基于铜纳米簇的聚集诱导发光检测铅离子

韩冰雁+侯绪芬+相荣超+于明波+李莹+彭婷婷+贺高红

摘 要 基于谷胱甘肽保护的非贵金属铜纳米簇（Cu NCs@GSH）的聚集诱导发光现象， 建立了快速检测铅离子 （Pb2+）的“Turn on”型荧光分析方法。Cu NCs@GSH溶液荧光强度很弱， 当存在Pb2+时， 荧光强度可显著增强， 溶液显示明亮的橙黄色。基于此原理建立了检测Pb2+的荧光方法， 线性范围为200～700 μmol/L， 检出限为106 μmol/L， 常见金属离子不干扰Pb2+的测定。本方法简单快速、选择性高， 可实现对Pb2+的可视化定性检测。

关键词 聚集诱导发光； 铜纳米簇； 铅离子

1 引 言

荧光纳米簇（NCs）作为一种新型荧光探针， 广泛用于各种离子尤其是金属阳离子[1～5]、小分子[6～9]的检测以及细胞标记、细胞成像[10～12]、环境分析[13]等领域。Deng等[14]发现甲硫氨酸保护的金纳米簇可作为灵敏的荧光“Turn.off”传感器， 选择性检测Cu2+。Cao等[15]采用单宁酸制备了水溶性的CuNCs， 并利用电子转移机理引起的荧光淬灭， 实现了对Fe3+的高灵敏检测。Yang等[16]以半胱氨酸为保护剂合成CuNCs荧光探针， 利用Hg2+和半胱氨酸之间的相互作用， 通过荧光淬灭实现对Hg2+的检测。目前， 利用荧光纳米簇检测金属离子的工作大部分基于荧光淬灭机理。由于抑制荧光的物质比较多， 荧光淬灭是较为普遍的现象， 对选择性或灵敏度影响较大[17]。

2001年， Luo等[18]发现硅杂环戊二烯衍生物在溶液中几乎不发光， 而在形成固体后发光大大增强， 将此现象称为“聚集诱导发光”（Aggregation.induced emission， AIE）。此后， 基于AIE机理的检测方法被应用于多个发光体系。近年来， AIE不仅应用在设计合成强荧光的纳米簇， 而且在化学传感器、生物荧光探针等领域表现出广阔的应用前景[19， 20]。2014年， Dou等[21]将AIE机理引入到荧光纳米簇领域， 基于弱荧光的AuNCs， 通过聚集诱导发光合成了具有强荧光的Au@Ag NCs。Guo等[22]报道了基于Au（I）.巯基复合物的聚集诱导免标记方法检测Ca2+的方法。Li等[23]探讨了Ag+增强AuNCs荧光的机理， 并利用聚集诱导现象检测Ag+。利用“Turn.on”型荧光探针对金属离子检测， 探针对特定的目标物有灵敏的响应信号， 且引起荧光信号增强， 因此， 该类探针具有更高的选择性或灵敏度。不过， 目前金属纳米簇AIE现象的研究主要集中在Au、Ag等贵金属上， 在非贵金属Cu纳米簇上的研究较少。Jia等[24，25]首先发现了CuNCs的溶剂AIE现象， 阳离子诱导CuNCs的AIE现象未见报道。

本研究合成了还原型谷胱甘肽（L.GSH）保护的铜纳米簇（CuNCs@GSH）， 其荧光强度较弱； 基于AIE原理， Pb2+可使其荧光强度显著增强， 采用CuNCs@GSH为荧光探针， 建立了“Turn.on”型定量检测Pb2+的特异性检测方法， 在紫外光下可实现对Pb2+的可视化定性检测。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

F97Pro荧光分光光度计（上海棱光技术有限公司）； Tecnai G2透射电子显微镜（FEI公司）； PHS.3CpH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）。

L.GSH， Cu（NO3）2·3H2O， ZnCl2， CrCl3， CoSO4·7H2O， MnCl2·4H2O， NiSO4·6H2O和Fe（NO3）3·9H2O（生工生物工程上海股份有限公司）； Pb（NO3）2（西格玛奥德里奇上海贸易有限公司）； CaCl2（天津市大茂化学试剂厂）； MgCl2（西陇化工股份有限公司）； Hg（NO3）2·H2O（百灵威科技有限公司）。所用试剂均为分析纯以上， 实验用水为超纯水。

2.2 Cu NCs@GSH合成

参照文献[11＼]方法合成Cu NCs@GSH， 具体如下： 5.0 mL Cu（NO3）2（20 mmol/L）与5.0 mL L.GSH（80 mmol/L）溶液混合， 用1 mol/L NaOH调节至pH≈5.0， 在室温下搅拌反应1 h， 得到微黄色透明溶液。取500 μL反应液， 使用截留分子量3000的超滤离心管（美国Millipore）进行离心分离， 除去未反应的GSH和Cu2+， 得到CuNCs@GSH（460 μL）。

2.3 Pb2+的检测

将纯化后的CuNCs@GSH溶液稀释10倍， 取450 μL于0.5 mL离心管中， 分别加入50 μL不同浓度的Pb（NO3）2溶液， 测定荧光强度， 激发波长360 nm。

3 结果与讨论

3.1 Cu NCs@GSH的聚集诱导增强现象

以360 nm为激发波长， 合成的Cu NCs@GSH溶液在624 nm处出现最大发射峰， 如图1A所示， 与文献[11＼]报道的结果基本一致。其透射电镜图（TEM）如图1B所示，图中没有观察到大的金属纳米粒子和团聚现象， 合成的纳米簇尺寸相对均匀， 平均粒径约2.6 nm， 证明成功合成了Cu NCs。

如图2a所示， 在365 nm的紫外光下， 制备的CuNCs@GSH溶液稀释10倍后几乎观察不到荧光现象。向此溶液中加入400 μmol/L Pb2+时， 溶液变为乳白色， 且发出强的橙黄色荧光， 如图2b所示， 荧光强度急剧增强约38倍。同时， 荧光发射峰位置由624 nm蓝移至607 nm。这可能是由于Pb2+可以与CuNCs@GSH表面残留的羧基之间存在强的静电吸附作用[26]， 通过形成GSH.Pb2+.GSH使分散在水溶液中的GSH.Cu（I）复合物相互靠近[27，28]， 电子从配体转向Cu2+和Pb2+（Ligand.to.metal.metal charge transfer）， 使溶液荧光显著增强[29]。Luo等[30]在研究金纳米簇AIE现象时发现， 纳米簇表面Au+.Au+之间的作用在聚集状态时变得更紧密， 会造成发射峰的蓝移。在本研究中， 可能由于CuNCs@GSH表面Cu+.Cu+之间的作用变得更强， 造成了发射峰蓝移的现象。

3.2 基于AIE原理检测Pb2+

如图3A所示， 在反应体系中， 当Pb2+浓度由100 μmol/L增加到700 μmol/L时， CuNCs@GSH溶液由澄清逐渐变为乳白色溶液。在365 nm波长的紫外光下可观察到， 随着Pb2+浓度增加， 溶液发出明亮的橙黄色荧光。由图3B可见， 随着Pb2+浓度增加， 体系的荧光强度也随之不断升高。以Pb2+浓度（μmol/L）为横坐标， 荧光强度变化的程度（F-F0）/F0为纵坐标（F0、F分别为Cu NCs@GSH加入Pb2+前后的荧光强度）绘制标准曲线， 如图3C所示， 二者在Pb2+的浓度为200～700 μmol/L范围内， 呈现良好的线性关系， 线性方程为（F-F0）/F0=0.1635C-23.0369， 相关系数R2=0.9982， 检出限为106 μmol/L（S/N=3）

3.3 体系的选择性

考察了400 μmol/L Pb2+和4 mmol/L Hg2+， Ca2+， Na+， Co2+， K+， Fe3+， Zn2+， Cu2+， Cr3+， Mn2+， Mg2+， Ni2+的荧光响应。如图4A所示， 13种金属离子中， 400 μmol/L Pb2+使体系荧光变化最为明显， 荧光强度显著增强， 在紫外光下观察到溶液发出明亮的橙黄色荧光。如图4B所示， 400 μmol/L Pb2+使体系荧光强度增强约38倍， Hg2+和Cu2+使荧光完全淬灭， Ca2+， Na+， Co2+， K+， Fe3+， Cr3+， Mn2+， Mg2+和Ni2+对体系的荧光几乎没有影响。Zn2+对体系也有AIE现象， 但10倍于Pb2+浓度的Zn2+仅使体系荧光增强2.5倍左右， 其AIE效果远不如Pb2+。上述结果表明， 本方法具有良好的选择性。

3.4 实际水样中Pb2+的检测

河水样品取自大连理工大学盘锦校区中的凌水河， 用0.22 μm滤膜过滤， 除去水中的杂质和大的颗粒物。采用标准加入法向待测样品中加入Pb2+， 测定各个样品的荧光强度。河水中未检出Pb2+。加标回收实验结果如表1所示， Pb2+的回收率约为98.9%～101.1%， 表明本方法可以用于检测实际河水样品中的Pb2+。

本研究基于阳离子AIE的Cu NCs@GSH发光现象， 建立了检测Pb2+的分析方法。Pb2+使得Cu NCs@GSH的荧光显著增强， 显示明亮的橙黄色荧光。CuNCs探针廉价易得， 聚集诱导简单快速， 并具有很高的选择性， 有望在冶金等领域中实现对Pb2+的可视化定性检测。

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Abstract A turn.on fluorescence analysis method was established for detection of Pb2+ based on aggregation.induced emission. Glutathione.protected non.noble metal copper nanoclusters （CuNCs@GSH） exhibited nearly no fluorescence. However， the fluorescence intensity of CuNCs@GSH was remarkably improved in the presence of Pb2+and showed bright orange fluorescence. A fluorescencent method for detection of Pb2+ was established based on this principle. The fluorescence change of the CuNCs@GSH solution showed a linear relationship with Pb2+ concentration within the range of 200-700 μmol/L. The limit of detection was 106 μmol/L （S/N=3）. This method is simple， rapid and highly selective， and can be used for the visual qualitative detection of Pb2+ under ultraviolet （UV） lamp.

Keywords Aggregation.induced emission； Copper nanoclusters； Lead ion