基于N掺杂氧化石墨烯的超灵敏可视化氟离子荧光检测

氟是人体必需的微量元素之一,在人类健康中扮演重要角色,适量的氟可以预防龋齿、治疗骨质疏松症等疾病,而过量的氟则会引起氟中毒,导致氟斑牙与氟骨症、器官功能紊乱、DNA损伤等疾病。氟以离子(F)的形式广泛分布于水、土壤和动植物中,而在中国、南亚(印度、斯里兰卡)、东地中海及非洲大部分地区都大量存在地下水F含量过高的情况,导致数以亿计的人口处于氟中毒风险之中。因此,发展简易可行的高灵敏F识别与检测方法,对饮用水体系中F含量及其变化进行监测具有重要的意义与研究价值。目前,F的检测主要有离子色谱法、离子选择电极法及氟试剂比色法。然而上述方法由于受测试液离子强度、共存离子、pH值等因素的影响,检测的灵敏度、重复性等均有待提高。因此在较大浓度范围内实现对F的定量、高灵敏检测依然具有极大的挑战性。

荧光分析法具有灵敏度高、检出限低及操作简便等特点,因此被作为高灵敏F检测方法而倍受研究人员的关注。目前F荧光分析法主要是利用二元或三元荧光反应体系,通过F改变荧光分子的吸收或发射,实现对F检测。基于上述原理,中国科学院化学研究所高明远研究员课题组发展了基于 N掺杂氧化石墨烯(GO)量子点的超灵敏F荧光检测方法。

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图1. N掺杂GO荧光量子点

研究人员通过磷酸催化的柠檬酸与乙二胺在水相体系中的反应,制备了高荧光效率N掺杂的GO量子点。当向GO溶液引入Fe3+,GO通过掺杂N原子与Fe3+络合形成GO-Fe (III)复合物,在Fe3+吸电子的作用下GO荧光被猝灭,荧光猝灭程度与Fe3+浓度正相关,当Fe3+浓度足够高时,GO荧光被完全猝灭。

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图2. 基于N掺杂GO的F-荧光检测:GO荧光“猝灭-激活”转变示意图(上);F-特异性激活GO-Fe (III)荧光(左下)与超灵敏F-荧光试纸检测。

当向GO-Fe (III)复合物加入F,作为强路易斯碱的F可与GO-Fe (III)复合物中的Fe3+络合,使GO-Fe (III)复合物解离,从而使GO荧光被F特异性激活,并且荧光恢复强度与F浓度呈正比例关系。基于上述Fe3+及F诱导GO荧光 “猝灭-激活”的转变过程,研究人员制备高灵敏F荧光检测试纸,实现了对浓度低至1 pM(10-12 M)F的超灵敏、可视化快速检测。上述研究成果为F的检测提供了重要手段,已被Wiley综合期刊Advanced Science接收并发表(Graphene Oxide-based Sensor for Ultrasensitive Visual Detection of Fluoride, Advanced Science, 2016, DOI: 10.1002/advs.201600217)