基于MoS₂量子点荧光内滤作用测定环境水样中对硝基苯酚

Determination of p-Nitrophenol in Environmental Water Samples Based on MoS₂ Quantum Dots by Fluorescence Inner Filter Effect

摘要: 以钼酸钠和L-半胱氨酸为原料，聚(4-苯乙烯磺酸钠)为修饰剂，通过一步水热反应法成功制备了二硫化钼量子点(MoS₂ QDs)。所制备的MoS₂ QDs在390 nm处有较强荧光发射(激发波长300 nm)，由于在碱性条件下，对硝基苯酚(p-NP)在390 nm处有明显吸收峰，因此p-NP对MoS₂ QDs荧光具有较强内滤作用(IFE)，基于这种内滤作用建立了p-NP的分析新方法。该方法检出限(3σ)为0.13 μM，相对标准偏差RSD为1.2% (c = 15 μM, n = 11)。线性范围为1~20 μM。该方法成功应用于环境水样中p-NP的测定。

Abstract: Molybdenum disulfide quantum dots (MoS₂ QDs) were successfully prepared by one-step hydro-thermal reaction using sodium molybdate and L-cysteine as raw materials and poly (4-styrenesul- fonate) as a modifier. The prepared MoS₂QDs have a strong fluorescence emission at 390 nm (ex-citation wavelength is 300 nm); p-NP is observed at 390 nm under alkaline conditions. Therefore, p-NP has a strong inner filter effect (IFE) on the fluorescence of MoS₂ QD and a new analytical method for p-NP is established based on this IFE. The detection limit (3σ) of this method was 0.13 μM, and the relative standard deviation RSD is 1.2% (c = 15 μM, n = 11). The linear range is 1 - 20 μM. This method is successfully applied to the determination of p-NP in environmental water samples.

1. 引言

对硝基苯酚(p-NP)是一种常见且重要的硝基芳香化合物，已广泛用于农药，炸药，染料和制药工业 [1] [2] 。然而，p-NP也是一种难降解的环境有害污染物，由于其高稳定性和污染性，从污染的废水和土壤中去除p-NP生物降解性差 [3] 。因此，开发简单的，快速有效的选择性检测饮用水和环境水样中p-NP水平的方法具有重要意义。

目前，常用于检测p-NP的分析方法有液相色谱——质谱法 [4] ，电化学 [5] [6] [7] ，光电化学 [8] ，高效液相色谱 [9] ，以及基于电化学传感平台 [10] [11] 。但是这些方法通常需要庞大且昂贵仪器，复杂的样品预处理或电极改性，耗时的检测过程，荧光光谱法作为一种高灵敏度的分析技术，具有选择性，分析速度快，可实时分析等特点，已经广泛应用于分析化学 [12] [13] 。最近已有用于检测p-NP的荧光传感体系 [14] [15] [16] [17] 。

本文通过水热法制备了荧光MoS₂ QDs量子点，构建了基于IFE机理的p-NP分析新方法，该方法成功用于环境水样中p-NP的测定。

2. 实验部分

2.1. 实验仪器及试剂

电热鼓风干燥箱(北京市永光明医疗仪器有限公司，101-OAS)

高速离心机(湖南湘仪实验室仪器开发有限公司，H1650-W)

荧光分光光度计(Shimadzu, F-6000)，(岛津企业管理中国有限公司)

紫外分光光度计(Shimadzu, UV-2450)，(岛津企业管理中国有限公司)

傅里叶变换红外(FT-IR，北京瑞利分析仪器责任有限公司)

荧光分光光度计(FL-TCSPC, Horiba Jobin Yvon，法国)

透射电镜(Tecnai G2 F20 S-TWIN (200 KV), FEI, American)

2.2. 试剂及溶液配制

对硝基苯酚(p-NP)、聚(4-苯乙烯磺酸钠)(PSS)、胆酸钠和钼酸钠购于上海阿拉丁科技股份有限公司(www.aladdin-e.com，中国)。L-半胱氨酸和FeCl₃·6H₂O购于天津市科密欧化学试剂有限公司，其他金属盐试剂购于Sinopharm (中国上海市)。Britton-Robinson (B-R)缓冲溶液用于控制溶液的酸度。实验其它化学试剂均为分析纯，使用前未进行纯化处理。超纯水(18 MΩ∙cm⁻¹)用于所有实验。

2.3. 二硫化钼量子点(MoS₂ QDs)的制备

参考文献报道方法制备MoS₂ QDs [18] ，具体方法如下：将钼酸钠(0.25 g)、L-半胱氨酸(0.5 g)和PSS (0.25 g)溶于75 mL超纯水中，调节溶液pH 为6.5。将上述溶液转移至Teflon高压反应釜中(100 mL)，在200℃条件下反应30 h。反应结束后，待高压釜自然冷却到室温，反应釜中所得溶液高速离心(5000 rpm，10 min)除去不溶物后得到浅黄色溶液，所得溶液用分子截留量为100 Da的透析袋中透析2 h，将所得溶液4℃下保存以供后续实验使用。

2.4. 实验方法

在10 mL比色管中依次加入0.5 mL的MoS₂ QDs溶液，5.0 mL缓冲液(pH10)和一定量的p-NP标准溶液(或样品溶液)，定容，摇匀后测定激发波长Ex 310 nm条件下发射峰(Em 390 nm)的荧光强度(I)，同时做空白实验(不加p-NP)，空白溶液荧光强度为I₀，计算两者的差值 $\Delta I=I_0-I$ 。

3. 结果与讨论

3.1. MoS₂QDs的表征

图1(a)是MoS₂ QDs的TEM图。MoS₂ QDs呈现较好球形，其粒径约为10 nm。

Figure 1. (a) Typical TEM; (b) FT-IR spectra; (c) UV-vis absorption spectra, the excitation and emission spectra; (d) Effects of pH on fluorescence intensity of the prepared MoS₂ QDs

图1. (a) MoS₂ QDs的TEM图；(b) MoS₂ QDs的FT-TR光谱；(c) MoS₂ QDs的紫外–可见吸收，激发–发射光谱图；(d) pH对MoS₂ QDs荧光的影响

图1(b)是MoS₂ QDs的FT-IR光谱。在550 cm⁻¹附近有吸收峰是Mo-S的伸缩振动峰。920 cm⁻¹附近有吸收峰说明有成键的O-H面外弯曲振动。1129 cm⁻¹、1557cm⁻¹和1399 cm⁻¹处的吸收峰归属于C-O，C=O和S=O的伸缩振动峰。2900 cm⁻¹和3442 cm⁻¹处的吸收峰是C-H和O-H伸缩振动峰。

图1(c)显示了MoS₂ QDs的紫外–可见吸收和荧光激发、发射光谱图，紫外–可见吸收光谱显示MoS₂ QDs具有较宽的吸收峰。荧光激发光谱和发射光谱表明MoS₂ QDs的最佳激发波长和发射波长分别为310 nm和390 nm。

图1(d)表明MoS₂ QDs量子点的荧光发射具有良好的pH稳定性，在pH 2~13范围内，MoS₂ QDs的荧光强度变化较小，表明其具有较好的pH稳定性。

3.2. MoS₂ QDs测定p-NP的机理

所制备的MoS₂ QDs对p-NP的高选择性和高灵敏度响应具有重要意义。图2(a)所示，在p-NP存在的条件下，MoS₂ QDs在发射波长为390 nm处的荧光强度可以被有效的猝灭。在p-NP浓度为1~20 μM的范围内(图2(b))，MoS₂ QDs荧光强度降低的程度(ΔI)与p-NP浓度呈线性关系，根据IUPAC (3σ)规定，该方法的检测极限计算为0.13 μM。此外，使用Sterm-Volmer方程分析荧光猝灭[b]：ΔI = Ksv[P-NP] + 1。其中I₀和I分别是没有添加p-NP和添加p-NP时测得的荧光强度，[p-NP]是p-NP的摩尔浓度，Ksv是猝灭常数(M)。拟合曲线得到的Ksv值为14957.1 L·mol⁻¹。如图3(b)所示，ΔI和p-NP浓度(符号C，单位μM)之间的线性方程是 $\Delta I=14957.1C+29933$ 。相对标准偏差(RSD)为1.6 % (c = 15 μM)。

Figure 2. Fluorescence quenching of MoS₂ QDs by p-NP. (a) Fluorescence responses of the MoS₂ QDs in the presence of different concentrations of p-NP (0, 1, 5, 10, 12, 15, 17, 20, and 50 µM); (b) Dependence of I₀-I on the concentration of p-NP

图2. 二硫化钼量子点被p-NP猝灭(a)二硫化钼量子点被p-NP (0，1，5，10，12，15，17，20和50 µM)猝灭；图(b)不同浓度的p-NP与二硫化钼量子点荧光强度ΔI和浓度c的线性关系

p-NP能有效猝灭MoS₂ QDs荧光猝灭机理是MoS₂ QDs和p-NP之间的强内滤效应(IFE)。在碱性介质中(pH 10)p-NP在390 nm处(图3(a))具有强烈的特征吸收(A_390nm = 0.41, ε = 4.1 × 10⁴ cm⁻¹·mol⁻¹·L)，p-NP的吸收峰与MoS₂ QDs的荧光发射峰有较大重叠。则MoS₂ QDs与p-NP之间可能产生荧光共振能量转移(FRET)或内滤作用。通过对MoS₂ QDs和MoS₂ QDs+p-NP体系中MoS₂ QDs荧光寿命的测定(图3(b))，表明MoS₂ QDs与p-NP作用前后其平均荧光寿命不变，则说明MoS₂ QDs与p-NP之间没有能量共振转移。

通过在存在干扰物质的情况下测定p-NP来评估分析方法p-NP的选择性。如图4(a)所示，选择10 μMp-NP和其他有机物(硝基苯(NB)、对苯二酚(HQ)、对硝基甲苯(p-NT)、对氯苯酚(p-CT)、2.4.6-三氯苯酚(TCP)、2.4-二氯苯酚(DCP)、2.4-二硝基苯酚(DNP)、乳果糖(Lac)、葡萄糖(Glu)、甲硫氨酸(Met)和组氨酸(His))在pH 10条件下来研究MoS₂ QDs的荧光性能。与对照组相比，在竞争性化合物(10 μM，对于DNP 10 μM)存在下，MoS₂ QDs对p-NP的荧光猝灭行为保持相似，这表明传感器检测p-NP的高特异性。金属离子也用于研究p-NP检测的选择性。如图4(b)所示在pH 10时在存在p-NP和不存在p-NP的条件下，大多数金属离子(100 μM，Hg和Cu为10μM，Fe和Ag为1 μM)对MoS₂ QDs的荧光强度没有明显的影响。因此由于金属离子较高的耐受浓度可能是检测水样中p-NP的基础。

Figure 3. Detection mechanism of p-NP. (a) UV-vis absorption spectra of p-NP and emission Spectra of MoS₂ QDs. (b) Fluorescence decay profiles of MoS₂ QDs in the absence and presence of p-NP

图3. p-NP猝灭MoS₂ QDs的机理研究(a) p-NP的紫外–可见吸收光谱及MoS₂ QDs的发射光谱。(b) MoS₂ QDs与p-NP共存下的荧光寿命

Figure 4. Interferences of (a) other organic compound and (b) mental ions in BR buffer (pH 10). Concentrations of p-NP and organic compound are 10 μM, metal ions are 100 μM (10 μM for substances indicated with*, 1 μM for substances indicated with**)

图4. (a) 在pH 10的B-R缓冲溶液存在体系下加入有机化合物干扰物(p-NP、有机化合物干扰物的浓度均为10 μM)。(b) 在pH 10的B-R缓冲溶液存在体系下加入金属离子干扰物(p-NP浓度为10 μM，金属离子为100 μM，带有*的为10 μM，带有**的为1 μM)

3.3. 样品测定

分析水样为合成水样(在蒸馏水中加入一定量的p-NP溶液)，然后将一定量的合成水样加入MoS₂ QDs与B-R的缓冲溶液体系中然后进行荧光测定。分析结果如表1所示，加标回收率为94%~105%。

Table 1. Determination of p-NP in real samples (n = 3, mean ± SD, 1 μM)

表1. 实际样品中p-NP的测定(n = 3, mean ± SD,1 μM)

4. 结论

采用一步水热法成功制备PSS修饰MoS₂ QDs，基于p-NP对MoS₂ QDs的荧光内滤作用建立了p-NP的分析新方法，该方法检出限为0.13 μM，相对标准偏差为1.2%，线性范围为1~20 μM，该方法具有简便便、快速、灵敏的特点，为快速检测p-NP提供了参考。

NOTES

^*通讯作者。