半導體聚合物量子點-亞甲基藍熒光能量轉移體系測定水中Bi3+

劉義章， 孫軍勇， 王 磊， 周 凱， 鞏振虎

(1. 滁州職業技術學院， 安徽 滁州 239001； 2. 安徽師范大學 化學與材料科學學院， 安徽 蕪湖 241000)

半導體聚合物量子點-亞甲基藍熒光能量轉移體系測定水中Bi3+

劉義章1*， 孫軍勇2， 王 磊1， 周 凱1， 鞏振虎1

(1. 滁州職業技術學院， 安徽 滁州 239001； 2. 安徽師范大學 化學與材料科學學院， 安徽 蕪湖 241000)

基于半導體聚合物量子點和亞甲基藍間的熒光共振能量轉移構筑了一種鉍離子熒光探針。亞甲藍通過靜電作用吸附到半導體聚合物量子點表面使其熒光發生猝滅。鉍離子存在時，由于它與半導體聚合物量子點的結合力強于亞甲藍，使體系的能量轉移得到抑制，熒光恢復。在最優化條件下，線性范圍為0～0.5mol/L(R=0.995 5)，最低檢出限為16 nmol/L。該方法成功用于湖水中的Bi3+測定，結果令人滿意。

半導體聚合物量子點(Pdots)； 亞甲基藍(MB)； 熒光共振能量轉移； Bi3+

Abstract: A novel fluorescence nanosensor for Bi(Ⅲ) ions determination was developed based on the fluorescence resonance energy transfer from semiconducting polymer dots to methylene blue. The methylene blue attached to semiconducting polymer dots by electrostatic interaction, leading to fluorescence quenching of the fluorophores. When Bi ion was added, it coordinated more strongly with the carboxyl-functionalized semiconducting polymer dots than methylene blue, which made the methylene blue detached from semiconducting polymer dots and interrupted luminescence energy transfer, allowing recovery of fluorescence. Such fluorescence responses can be used for well quantifying Bi ions in the range of 0-0.5 μmol/L with a 16 nmol/L detection limit. The proposed sensing system has been successfully used for the assay of Bi ions in lake water.

Keywords: semiconducting polymer dots(Pdots); methylene blue; fluorescence resonance energy transfer; Bi(Ⅲ) ions

1 引 言

基于熒光物質的光物理和光化學性質建立的熒光分析技術(如熒光檢測、熒光成像)是化學/生物傳感、生物醫學以及生命科學等研究領域中一種廣泛采用且行之有效的研究工具。熒光分析技術通常需要借助熒光探針來輸出檢測信號或作為成像分析的造影劑[1-5]。熒光探針檢出限或成像分辨率與熒光材料的熒光強度、穩定性有較大關系；傳統的有機分子存在熒光弱、光漂白性能差等缺點，使得基于此的熒光技術應用受限。半導體聚合物量子點(Pdots)熒光探針是一類最近發展起來的新型熒光材料，其高亮度熒光、緊致結構、高光吸收截面、良好的光穩定性、易于發生共振能量轉移以及容易進行表面功能化修飾等性能[6-10]，特別適合于開發小尺寸、高亮度、無毒、穩定的納米熒光探針，為熒光成像技術的發展提供了有效的標記方法，在環境科學、生物檢測、細胞生物學及臨床醫學等領域顯示了廣闊的應用前景[11-13]。

鉍的化合態較多應用于臨床醫學[14]。食用碳酸氧鉍和硝酸氧鉍可治療腸胃病和皮膚損傷等，但大量食用含鉍藥物會使鉍離子沉積于腦部和腎臟中，從而導致記憶力變差、尿毒癥、肝腎功能損傷等疾病。目前，鉍離子的測定主要有電感耦合等離子體法[15-19]、電化學法[20-21]和原子熒光光譜法[22]等。在多種分析技術中，熒光分析技術有選擇性好、靈敏度高、分析特征參數多等諸多優點，廣泛應用于環境中的離子檢測。

基于Pdots諸多優良特性，本文采用羧基功能化的Pdots作為能量供體，通過選擇合適的材料作為能量的受體，構建了“打開型”熒光傳感器，實現了環境樣品中金屬離子含量的定量分析。在水溶液中，亞甲基藍和Pdots作用形成 Pdots-MB復合物，從而體系熒光快速猝滅；而當向該體系中加入Bi3+后，隨著Bi3+濃度的不斷增加，體系的熒光逐漸恢復。利用這一特性，我們設計出環境水質中鉍離子的靈敏測定新方法。該方法具有分析速度快、靈敏度高、光穩定性好、線性范圍寬和無毒性等諸多優點，為應用于生命體中Bi3+的測定奠定了基礎。

2 實 驗

2.1 試劑與儀器

實驗中使用的試劑主要有聚芴-苯并噻二唑交替共聚物(PFBT)(美國 ADS)、聚(苯乙烯-co-馬來酸酐)(PSMA)(美國 Sigma)、4-羥乙基哌嗪乙磺酸(Hepes，上海 生工)和四氫呋喃(THF、99.9%，Sigma)，其他試劑均為國產分析純。

樣品表征使用儀器主要有日本日立公司的UV-3010紫外-可見分光光度計和H-600型透射電子顯微鏡、數顯型旋轉蒸發儀(德國，IKA)、超聲波清洗器(美國，必能信)、美國PE公司的LS55熒光分光光度計(1 cm×1 cm的石英比色皿，DLS激光動態光散射儀)、恒溫培養震蕩器(上海、世平)和恒溫磁力攪拌器(德國，IKA)等。

2.2 Pdots制備

將聚芴-苯并噻二唑交替共聚物(PFBT)、聚(苯乙烯-co-馬來酸酐)(PSMA)分別溶于有機溶劑THF中，配成質量濃度為1 mg/mL 的原始溶液。分別移取250 μL PFBT和50 μL PSMA儲備液，用THF定容至5mL，并超聲震蕩使溶液混合均勻。將上述溶液在超聲震蕩條件下快速注入10 mL超純水中，并保持5～6 min。再將所得混合溶液加熱至95 ℃通N2除去溶液中的THF。最后，定容并用0.22 μm水相濾頭將上述溶液過濾，獲得水分散良好的半導體聚合物量子點(Pdots)溶液，避光密封保存于4 ℃冰箱中備用。

2.3 Bi3+含量測定

3 結果與討論

3.1 羧基功能化的Pdots的表征

如圖1(a)所示，通過納米沉淀法制得水分散性良好的功能化半導體聚合物點(Pdots)水溶液，測得其吸收峰在455 nm，熒光發射峰在545 nm。在紫外燈的照射下，溶液呈現橙黃色。圖1(b)是羧基功能化的Pdots的動態光散射粒徑分布圖和TEM圖。從圖中可以看出，功能化的Pdots是分散性較好、大小均一的球形顆粒，粒徑約為30 nm，且未發現聚集現象。從其動態光散射粒徑分布圖看，粒徑大小與TEM圖相吻合。

3.2 對照實驗

扶貧資金是貧困群眾的“救命錢”“保命錢”和減貧脫貧的“助推劑”，對加快貧困地區發展、改善扶貧對象基本生產生活條件發揮著重要作用。但近年來財政扶貧資金管理使用方面的“痼疾”仍存，資金使用效益仍有待提高，監管任務依然艱巨。本文簡要闡述了加強扶貧資金監管的重要意義，分析了當前廣西抓好扶貧資金監管問題整改的做法，并提出下一步加強扶貧資金監管的對策建議。

通過研究功能化Pdots-MB體系對Bi3+的響應情況得知：0.5g/mL Pdots本身具有很強的熒光，如圖2(a)中a線所示；0.5g/mL Pdots加入45 nmol/L MB后，熒光猝滅，如圖2(a)中c線所示；而在Pdots-MB體系中加入0.3g/mL Bi3+后，熒光得以恢復，如圖2(a)中b線所示。該熒光恢復原理為我們建立“打開型”熒光能量轉移靈敏檢測Bi3+實現了可能。

圖1 (a)功能化Pdots的紫外吸收光譜和熒光發射光譜；(b)動態光散射粒徑分布圖和TEM圖。

Fig.1 (a) UV absorption spectrum and fluorescence emission spectrum of functional Pdots. (b)Dynamic light scattering particle size distribution and TEM image.

圖2 功能化Pdots熒光對照圖。(a) Pdots熒光恢復過程；(b) Pdots的熒光發射光譜與亞甲基藍(MB)的紫外吸收光譜重疊圖。

Fig.2 Functional Pdots fluorescent contrast diagram. (a) Fluorescence recovery process of Pdots. (b) Overlap map of the emission spectrum of Pdots and UV absorption spectrum of methylene blue (MB).

圖2(b)為Pdots的熒光發射光譜與亞甲基藍(MB)的紫外吸收光譜重疊圖。測得Pdots熒光發射峰在545 nm(λex=455 nm)，與亞甲基藍的紫外吸收有部分重疊，具備熒光共振能量轉移的條件。圖3為Bi3+熒光探針的機理示意圖。我們認為功能化Pdots表面因含大量羧基帶負電荷，亞甲基藍為帶正電荷的富含π電子的芳香雜環化合物，二者通過靜電作用和π-π堆積作用吸附在Pdots表面，從而形成 Pdots-MB 復合物，使得體系熒光猝滅。由于Bi3+所帶正電荷更多且體積更小，所以能夠將亞甲基藍從Pdots-MB復合物中解離出來，從而熒光恢復。

圖3 打開型鉍離子熒光探針的機理示意圖

Fig.3 Schematic diagram of turn-on fluorescent detection of Bi3+

3.3 實驗條件優化

3.3.1 亞甲基藍濃度的選擇

本文研究了在功能化Pdots中加入不同濃度亞甲基藍的熒光強度變化。圖4顯示不同濃度的亞甲基藍對功能化的Pdots猝滅程度圖。向0.5g/mL的功能化Pdots溶液中加入不同濃度亞甲基藍溶液，隨著亞甲基藍濃度的升高，體系熒光逐漸變弱。當亞甲基藍溶液濃度達到45 nmol/L時，體系熒光最弱，猝滅程度達最大值，猝滅效率為87.12%。

圖4 不同MB濃度下的功能化Pdots 熒光猝滅圖

Fig.4 Fluorescence quenching of functional Pdots under different concentrations of MB

3.3.2 硝酸用量的選擇

因Bi(NO3)3·5H2O易水解，通常選用稀硝酸(1 mol/L)來配制Bi3+溶液。本文考察了在1～6 mL范圍內不同量硝酸配制Bi3+溶液對Pdots-MB體系熒光強度恢復的影響，如圖5所示。根據實驗結果，本文選取4 mL 濃度為1 mol/L硝酸溶液配制Bi3+溶液。

圖5 硝酸用量對Pdots-MB體系熒光強度的影響

Fig.5 Influence of nitric acid dosage on the fluorescence intensity

在最優化的實驗條件下，圖6(a)顯示了Pdots-MB體系中加入不同濃度的Bi3+時熒光強度的恢復圖。隨著Bi3+濃度的不斷增加，體系的熒光強度也慢慢恢復。當Bi3+溶液濃度為1.0mol/L時，體系熒光恢復到最大值，繼續增大Bi3+溶液濃度，體系熒光不再繼續增大。定義(F-F0)/F0為熒光恢復程度(F為加入不同濃度Bi3+時的熒光強度，F0為不加Bi3+時的熒光強度)，圖6(b)為(F-F0)/F0與Bi3+濃度的線性關系曲線。由圖可知，Bi3+在0～0.5mol/L濃度范圍內與(F-F0)/F0呈現良好的線性關系(R=0.995 5)，標準曲線方程為(F-F0)/F0=0.1904+7.902c(c單位為mol/L)。最低檢出限為16 nmol/L(S/N=3)。由測量0.5mol/L的Bi3+和7次重復測量的標準偏差得到該方法的相對標準偏差為3.25%，表明Pdots-MB體系熒光能量轉移體系對Bi3+的檢測有很高的可重復性。

圖6 (a)功能化Pdots的熒光恢復圖；(b) (F-F0)/F0與Bi3+濃度的關系曲線。

Fig.6 (a) Functional Pdots fluorescence recovery figure. (b) (F-F0)/F0vs. concentration of Bi3+

3.5 干擾離子的影響

本文研究了在相同實驗條件下環境中常見金屬陽離子和部分陰離子對該傳感器的影響。向Pdots-MB體系中分別加入一定濃度的干擾物質，其中Bi3+濃度為1.0mol/L，除Cu2+濃度為10mol/L、Fe2+濃度為5mol/L外，其他均為100mol/L，圖7為體系的相對熒光強度變化(F-F0)/F0(F0為Pdots-MB體系不加任何物質的熒光強度，F為代表體系加入Bi3+和相關干擾物質的熒光強度)。從圖7可以看出，加入1.0mol/L Bi3+后，該傳感器的相對強度((F-F0)/F0)為6.0，相較加入干擾物質，加入Bi3+能夠明顯恢復體系熒光。而其他干擾物質的影響可忽略不計。實驗結果表明，可以利用“打開型”熒光法檢測Bi3+溶液。

圖7 干擾離子的熒光恢復圖

Fig.7 Fluorescence recovery figure of interference ions

3.6 實際樣品檢測

為了驗證本方法的實際應用性能，我們將所建立的新方法應用于蕪湖鏡湖水中的Bi3+測定。水樣首先用離心機(5 000 r/min)離心分離10 min，然后取上層溶液為分析液。用標準加入法考察了該方法的回收率，實驗結果如表1所示。方法的回收率為93.0%～101.3%，說明該方法可用于實際環境水樣分析。

表1實際樣品檢測及加標回收率結果(n=6)

Tab.1 Actual sample testing and standard addition recovery results (n=6)

樣品加入量/(mmol·L-1)測定值/(mmol·L-1±SD)回收率/%10．100．093±0．0293．0±0．220．500．487±0．0597．4±0．131．001．013±0．03101．3±0．3

4 結 論

功能化Pdots與MB間相互作用使得體系熒光迅速猝滅，加入Bi3+能使體系熒光逐漸恢復，為此設計了“打開型”靈敏傳感器。當體系中加入45 nmol/L的亞甲基藍溶液時，猝滅效率為87.12%。將10 μL濃度為50g/mL的Pdots 配制Pdot-MB復合物測定Bi3+，Bi3+濃度在0～0.5mol/L范圍內與熒光恢復程度(F-F0)/F0呈現良好的線性關系(R=0.995 5)，最低檢出限為16 nmol/L(S/N=3)；實際環境水樣測定的回收率為93.0%～101.3%。本文方法為進一步研究生命體中鉍的含量測定提供了基礎。

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劉義章(1969-)，男，安徽滁州人，碩士，副教授，2011年于安徽理工大學獲得碩士學位，主要從事多相光催化和熒光探針的研究。

E-mail: liuyizhanglll@126.com

SemiconductingPolymerDots-methyleneBlueFluorescenceEnergyTransferSystemforDeterminationofBi(Ⅲ)IonsinWater

LIU Yi-zhang1*, SUN Jun-yong2, WANG Lei1, ZHOU Kai1, GONG Zhen-hu1

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege，Chuzhou239001，China; 2.CollegeofChemistryandMaterialsScience,AnhuiNormalUniversity，Wuhu241000，China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:liuyizhang111@126.com

O657.3

A

10.3788/fgxb20173810.1353

1000-7032(2017)10-1353-06

2017-03-14；

2017-06-10

安徽省高校自然科學基金(KJ2016SD45)； 安徽省“省級優秀教學團隊”項目(2013JXTD063)資助 Supported by Natural Science Foundation of Anhui province (KJ2016SD45); Excellent Teaching Team Project of Anhui Province (2013JXTD063)