Cu2+修飾的氮摻雜石墨烯量子點熒光傳感器檢測2-巰基苯并噻唑的研究

王曉敏，范哲鋒

(山西師范大學 化學與材料科學學院，山西 臨汾 041004)

2-巰基苯并噻唑(MBT)應用于工業中的各個方面，可用于抗生素的合成、硫化促進劑、金屬腐蝕抑制劑及非食用農藥[1-2]。但MBT是一種有毒且生物降解性差的環境污染物，由于MBT在工業中的廣泛應用使其存在于水系統中，對水生生物及人類造成了很大危害，可誘發人類腫瘤和過敏，已引起了人們的廣泛關注[3-5]。因此，開發水系統中MBT的檢測方法具有重要意義。目前，檢測MBT的方法有液相色譜法[6]、氣相色譜法[7]、電化學法[8-9]等，但這些方法操作繁瑣、靈敏度低、耗時長且費用昂貴，因此，建立一種經濟、靈敏、快速且操作簡單的分析方法具有重要意義。

石墨烯量子點(GQDs)是橫向尺寸小于100 nm的石墨烯片，零維GQDs因具有與量子限制和邊緣效應相關的突出特性，而顯示出新的化學和物理性質：低毒性、高穩定性、良好的生物相容性與水溶性等[10-12]。GQDs作為熒光傳感器可用于檢測生物和化學物質，如生物成像[13]、離子檢測、小分子檢測等[14]。然而，GQDs具有較大的帶隙，為了改善GQDs的帶隙，提高量子產率(QY)和熒光壽命，在其中摻雜雜原子如氮、磷和硼，可極大地改變它們的光學性質和電子特性，并提供更多的活性位點[15-17]。

本研究通過一步水熱合成法制備氮摻雜石墨烯量子點(N-GQDs)，構建了N-GQDs/Cu2+體系用于快速檢測環境水樣中的MBT。該方法操作簡單、選擇性好、靈敏度高，可應用于實際水樣中MBT的檢測，并獲得了滿意的結果。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LS-55發光光譜儀(Perkin Elmer，USA)；Cary 300紫外可見(UV-Vis)分光光度計(Varian，USA)；Invia拉曼光譜儀(Renishaw，UK)；Tecnai G2 F20透射電子顯微鏡(TEM，FEI，USA)；Nicolet 380傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR，Thermo Electron Corp.，USA)；Ultima IV-I85 X射線衍射光譜儀(XRD，Rigaku，Japan)。

尿素、檸檬酸(天津市光復科技發展有限公司)；十二水磷酸氫二鈉、二水磷酸二氫鈉(天津市風船化學試劑科技有限公司)；五水硫酸銅(天津市申泰化學試劑有限公司)；2-巰基苯并噻唑(MBT)、苯并噻唑(BT)(阿拉丁試劑(上海)有限公司)；所有化學試劑均為分析級試劑；實驗過程中均使用超純水。

1.2 氮摻雜石墨烯量子點(N-GQDs)的合成

在0.18 g(3 mmol)尿素和0.21 g(1 mmol)檸檬酸中加入5 mL水，攪拌至形成透明澄清溶液，將澄清液移至25 mL特氟龍內襯的不銹鋼高壓釜中于160 ℃下保持4 h，待產物自然冷卻至室溫，向產物中加入乙醇，5 000 r/min離心5 min，洗滌3次，60 ℃的真空干燥箱中干燥24 h后得到水溶性良好的固體[18]。

1.3 分析方法

將合成的N-GQDs用水稀釋至0.1 g/L備用，將70 μL 0.1 g/L的N-GQDs和250 μL PBS緩沖溶液(0.2 mol/L，pH 8.5)加至10 mL比色管中，依次加入不同濃度的Cu2+標準溶液，用水稀釋至5 mL，充分混合溶液并放置5 min后，將激發波長設定在365 nm，測量380～630 nm范圍內的熒光光譜。

將70 μL 0.1 g/L 的N-GQDs，250 μL PBS緩沖溶液(0.2 mol/L，pH 8.5)和6.0 μmol/L Cu2+標準溶液加至10 mL比色管中，充分搖勻并放置5 min后，依次加入不同濃度的MBT標準溶液，用水稀釋至5 mL，充分混合并放置5 min后進行熒光檢測。

2 結果與討論

2.1 N-GQDs的表征

通過紫外可見吸收光譜和熒光發射光譜對N-GQDs的光學性質進一步表征。圖2為GQDs和N-GQDs的UV-Vis吸收光譜及熒光光譜。可觀察到GQDs在360 nm處顯示出強烈的UV吸收，而N-GQDs在330 nm處有顯著的UV吸收，與GQDs相比，N-GQDs的吸收峰藍移30 nm，由此可以判斷氮原子已摻入GQDs中。曲線c為在365 nm處激發時N-GQDs的熒光光譜，可觀察到445 nm處出現最大發射峰。

圖2 GQDs(a)與N-GQDs(b)的UV-Vis吸收光譜，以及N-GQDs的熒光光譜(c)Fig.2 UV-Vis absorption spectra of GQDs(a) and N-GQDs(b),and fluorescence spectrum of N-GQDs(c)

2.2 實驗條件的優化

2.2.1 pH值的影響分別研究了不同pH值(5.0、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)的PBS緩沖液對體系熒光強度猝滅和恢復的影響，并采用等式進行計算：ΔFq=F0-F；ΔFr=Fr-F。式中，F0和F分別表示不存在和存在Cu2+時N-GQDs在445 nm處的熒光強度;Fr表示在相同pH下添加MBT時N-GQDs/ Cu2+體系的熒光強度;如圖3所示，當pH范圍在5.0～8.0時，Cu2+對N-GQDs的猝滅強度隨pH值的增大而逐漸增加，在pH值為8.0～8.5時穩定，但當pH值大于8.5時，熒光猝滅強度減小。這是由于 N-GQDs表面的羥基和羧基在酸性條件下會質子化，導致Cu2+與這些基團的絡合反應受到影響，而當pH大于8.0時，量子點表面的這些基團被去質子化，Cu2+與N-GQDs的絡合反應增強，并在pH 8.0～8.5時熒光猝滅強度達到最大值。當加入MBT時，熒光強度隨著pH值在5.0～8.5范圍內逐漸恢復，且在pH 8.5時恢復強度達到最大值，當pH值大于8.5時，恢復強度顯著降低。因此，本實驗選擇最佳pH值為8.5。

圖3 pH值對體系熒光強度的影響Fig.3 Effect of pH value on fluorescence intensity of the systema:fluorescence intensity(ΔFq) for the quenched N-GQDs,b:fluorescence intensity(ΔFr) for the recovered N-GQDs/Cu2+ system

圖4 不同過渡金屬離子對N-GQDs熒光猝滅的影響Fig.4 Effects of different transition metal ions on fluorescence quenching of N-GQDs metal ion(1-8):QDs，Cd2+，Fe3+，Zn2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cu2+

2.2.2 猝滅劑的影響考察了過渡金屬離子對N-GQDs熒光猝滅的影響，結果如圖4所示，從圖中可以看出，在相同實驗條件下，Cd2+、Fe3+、Zn2+、Mn2+的猝滅程度很小，Co2+、Ni2+可以猝滅N-GQDs的熒光，Cu2+的猝滅效率最大，因此實驗選擇Cu2+作為猝滅劑。

2.2.3 反應時間的影響考察了反應時間對N-GQDs與Cu2+以及MBT與N-GQDs/Cu2+作用的影響，結果表明，體系幾乎不受時間的影響，本實驗均在反應5 min后進行測定。

2.2.4 Cu2+濃度的影響Cu2+加至N-GQDs中可以有效地猝滅熒光，該機理可以用N-GQDs的π-系統，其邊緣和表面上大量的羥基和羧基來解釋，即Cu2+很容易吸附于其表面，通過電子或能量轉移導致表面缺陷或電子-空穴復合消失，從而猝滅N-GQDs的熒光[20]。

如圖5所示，在最佳pH值下，隨著Cu2+濃度的增加，N-GQDs的熒光強度逐漸被猝滅，當Cu2+濃度為6.0 μmol/L時達到平臺，進一步增加Cu2+濃度時，體系的熒光強度保持穩定。

2.3 不同濃度MBT的檢測

將MBT加至N-GQDs/Cu2+溶液中，可觀察到體系的熒光強度快速恢復，這可能是由于MBT結構中存在硫醇基團，巰基和Cu2+間的強作用力導致發生更強的絡合反應[21]，MBT與N-GQDs競爭Cu2+，使得Cu2+從N-GQDs表面解離下來，體系熒光得到恢復。

在最佳實驗條件下，研究不同濃度MBT對N-GQDs/Cu2+體系的影響。如圖6所示，隨著MBT濃度的增加，N-GQDs的熒光強度逐漸恢復，且445 nm處的熒光強度與MBT的濃度在0.4～40.0 μmol/L范圍內呈線性，其線性方程為：ΔFr=9.541[MBT]+13.89(μmol/L)，r2為0.995 5，檢出限為0.1 μmol/L。

圖5 不同濃度Cu2+ 對N-GQDs的熒光猝滅光譜Fig.5 Fluorescence quenching spectra of different concentrations of Cu2+ for N-GQDs

圖6 不同濃度MBT對N-GQDs/Cu2+體系的熒光恢復光譜Fig.6 Fluorescence recovery spectra of different concentrations of MBT for N-GQDs/Cu2+ system inset：a linear relationship between MBT concentration and fluorescence recovery intensity

將該方法與文獻報道的檢測MBT的方法進行對比(見表1)，結果顯示，本文構建的體系操作簡單、耗時少、成本低，具有較寬的線性范圍以及較低的檢出限等優點。與Li等[22]同樣采用量子點的檢測方法相比，此量子點為非金屬量子點，其毒性較小，易于制備，且靈敏度更高。

表1 該方法與文獻報道的MBT檢測方法的比較Table 1 Comparison between this method and the MBT detection method reported in the literature

圖7 干擾物質對體系熒光強度的影響Fig.7 Effect of interfering substance on fluorescence intensity of the system

2.4 共存物質的影響

2.5 實際樣品的分析

使用上述構建的體系檢測環境水樣中的MBT。將所收集水樣在4 000 r/min離心10 min，上清液通過0.2 μm水膜過濾和適當稀釋后，進行MBT檢測以及加入不同濃度MBT標準溶液(10.0、15.0 μmol/L)進行回收率研究。結果如表2所示，水樣中均未檢出MBT，其加標回收率為95.0%～101%，相對標準偏差(RSD,n=3)為1.7%～2.5%。表明該方法可應用于實際水樣中MBT的檢測。

表2 實際水樣中MBT的檢測Table 2 Detection of MBT in real water samples

*no detected

3 結 論

本文基于Cu2+可以有效地猝滅N-GQDs的熒光，添加MBT后使得N-GQDs/Cu2+體系熒光恢復的特性，構建了N-GQDs/Cu2+體系的高靈敏熒光傳感器用于環境水樣中MBT的檢測。方法具有良好的線性范圍和較低的檢出限，并成功用于實際樣品的測定。該方法簡單、環保、成本低，有望應用于各種水樣中MBT的分析和檢測。