基于量子点荧光探针的重金属离子Hg2+检测方法.pdf 6页VIP

20 19 年7 月 农 业 机 械 学 报 第50 卷 增刊 doi:10.6041/ j.issn.1000鄄1298.2019.S0.030 2+ 基于量子点荧光探针的重金属离子Hg 检测方法 1,2 1,2 1,2 1,2 漆明星 摇 杨摇 普 摇 邹摇 铃 摇 孙摇 明 (1.中国农业大学信息与电气工程学院,北京 100083;2.北京农业物联网工程技术研究中心,北京 100083) 2+ 2+ 2+ 摘要:以重金属离子Hg 为研究对象,使用经过L鄄半胱氨酸修饰的CdTe量子点溶液对 Hg 进行检测,Hg 与表 2+ 面采用修饰剂的量子点结合使得量子点发生荧光猝灭现象,Hg 浓度与荧光猝灭的变化强度呈一定的线性关系, 2+ 利用这种线性关系实现量子点对溶液中Hg 含量的定量检测,检测波段为400 ~800nm。 在优化条件下测得方法 -9 -9 -6 检出限为6郾11伊10 mol/ L (S/ N =3,n =11),线性范围为9 伊10 ~5 伊10 mol/ L,相对标准偏差(RSD)为 2郾86%。 在实验环境下,对特征波段进行变量标准化(SNV)预处理,再进行偏最小二乘(PLS) 建模分析,得到较好 的自预测能力和实际预测能力,其中校正集的决定系数为0郾8784,RMSEC为11郾6313 滋mol/ L,验证集的决定系数 为0郾7287,RMSEP为18郾7174 滋mol/ L。 结果表明,实验建模效果良好,操作简单、方便,实验快速、可靠、无污染,表 2+ 明利用量子点荧光探针检测 Hg 方法可行。 关键词:汞离子检测;量子点;荧光探针;光谱分析 中图分类号:O657 文献标识码:A 文章编号:1000鄄1298(2019)S0鄄0195鄄05 2+ Detection Method of Heavy Metal Ions Hg Based on Quantum Dots Fluorescence Probe 1,2 1,2 1,2 1,2 QI Mingxing 摇 YANG Pu 摇 ZOU Ling 摇 SUN Ming (1.College of Information and Electrical Engineering,ChinaAgricultural University,Beijing 100083,China 2.Beijing Engineering and Technology Research Centerfor Internet of Things inAgriculture,Beijing 100083,China) 2+ 2+ Abstract:The subject of this experiment was Hg ,Hg was detected by L鄄cysteine鄄modified CdTe 2+ quantum dot solution, and Hg was combined with the surface鄄modified quantum dots to cause 2+ fluorescence quenching of quantum dots, Hg concentration and fluorescence. The intensity of annihilation had a linear relationship. This linear relationship was used to quantitatively detect the Hg2+ content in the solutionby quantumdots. Thedetectionbandwas400~800nm.Thedetectionlimit of the -9 method under optimized conditionswas6郾11伊10 mol/ L (S/ N=3,n=11),andthelinear rangewas -9 -6 9伊10 ~5伊10 mol/ L. The deviation (RSD) was2郾86%. In a certain experimental environment, the variable normalization (SNV) pre鄄processing of the characteristic band and the partial least squares (PLS) modeling analysis can obtain better self鄄prediction ability and actual prediction ability,and the determination coefficient of the correction set reached 0郾878 4. The standard deviation was 11郾6313 滋mol/ L, the determination coefficient of the validation set was 0郾728 7, and the standard deviationwas18郾7174 滋mol/ L. Theresultsshowedthatthemodeling effectwasgood,theoperationwas simple and convenient,the experiment was fast,reliable and non鄄polluting,which indicated that the 2+ method of detecting Hg by quantum dot fluorescent probe wasfeasible. 2+ Key words:Hg detection;quantum dot;fluorescent probe;spectral analysis [1] 境污染 。 对水质产生污染的重金属主要有汞、 0摇 引言 镉、铬、铅和钒等。 其中汞的毒性最大,经过食物链 [2] 重金属污染是指由重金属或其化合物造成的环 可在人体的某些器官中富集 ,如果超过人体所能 收稿日期:2019 04 21摇 修回日期:2019 05 25 基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFD0800907) 作者简介:漆明星(1993—),男,硕士生,主要从事水质检测研究,E鄄mail:cauqmx@126.com 通信作者:孙明(1963—),男,副教授,博士生导师,主要从事水产养殖质量安全检测技术研究,E鄄mail:sunming@ 196 农摇 业摇 机摇 械摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 20 19 年 2+ 耐受的限度,会造成急性中毒、亚急性中毒、慢性中 Hg 的鉴别和测定提供了一种新颖、高灵敏度的选 毒等,对人体造成极大危害。 因此我国饮用水、农田 择方法。 2+ 灌溉均要求汞的质量浓度不超过0郾001mg/ L,渔业 本研究以建立水体中重金属 Hg 的高灵敏度 用水要求不超过0郾005mg/ L[3-4]。 快速检测方法为目的,在深入了解国内外现有重金 传统的重金属检测方法主要有光谱法和电化学 属检测方法和量子点探针应用的基础上,探讨以化 [5] 学计量学、荧光光谱分析技术为理论基础,结合量子 分析法。 光谱法主要包括高效液相色谱法 、酶抑 [6] [7] 点荧光检测分析的重金属快速检测方法,包括选择 制法 、原子吸收光谱法 、电感耦合等离子体质 [8] [9] 经济环保、反应灵敏的量子点荧光检测应用于水体 谱法 、原子发射光谱法 和紫外 可见分光光度 [10] 2+ 法 等。 传统光谱分析方法具有采样方式灵活、速 中Hg 的化学检测,采集量子点溶液与重金属 2+ 度快、无损等优点,但也存在仪器价格昂贵、无法连 Hg 离子荧光反应后的荧光波段光谱,从而建立水 2+ 续实时监测、运行费用高和不方便携带等缺陷。 一 体中重金属Hg 的预测模型。 般而言,重金属的仪器检测只能在具有国家认可资 1摇 材料和方法 质的专业实验室才能完成。 由于受到距离、样品采 集和保存困难等各种条件的限制,一些地区难以对 1郾1摇 实验仪器 水样中重金属开展及时有效的实验室分析[11-12]。 利用 SYNERGY4 型多功能酶标仪对目标溶液 量子点是一种三维尺寸限制在纳米尺度的半导 进行荧光光谱数据的采集。 该仪器波长范围230 ~ [13] 1000nm,精确选择波长 1nm,光分辨度为 0郾000 1 体纳米晶 ,由于其小尺寸(1100nm) 而显示出独 特的性质,如当其粒径小于激子玻尔半径时通常会 (吸光度),在室温下即可测定。 该仪器可以在高性 [14] 能滤光片系统和灵活的四光栅系统中任意切换,利 发生量子尺寸效应 。 同时,量子点还具有表面与 界面效应、宏观量子隧道效应及特殊的光学、光化 用四光栅系统可极大地提高检测的灵活性和检测光 学、电学及非线性光学性质,因而受到国内外各领域 谱的广泛性,从微量的 UV 样品检测到近红外样品 学者的密切关注。 目前报道的主要是由域 遇族 检测均能覆盖。 [15] 本次实验选择荧光强度检测模式(FI),在常温 (如 CdS、CdSe、CdTe) 和 芋 吁族 (如 GaAs、 [16] (27益)条件下采集数据,通过GENE 5 软件采集样 InGaAs、InP) 元素组成的核/ 壳结构(如 CdS/ HgS/ CdS)纳米颗粒,其中CdS、CdSe、CdTe 等量子 品荧光强度,利用 Matlab 2011b(美国)软件对数据 点是目前该领域研究的热点。 量子点主要通过荧光 进行处理。 图像采集在暗箱环境下进行,以避免受 [17] 到外界光线的影响。 强度变化进行高灵敏度的重金属离子检测 。 2+ 1郾2摇 实验材料 Hg 与量子点作用使得量子点荧光猝灭,常使 2+ 2+ 用CdTe和CdSe等量子点检测 Hg 的含量。 有关 实验材料为重金属离子汞Hg ,还包括L鄄半胱 报道中CdTe量子点量子产率不高,从而限制了其 氨酸修饰的CdTe量子点溶液(北京北达聚邦科技 广泛应用,但随着研究的深入,水热法和微波辐射 有限公司)、HgCl 溶液、pH值为7郾3 磷酸盐(PBS) 2 [18] 法 可以大大提高反应速率,提高量子点的产率。 缓冲溶液、去离子水,以及实验用电子天平、恒温振 最初采用的修饰剂是小分子巯基类化合物,SUSHA 动器(SHZ 82 型)、烧杯、量筒、定容瓶、药匙、定容 [19] 2+ 等 将巯基乙酸修饰的CdTe 量子点用于Hg 的 枪、酶标板、pH计等。 检测,认为荧光猝灭是发生了从巯基(—SR)到 1郾3摇 实验步骤 2+ 2+ Hg 的电子转移,Hg 可以与量子点表面的羧基结 实验步骤如下: 合,导致量子点导带中的激发电子和价带中的空穴 -9 -3 (1)用化学方法配制 1伊10 ~9 伊10 mol/ L 发生非辐射再结合,而使量子点荧光猝灭。 2+ 共25个梯度的Hg 溶液。 [20] CAI等 以 L鄄半胱氨酸为修饰剂合成了水溶 (2)将5 滋mol/ L 的L鄄半胱氨酸修饰的CdTe量 2+ 性的CdSe量子点,作为测定 Hg 的荧光探针,研究 子点稀释100倍作为荧光探针。 2+ 发现,Hg 对CdSe量子点的猝灭程度与溶液的pH (3)配制pH值为7郾3磷酸盐缓冲溶液。 值有极大的相关性,当最优pH值为7郾4 时,对Hg2+ (4)取100 滋L半胱氨酸修饰的CdTe量子点溶 检测具有很高的灵敏度,检测限为2郾4nmol/ L,可用 2+ 液,100 滋L磷酸盐缓冲溶液,最后加入Hg 溶液,体 [21] 于水溶液中痕量汞的测定。LI 等 以硫杯芳烃为 积比为1颐1颐1,充分振荡后静置25min。 修饰剂合成CdSe和ZnS核壳型量子点,用于乙腈中 (5)用SYNERGY4 型多功能酶标仪采集量子点 2+ -8 测定Hg ,检出限为 1郾5 伊10 mol/ L。 该方法为 溶液反应后在400~800nm范围内的光谱数据(图1)。 2+ 增刊摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 漆明星 等:基于量子点荧光探针的重金属离子Hg 检测方法 197 和相同pH值的磷酸盐缓冲液,混合均匀,常温下反 应。 然后根据反应时间测量样品的荧光强度,结果 如图3所示,随反应时间的增加,荧光强度逐渐降 低,25 min后,曲线趋于平衡,因此在整个实验过程 选择25min作为最优反应时间。 图1摇 样品荧光光谱原始数据 Fig.1摇 Original fluorescence spectra 摇 2摇 结果与分析 2郾1摇 实验条件优化 2+ 影响Hg 检测的实验因素有体系 pH值、反应 时间、缓冲液量、CdTe量子点浓度及其他金属离子 图3摇 反应时间对量子点溶液荧光强度的影响 等因素。 通过优化以上因子得到最佳实验条件方 Fig.3摇 Influence of action time on fluorescence intensity of quantum dot solution 案。 2郾1郾1摇 pH值的影响 2郾1郾3摇 量子点浓度的影响摇 量子点的发光对反应溶液体系的pH值非常敏 量子点溶液的浓度会对实验产生影响。 量子点 感。 分别配制pH值为5郾8、6郾7、7郾0、7郾3、7郾5、8郾0、 浓度过大,汞离子不能完全捕获,量子点浓度过低不 8郾5 的PBS缓冲液,将量子点1mL和不同pH值缓 能与汞离子溶液充分反应,所以找到一个最合适的 冲液定容至5mL,混合均匀,然后静置20 min,测定 量子点溶液浓度才能保证实验的准确度。 实验过程 混合溶液荧光强度(F)。 同等条件下,取1mL量子 中将购买的量子点溶液分成4 个样品,分别稀释0、 点和去离子水定容至5 mL容量瓶,使其混合均匀, 10、50、100倍,结果如图4 所示,当量子点没有稀释 20min后测溶液体系荧光强度(F )并计算F -F 。 时其荧光强度超出量程,无法测得,当稀释为100倍 0 0 如图2所示,量子点荧光强度随着体系pH值增大 时荧光强度在量程范围内,便于查看荧光光谱数据, -2 而增大,当pH值为7郾3 时,体系的荧光强度达到最 当量子点稀释100倍时,即5 伊10 滋mol/ L 为最佳 大。 即pH值为7郾3 时,荧光现象最明显,故在检测 浓度量子点。 汞离子实验中选择pH值为7郾3 的缓冲溶液体系。 图4摇 不同浓度量子点的荧光曲线 图2摇 pH值对量子点溶液荧光强度的影响 Fig.4摇 Fluorescence curves of quantum dots Fig.2摇 Influence of pHvalue on fluorescence intensity at different concentrations of quantum dot solution 2郾1郾4摇 缓冲液量的影响摇 2郾1郾2摇 反应时间的影响摇 本实验考察了缓冲液量对实验的影响。 采用3 室温条件下,需要确定整个实验过程的反应时 组实验样品,第1组为1mL 的量子点溶液混合1mL 间,对反应时间不同的6 个实验样品测量其荧光强 的缓冲液溶液再加入1mL 的汞离子溶液,第2组为 度。 选择一定浓度的量子点并分为相同的6 个样 1mL 的量子点溶液混合2mL 的缓冲液溶液再加入 品,然后分别加入体积和浓度都相等的汞离子溶液 1mL 的汞离子溶液,第3 组为1mL 的量子点溶液 198 农摇 业摇 机摇 械摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 20 19 年 混合3mL 的缓冲液再加入1mL 的汞离子溶液。 混 合均匀,室温静置25min,分别测3组溶液的荧光强 度。 结果表明,当量子点溶液、缓冲液溶液