杨新杰，尹学虎，张慧莲，李尹飞，庞鹏飞**，王红斌，杨文荣，张艳丽**

(1.云南民族大学 生物基材料绿色制备技术国家地方联合工程研究中心，云南 昆明 650500；2.迪肯大学 生命与环境科学学院，澳大利亚 吉朗 3217)

随着人类社会和工业生产的不断发展，重金属污染已日趋严重，逐渐成为威胁人类健康与生存的环境问题[1].其中，铬（Cr）作为一种较为典型的重金属污染物，对人体肾脏以及生命都具有较大的危害性，进入人体的铬沉积在组织中，导致皮肤刺激和溃疡，造成肝硬化、溶血性贫血和癌症等疾病，对人体健康造成了严重威胁[2].铬在自然界中以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)两种价态的化合物存在，其中Cr(Ⅵ)毒性更强，存在形式为（Cr2O72-）及铬酸盐(CrO42-)，二者在一定条件下可相互转化[3].因此，对水环境中的Cr(Ⅵ)进行快速、准确的检测具有重要意义.目前，检测Cr(Ⅵ)的方法主要有原子吸收光谱法（AAS）[4-5]、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）[6-7]、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法[8-10]、紫外-可见光谱法[11-12]、电化学法[13-15]等，但这些传统方法大多存在测试仪器贵重、操作过程复杂、不能在线检测及检出限低等缺陷.相比于这些传统方法，荧光检测法由于操作简便、灵敏度高、线性范围宽等优点，受到研究者的广泛关注[16-21].

过渡金属碳/氮化物（MXenes）是近年来出现的一类新型类石墨烯二维纳米材料[22-24]，由于其良好的导电性、亲水性、机械性能、比电容高、比表面积大及表面易于功能化等特性而受到人们的广泛关注，在储能、传感、催化、吸附分离及电磁屏蔽等领域具有巨大的应用前景[25-31].碳化钛（Ti3C2）是一种典型的MXenes 材料，其特殊的类石墨烯二维结构，优良的生物相容性、亲水性和导电性，使其易于功能化形成复合纳米材料，成为构建传感界面的理想材料之一[29,32-35].2017 年，Huang 课题组以Ti3AlC2为原料，通过水热法成功合成了Ti3C2量子点（Ti3C2QDs），并用于细胞成像和锌离子传感分析[36].本文通过Ti3C2量子点与罗丹明B（RhB）分子之间的荧光共振能量转移（FRET）制备了一种荧光探针，基于六价铬离子Cr(Ⅵ)内滤效应（IFE）导致该探针的荧光猝灭效应，构建了一种“开-关”型荧光探针用于Cr(Ⅵ)的高灵敏传感检测.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器钛碳化铝（Ti3AlC2）、氢氟酸（HF，质量分数48%～51%）和四甲基氢氧化铵（TMAOH，质量分数25%）均购自上海泰坦科技股份有限公司；罗丹明B（RhB）和抗坏血酸（AA）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；重铬酸钾（K2Cr2O7）购自天津市风船化学试剂科技有限公司.所用试剂均为分析纯，使用前未经进一步纯化，实验用水为高纯去离子水.

F-7 000 荧光光谱仪（日本株式会社日立制作所）；UV-2600i 紫外可见分光光度计（日本岛津制作所）；Talos F200S 透射电子显微镜（美国默赛飞世尔科技公司）；Nova NanoSEM 450 场发射扫描电子显微镜（美国FEI 公司）；Bruker D8 ADVANCE A25 X 射线衍射仪（德国Bruker 公司)；Thermo Scientific K-AlphaX 射线光电子能谱仪（美国默赛飞世尔科技公司）；Nicolet IS10 红外光谱仪（美国默赛飞世尔科技有限公司）；WFH-203B 暗箱式三用紫外分析仪（上海驰唐电子有限公司）；TGL-16G 离心机（上海安亭科学仪器厂）.

1.2 Ti3C2 量子点的制备根据文献报道方法[36]采用刻蚀和水热法制备Ti3C2量子点.称取1.5 g Ti3AlC2前驱体超声溶解于30 mL 40% HF 中，60 ℃下搅拌24 h，洗涤后在真空干燥箱中60 ℃干燥过夜，得到层状Ti3C2纳米片.称取0.4 g Ti3C2纳米片与10 mL 四甲基氢氧化铵（25% TMAOH）、1.2 g 抗坏血酸（AA）和50 mL H2O 混合，超声分散15 min，将混合液转移至水热反应釜中，160 ℃下反应24 h.冷却至室温后，用NaOH 调节溶液pH=9，N2气保护下超声分散10 h，将混合液通过0.22 μm 滤膜过滤后，在1 000 Da 透析袋中用去离子水透析7 d，每12 h 更换一次去离子水，得到淡黄色Ti3C2量子点溶液，避光冷藏备用.

1.3 Ti3C2 量子点@罗丹明B 荧光探针的制备取250 μL Ti3C2量子点溶液（0.1 mg/mL）和750 μL 罗丹明B 溶液（1.4 μmol/L）混合，加入1 mL 0.2 mol/L PBS 缓冲液（pH 6），室温下搅拌反应80 min，得到Ti3C2QDs@RhB 荧光探针，测定其荧光光谱.激发波长设为360 nm，扫描范围设为360～650 nm，扫描速率为1 200 nm/min，激发和发射狭缝均设为5 nm，光电倍增管电压设为700 V.

1.4 Cr(Ⅵ)的检测分析在800 μL Ti3C2QDs@RhB荧光探针溶液中，加入不同浓度的目标物Cr(Ⅵ)，室温下搅拌反应10 min，测定其荧光光谱.对于实际水样的测定，取2 种不同水样（河流水和湖水），12 000 r/min 离心20 min 后，用0.22 μm 的滤膜过滤，同上方法测定Cr(Ⅵ)浓度，并进行加标回收实验.

2 结果与讨论

2.1 Ti3C2 QDs@RhB 荧光探针的检测原理Ti3C2QDs@RhB 荧光探针的制备过程和检测Cr(Ⅵ)的原理如图1 所示.首先，利用氢氟酸刻蚀Ti3AlC2中的Al 原子制备二维层状Ti3C2，然后再采用水热合成法得到Ti3C2QDs.由于量子限域效应，Ti3C2QDs 在紫外光照射下发射蓝光荧光，最大激发波长为360 nm，最大发射波长为449 nm.Ti3C2QDs 表面带负电荷的官能团（—COOH、—OH、—NH2）与RhB 分子中带正电荷的氮原子之间由于静电作用使二者相互靠近，Ti3C2QDs 的荧光发射光谱与RhB 的吸收光谱重叠，产生荧光共振能量转移（FRET）.当存在目标物Cr(Ⅵ)时，由于Cr(Ⅵ)的吸收光谱与Ti3C2QDs 的激发光谱重叠产生内滤效应（IFE），导致Ti3C2QDs@RhB 探针荧光猝灭，根据Ti3C2QDs@RhB 荧光强度与目标物Cr(Ⅵ)浓度之间的关系，实现对Cr(Ⅵ)的定量检测.

图1 Ti3C2 QDs@RhB 荧光探针的制备和检测Cr(Ⅵ)原理示意图Fig.1 Schematic illustration of the detection principle for Cr(Ⅵ) based on Ti3C2 QDs@RhB fluorescent probe

2.2 Ti3C2 QDs 的表征利用HF 刻蚀Ti3AlC2中Al 原子得到Ti3C2，再利用水热法得到Ti3C2QDs，分别采用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对二者的形貌进行表征，如图2 所示.从图2(a)可见，Ti3AlC2经HF 刻蚀得到的Ti3C2呈二维层状结构，且层间具有空隙.图2(b)是Ti3C2QDs 的TEM 图，合成的Ti3C2QDs 呈球形结构，平均粒径约为4.5 nm，从图2(b)插图可看到明显的晶格条纹，晶面间距约为0.5 nm.图2(c)是Ti3AlC2和Ti3C2QDs 的X 射线衍射谱（XRD），由其可见，Al 被刻蚀后，(104) (101)（105)峰消失，而(110)峰依然存在，表明Ti3C2QDs 成功制备且内部结构未被破坏.图2（d）是Ti3C2QDs 的X 射线光电子能谱（XPS），存在C 1s（284.7 eV）峰和Ti 2p（453.7 eV）峰，但未观察到Al 峰，表明Al 被成功刻蚀.以上结果表明，本实验成功合成了Ti3C2QDs.

图2 Ti3C2 的SEM 和Ti3C2 QDs 的TEM 与波谱表征Fig.2 SEM image of Ti3C2,TEM image of Ti3C2 QDs and its spectral characterization

2.3 实验可行性探究为了验证实验的可行性，我们研究了Ti3C2QDs 体系的吸收光谱和荧光光谱.图3(A)为Ti3C2QDs 的紫外-可见吸收光谱，Ti3C2QDs 在254 nm 处有一特征紫外-可见吸收峰，在紫外光照射下发射蓝色荧光[图3(A)插图].图3(B)为Ti3C2QDs 的荧光激发光谱(曲线a)和发射光谱(曲线b)，其最大激发波长为360 nm，最大发射波长为449 nm，且Ti3C2QDs 的发射光谱(曲线b)与RhB 的吸收光谱(曲线d)部分重叠，产生荧光共振能量转移（曲线e，Ti3C2QDs@RhB 的荧光光谱）.Cr(Ⅵ)的吸收光谱(曲线c)与Ti3C2QDs 的激发光谱(曲线a)重叠，产生内滤效应[曲线f，Ti3C2QDs@RhB+Cr(Ⅵ)的荧光光谱]，导致Ti3C2QDs@RhB 探针荧光猝灭.以上实验结果表明，构建的Ti3C2QDs@RhB 荧光探针可用于Cr(Ⅵ)的检测分析.

图3 Ti3C2 QDs 体系的吸收光谱和荧光光谱Fig.3 UV-vis absorption spectrum and fluorescent spectrum of Ti3C2 QDs system

2.4 实验条件优化为了获得最优的荧光分析性能，对实验条件（量子点和受体的浓度、反应时间及温度，缓冲液pH 值，荧光猝灭时间）进行了优化，如支撑材料附件图S1 所示.随着Ti3C2QDs 和RhB 浓度的增加，体系的荧光强度先增强后减弱，当Ti3C2QDs 和RhB 浓度分别为0.1 mg/mL 和1.4 μmol/L 时，荧光强度达到最大值（图S1 中A 和B）.Ti3C2QDs 和RhB 的反应时间和反应温度影响体系的荧光强度（图S1 中C 和D），当选择反应时间和温度分别为80 min 和25 ℃时，荧光强度达到最佳.体系荧光强度与缓冲液pH 的关系如图S1E 所示，当PBS 缓冲液pH 为6.0 时，探针的荧光强度最强.加入Cr(Ⅵ)离子后，体系荧光强度急剧减弱，10 min 后荧光强度基本趋于稳定（图S1F）.因此，本实验中选择10 min 作为检测Cr(Ⅵ) 的最佳荧光猝灭时间.

2.5 Cr(Ⅵ)的定量分析在上述优化实验条件下，测定Ti3C2QDs@RhB 荧光探针对不同浓度Cr(Ⅵ)的荧光猝灭响应（图4(a)）.由图4(a)可见，随着目标物Cr(Ⅵ)浓度的逐渐增大（0,0.05,0.1,0.5,1,3,5,7,10,15,25,50,75,100,125,150,200,300,500 μmol/L），Ti3C2QDs@RhB 探针的荧光强度逐渐减小（颜色逐渐由粉红色变为无色，见支撑材料附件图S2）.Ti3C2QDs@RhB 探针荧光强度的猝灭值与Cr(Ⅵ)浓度对数值在0.05～7 μmol/L 范围和7～500 μmol/L 范围内呈良好的线性关系[图4(b)]，其线性方程为分别为(F0-F)/F0=0.117 4 lgcCr(Ⅵ)+0.271 6（相关系数R2=0.997 0）和 (F0-F)/F0=0.3019lgcCr(Ⅵ)+0.157 0（相关系数R2=0.993 0），检出限（S/N=3）为0.014 μmol/L.支撑材料附件中表S1 对比了Ti3C2QDs@RhB 荧光探针与其它已报道工作检测Cr(Ⅵ)的分析效能，结果显示，该荧光探针与文献报道相比具有更好的检出限，且荧光探针制备简单、无需标记.

图4 定量分析结果Fig.4 Quantitative analysis results

2.6 干扰实验为了评价Ti3C2QDs@RhB 荧光探针的特异性和选择性，考察了可能存在其它金属离子对检测Cr(Ⅵ)的干扰情况.如图5 所示，Cr(Ⅵ)浓度为100 μmol/L，其它干扰金属离子（Fe3+,Fe2+,Mn2+,Cu2+,Hg2+,Al3+,Cd2+,Ag+,K+,Mg2+,Ba2+,Ca2+）等存在时，Cr(Ⅵ)呈现出最大的荧光猝灭效果（荧光猝灭率达76.3%）.支撑材料附件中图S3为Ti3C2QDs@RhB 探针对不同金属离子的荧光响应光谱图，Cr(Ⅵ)呈现出最大的荧光响应.以上结果表明，制备的荧光探针具有一定的抗干扰能力和选择性，可用于实际样品Cr(Ⅵ)的分析测定.

2.7 实际样品测定为了验证Ti3C2QDs@RhB 荧光探针对实际样品中Cr(Ⅵ)检测的可行性，选取3种水样（河水和湖水）作为实际样品，水样经高速离心后，用0.22 μm 滤膜过滤，采用加标回收法测定其荧光响应和回收率，测定结果如表1 所示.该荧光探针测定实际水样中Cr(Ⅵ)的回收率为94.3%～104.0%，相对标准偏差（RSD）为1.43%～4.20%，表明Ti3C2QDs@RhB 荧光探针对实际环境水样中Cr(Ⅵ)测定具有可行性.

表1 Ti3C2 QDs@RhB 荧光探针对实际水样中Cr(Ⅵ)的测定结果(n=3)Tab.1 Determined results of Cr(Ⅵ) in real samples using Ti3C2 QDs@RhB fluorescent probe (n=3)

3 结论

本文采用氢氟酸刻蚀和水热法合成了Ti3C2QDs，该量子点与RhB 之间由于荧光共振能量转移形成Ti3C2QDs@RhB 荧光探针，六价铬离子Cr(Ⅵ)的内滤效应导致探针荧光猝灭，构建了一种新型“开-关”荧光传感方法用于Cr(Ⅵ)的定量检测.实验结果表明，Ti3C2QDs@RhB 荧光探针制备简单，且具有良好的生物相容性、高的荧光强度和选择性.根据荧光共振能量转移和内滤效应构建的荧光探针检测Cr(Ⅵ)的方法，具有简单、灵敏、准确高等优点，为环境水样中重金性离子Cr(Ⅵ)的快速和准确测定提供了一种新的检测技术.