳米簇在pH为7 的含有Co2+的碳酸氢根缓冲溶液中的荧光强度明显降低,由此我们得出以下结论:钴离子和碳酸氢根体系可以有效猝灭金纳米簇,而在磷酸缓冲溶液中,钴离子不能猝灭金纳米簇。

  图3-2:金纳米簇在含钴离子的磷酸缓冲体系和碳酸氢根缓冲体系中的荧光强度,

  a 是金纳米簇在pH为7 的磷酸缓冲溶液中的荧光强度曲线;

  b是金纳米簇在pH为7 的含有Co2+的磷酸缓冲溶液中的荧光强度曲线;

  c是金纳米簇在pH为7 的碳酸氢根缓冲溶液中的荧光强度曲线;

  d是金纳米簇在pH为7 的含有Co2+的碳酸氢根缓冲溶液中的荧光强度曲线

  3.3钴离子和碳酸氢根缓冲体系对金纳米簇猝灭条件的优化

  该体系中金纳米簇的猝灭程度受很多因素影响,包括温度、碳酸氢根缓冲体系的pH、反应时间和钴离子浓度等等,理论来说,温度对金纳米簇的猝灭有一定影响,但是温度的调节需要有加热器等实验装置,一方面加大了操作难度,另一方面也使能耗增加。因此,为了简化该体系的分析条件,我们在室温条件下,将从碳酸氢根缓冲溶液的pH和反应时间两个方面对钴离子在碳酸氢根缓冲体系下猝灭金纳米簇进行优化。

  3.3.1碳酸氢根缓冲溶液的pH的影响

  由3.2的实验结果讨论可知,钴离子和碳酸氢根可以很好的猝灭金纳米簇,本小节讨论了钴离子在不同pH的碳酸氢根缓冲溶液中对金纳米簇猝灭程度的影响,由图3-3可知,当碳酸氢根缓冲溶液pH为7.0时,金纳米簇的猝灭效果为34%,比其他pH条件下金纳米簇的猝灭程度都高。由此说明碳酸氢根缓冲溶液pH为7.0时,钴离子对金纳米簇的猝灭效果最好。

  图3-3:碳酸氢根缓冲溶液pH对金纳米簇猝灭程度的影响

  3.3.2反应时间的影响

  图3-4反映了在0-50 min内,金纳米簇在钴离子和碳酸氢根体系中的荧光强度变化。反应开始后,金纳米簇最大发射波长下的荧光强度下降较快,随着时间延长,金纳米簇的猝灭程度逐渐缓慢,在30 min后金纳米簇最大发射波长下的荧光强度趋于稳定,因此我们把钴离子和碳酸氢根体系猝灭金纳米簇的反应时间定为30 min。

  图3-4:反应时间对金纳米簇猝灭程度的影响

  3.4金纳米簇的猝灭程度与钴离子浓度的线性关系探索

  由上一节的实验结论可知,当碳酸氢根缓冲溶液pH为7.0时,钴离子和碳酸氢根在30 min左右可以使金纳米簇的猝灭程度达到最大,本节研究了在最佳实验条件下,钴离子浓度对金纳米簇猝灭程度的影响,由图3-5所示,随着钴离子的浓度逐渐增加,金纳米簇在最大发射波长下的荧光强度逐渐降低,表明金纳米簇的猝灭程度随着钴离子浓度的增加而增大。

  在以上研究的基础上,我们发现了在一定范围内,钴离子浓度与金纳米簇的猝灭程度存在线性关系,并得到了用此法检测钴离子的工作曲线,如图3-6所示。钴离子的线性范围是0.8 μmol/L--20 μmol/L,线性回归方程为Y=0.114+0.008CCo2+(Y为金纳米簇的猝灭程度,CCo2+的单位为μmol/L),相关系数为0.993,且检测限为0.327 μmol/L,对0.8 μmol/L的钴离子浓度下金纳米簇的发射波长进行了7次测定,得到其最大发射波长下荧光强度的相对标准偏差为1.20%。

  图3-6:钴离子浓度与金纳米簇的猝灭程度的线性关系曲线

  3.5 干扰离子对金纳米簇猝灭程度的影响

  本节研究了一些常见的离子(K+、Br—、Ca2+、Al3+、Cr3+ 、Mn2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、Fe3+、Cu2+、Ni2+)在碳酸氢根缓冲溶液对金纳米簇荧光强度的影响,比将其与10 μmol/L的钴离子对金纳米簇的荧光猝灭程度作对比。具体实验结果如图3-7所示。结果表明,K+、Br—、Ca2+、Al3+、Cr3+等离子的干扰倍数在50倍以上,Mn2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、Fe3+等离子的干扰倍数在10倍以上,而Cu2+、Ni2+离子干扰倍数为0.1倍。此外Cd2+和Zn2+离子可以使金纳米簇荧光稍稍加强。综上,除了Cu2+和Ni2+离子,其余离子共存时,金纳米簇的荧光强度并没有显著的变化,这也说明K+、Br—、Ca2+、Al3+、Cr3+、Mn2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、Fe3+等离子的存在并不会干扰到钴离子的检测。但是,Cu2+和Ni2+对体系的干扰较大,因此当体系中有能较好猝灭金纳米簇的离子存在下,无法对Co2+离子进行准确快速的测量。

  图3-7:不同离子对金纳米簇猝灭程度的影响。其中Co2+的浓度为10μmol/L,K+、Br—、Ca2+、Al3+、Cr3+的浓度为Co2+浓度50倍,Mn2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、Fe3+的浓度为Co2+的10倍,Cu2+、Ni2+ 的浓度为Co2+的0.1倍;(F0-F)/F0为正表示金纳米簇的荧光强度减弱,(F0-F)/F0为负表示金纳米簇的荧光强度增强。

  3.6 实际水样的测定与加标回收

  以去离子水样为参比,对自来水样中钴离子含量进行了检测,实验结果表明,在 365 nm的激发波长下,金纳米簇在去离子水样和自来水样中的发射光谱几乎重叠,表明自来水样中不含钴离子。此外,对该自来水样进行加标回收,实验结果见表3-1。

  3.7一种可能的机理

  钴离子在碳酸氢根缓冲溶液中猝灭金纳米簇的可能机理如下:首先钴离子和碳酸氢根反应生成Co2+-HCO3-络合物,然后Co2+-HCO3- 络合物与金纳米簇中的BSA组分结合形成了复合物,从而破坏了BSA在金纳米簇中起到的支架作用,失去支架的金纳米簇发生不可逆的集聚作用,形成大的纳米粒子,其尺寸不再近似于电子的费米波长,进而不再有光致发光特性。即Co2+-HCO3- 络合物与金纳米簇结合后,产生静态猝灭作用而使金纳米簇猝灭。

  图3-8 一种可能的钴离子与碳酸氢根猝灭金纳米簇的工作原理图

  4. 结论

  本文研究了一种可以快速准确的测定水样中钴离子的方法。将以牛血清蛋白(BSA)为介导合成的BSA-AuNCs为荧光探针,在pH为7.0的碳酸氢根缓冲体系下可以实现水样中钴离子的快速定量检测,该方法的检测限为0.32 μmol。在该过程中,钴离子和碳酸氢根形成的络合物猝灭金纳米簇的详细机理仍需进一步的研究。虽然部分离子对体系有较大干扰,但通过寻找合适的掩蔽剂,也可以实现灵敏的检测。本文所提出的碳酸氢根体系与金纳米簇有望为检测水中重金属离子提供新的方向。

  5. 参考文献

  [1] Bautista P, Mohedano A F, Casas J A, et al. An overview of the application of Fenton oxidation to industrial wastewaters treatment[J]. J. Chem. Technol. Biot, 2008, 83(10):1323-1338.

  [2] 付海曦, 刘威, 张春辉,等. 水体中重金属离子的检测方法研究进展[J]. 理化检验(化学分册), 2012, 48(4):496-503.

  [3] 方丽娟, 高远, 胡亮,等. 水体样本重金属离子检测方法探究[J]. 资源节约与环保, 2017(4):36-36.

  [4] Baker S. Luminescent Carbon nanodots: Emergent Nanolights[J]. Angew. Chem . Int . Ed, 2010, 49(38):6726-6744.

  [5] Michalet X, Pinaud F F, Bentolila L A, et al. Peptide-coated semiconductor nanocrystals for biomedical applications[J]. Proc. Spie. Int. Soc. Opt. Eng, 2005, 5704:57-68.

  [6] Yan J, Estévez M C, Smith J E, et al. Dye-doped nanoparticles for bioanalysis[J]. Nano. Today, 2007, 2(3):44-50.

  [7] Díez I, Ras R H. Fluorescent silver nanoclusters[J]. Nanoscale, 2011, 3(5):1963.

  [8] Xu H, Suslick K S. Water-soluble fluorescent silver nanoclusters[J]. Adv. Mater, 2010, 22(10):1078.

  [9] Lu Y, Chen W. Sub-nanometre sized metal clusters: from synthetic challenges to the unique property discoveries[J]. Cheminform, 2012, 43(31):3594.

  [10] Richards C I, Choi S, Hsiang J C, et al. Oligonucleotide-stabilized Ag nanocluster fluorophores[J]. J. Am. Chem. Soc, 2008, 130(15):5038.

  [11] Xie J, Zheng Y, Ying J Y. Protein-directed synthesis of highly fluorescent gold nanoclusters[J]. J. Am. Chem. Soc, 2009, 131(3):888.

  [12] Kozlov Y N, Zharmukhamedov S K, Tikhonov K G, et al. Oxidation potentials and electron donation to photosystem II of manganese complexes containing bicarbonate and carboxylate ligands[J]. Phys. Chem. Chem. Phys, 2004, 6(20):4905-4911.

  [13] Long X, Zhen Y, Hong W, et al. Selective degradation of Orange II with the cobalt(II)–bicarbonate–hydrogen peroxide system[J]. Ind. Eng. Chem. Res, 2012, 51(37):11998–12003.

  [14] Xu A, Li X, Ye S, et al. Catalyzed oxidative degradation of methylene blue by in situ generated cobalt (II)-bicarbonate complexes with hydrogen peroxide[J]. Appl. Catal. B-Environ, 2011, 102(1–2):37-43.

  [15] Rizkalla E N, Mansour A E, Anis S S. Kinetic study of hydrogen peroxide reaction with hydroxonitrilotri(methylenephosphonato)iron(III) complex[J]. Transit. Metal. Chem, 1989, 14(2):131-134.

  [16] Liang S X, Zhao L X, Zhang B T, et al. Experimental studies on the chemiluminescence reaction mechanism of carbonate/bicarbonate and hydrogen peroxide in the presence of cobalt(II)[J]. J. Phys. Chem. A, 2008, 112(4):618.

  [17] Liochev SI, Fridovich I. The role of CO2 in cobalt-catalyzed peroxidations[J]. Arch. Biochem. Biophys, 2005, 439(1):99-104.

  [18] 仁增,徐进之,仁青加,王飞,徐明,李曹龙.基于金纳米簇荧光探针快速检测中药中的微量铜[J].广东化工,2017,44(22):55-56.

  [19] 李晓晶, 王志强, 陈继,等. 稀土离子(Ⅲ)与牛血清白蛋白作用的紫外光谱[J]. 应用化学, 1998, 15(1):5-8.

  [20] Shang L, Wang Y, Jiang J, et al. pH-dependent protein conformational changes in albumin:gold nanoparticle bioconjugates: a spectroscopic study.[J]. Langmuir, 2007, 23(5):2714.

  6. 致谢

  时光飞逝,转眼间大学生活即将结束,回首大学四年的学习生活,心中倍感充实。在这四年里,我得到了很多老师、师兄师姐、同学和家人的关怀和帮助,在此论文即将完成之际,我要向所有给予我支持、帮助和鼓励的人表示我最诚挚的谢意。

  首先,我要感谢我的指导老师严吉林老师对我悉心的教导。从论文的选题、构思、撰写到最终的定稿,严老师都给了我悉心的指导和热情的帮助。严老师对工作的认真负责,对学术的钻研精神和严谨务实的学风值得我终身学习。

  其次,我要感谢实验室罗旻川师兄,杨冬琴师姐,王心怡师姐和苏竹师姐在实验过程和论文写作对我的指导和解疑,在他们的帮助下,我学到了更为专业的实验室技能和论文写作技术,在此我向他们表示衷心的感谢。同时,我还要感谢戴婧妍、马浩天、时先恒等同学在平时的学习和生活中对我的帮助和鼓励。

  最后,我还要感谢我的家人,感谢他们一直在我背后默默支持着我,鼓励着我,他们这种无私的爱将激励着我在人生之路上不断前行!


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