DMF保护的荧光银纳米簇的制备及其对Hg2+浓度的检测

熊小莉， 唐 艳， 薛 康， 尤 超， 郑保战

(1. 四川师范大学 化学学院， 四川 成都 610068； 2. 四川大学 化学学院， 四川 成都 610065)



DMF保护的荧光银纳米簇的制备及其对Hg2+浓度的检测

熊小莉1， 唐 艳1， 薛 康1， 尤 超1， 郑保战2*

(1. 四川师范大学 化学学院， 四川 成都 610068； 2. 四川大学 化学学院， 四川 成都 610065)

采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为还原剂和保护剂，在140 ℃下回流反应，简便合成了荧光银纳米簇(DMF-AgNCs)。通过高分辨率透射电镜(HRTEM)、紫外-吸收光谱、荧光光谱对DMF-AgNCs进行了表征。研究发现，Hg2+会使DMF-AgNCs聚集而猝灭荧光。基于此，建立了一种快速、灵敏检测Hg2+的新方法。在最佳实验条件下，Hg2+溶液浓度与DMF-AgNCs荧光强度在5.0×10-9～1.5×10-7mol/L范围内呈良好的线性关系，检测限为3.0×10-9mol/L，线性相关系数为0.995 8。该方法可用于环境水样中Hg2+的检测。

N, N- 二甲基甲酰胺； 荧光; 银纳米簇； Hg2+

1 引 言

金属纳米簇(MNCs)是由几个到几百个金属原子构成，其直径一般小于2 nm。MNCs具有独特的电子、光学和电学性质，在重金属离子检测、生物传感、生物成像方面有广泛的应用[1-4]。在不同的MNCs中， AuNCs和AgNCs由于具有尺寸可调、生物相容性良好等优点而更受研究者青睐[5-6]。但其超小的尺寸使合成单分散和强荧光的金、银纳米簇面临很大困难。为解决这一问题，研究者们采取了很多种方法[7-11]，其中最受欢迎的是采用不同配体作为保护剂来合成，例如，采用本身具有生物相容性的DNA来合成稳定的AgNCs，具有制备过程简单、荧光强且可调的优点[12]。但是这种方法有时会产生大的金属纳米颗粒(MNPs)，尺寸不均一，并且在高盐浓度下不稳定从而阻碍了其进一步的研究应用。因此，探索新的配体来合成性质优良的AgNCs并能加以应用显得尤为重要。

本文采用N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide，DMF)作为还原剂和保护剂，在140 ℃下回流反应，简便合成了水溶性的银纳米簇(DMF-AgNCs)。所合成的DMF-AgNCs可以发出明亮的蓝色荧光，稳定性良好，不产生光漂白现象。基于Hg2+对DMF-AgNCs的荧光猝灭效应，建立了一种快速、灵敏检测Hg2+的新方法。

2 实 验

2.1 仪器与试剂

主要实验仪器：Tecnai G2 F20 S-TWIN型高分辨率透射电子显微镜(美国FEI公司)；Cary60型紫外可见分光光度计(美国安捷伦公司)；F-7000型荧光分光光度计(日本日立公司)；Varian700 ICP-AES电感耦合等离子体发射光谱仪(美国瓦里安公司)；DZF-300数显真空干燥箱(郑州长城科工贸有限公司)；78-1磁力加热搅拌器(常州国华电器有限公司)；PHSJ-4A型pH计 (上海雷磁仪器厂)。

主要实验试剂：硝酸银(AgNO3)、N,N- 二甲基甲酰胺(DMF)、氢氧化钠(NaOH)、硝酸汞(Hg(NO3)2)、十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)、二水合磷酸二氢钠(NaH2PO4·2H2O)及其他盐类均购于国药上海试剂公司。实验中所用化学试剂均为分析纯，实验用水为18.2 MΩ·cm的超纯水。

2.2 DMF-AgNCs的合成

按照参考文献[13-14]，使用DMF作为保护剂和还原剂，高温回流合成荧光DMF-AgNCs。具体步骤如下：将150 mL的DMF溶液加入到三颈烧瓶中，先将DMF油浴预热到140 ℃，再向其中加入150 μL的 AgNO3溶液(0.1mol/L, 2.55×10-3g)，剧烈搅拌，混合均匀。反应6 h后，停止加热，继续搅拌至溶液冷却到室温。在12 000 r/min的转速下离心过滤3次以去除大的AgNPs，然后在80 ℃下真空干燥去除溶剂，得到平均质量为1.8×10-3g的DMF-AgNCs。采用ICP-AES测得DMF-AgNCs中银的平均质量为2.72×10-4g，一锅合成AgNCs的平均产率为10.67%。测试时，将DMF-AgNCs溶于水中放置于4 ℃冰箱中备用。

2.3 汞离子的检测

荧光光谱测量：所有的荧光强度值测量均在室温下进行，测量电压为750 V，激发、发射的狭缝宽度均为10 nm，λex=310 nm，λem=418 nm，每个浓度平行测定3次。

取8 μL浓度为1×10-2mol/L的DMF-AgNCs溶液加入到600 μL的离心管中，分别加入一系列10 μL不同浓度的Hg2+溶液，使用pH=7.0的PB缓冲溶液稀释定容到100 μL，混合均匀。室温下反应10 min，测量荧光强度F，同时做空白F0，计算其荧光变化值F0-F。

2.4 实际水样中汞离子的检测

本研究采用的是河水水样，需要使用滤膜进行过滤处理，以除去一些颗粒或微生物。取8 μL浓度为1×10-2mol/L的 DMF-AgNCs溶液加入到600 μL的离心管中，加入5 μL水样，分别加入5 μL浓度为2.0×10-7，4.0×10-7，6.0×10-7mol/L的Hg2+溶液，再加入82 μL的pH=7.0的PB缓冲溶液，混合均匀，室温下反应10 min，测其荧光强度F，同时做空白F0，计算其荧光变化值F0-F。

3 结果与讨论

3.1 银纳米簇的合成及表征

采用DMF作还原剂和保护剂，回流合成了DMF-AgNCs。弱还原剂DMF在高温且没有任何表面活性剂的条件下，也充当溶剂的角色[15]。在加热过程中，我们观察到溶液由无色变为浅黄色再变为黄色，表明DMF逐步将AgNO3还原成Ag(Ⅰ)，再还原成Ag(0)，形成AgNCs。DMF中含有疏水性的甲基(—CH3) 以及与Ag+亲和性很高的羧基(—COOH)，可以防止纳米簇进一步形成大的纳米粒子而起到保护作用，从而制得荧光DMF-AgNCs。

我们采用紫外-吸收光谱和荧光光谱对制备的DMF-AgNCs的光学性质进行了验证。如图1所示，曲线a是DMF-AgNCs的紫外-吸收光谱，在310 nm和350 nm处分别有明显的吸收峰，310 nm处的吸收更强，在380～500 nm没有吸收，表明没有大的AgNPs的表面等离子共振吸收。该吸收峰是金属中心d带与sp带的带间跃迁或金属-配体的电荷转移跃迁产生的[13]，两吸收峰表明可能存在两种尺寸的AgNCs[16]。曲线b是DMF-AgNCs的荧光发射光谱，可以看出最佳激发波长为310 nm，发射波长为420 nm，与文献报道的DMF-AuNCs类似，表明已成功合成DMF-AgNCs[13-14]。而单独的DMF无荧光特性(曲线c)，说明荧光来自DMF-AgNCs。同时，从图1的插图也可以看出，DMF-AgNCs的水溶液为黄色，而在365 nm的紫外灯下显示出很强的蓝色荧光，这是由于MNCs的量子尺寸效应产生的。

图1 DMF-AgNCs的光学性质表征

图2是所制备的DMF-AgNCs的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图片。从图2中可以清晰地看到银金属中心，样品形貌均一、分散性良好，AgNCs未发生任何团聚，不含AgNPs及其他副产物。所合成的DMF-AgNCs易溶于水、甲醇等溶剂。DMF-AgNCs受pH影响也很小，只有在强酸、强碱条件下不稳定，中性条件下的荧光强度无明显变化，如图3所示(DMF-AgNCs浓度为1×10-3mol/L)。另外，研究还发现，该DMF-AgNCs不需要使用4 ℃保存，在暗处、常温放置即可，保存两年以上的样品仍显示很强的荧光，这些均表明用DMF做保护剂比使用其他配体合成的AgNCs具有更好的稳定性[17-18]。

图2 DMF-AgNCs的HRTEM图

图3 pH对DMF-AgNCs稳定性的影响

3.2 DMF-AgNCs对Hg2+的荧光响应

如图4所示，DMF-AgNCs在420 nm处显示出很强的荧光(曲线c)，当加入Hg2+后，荧光显著猝灭，并且发射峰位置有些许移动(曲线d)。该现象也可以从图4的插图中看出。加入Hg2+后，明显看到银簇溶液发生团聚，颜色变深，有沉淀生成(E、F)。而银簇原本在365 nm紫外灯照射下显示出的蓝光荧光在日光灯下基本消失(C、D)。这些均表明DMF-AgNCs对Hg2+具有特异性响应。产生此荧光猝灭现象主要是因为金属原子的封闭壳层间的放大的色散力使Hg2+(4f145d10)和Ag+(4d10)之间发生键合，导致DMF-AgNCs的聚集而使荧光猝灭[19-20]。

图4 DMF-AgNCs对Hg2+的荧光响应

3.3 实验条件的优化

AgNCs的光学性质由合成条件决定，因此我们对反应温度、反应时间、DMF和AgNO3的量比等不同条件合成的AgNCs的荧光性质作了比较，以获得良好的DMF-AgNCs。参照文献，我们对反应时间及DMF和AgNO3的用量进行了优化。结果表明:采用15 mL DMF、150 μL AgNO3得到的DMF-AgNCs的荧光最强并且稳定性相对较好。具体反应条件为：DMF预热时间为15 min，快速加入AgNO3后，加热搅拌反应6 h，停止加热，继续搅拌2 h冷却至室温。

为了提高该荧光法应用到实际检测的灵敏度，我们对检测Hg2+时的DMF-AgNCs浓度、DMF-AgNCs与Hg2+反应的pH值、反应时间等关键因素进行了优化考察。

3.3.1 DMF-AgNCs的用量

为了确定DMF-AgNCs的合适浓度，我们考察了DMF-AgNCs荧光强度随其浓度的变化，如图5(a)所示。DMF-AgNCs的荧光随其浓度的增大而增强，呈线性关系。当DMF-AgNCs的浓度较小时，体系的荧光也较弱。加入Hg2+后，体系荧光的猝灭程度较小，现象不明显。增加DMF-AgNCs的浓度，则Hg2+会对体系的荧光产生明显的猝灭，检测灵敏度增高。但是，继续增加DMF-AgNCs的浓度时，由于荧光太强，Hg2+不易猝灭银簇的荧光，猝灭效率反而会降低。综合考虑，本实验选择DMF-AgNCs溶液的浓度为8×10-4mol/L。

3.3.2 反应时间

由于我们建立的方法是要应用到实际水样的检测中，因此选取室温作为Hg2+与DMF-AgNCs的反应温度，但反应时间的长短直接影响检测到的荧光强度。为此，我们实验考查了0～10 min内，反应时间对检测灵敏度的影响，实验结果如图5(b)所示，CHg=1.2×10-7mol/L。从图中可以看出，反应2 min后，DMF-AgNCs的荧光被显著猝灭，猝灭程度达到20%左右。随着反应时间的继续延长，荧光猝灭缓慢，10 min就基本趋于稳定。因此在后续实验中，我们将所有反应时间均定为10 min。

图5 (a)DMF-AgNCs荧光与其浓度的关系；(b)反应时间对Hg2+猝灭DMF-AgNCs荧光的影响。

Fig.5 (a) Concentration-dependent fluorescence of DMF-AgNCs solution. (b) Time-dependent fluorescence intensity of DMF-AgNCs to Hg2+.

3.3.3 反应pH值

pH值可能会影响DMF-AgNCs的稳定性(图3)，也会影响DMF-AgNCs与Hg2+的作用效果。图6为pH对Hg2+猝灭DMF-AgNCs荧光反应的影响。从图6可以看出，pH值在5.0～8.0之间时，DMF-AgNCs的猝灭效率变化均不太明显。在该范围内，DMF-AgNCs的稳定性也比较好，说明pH在5.0～8.0时对DMF-AgNCs与Hg2+反应的影响不大。因此，本实验选择pH值为7.0的PB缓冲液作为该传感检测体系的反应介质。

图6 不同反应pH值对Hg2+猝灭DMF-AgNCs荧光的影响

Fig.6 Fluorescence intensity changes of DMF-AgNCs to Hg2+at different pH values

3.4 Hg2+的检测

图7为在上述优化实验条件下，DMF-AgNCs对不同浓度Hg2+的定量检测荧光光谱。由图可见，AgNCs在420 nm处的荧光强度随着Hg2+浓度的增加而减小。Hg2+通过与DMF-AgNCs中的银原子发生作用，引起聚集导致荧光猝灭。在最优的实验条件下，Hg2+溶液浓度与DMF-AgNCs荧光强度在5.0×10-9～1.5×10-7mol/L范围内呈良好的线性关系，线性方程为F=-5.473CHg+207.7，线性相关系数R2=0.995 8。Hg2+的理论检测限是3.0×10-9mol/L(LOD为3σ，σ=S0/S，S0为空白样品的标准偏差，S为标准曲线的斜率)，与文献报道的一致[19,21]。同时我们也对该体系的重复率作了考察，对1.5×10-7mol/L的Hg2+平行测定6次，其相对标准偏差(RSD)达到6.3%，证明该方法的精确度也较好。

CHg=0, 5.0×10-9, 2.5×10-8, 5.0×10-8, 8.0×10-8, 1.2×10-7, 1.5×10-5, 1.5×10-4, 3.0×10-3mol/L

图7 不同浓度的Hg2+与DMF-AgNCs作用后的荧光光谱和标准曲线

Fig.7 Fluorescence response of DMF-AgNCs upon addition of various concentrations Hg2+

3.5 选择性考察

为了研究所建立方法的选择性，我们考察了一些常见的与环境相关的金属离子对该方法用于检测Hg2+的影响，包括2.5×10-3mol/L 的Hg2+和2.5×10-3mol/L的Cd2+、Pb2+、Cu2+、Cr2+、Ni2+、Zn2+、Ca2+、Fe3+。实验结果如图8所示，仅Hg2+对DMF-AgNCs的荧光强度有显著的猝灭作用。由此可见，该检测方法对Hg2+有着良好的选择性。

图8 Hg2+探针的选择性考察

Fig.8 Selectivity of fluorescence probe for Hg2+over other ions

3.6 实际样品分析

为了考察本研究所建立方法的实用性，我们对3个水样进行了加标试验。使用滤膜对河水样品进行前处理，除去沙、颗粒、微生物等。采用标准加入法，评估了方法的精确性和可信度，实验结果如表1所示。从表中可以看到，回收率在98.5%～109.05%之间。对各个水样同时测试分析3次以考察该方法的精确度，所得相对标准偏差(RSD)为1.8%～5.6%。证明该方法可以运用到实际检测中。

表1 实际水样中Hg2+的检测

4 结 论

使用DMF作还原剂和保护剂，设计合成了一种新型荧光纳米簇DMF-AgNCs，并且基于Hg2+对其荧光猝灭构建了Hg2+荧光探针，考察了AgNCs浓度、反应时间、反应pH值等的影响。结果表明，DMF-AgNCs的浓度为8×10-4mol/L、反应10 min、pH=7为检测Hg2+的最佳条件，线性范围为5.0×10-9～1.5×10-7mol/L，检出限为3.0×10-9mol/L，且具有良好的选择性，可以用于实际水样的检测。该方法制备简单，所合成的DMF-AgNCs荧光强，水溶性及稳定性良好，在环境监测中有很好的应用前景。

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熊小莉(1970-)，女，四川大英人，副教授，2005年于四川大学获得硕士学位，主要从事纳米材料、化学与生物传感器等方面的研究。

E-mail: xiongxiaoli2000@163.com

郑保战(1980-)，男，河南滑县人，博士，副教授，2010年于四川大学获得博士学位，主要从事纳米材料、化学与生物传感器等方面的研究。

E-mail: zhengbaozhan@scu.edu.cn

Preparation of Fluorescent Silver Nanoclusters Protected by DMF and Its Application in Hg2+Detection

XIONG Xiao-li1, TANG Yan1, XUE Kang1, YOU Chao1, ZHENG Bao-zhan2*

(1.CollegeofChemistryandMaterialsScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China; 2.SchoolofChemistry,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:zhengbaozhan@scu.edu.cn

A facile preparation of highly fluorescent Ag nanoclusters (AgNCs) was synthesized using a surfactant-free N,N-dimethylformamide (DMF) reduction method by reflux at 140 ℃. The as-prepared samples were characterized by UV-Vis absorbtion spectroscopy, fluorescence spectroscopy and HRTEM. The results show that the AgNCs with small size emit strong blue fluorescence possessing excellent water-solubility and photostability. Moreover, the fluorescence from AgNCs can be efficiently quenched by Hg2+. By virtue of the specific response, a new, simple, selective and sensitive fluorescent method for detecting Hg2+has been developed based on DMF-AgNCs. This method shows a good linear relationship within the concentration range of 5.0×10-9～1.5×10-7mol/L, the detection limit was 3.0×10-9mol/L, and the correlation coefficientR2= 0.995 8.

N,N-dimethylformamide (DMF); fluorescence; Ag nanoclusters (AgNCs); Hg2+

1000-7032(2016)01-0117-07

2015-09-26；

2015-11-11

国家自然科学基金(21407109)； 四川省教育厅重点项目基金(14ZA0027)； 四川师范大学大精设备开放基金项目(2015)资助

O657.39

A

10.3788/fgxb20163701.0117