基于复合物比率荧光探针的水样中总磷检测方法

摘要

本发明公开了一种基于复合物比率荧光探针的水样中总磷检测方法，属于环境监测技术领域。本发明基于稀土离子聚合物与碳量子点构建了N,S‑CQDs/EuCPs复合物比率荧光探针体系。该探针除了Fe

说明书

技术领域

本发明涉及水样中总磷的检测方法，具体涉及一种基于稀土离子聚合物与碳量子点构建的复合物比率荧光探针对水样中总磷的检测方法，属于环境监测技术领域。

背景技术

水中磷可以以单质磷、偏磷酸盐、正磷酸盐、焦磷酸盐和有机磷等形式存在。其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。水体中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体污秽异臭，使湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因。总磷是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量。

目前测定水样总磷的方法有：钼酸铵分光光度法，其最低检出浓度为0.01mg/L；流动注射-钼酸铵分光光度法，其检出限为0.005mg/L。离子色谱法测定可溶性磷酸盐的方法检出限为0.007mg/L。目前水样总磷的测定方法，灵敏度总体不够高，勉强能满足水体总磷测定的需求，对于干净未受污染的地表水检测存在灵敏度不够的问题，而且分光光度法还存在共存基体干扰的问题，发展灵敏度高、选择性好的分析方法有重要的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种基于复合物比率荧光探针的水样中总磷检测方法。

本发明基于稀土离子聚合物与碳量子点的复合物比率荧光探针建立了简便、灵敏、选择性检测水样中总磷的分析方法。本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于复合物比率荧光探针的水样中总磷检测方法，其步骤如下：

1)对待测水样用浓硝酸进行消化处理，使水样中各种形态的磷转化为正磷酸盐；

2)取EuCPs粉末分散于氨基乙酸缓冲溶液中，超声分散后得到EuCPs均一分散溶液；将碳量子点N,S-CQDs加水配制成N,S-CQDs水溶液；

3)在比色管中，依次加入N,S-CQDs水溶液和EuCPs均一分散溶液混合，混合液中N,S-CQDs和EuCPs质量浓度比为1：40～4:10；然后再定量加入待测样品，超纯水定容后摇匀并室温静置；

4)取静置后的样品置于比色皿中，以285nm为激发波长，扫描370-750nm波长范围内的发射光谱，以617nm与420nm处荧光强度的比值I₆₁₇/I₄₂₀与磷酸根浓度的线性关系进行定量检测。

作为优选，所述的EuCPs粉末的合成方法为：

将0.5mmol均苯四甲酸溶于80mL超纯水中，然后加入1.0mmol咪唑-2-甲醛，超声15min后，用2.0mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至8.0，室温下搅拌6h后得到亮黄色H₄btec-ICA溶液，最后将10mL>3·6H₂O溶液缓慢逐滴加入到H₄btec-ICA溶液中，常温下搅拌2h之后得到EuCPs产物；该产物通过高纯水洗涤并进行12000rpm离心10min，离心沉淀物在50℃下真空干燥24h得到EuCPs淡黄色粉末。

作为优选，所述的碳量子点N,S-CQDs的合成方法为：

将4.5g柠檬酸和2g L-半胱氨酸加入10mL去离子水中，超声分散15min，将混合物转移到100mL聚四氟乙烯内衬的的高压反应釜中，在真空干燥箱180℃条件下反应12h后停止反应，自然冷却至室温，得到棕黄色产品溶液；将棕黄色产品溶液于12000rpm离心10min，取上清液，并用0.22μm微孔滤头过滤，将过滤得到的亮黄色产品在真空旋转凝缩仪中于50℃条件下浓缩，最后放入电热真空干燥箱中于55℃条件下干燥得到碳量子点N,S-CQDs。

作为优选，所述的EuCPs均一分散溶液中，EuCPs浓度为0.2g/L。

作为优选，所述的N,S-CQDs水溶液中，N,S-CQDs浓度为0.1g/L。

作为优选，所述混合液中N,S-CQDs和EuCPs质量浓度比优选为1：10。

作为优选，所述步骤3)中，室温静置时间为10min。

作为优选，所述的氨基乙酸缓冲溶液浓度为20mM，pH为6.5。

作为优选，比值I₆₁₇/I₄₂₀与磷酸根浓度c的线性方程式为：I₆₁₇/I₄₂₀＝-0.0177c+2.542。

作为优选，所述的待测水样为自来水、湖水、河水或人体尿液。

本发明基于稀土离子聚合物与碳量子点构建了复合物比率荧光探针，该探针除了Fe³⁺略有轻微影响外，其他金属阳离子或无机阴离子加入前后，均未对荧光强度比值产生明显的影响，表明该N,S-CQDs/EuCPs复合物比率荧光探针体系可以实现磷酸根的选择性检测。采用该方法对自来水、湖水、河水以及人体尿液中的磷酸根浓度进行测定，测得的磷酸根浓度与磷钼蓝分光光度法测定的结果具有良好的一致性。

附图说明

图1为N,S-CQDs/EuCPs复合物浓度比对探针荧光强度的影响；

图2为其它共存阴阳离子对比率探针检测磷酸根的选择性影响

图3为N,S-CQDs/EuCPs复合物比率荧光探针对磷酸根检测的线性范围

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

实施例1

基于稀土离子聚合物与碳量子点的复合物比率荧光探针建立了简便、灵敏、选择性检测水样中总磷的分析方法，包括以下步骤：

(1)EuCPs的合成：将均苯四甲酸(H₄btec，0.5mmol,127.1mg)溶于80mL超纯水中，然后加入咪唑-2-甲醛(ICA，1.0mmol,96.1mg)，超声15min后，用2.0mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至8.0，室温下搅拌6h后得到亮黄色H₄btec-ICA溶液，最后将配制的EuCl₃·6H₂O溶液(10mL,50mmol/L)缓慢逐滴加入到H₄btec-ICA溶液中，常温下搅拌2h之后得到EuCPs产物。该反应产物通过高纯水洗涤并进行离心(12000rpm,10min)，再于50℃下真空干燥24h得到EuCPs淡黄色粉末。

本实施例中的EuCPs是在水相中常温合成的，相对于水热法合成以及有机溶剂热法合成的EuCPs尺寸较小，且呈规则的片状，因此在水溶液中分散性较好。此外，常温与有机溶剂热法制备的EuCPs，具有相当的荧光量子产率。因此常温合成的EuCPs具有更好的水分散性和优良的荧光特性，说明了该常温水相制备EuCPs方法的可行性以及在分析领域应用的可能性。

(2)碳量子点(N,S-CQDs)的合成：称取柠檬酸(CA，4.5g)，L-半胱氨酸2g放入50mL小烧杯中，加入10mL去离子水，超声分散15min，将混合物转移到100mL聚四氟乙烯内衬的的高压反应釜中，然后置于真空干燥箱中，180℃条件下反应12h后停止反应，自然冷却至室温，得到棕黄色产品，再将其于12000rpm离心10min，取上清液，并用0.22μm微孔滤头过滤。过滤得到的亮黄色产品在真空旋转凝缩仪50℃条件下浓缩，最后放入电热真空干燥箱55℃条件下干燥得到碳量子点N,S-CQDs。N,S-CQDs可用去离子水配制10mL 1.0mg/mL的贮备液，以便于存储使用。

(3)水样的预处理：将采集的水样或尿样用浓硝酸消化后，将各种形态的磷转化为正磷酸盐，后续根据正磷酸根的浓度计算得到样品总磷的浓度。

(4)分析步骤：称取20mg的EuCPs粉末分散于100mL氨基乙酸缓冲溶液(20mM,pH6.5)中，超声分散5min后可以得到浓度为0.2g/L的EuCPs均一分散溶液。10.0mg N,S-CQDs溶于100mL超纯水中得到0.1g/L的水溶液。于10.0mL比色管中，依次加入N,S-CQDs水溶液和EuCPs均一分散溶液，形成检测体系。之后在检测体系混合液中加入不同浓度的PO₄^3-(0-100μmol/L，用于拟合I₆₁₇/I₄₂₀与磷酸根浓度的线性关系)或待测样品，最后用超纯水定容至10.0mL，摇匀并室温静置10min。然后将样品置于1cm比色皿中，以285nm为激发波长，扫描370-750nm波长范围内的发射光谱。以617nm与420nm处荧光强度的比值(I₆₁₇/I₄₂₀)与磷酸根浓度的线性关系进行定量检测。

为了优化该检测体系中N,S-CQDs/EuCPs质量浓度比，在N,S-CQDs/EuCPs质量浓度比为1：40～4:10范围内设置多组梯度试验。

下面展示本实施例的具体结果：

1.N,S-CQDs/EuCPs复合物浓度比的选择优化

EuCPs对Fe³⁺与磷酸根都有灵敏的响应，为了消除Fe³⁺的干扰从而实现EuCPs对磷酸根的选择性检测，考虑利用N,S-CQDs对Fe³⁺也有灵敏选择性响应而对磷酸根无响应的特性，通过构建N,S-CQDs/EuCPs比率探针消除Fe³⁺的干扰。试验了N,S-CQDs/EuCPs复合物浓度比对探针荧光强度的影响，结果如图1所示。当检测体系的混合液中[N,S-CQDs]/[EuCPs]的质量浓度比小于1:10时，即N,S-CQDs相对浓度减小时，EuCPs荧光只发生轻微的淬灭；当检测体系的混合液中[N,S-CQDs]/[EuCPs]浓度比大于1:10时，即N,S-CQDs相对浓度增加时，

N,S-CODs和EuCPs表面基团的作用增强，从而显著淬灭EuCPs特征荧光。综合考虑N,S-CQDs对EuCPs荧光强度的影响以及该体系比率传感的应用，选择浓度比为1:10用于比率传感分析应用。最佳实验条件为：于10.0mL比色管中，依次加入1.0mL 0.1g/L的N,S-CQDs水溶液和5.0mL 0.2g/L的EuCPs均一分散溶液。

2.N,S-CQDs/EuCPs复合物比率荧光探针对磷酸根检测的选择性试验

上述最佳实验条件下，磷酸根可以显著淬灭EuCPs的荧光，而对N,S-CQDs的荧光几乎没有影响；当Fe³⁺加入N,S-CQDs/EuCPs体系中，可以同时显著淬灭EuCPs和N,S-CQDs的荧光；而其他金属离子或者阴离子均未对EuCPs和N,S-CQDs两者的荧光产生影响。因此，利用617nm和420nm波长处的荧光强度比值(I₆₁₇/I₄₂₀)来考察该复合物比率荧光探针体系对磷酸根离子检测的选择性，结果如图2所示。除了Fe³⁺略有轻微影响外，其他金属阳离子或无机阴离子加入前后，均未对荧光强度比值产生明显的影响，表明该N,S-CQDs/EuCPs复合物比率荧光探针体系可以实现磷酸根的选择性检测。

3.N,S-CQDs/EuCPs复合物比率荧光探针对磷酸根检测的线性范围与检测限

如图3所示，N,S-CQDs/EuCPs荧光体系中磷酸根浓度由0逐渐增加到100μM时，617nm和420nm波长处的荧光强度比值(I₆₁₇/I₄₂₀)也随之由2.69逐渐减小到0.51。当磷酸根浓度在0.5-100μM范围内时，荧光强度比值(I₆₁₇/I₄₂₀)与磷酸根浓度可以呈良好的线性关系，线性方程式为I₆₁₇/I₄₂₀＝-0.0177c+2.542(R²＝0.99615)，检出限可以达到68.6nM，对应总磷的检出限为2.1μg/L，该检出限远远低于我国地表水环境质量标准中I类水质标准(总磷≤0.02mg/L)。

4.比率荧光探针对磷酸根检测的实际应用

为了评估该比率荧光探针的实用性，分别采用自来水、湖水、河水以及人体尿液作为待测样本，基于上述步骤(1)～(4)对待测样本中的磷酸根浓度进行了测定，同时用总磷国标测定方法-磷钼蓝分光光度法测定的结果进行了对比，结果如表1。结果表明，测得的磷酸根浓度与磷钼蓝分光光度法测定的结果具有良好的一致性。

表1比率荧光探针对不同样品中磷酸根离子的分析结果

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。