毛月圓， 許業(yè)雕， 李 智， 馬蒙蒙， 李朝陽， 汪徐春*

(1.安徽科技學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2. 復(fù)旦大學(xué) 聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438)

納米材料是近些年來熱門的研究方向,由于納米材料具有尺寸依賴的電學(xué)、光學(xué)、磁性及化學(xué)性質(zhì),而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。特別是具有豐富的類分子性質(zhì)的納米團(tuán)簇材料吸引了眾多研究者的興趣[2]。納米團(tuán)簇材料包含數(shù)十個(gè)金屬原子,其尺寸與電子的費(fèi)米波長接近,因此呈現(xiàn)出介于金屬原子和金屬納米粒子豐富的物理化學(xué)性質(zhì)。納米團(tuán)簇材料具有較強(qiáng)的熒光、良好的光穩(wěn)定性以及較高的熒光效率,因此熒光納米團(tuán)簇材料已經(jīng)發(fā)展為一類新型的熒光材料。常見的金屬團(tuán)簇主要包括AuNCs、AgNCs、CuNCs及由兩種金屬原子構(gòu)成的合金納米簇。由于Cu在水溶液中易被氧化這一性質(zhì)限制了銅納米簇材料的應(yīng)用,與金納米簇及銀納米簇的合成及應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道比較多。經(jīng)過對(duì)銅納米簇材料合成的探索與研究,由DNA[3]、氨基酸[4]、蛋白質(zhì)[5]及聚合物[6,7]保護(hù)的銅納米簇具有較好的穩(wěn)定性,增加了銅納米的應(yīng)用。與AuNCs和AgNCs相比,CuNCs還具有材料廉價(jià)、簡單易得的特點(diǎn),并且CuNCs同樣具有超小尺寸、生物相容、低毒性和熒光性質(zhì)等特點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于金屬離子、pH、小分子物質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等檢測和生物標(biāo)記成像等領(lǐng)域[8]。

銅納米簇材料可用于檢測多種金屬離子,主要包括Fe3+[9-12]、Cu2+[7,13-16]、Al3+[17]、Hg2+[18-19],Pb2+[20]等金屬離子,由于銅納米簇材料的穩(wěn)定性及發(fā)光效率不佳,采用模板法合成的銅納米簇具有較好的穩(wěn)定性和較高的發(fā)光效率,常用的模板是各種生物分子,如蛋白質(zhì)、DNA、聚合物等。例如牛血清蛋白(BSA)保護(hù)的CuNCs被用于Pb2+的檢測[20];谷胱甘肽保護(hù)的CuNCs用于檢測溶液中的Hg2+[19];青霉胺保護(hù)的CuNCs用于檢測溶液中的Fe3+[9];半胱氨酸保護(hù)的CuNCs用于檢測Al3+[21];谷胱甘肽保護(hù)的CuNCs用于檢測Cu2+[16]。CuNCs在離子檢測方面呈現(xiàn)的良好的性質(zhì),可以合成性質(zhì)更加豐富的CuNCs并應(yīng)用于其他離子的檢測中。

銀元素為人類生活中廣泛應(yīng)用的一種重金屬元素,其單質(zhì)或離子被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、電池材料、半導(dǎo)體及成像領(lǐng)域[22]。由于含銀材料具有一定的抗菌性能,因此在生物醫(yī)藥領(lǐng)域被用于以抗菌藥、消毒試劑。正是由于銀離子在人類生活中的應(yīng)用廣泛,將會(huì)在人體內(nèi)大量聚集,引起多種疾病。到目前為止,并沒有關(guān)于CuNCs應(yīng)用于金屬Ag+檢測的相關(guān)報(bào)道。

本文合成了一種還原型谷胱甘肽保護(hù)的銅納米簇CuNCs@GSH,此銅納米簇的熒光極弱,加入Pb2+形成聚集體,其熒光增強(qiáng),形成CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物;再向此聚集體溶液中加入Ag+時(shí),使其熒光逐漸淬滅。銅納米簇材料實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pb2+和Ag+兩種離子的檢測,并且呈現(xiàn)較好的離子選擇性。因此，可將其用作溶液中重金屬離子Pb2+和Ag+的檢測中。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

CuCl2·2H2O(AR,99%),L-谷胱甘肽(RG,99%),NaOH(AR,96%),Pb(NO3)2(RG,99%),AgNO3(RG,99%)，均購于上海泰坦科技有限公司。

UV-2450紫外可見分光光度計(jì)(日本島津公司); FL-4600熒光光譜儀(日本Hitachi); 透射電子顯微鏡(日本日立)。

1.2 谷胱甘肽保護(hù)的銅納米簇的合成

分別取1 mL 0.08 mol/L CuCl2溶液與 5.0 mL 0.08 mol/L谷胱甘肽(L-GSH)溶液加入到反應(yīng)瓶中,充分混合,溶液由無色變?yōu)楹谏?再由黑色變?yōu)槲ⅫS色。向裝有反應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)瓶中滴加0.2 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)至pH=5.0,有乳白色渾濁絮狀物生成,放在低溫冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中攪拌反應(yīng)1 h,得到谷胱甘肽保護(hù)的銅納米簇CuNCs@GSH。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷胱甘肽保護(hù)的銅納米簇的表征

從透射電子顯微鏡(圖1a)可以看出,所制備的銅納米簇的的尺寸大約為5 nm左右,其晶格距離為2.1 ?,此晶面間距對(duì)應(yīng)了銅立方結(jié)構(gòu)的(111)晶面。由XRD圖可得,此銅納米簇主要有3個(gè)衍射峰:31.55?、45.17?、64.50?。根據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ,可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的晶面間距分別為2.88 ?、2.02 ?和1.45 ?。由2θ=45.17°,晶面間距為2.02 ?,接近于TEM數(shù)據(jù)中的晶面間距2.1 ?,對(duì)應(yīng)了銅立方結(jié)構(gòu)(111)晶面。通過透射電子顯微鏡可以看出,向CuNCs@GSH中加入Pb2+后,CuNCs@GSH出現(xiàn)聚集形成顆粒較大的聚集體(圖1c)。

圖1 銅納米簇CuNCs@GSH的(a)透射電子顯微鏡圖片,(b)CuNCs@GSH的X射線粉末衍射圖,(c)CuNCs@GSH加入Pb2+后,聚集體的透射電子顯微鏡圖片F(xiàn)ig.1 (a)TEM image of CuNCs@GSH; (b) XRD spectra of copper nanoclusters; (c) TEM image of aggregate after adding Pb2+to CuNCs@GSH

2.2 CuNCs用于檢測Pb2+

2.2.1 CuNCs用于檢測Pb2+合成的銅納米簇溶液,熒光較弱。向銅納米簇溶液中逐漸加入鉛離子時(shí),銅納米簇在620 nm處的熒光明顯增強(qiáng)在Pb2+濃度在300 μM時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng);當(dāng)繼續(xù)向溶液中加入鉛離子時(shí),熒光會(huì)逐漸減弱。熒光逐漸增強(qiáng)是由于Pb2+可以與谷胱甘肽保護(hù)銅納米簇表面殘留的羧基之間存在強(qiáng)的靜電吸附作用,通過形成 GSH-Pb2+-GSH使分散在水溶液中的GSH-Cu(I)復(fù)合物相互靠近,形成聚集體CuNCs@GSH-Pb2+-GSH@CuNCs (CuNCs@GSH-Pb),電子從配體轉(zhuǎn)向Cu2+和Pb2+使溶液熒光顯著增強(qiáng);Pb2+濃度過大時(shí)將會(huì)引起熒光再次減弱,這是由于鉛離子的加入使得CuNCs聚集,從體系中沉淀出來,從而使得熒光減弱。

圖2 向制備的銅納米簇CuNCs@GSH中逐漸加入Pb2+時(shí),溶液熒光變化趨勢(Ex=365 nm)插圖為(左)制備的銅納米簇?zé)晒庹掌?右)加入Pb2+后的銅納米簇溶液的熒光照片F(xiàn)ig.2 The fluorescence intensity changes of CuNCs as adding Pb2+ (Ex=365 nm)Insert:The fluorescence images of CuNCs@GSH before (left) and after (right) adding Pb2+

2.2.2 CuNCs選擇性 為了排除其他離子對(duì)銅納米簇?zé)晒庑再|(zhì)的影響,我們進(jìn)行了離子選擇性實(shí)驗(yàn)。向制備的銅納米簇中加入不同種類的常見離子,向銅納米簇中加入這些離子后,測定其熒光光譜(如圖3所示,1～8分別表示Pb2+、Ag+、Ca2+、Fe2+、Hg2+、K+、Mg2+、Na+),可以看出此銅納米簇在加入Pb2+時(shí),其熒光明顯增強(qiáng);向溶液中加入其它常見陽離子,其熒光并無明顯變化,可以說明此銅納米簇用于檢測Pb2+具有較高的選擇性。

圖3 (a)銅納米簇CuNCs@GSH對(duì)離子選擇性的熒光光譜圖;(b)銅納米簇選擇性柱狀圖(Insert:加入不同離子后的銅納米簇的熒光照片,1-9分別表示blank, Pb2+、Ag+、Ca2+、Fe2+、Hg2+、K+、Mg2+、Na+,加入的離子濃度為1 000 μM)Fig.3 (a) The selectivity of CuNCs@GSH to other common ions; (b) Column data of selectivity of CuNCs@GSH and 1-9 respect Pb2+、Ag+、Ca2+、Fe2+、Hg2+、K+、Mg2+、Na+, respectively and the concentration of ions was 1 000 μM

2.3 CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物用于檢測Ag+

2.3.1 CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物用于檢測Ag+通過向銅納米簇得到熒光較強(qiáng)且在水中能夠穩(wěn)定存在的CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物,向此復(fù)合物溶液中加入Ag+時(shí),出現(xiàn)熒光淬滅的現(xiàn)象。我們向制備的具有較強(qiáng)熒光的復(fù)合物CuNCs@GSH-Pb中逐漸加入不同濃度Ag+溶液,通過滴定實(shí)驗(yàn)結(jié)果衡量復(fù)合物CuNCs@GSH-Pb對(duì)Ag+的檢測性質(zhì)。在逐漸向復(fù)合物CuNCs@GSH-Pb中加入Ag+時(shí),在620 nm處的熒光逐漸減弱。這可能是由于隨著銀離子的加入,表面的GHS捕獲了溶液中的Ag+,谷胱甘肽與Ag+間進(jìn)行配位,阻斷了由周圍GSH到CuNCs間的電荷轉(zhuǎn)移過程,從而導(dǎo)致銅納米簇的熒光減弱并消失。

圖4 (a)向CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物溶液中逐漸加入Ag+時(shí),溶液熒光的變化趨勢(Ex=365 nm);(b)向CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物溶液中加入不同量的Ag+溶液,在紫外燈下,混合溶液的熒光照片F(xiàn)ig.4 Fluorescence spectra changes (a) and fluorescence images (b) of CuNCs@GSH-Pb complex as adding Ag+to the solution (Ex=365 nm)

2.3.2 CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物離子選擇性 向CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物溶液中加入不同的常見離子,發(fā)現(xiàn)此CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物的熒光不受其他離子的影響,只有在加入Ag+時(shí),溶液的熒光逐漸減弱并消失;加入其它常見離子(Fe2+、K+、Mg2+、Na+、Sn2+、Ca2+、Al3+、Hg2+、NH4+、Zn2+)時(shí),僅有Hg2+對(duì)CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物的熒光有較弱的淬滅效果,其它離子并未對(duì)CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物的熒光產(chǎn)生明顯影響,說明CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物對(duì)Ag+的檢測具有較高的選擇性。

圖5 CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物對(duì)不同離子的選擇性熒光光譜(a)及620 nm處熒光變化柱狀圖(b)(1-12分別表示blank、Ag+、Fe2+、K+、Mg2+、Na+、Sn2+、Ca2+、Al3+、Hg2+、NH4+、Zn2+,濃度為1 000 μM)Fig.5 (a)The selectivity of CuNCs@GSH-Pb complex to other common ions; (b) Column data of selectivity of CuNCs@GSH-Pb and 1-12 respect blank, Ag+，F(xiàn)e2+，K+，Mg2+，Na+，Sn2+，Ca2+，Al3+，Hg2+，NH4+，Zn2+, respectively

3 結(jié)論與討論

實(shí)驗(yàn)通過一步法合成了一種熒光型銅納米簇CuNCs@GSH,并通過透射電子顯微鏡和X射線粉末衍射儀進(jìn)行了表征,透射電鏡及XRD都顯示銅納米簇的晶面間距約為2.1 ?,恰好對(duì)應(yīng)銅立方晶體的(111)晶面。向此CuNCs@GSH中加入Pb2+之后,其熒光強(qiáng)度增強(qiáng),這是由于Pb2+誘導(dǎo)CuNCs@GSH聚集使其在620 nm處的熒光顯著增強(qiáng),形成CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物;向CuNCs@GSH-Pb復(fù)合物中加入Ag+之后,在620 nm處熒光明顯降低。此CuNCs@GSH能夠檢測溶液中的Pb2+和Ag+,并且具有較高的選擇性。本方法合成的谷胱甘肽保護(hù)的銅納米簇可以作為一種能夠順序檢測Pb2+和Ag+的熒光納米材料。