基于N掺杂Ti3C2 MXene量子点的荧光探针用于Hg2+和S2-的传感检测

doi:10.7503/cjcu20230504

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 20230504.doi: 10.7503/cjcu20230504

基于N掺杂Ti₃C₂ MXene量子点的荧光探针用于Hg²⁺和S^2-的传感检测

张慧莲¹, 杨新杰¹, 李军¹, 李泉¹, 张福娟¹, 张艳丽¹(), 王红斌¹, 杨文荣¹^,², 庞鹏飞¹()

^1.云南民族大学, 云南省教育厅功能纳米材料基化学生物传感科技创新团队, 昆明 650504
^2.迪肯大学生命与环境科学学院, 吉朗 3217, 澳大利亚

收稿日期:2023-12-11 出版日期:2024-05-10 发布日期:2024-03-05
通讯作者: 张艳丽,庞鹏飞 E-mail:ylzhang@ymu.edu.cn;pfpang@aliyun.com
基金资助:
国家自然科学基金(21565031);云南省科技厅应用基础研究基金项目(202001AT070012);云南民族大学研究生科研创新基金项目(2023SKY028)

Fluorescent Probe for Detection of Hg²⁺ and S^2- Based on N-Doped Ti₃C₂ MXene Quantum Dots

ZHANG Huilian¹, YANG Xinjie¹, LI Jun¹, LI Quan¹, ZHANG Fujuan¹, ZHANG Yanli¹(), WANG Hongbin¹, YANG Wenrong¹^,², PANG Pengfei¹()

^1.Functional Nanomaterial?based Chemical and Biological Sensing Technology Innovation Team of Department of Education of Yunnan Province，Yunnan Minzu University，Kunming 650504，China
^2.School of Life and Environmental Sciences，Deakin University，Geelong 3217，Australia

Received:2023-12-11 Online:2024-05-10 Published:2024-03-05
Contact: ZHANG Yanli, PANG Pengfei E-mail:ylzhang@ymu.edu.cn;pfpang@aliyun.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21665027);the Applied Basic Research Project of Yunnan Provincial Science and Technology Department, China(202001AT070012);the Graduate Scientific Research Foundation of Yunnan Minzu University, China(2023SKY028)

1. ESM to 20230504.pdf(722KB)

摘要/Abstract

摘要：

基于N掺杂Ti₃C₂ MXene量子点(N-Ti₃C₂ MQDs)荧光探针和配位相互作用, 构建了一种检测Hg²⁺和S^2-的“开-关-开”型荧光传感新方法. 研究发现, 制备的N-Ti₃C₂ MQDs发射蓝色荧光(λ_em=440 nm), 荧光量子产率为15.7%. Hg²⁺与N-Ti₃C₂ MQDs表面的—NH₂, —COOH, —OH等官能团产生选择性配位作用, 导致N-Ti₃C₂ MQDs体系荧光猝灭. 当加入S^2-后, 由于S^2-与Hg²⁺之间强的结合力, 形成HgS沉淀, 从而使N-Ti₃C₂ MQDs体系荧光恢复. 基于该原理, 构建了一种“开-关-开”型荧光传感方法, 实现了对Hg²⁺和S^2-的定量检测. N-Ti₃C₂ MQDs探针的荧光强度与Hg²⁺浓度在0.02~200 μmol/L范围内呈良好线性关系, 检出限为10 nmol/L(S/N=3); 与S^2-浓度在0.07~150 μmol/L范围内呈良好线性关系, 检出限为30 nmol/L(S/N=3). 该方法具有成本低、操作简单、灵敏度高和选择性好等特点, 并可用于水样中Hg²⁺和S^2-的检测.

关键词: 汞离子, 硫离子, N掺杂Ti₃C₂ MXene, 量子点, 荧光探针

Abstract:

A novel fluorescent "on-off-on" method for the detection of Hg²⁺ and S^2- was developed based on N-doped Ti₃C₂ MXene quantum dots（N-Ti₃C₂ MQDs） and complexation. The prepared N-Ti₃C₂ MQDs emitted blue fluorescence（λ_em=440 nm） with a fluorescence quantum yield of 15.7%. Hg²⁺ can selectively coordinate with functional groups of —NH₂， —COOH， and —OH on the surface of N-Ti₃C₂ MQDs through electrostatic interaction， resulting in fluorescent quenching of the N-Ti₃C₂ MQDs system. After the addition of S^2-， HgS precipitation is formed due to the strong binding force between S^2- and Hg²⁺， leading to the fluorescent recovery of the N-Ti₃C₂ MQDs. Based on this principle， a fluorescent "on-off-on" sensing method was constructed to quantitatively detect Hg²⁺ and S^2-. The fluorescenty of the N-Ti₃C₂ MQDs probe is proportional to Hg²⁺ and S^2- concentrations in the range of 0.02—200 μmol/L and 0.07—150 μmol/L， with a detection limit of 10 nmol/L and 30 nmol/L（S/N=3）， respectively. This proposed method has the advantages of low cost， simple operation， high sensitivity， and good selectivity， which has been used for the determination of Hg²⁺ and S^2- in real water samples.

Key words: Hg²⁺, S^2-, N-Doped Ti₃C₂ MXene, Quantum dot, Fluorescent probe

中图分类号:

O657.1

TrendMD:

张慧莲, 杨新杰, 李军, 李泉, 张福娟, 张艳丽, 王红斌, 杨文荣, 庞鹏飞. 基于N掺杂Ti₃C₂ MXene量子点的荧光探针用于Hg²⁺和S^2-的传感检测. 高等学校化学学报, 2024, 45(5): 20230504.

ZHANG Huilian, YANG Xinjie, LI Jun, LI Quan, ZHANG Fujuan, ZHANG Yanli, WANG Hongbin, YANG Wenrong, PANG Pengfei. Fluorescent Probe for Detection of Hg²⁺ and S^2- Based on N-Doped Ti₃C₂ MXene Quantum Dots. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(5): 20230504.

图/表 9

Fig.1 Schematic illustration of fabrication process and detection principle for Hg2+ and S2- based on N⁃Ti3C2 MQDs fluorescent probe

Fig.2 TEM image(A) and size distribution(B) of N⁃Ti3C2 MQDs

Fig.3 Survey(A) and C1s (B), N1s (C), and Ti2p (D) XPS spectra of N⁃Ti3C2 MQDs

Fig.4 XRD patterns(A) and FTIR spectrum(B) of N⁃Ti3C2 MQDs

Fig.5 UV⁃Vis and fluorescent spectra of N⁃Ti3C2 MQDsInsets are the photos of N-Ti3C2 MQDs under visible andultraviolet light， respectively.

Fig.6 Fluorescent spectra before(a) and after adding 100 μmol/L Hg2+(b) or S2-(c) in 50 mmol/L PBS with 1.0 mg/mL N-Ti3C2 MQDsInsets are the relative photographs.

Fig.7 Fluorescent response curves and calibration curve（A） Fluorescent spectra of N-Ti3C2 MQDs probe incubation with different concentrations of Hg2+ and （B） relationship between fluorescent intensity and Hg2+ concentrations（inset is plot of FL intensity vs. logarithm of Hg2+ concentration）；（C） fluorescent spectra of N-Ti3C2 MQDs probe incubation with different concentrations of S2- and （D） relationship between fluorescent intensity and S2- concentrations（inset is plot of FL intensity vs. logarithm of S2- concentration）.

Fig.8 Selectivity of N⁃Ti3C2 MQDs fluorescent probe for detection of Hg2+(A) and S2-(B)

Table 1 Determined results of Hg2+ and S2- using N-Ti3C2 MQD probe in real water samples(n=3)

Samples	Hg²⁺				S^2-
Samples	Added/ （µmol‧L^-1）	Found/ （µmol‧L^-1）	Recovery（%）	RSD（%）	Added/ （µmol‧L^-1）	Found/ （µmol‧L^-1）	Recovery（%）	RSD（%）
River water	0	—	—	—	—	—	—	—
	10	9.8	98.7	2.08	15	14.2	94.5	2.64
	50	48.9	97.7	4.51	50	48.1	96.2	3.49
	100	106.0	106.0	4.04	100	98.9	98.9	4.50
Lake water	0	—	—	—	—	—	—	—
	10	10.2	102.0	2.75	15	15.1	100.0	3.61
	50	47.8	95.5	4.65	50	47.9	95.7	4.72
	100	107.0	107.0	3.62	100	99.3	99.3	3.25

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