一种快速检测汞离子或甲基硫菌灵的方法

技术领域

本发明属于纳米材料制备和化学分析检测技术领域，具体涉及一种快速检测汞离子或甲基硫菌灵的方法。

背景技术

汞作为一种常见的剧毒重金属，具有极强的生物富集性和难降解性，对自然界中生态环境造成了巨大危害。人体通过口服、吸入或接触等方式，长期摄入汞污染的水和食品，可导致脑和肝损伤，破坏中枢神经系统导致脑死亡，如水俣病等。甲基硫菌灵是一种常见的广谱内吸性杀菌剂，由于其毒性较低且杀菌效果强，被广泛应用于果蔬、花卉和麦类病害的防治。临床上被证明甲基硫菌灵具有致畸性和致癌性，长期误食会破坏人体生殖系统，现已被美国禁用并在全球范围内严格管控。传统的汞离子和甲基硫菌灵的检测方法主要为原子荧光光谱法、原子发射与吸收光谱法、冷原子吸收光谱法和高效液相色谱法等，这些方法具有检测限高、仪器昂贵、操作复杂、耗时等缺点，无法被广大人民群众接受，难以普及开来。

因此有必要进一步建立一种检测限更低、稳定性更好、响应更快，且可投入工业化生产的汞离子或甲基硫菌灵检测方法。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种用于汞离子或甲基硫菌灵的快速检测方法；利用硫掺杂碳量子点在特定pH条件下的缓冲溶液体系中可与汞离子特异性结合并使荧光猝灭，再与甲基硫菌灵特异性结合使荧光恢复，从而达到检测汞离子或甲基硫菌灵的目的；该方法工艺简单、绿色环保、成本低、易普及、可投入工业化生产，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种快速检测汞离子或甲基硫菌灵的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先以硫辛酸和柠檬酸三钠为主要原料，进行水热反应制备硫掺杂碳量子点；

2)将硫掺杂碳量子点分散液分别加入含已知浓度汞离子的待检测溶液体系，或加入依次引入汞离子和已知浓度甲基硫菌灵的待检测溶液体系中，进行静置反应，分别检测静置反应前后，待检测溶液体系的荧光强度变化，分别构建荧光强度变化与汞离子或甲基硫菌灵浓度之间的线性关系；以实现不同溶液体系中汞离子或甲基硫菌灵浓度的快速检测。

上述方案中，所述硫掺杂碳量子点的制备方法包括如下步骤：将硫辛酸溶解于DMF溶液中得硫辛酸溶液，将柠檬酸三钠和氢氧化钠溶解于水中得柠檬酸钠溶液，将所得两种溶液混合均匀后加入到反应釜中，进行水热反应，再进行冰浴冷却，得到微黄色的澄清溶液；然后进行离心分离、微滤(0.22μm微孔)，得含硫掺杂碳量子点的分散液。

上述方案中，所述硫掺杂碳量子点的粒径为2.0～3.0nm；在365nm的紫外灯照射下，发强烈的蓝色荧光。

上述方案中，所述硫辛酸与柠檬酸三钠的摩尔比为1:(2.5～10)。

上述方案中，所述硫辛酸溶液中硫辛酸的浓度为48.5～194mmol/L；所述柠檬酸钠溶液中柠檬酸三钠的浓度为79.3～317.2mmol/L，氢氧化钠的浓度为1.7～16.8mmol/L。

上述方案中，所述水热反应温度为160～200℃，时间为5～8h。

上述一种快速检测汞离子的方法，具体包括如下步骤：

1)向硫掺杂碳量子点分散液中加入PBS缓冲溶液和水，混合均匀，然后加入不同已知浓度的汞离子溶液，采用荧光分光光度计检测所得溶液体系I的荧光强度F0；静置反应，然后检测静置反应后所得溶液体系II的荧光强度F1；建立静置反应前后的荧光强度变化F1/F0与汞离子浓度C之间的线性关系，得关于汞离子浓度的标准曲线I；

2)将不同浓度的汞离子溶液替换为未知汞离子浓度的真实样品溶液，根据上述方法测得荧光强度和汞离子浓度，并结合得到的标准曲线，得到相应的回收率结果。

上述方案中，所述溶液体系I中硫掺杂碳量子点的浓度为36～60μg/mL；汞离子的浓度为1mmol/L～0.05μmol/L。

上述方案中，所述溶液体系I的pH值为7.0～8.0。

上述方案中，所述PBS缓冲溶液的pH值为7.0～9.0。

上述方案中，所述静置反应时间为3～10min。

上述一种快速检测甲基硫菌灵的方法，具体包括如下步骤：

1)向硫掺杂碳量子点分散液中加入PBS缓冲溶液和汞离子溶液，混合均匀，然后加入不同已知浓度的甲基硫菌灵溶液，采用荧光分光光度计检测所得溶液体系III的荧光强度F3；静置反应，然后检测静置反应后所得溶液体系IV的荧光强度F4；建立静置反应前后的荧光强度变化F4/F3与甲基硫菌灵浓度C之间的线性关系，得关于甲基硫菌灵浓度的标准曲线I；

2)将不同浓度的甲基硫菌灵溶液替换为未知甲基硫菌灵浓度的真实样品溶液，上述方法测得荧光强度和汞离子浓度，并结合得到的标准曲线，得到相应的回收率结果。

上述方案中，所述溶液体系III中硫掺杂碳量子点的浓度为36～60μg/mL；汞离子的浓度为1mmol/L～0.05μmol/L，甲基硫菌灵的浓度为1mmol/L～0.05μmol/L。

上述方案中，所述溶液体系III的pH值为7.0～8.0。

上述方案中，所述PBS缓冲溶液的pH值为7.0～9.0。

上述方案中，所述静置反应时间为3～10min。

本发明的原理为：

汞离子的检测机理：本发明首先以硫辛酸与柠檬酸三钠为主要原料制备硫掺杂碳量子点(SCDs)，SCDs表面丰富的官能团如含硫和含氧基团使SCDs粒子表面具有大量的表面缺陷作为激发能陷阱(excitation energy traps)，并与汞离子形成SCDs-Hg复合物，使电子从SCDs表面转移汞离子，这种电子转移效应(electron transfer effect)将导致荧光强度的变化，进而构建汞离子与荧光强度变化的线性关系，并有利于进一步提升对汞离子检测的灵敏度和特异性。

甲基硫菌灵的检测机理：基于上述SCDs与汞离子之间的交互作用，甲基硫菌灵中的双巯基可剥离SCDs-Hg复合物中的汞离子并与之以稳固的Hg-S键结合形成可沉降的固体，使SCDs的表面缺陷恢复，进一步导致荧光强度变化，这种甲基硫菌灵与汞离子的强亲和力是实现该方法快速检测甲基硫菌灵的主要原因。

本发明所述硫掺杂碳量子点的灵敏度高、特异性好、操作简单，随着待测样品中汞离子的浓度逐渐升高，硫掺杂碳量子点的荧光强度被逐渐猝灭，甚至猝灭到底；在固定汞离子浓度的条件下，随着待测样品中甲基硫菌灵浓度的浓度升高，原本被猝灭的硫掺杂碳量子点的荧光强度逐渐恢复到原始水平，这是无掺杂碳量子点(除了不加硫辛酸，其他合成条件相同)无法实现的。这种基于硫掺杂碳量子点的荧光传感器比传统的无掺杂碳量子点更优越，比其他检测方法检测限更低、稳定性更高、响应更快，并可应用于真实样品中的检测。本发明基于硫掺杂碳量子点的荧光传感器手段检测汞离子的LOD＝33.3nmol/L，满足国家标准要求(LOD＝50nmol/L)；检测甲基硫菌灵的LOD＝7.6nmol/L，远低于国家标准要求(8.76μmol/L)和欧盟标准要求(1.46μmol/L)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所得硫掺杂碳量子点的灵敏度高、特异性好、操作简单，将其应用于检测样品溶液中的汞离子和甲基硫菌灵，可表现出检测限更低、稳定性更高、响应更快；且涉及的检测方法简单、快速、重复性高，具有广阔的应用前景，可投入工业化生产。

附图说明

图1为利用实施例1所得硫掺杂碳量子点检测汞离子的线性光谱图；插图为对应的回归方程图。

图2(A)为实施例1所得硫掺杂碳量子点的透射电镜表征图，(B)为实施例1中硫掺杂碳量子点的XRD和SAED表征图；(C)和(D)为硫掺杂碳量子点的三维荧光光谱。

图3为实施例1所得硫掺杂碳量子点的中红外表征图。

图4为实施例1所得硫掺杂碳量子点的XPS表征图，其中图A为XPS表征总图，图B为碳(C 1s)的高分辨XPS表征图，图C为氧(O 1s)的高分辨XPS表征图，图D为硫(S 2p)的高分辨XPS表征图。

图5为利用实施例1所得硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵的线性光谱图；插图为对应的回归方程图。

图6为实施例1所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的pH条件优化图，图A为硫掺杂碳量子点检测汞离子的pH条件优化图；图B为硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵的pH条件优化图。

图7为实施例1所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的反应时间条件优化图，其中图A为硫掺杂碳量子点检测汞离子的反应时间条件优化图，图B为硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵的反应时间条件优化图。

图8为实施例1所得硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵的汞离子浓度条件优化图。

图9为实施例1所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的选择性实验结果图，其中图A为硫掺杂碳量子点对常见金属离子的选择性反应图，图B为硫掺杂碳量子点对常见农药的选择性反应图。

图10为实施例1所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的反应原料对比图。

图11为实施例1所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的荧光寿命表征图。

图12为实施例2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的XPS表征图，其中图A为硫掺杂碳量子点反应前的S 2p的高分辨XPS表征图，图B为硫掺杂碳量子点与汞离子反应后的S 2p的高分辨XPS表征图，图C为硫掺杂碳量子点与汞离子反应后再于甲基硫菌灵反应的S 2p的高分辨XPS表征图。

图13为实施例2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的反应流程图(A)和可视化对比图(B-E)。其中1、2、3、4、5分别代表SCDs、SCDs+Hg

具体实施方式

下面申请人将结合具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。但以下内容不应理解为是对本发明的权利要求书请求保护范围的限制。

实施例中所使用的化学试剂和溶剂均为分析纯。所述的荧光光谱测定条件均为发射波长400-650nm，激发波长为340nm，狭缝宽度为10nm。

实施例1

一种快速检测汞离子的方法，利用硫掺杂碳量子点检测汞离子，具体步骤如下：

1)精密称取0.2g硫辛酸溶解于10mL的DMF溶液中，再称取1.0g柠檬酸三钠和0.01g氢氧化钠溶解于30mL水中，将两溶液混合均匀后加入到反应釜中，设置温度为180℃，反应时间为6h，冰浴冷却，得到微黄色的澄清溶液，再经8000r/min离心30min，取上清液过0.22μm微孔滤膜，得到无色到微黄色的澄清溶液为硫掺杂的碳量子点，用去离子水稀释100倍后放入冰箱4℃贮藏备用；

2)在1.5mL比色皿中分别加入100μL浓度为480μg/mL实施例1中制备的硫掺杂碳量子点的荧光传感器稀释液、700μL pH＝8.0的PBS缓冲溶液、100μL去离子水和100μL不同浓度的汞离子水溶液；设置激发波长为340nm，在400-650nm处进行荧光光谱测定，反应时间为5分钟，如图1所示(横坐标为汞离子浓度，纵坐标为F1/F0，pH＝8.0，反应时间为5分钟)，随着汞离子浓度增高，硫掺杂碳量子点的荧光强度逐渐减弱，甚至猝灭到底。检测0、0.05、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、5.0、5.8μmol/L的汞离子水溶液且具有良好线性，R

图2(A)为实施例1中硫掺杂碳量子点的透射电镜表征图，图中标尺为20nm，插图为硫掺杂碳量子点的粒径分布图，根据计算得出硫掺杂碳量子点的平均粒径为2.52nm，粒径范围为2.0-3.0nm；(B)为实施例1中硫掺杂碳量子点的XRD和SAED表征图，由峰型可知硫掺杂碳量子点是无定型的；(C)和(D)为实施例1中硫掺杂碳量子点的三维荧光光谱,其中x轴和y轴为激发波长Ex和发射波长Em，z轴为荧光强度，由图2可发现，在激发波长Ex＝340nm时，Em＝435nm为最佳条件。

图3为实施例1中硫掺杂碳量子点的中红外表征图，由图可知硫掺杂碳量子点富含各种基团，这有利于其特征性反应。其中横坐标为波数，纵坐标为透过率。

图4为实施例1中硫掺杂碳量子点的XPS表征图，其中图A为XPS表征总图，图B为碳(C 1s)的高分辨XPS表征图，图C为氧(O 1s)的高分辨XPS表征图，图D为硫(S 2p)的高分辨XPS表征图。

将本实施例所得硫掺杂碳量子点进一步应用于检测自来水、葡萄和陈皮中汞离子，其中回收实验中使用的自来水无需任何处理，果蔬榨取其原浆后用超纯水稀释10倍待用，陈皮取0.1g用20mL沸水泡制冷却后待用，将准备好的自来水、果蔬稀释液、陈皮水代替超纯水配置浓度为0、0.2、5.0μmol/L的汞离子溶液，分别采用上述方法测量真实溶液体系中的汞离子，结果见表1，所得回收率为96.67-105.75％。

表1硫掺杂碳量子点对自来水、葡萄和陈皮中汞离子的检测效果

实施例2

一种快速检测甲基硫菌灵的方法，利用硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵，具体步骤如下：

1)经过汞离子浓度(2.0、4.0、5.5、8.0、10.0μmol/L)条件优化，确定固定汞离子浓度为5.5μmol/L时对阈值浓度的甲基硫菌灵依然有响应，且响应最强；

2)在1.5mL比色皿中加入100μL实施例1中制备的硫掺杂碳量子点的荧光传感器稀释液(480μg/mL)，700μL pH＝8.0的PBS缓冲溶液，100μL 5.5μmol/L的汞离子和100μL不同浓度的甲基硫菌灵水溶液，设置激发波长为340nm，在400-650nm处进行荧光光谱测定，反应时间为5分钟，如图5所示(横坐标为甲基硫菌灵的浓度，纵坐标为F2/F1，汞离子浓度固定为5.5μmol/L，pH＝8.0，反应时间为5分钟)，随着甲基硫菌灵浓度增高，原本被猝灭的硫掺杂碳量子点的荧光强度逐渐恢复致原始水平。检测0、0.05、0.1、0.5、1.0、1.5、1.75、2.0、3.0、3.5、4.0、5.0μmol/L的甲基硫菌灵水溶液且具有两段良好线性分别为0.05-2.0μmol/L和2.0-5.0μmol/L，R

图6为实施例1和2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的pH条件优化图，所用pH溶剂为浓度为pH为6.5、7.5、8.0、8.5、9.0的PBS缓冲溶液，由结果可知pH＝8.0的PBS缓冲溶液条件下更有利于该体系检测汞离子和甲基硫菌灵。其中图A为硫掺杂碳量子点检测汞离子的pH条件优化图，F0为硫掺杂碳量子点的原始荧光强度，F1为硫掺杂碳量子点与汞离子反应后的荧光强度。图B为硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵的pH条件优化图，F4为硫掺杂碳量子点与汞离子结合后再与甲基硫菌灵反应的荧光强度，F3为与甲基硫菌灵反应前的荧光强度(反应时间为3min，汞离子浓度为3μmol/L，甲基硫菌灵的浓度为3μmol/L)。

图7为实施例1和2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的反应时间条件优化图，采集反应时间为0、1、3、5、7、9、11、13、15分钟，由结果可知反应时间为5分钟时，反应逐渐达到平稳状态。其中图A为硫掺杂碳量子点检测汞离子的反应时间条件优化图，图B为硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵的反应时间条件优化图，F0、F1、F3、F4注释同上。pH＝8.0，汞离子浓度为3μmol/L，甲基硫菌灵的浓度为3μmol/L。

图8为实施例1和2所得硫掺杂碳量子点检测甲基硫菌灵的汞离子浓度条件优化图，其中甲基硫菌灵的浓度为1.5μmol/L(由欧盟标准LOD＝1.46μmol/L所定)，不同浓度的汞离子为2.0、4.0、5.5、8.0、10.0μmol/L，其中当汞离子浓度为5.5μmol/L时，对阈值的甲基硫菌灵依然均有较强响应。横坐标为汞离子浓度，纵坐标为F2/F1，pH＝8.0，反应时间为5分钟。

图9为实施例1和2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的选择性实验结果图，其中图A为硫掺杂碳量子点对常见金属离子的选择性反应图，由结果可知硫掺杂碳量子点仅对汞离子具有良好响应，对十倍浓度其他金属离子几乎无响应，汞离子浓度为5μmol/L，其他金属离子的浓度为100μmol/L，横坐标为不同种类金属离子，纵坐标为荧光强度。其中图B为硫掺杂碳量子点对常见农药的选择性反应图，由结果可知硫掺杂碳量子与高浓度汞离子反应后几乎被猝灭到底，加入不同种类农药后，仅有甲基硫菌灵使其产生了荧光恢复，汞离子的浓度为10μmol/L，甲基硫菌灵的浓度为5μmol/L，其他种类农残的浓度为100μmol/L，横坐标为不同种类的农药，B代表空白组，纵坐标为荧光强度。pH＝8.0，反应时间为5分钟。

图10为实施例1和2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的反应原料对比图，图中SCDs代表硫掺杂的碳量子点，CDs代表单一碳量子点(合成步骤相同但不加硫辛酸)，Blank代表两种碳量子点的原始荧光强度，TM代表甲基硫菌灵，由结果图可知只有加入硫辛酸作为原料合成的SCDs才能使与甲基硫菌灵作用使荧光强度恢复。这说明SCDs与汞离子可能是以S-Hg键结合，加入含巯基的TM发生了强结合，从而使硫掺杂碳量子点的荧光恢复。其中汞离子的浓度为10μmol/L，甲基硫菌灵的浓度为10μmol/L，L-半胱氨酸的浓度为100μmol/L，pH＝8.0，反应时间为5分钟。所用SCDs为稀释1000倍后的溶液，所用CDs为稀释50倍后的溶液，这说明硫掺杂使碳量子点的荧光产率变高。

图11为实施例2所得中硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的荧光寿命表征图，由结果可知SCDs＝7.30ns(t1＝7.30ns)，SCDs/Hg

图12为实施例1和2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的XPS表征图，其中图A为硫掺杂碳量子点反应前的S 2p的高分辨XPS表征图，图B为硫掺杂碳量子点与汞离子反应后的S 2p的高分辨XPS表征图，图C为硫掺杂碳量子点与汞离子反应后再于甲基硫菌灵反应的S 2p的高分辨XPS表征图，由图对比可知，硫掺杂碳量子点无S-Hg键，但与汞离子反应后会产生明显的S-Hg键，图B中的S-Hg应属于SCDs-Hg，图C中的S-Hg应属于TM-Hg。

图13为实施例1和2所得硫掺杂碳量子点检测汞离子和甲基硫菌灵的反应流程图(A)和可视化对比图(B-E)。其中1、2、3、4、5分别代表SCDs、SCDs+Hg

将本实施例所得硫掺杂碳量子点进一步应用于检测自来水、果蔬和陈皮中汞离子的回收实验中使用的自来水、葡萄和陈皮处理方法与溶液配置方法与实施例2中所述相同，配置浓度为0、0.4、5.0μmol/L的甲基硫菌灵溶液。分别采用上述方法测量真实溶液体系中的汞离子，结果见表2，回收率为96.28-110.23％。

表2硫掺杂碳量子点对自来水、葡萄和陈皮中甲基硫菌灵的检测效果

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。