1、 78 Univ.Chem.2023,38(4),7887 收稿：2022-11-15；录用：2022-12-20；网络发表：2023-03-17*通讯作者，Email: 基金资助：国家自然科学基金项目(21904114)；云南省基础研究计划项目(202001AU070067,202201AT070028)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202211048 RGB阵列式荧光传感技术用于检测高原湖泊中多种重金属离子阵列式荧光传感技术用于检测高原湖泊中多种重金属离子 马璐瑶，张钧富，陈怡橦，杨通*云南师范大学化学化工学院，昆明 650500 摘要：摘要：众所周知，重金属离子难在自
2、然界中降解，一定量的重金属离子会在生物体中发生富集，严重威胁生命体健康。云南省拥有丰富的高原湖泊淡水资源，开展对高原湖泊重金属污染的研究，有助于深入了解高原湖泊重金属污染的现状，为其治理提供依据。荧光探针在重金属离子检测方面具有灵敏度高、选择性好、操作简单等优点。本新创实验将合成三种不同荧光发射的纳米材料：碳点(CDs，蓝色)、量子点(CdTe QDs，绿色)、金纳米簇(Au NCs，红色)。在96孔板中，分别加入以上三种荧光纳米探针以及CDs和Au NCs的混合式比率型探针，形成5 12的阵列形式，通过荧光猝灭及比率荧光的方式实现对高原湖泊水样中Pb2+、Cu2+、Hg2+的检测。本实验还在
3、紫外灯下，借助智能手机APPColorimeter X读取溶液的R、G、B值，基于此可实现金属离子的便捷式检测。本新创实验仪器小型化、高通量检测、视觉效果好，在应用于高校综合性实验开展方面，可解决部分高校实验仪器短缺、本科实验枯燥、与科研前沿相脱轨的问题。关键词关键词：RGB阵列式分析；纳米荧光探针；手机检测；高原湖泊；重金属离子 中图分类号：中图分类号：G64；O6 RGB Array Fluorescent Sensing Technology for the Detection of Multiple Heavy Metal Ions in Plateau Lakes Luyao Ma,
4、Junfu Zhang,Yitong Chen,Tong Yang*College of Chemical and Chemical Engineering,Yunnan Normal University,Kunming 650500,China.Abstract:As we all know,heavy metal ions are difficult to degrade in nature,and a certain amount of heavy metal ions will be enriched in living organisms,which seriously threa
5、tens the health of life.Yunnan Province has abundant freshwater resources in plateau lakes.The research on heavy metal pollution in plateau lakes is conducive to in-depth understanding of the current situation of heavy metal pollution in plateau lakes,which can provide a basis for its comprehensive
6、control.Fluorescent nanoprobes exhibit advantages such as high sensitivity,good selectivity and simple operation in the detection of heavy metal ions.Three nanomaterials with different fluorescence-emission including carbon dots(CDs,blue),quantum dots(CdTe QDs,green),and gold nanoclusters(Au NCs,red
7、)were successfully synthesized.Then,the above three fluorescent nanoprobes and the mixed ratiometric probes of CDs and Au NCs were added into the 96-well plate to form a 5 12 array which was used to detect Pb2+,Cu2+and Hg2+in the plateau lake water sample based on the fluorescence quenching and rati
8、ometric fluorescence.In addition,the RGB values of the above solution in 96-well plate were recorded by APP-Colorimeter X in smartphone under the ultraviolet lamp.This proposed method exhibited superior testing performances toward Pb2+,Cu2+and Hg2+,including portability,high-throughout,sensitivity,g
9、ood visual effect,miniaturization,and small volume.Finally,this newly created experiment can solve the shortage problems of experimental instruments in some universities,boring undergraduate experiments,and derailment with the frontier of scientific research,which can facilitate the development of c
10、omprehensive experiments in universities.No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202211048 79 Key Words:RGB array analysis;Fluorescent nanoprobe;Smartphone detection;Plateau lake;Heavy metal ions 1 引言 引言 重金属(如Pb2+、Cu2+、Hg2+)的毒性、持久性、不可生物降解特性，对生态环境和人类健康产生了严重的负面影响1。云南省拥有丰富的高原淡水湖泊资源，对高原湖泊水的保护和治理是可持续发展及维持生态平衡的关键环节2。因此，
11、把检测高原湖泊水样中的重金属离子纳入本科化学实验教学中有利于学生了解当前本省高原湖泊水重金属污染现状，培养学生社会责任感，提升绿色环保意识，正确引导学生形成人与自然和谐发展的观念。荧光纳米材料具有较高的荧光强度和良好的光稳定性3，将其应用于离子检测还具有灵敏度高、选择性好、操作简单、成本低、可视化效果好等特点4。目前，研究较多的荧光纳米材料主要包括金属纳米簇、半导体量子点、碳点等。凌洁等5制备了以半胱氨酸为稳定剂的金纳米簇作为检测水中Cu2+的荧光探针。Zhang等6制备了金纳米簇作为检测Ag+和Hg2+的双功能荧光探针。Zhang等7构建了一种基于量子点的比率荧光探针(G-QDs和R-QDs
12、)对水样中的Cu2+进行检测。Xu等8构建了Arg/Glu-CQDs荧光探针用于对水样中Fe3+的检测。Wang等9合成了FA-CQDs用于检测水溶液中的Hg2+。研究得知，荧光纳米探针对水样中的重金属离子的检测可操作性强，实验结果可观。但多数研究的检测对象单一，无法实现对多种重金属离子进行高通量检测。故本实验采用纳米荧光探针检测水样中重金属离子的方法，结合阵列式传感技术，实现检测对象由单靶物到多靶物的转变。目前大学本科实验教学存在教学内容陈旧、重复，实验仪器大型化且维修费用昂贵，检测对象单一，检测方法多用于常量分析等问题。为此本实验引入与课程理论知识联系密切的科研热点及前沿科学研究技术来解决
13、实际问题，借助智能手机实现对水样中重金属离子的检测。综合以上几个方面，设计了“RGB阵列式荧光传感技术用于检测高原湖泊中多种重金属离子”实验。实验以柠檬酸钠和聚丙烯酰胺为原料合成蓝色荧光CDs(对Pb2+具有选择性识别)，以巯基丙酸为稳定剂合成绿色荧光CdTe QDs(对Cu2+具有选择性识别)，以BSA为稳定剂合成红色荧光Au NCs(对Hg2+具有选择性识别)。考虑到实验结果的可视化及准确性，本实验设计了两种不同体积比混合的CDs/BSA-Au NCs比率型荧光纳米探针，用于对Pb2+、Hg2+的检测。在96孔板中，加入以上荧光探针形成5 12的阵列形式，并分别与不同种重金属离子发生荧光猝
14、灭反应。因溶液的荧光颜色与RGB值有较好的线性关系。故使用智能手机APPColorimeter X在365 nm紫外灯照射下识别溶液的RGB。绘制RGB值与Pb2+、Cu2+、Hg2+浓度的标准曲线。最后，将预处理后的某高原湖泊水样进行加标回收实验。该实验为综合性实验，实验涵盖了材料化学、分析化学、环境科学等学科领域的课程理论知识、实验技能和方法，实现学科交叉融合。学生通过完成该实验可以学习RGB多色纳米荧光探针检测重金属离子的知识、技能和方法，深刻领悟分析化学方法所体现出的“4S+3A”(简单(Simpleness)、快速(Speediness)、选择性(Selectivity)、灵敏度(S
15、ensitivity)、准确度(Accuracy)、自动化(Automatization)、应用(Application)的本质特点，提升综合分析能力、动手操作能力、团队协作能力、创新能力，体会到该实验方法对环境治理具有指导意义以及感受到学科交叉的运用价值，激发学生对化学学习和科学研究的热情。2 实验部分 实验部分 2.1 实验原理 实验原理 在365 nm紫外灯照射条件下，三种荧光探针Au NCs、CdTe QDs、CDs分别显示蓝色、绿色和红色，对应不同的R、G、B值。CDs、CdTe QDs、Au NCs可通过荧光猝灭的形式，分别对Pb2+、Cu2+、Hg2+有选择性的响应。随着重金属离
16、子浓度的增大，它们的荧光强度均呈现降低的趋势。荧80 大 学 化 学 Vol.38 光探针与重金属离子混合液的R、G、B值也会因荧光强度的改变而改变。据此，在365 nm紫外灯照射下，可以通过手机检测混合液R、G、B值的变化，如图1AC，分别建立重金属离子浓度与R值、G值、B值的线性关系，实现对Pb2+、Cu2+、Hg2+的单色荧光检测。图图1 单发射、双发射比率型探针颜色范围变化 单发射、双发射比率型探针颜色范围变化 CDs/Au NCs比率型荧光探针检测Pb2+、Hg2+原理分别是CDs对Pb2+有响应发生荧光猝灭，Au NCs对Pb2+无响应不会发生荧光猝灭，将CDs与Au NCs按相应体积比构建比率型荧光探针，将Au NCs作为参比探针，CDs作为响应探针。如图1D所示，随着Pb2+浓度的增加，体系发生从蓝色到粉色的显著颜色变化。Au NCs对Hg2+有响应发生荧光猝灭，CDs对Hg2+无响应不会发生荧光猝灭，将CDs与Au NCs按相应体积比构建比率型荧光探针，将CDs作为参比探针，Au NCs作为响应探针。如图1E所示，随着Hg2+浓度的增加，体系发生从粉色到蓝色的显著颜色