水体中铜离子的现场可视化半定量快速检测

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210399

摘要/Abstract

摘要：

铜是常见重金属污染物之一。开发现场快速检测方法在污染事件的应急检测中至关重要，可为及时采取有效的防治措施提供数据支持。基于脱氧核糖核酸（DNA）稳定的荧光铜纳米颗粒的快速合成以及对铜离子的高特异性，研制了一种紫外光辅助下的铜离子现场快速荧光比色检测方法。经过一系列条件的优化，最终选择以600 nmol/L poly（AT-TA）双链DNA为螯合配位保护剂，2 mmol/L抗坏血酸钠为还原剂，在3-（N-吗啡啉）丙磺酸（MOPS）溶液体系中合成荧光铜纳米颗粒，在便携式紫外手电筒的辅助下，肉眼（佩戴防紫外护目镜）即可观察到铜纳米颗粒橙红色的荧光。在半定量检测中，根据待测样中铜离子浓度的大小，其荧光亮度不同，以不同浓度标准溶液铜离子合成的荧光比色标准系列进行比色，即可实现环境中铜污染水体的现场、肉眼、半定量、快速（<10 min）检测。本方法的肉眼检测最低值为1.5 mg/L（24 μmol/L），符合《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）中的三级排放标准值。该方法可为在环境水体铜污染应急事件中的快速现场检测提供一种参考方法。

关键词: 铜离子, 荧光铜纳米颗粒, 荧光比色, 可视化检测

Abstract:

Copper is one of the heavy metal pollutants. The development of point of care testing （POCT） is necessary in the emergency detection of pollution events， which can avoid the spread of the contaminated area. Based on DNA-stabilized fluorescent copper nanoparticles （CuNPs）， a ultraviolet（UV）-assisted POCT （fluorescence colorimetric） was developed for detection of Cu²⁺. In this method， after optimization of conditions， CuNPs were synthesized in the MOPS solution using 600 nmol/L poly（AT-TA） dsDNA as the scaffold and 2 mmol/L sodium ascorbate as the reducing agent. With the aid of a UV flashlight， the red-orange fluorescence of CuNPs is visible to naked-eye （wearing anti-UV goggles）. Also， the fluorescence brightness varies with the concentration of Cu²⁺. Based on this strategy， a semi-quantitative detection method for Cu²⁺ was developed， i.e.， the concentration range of Cu²⁺ in the water-sample could be detected by fluorescent colorimetry with standard series. The LOD of the method is 1.5 mg/L （24 μmol/L）， which meets the requirements of third-level of discharge standard in the Comprehensive Sewage Discharge Standard （GB 8978-1996）. This method is a new semi-quantitative， visual point of care testing for Cu²⁺， which can provide a reference method for rapid on-site detection of copper pollution in environmental water.

Key words: Copper ions, Copper nanoparticles, Fluorescence colorimetry, Visualization

中图分类号:

O661.1

徐凤州, 唐华英, 刘吴荟, 江怡凤, 李文凯, 陆献海. 水体中铜离子的现场可视化半定量快速检测[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1303-1311.

Feng-Zhou XU, Hua-Ying TANG, Wu-Hui LIU, Yi-Feng JIANG, Wen-Kai LI, Xian-Hai LU. A Visual Semi⁃quantitative Method for Rapid Detection of Copper Ion in Water[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(8): 1303-1311.

图/表 8

表1 DNA序列信息

Table 1 DNA sequence used in this work

DNA	Sequence （5'→3'）
dsDNA	GTAGTCGTGATGAACGTATGAGCGTATGAGTATAGCTTAT
dsDNA	ATAAGCTATACTCATACGCTCATACGTTCATCACGACTAC
Poly （AT?TA）	ATATATATATATATATATATATATATATATATATATATAT）
Poly T	TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT

图1 （A）基于DNA稳定的CuNPs合成原理示意图；（B）铜污染水体检测示意图

Fig.1 （A） Schematic of DNA-templated CuNPs；（B） Schematic of Cu2+ detection based on CuNPs

图2 不同类型DNA合成CuNPs的荧光光图谱（A）和紫外照射下实物图（B）

Fig.2 Fluorescence spectra （A） and fluorescent photos （B） of the CuNPs templated by different DNAs under the UV excitation

图3 不同浓度DNA（nmol/L）模板下CuNPs的荧光光谱图（A）和紫外照射下实物图（B）

Fig.3 Fluorescence spectra （A） and fluorescent photos （B） of CuNPs under different concentrations of DNA under the UV excitation

图4 不同浓度抗坏血酸钠（mmol/L）合成CuNPs的荧光光图谱（A）及分别为合成后0、15 min紫外照射下实物图（B－C）

Fig.4 Fluorescence spectra （A） of different CuNPs samples prepared under different concentrations of sodium ascorbate and fluorescent photos of the corresponding CuNPs samples under the UV excitation 0 min （B） and 15 min （C）

图5 基于CuNPs荧光检测方法的选择性及干扰性考察（A）荧光光图谱（除Cu2+和混合组外，其它组均无荧光信号）；（B）紫外照射下实物图

Fig.5 Assay specificity and anti-interference investigation of this method(A) Fluorescence response of CuNPs to various metal ions (except for samples Cu2+ and mix, all other samples have no fluorescence signal); (B) Fluorescent photos of the corresponding CuNPs samples under the UV excitation

图6 紫外照射下的CuNPs的荧光比色标准系列实物图

Fig.6 Fluorescent colorimetric standard series of CuNPs under UV excitation

图7 紫外光照射下铜污染模拟实际水样检测实物图

Fig.7 Fluorescent photos of the copper pollution water sample detection under UV excitation

参考文献 19

1	TCHOUNWOU P B， YEDJOU C G， PATLOLLA A K， et al. Molecular， clinical and environmental toxicology［M］. Basel： Springer， 2012： 133-164.
2	黄晓桐，陈颖欣，朱泽滨，等. 基于纳米材料光谱分析法检测抗坏血酸的研究进展［J］. 应用化学， 2021， 38（6）： 637-650.
	HUANG X T， CHEN Y X， ZHU Z B， et al. Reserch progress on detection of ascorbic acid by nonamaterial based special analysis method［J］. Chinese J Appl Chem， 2021， 38（6）： 637-650.
3	XU F Z， QING T P， QING Z H. DNA-coded metal nano-fluorophores： preparation， properties and applications in biosensing and bioimaging［J］. Nano Today， 2021， 36： 101021.
4	刘剑波，羊小海，何晓晓，等. 荧光纳米颗粒的化学与生物传感［J］. 中国科学：化学， 2011， 54（8）： 1157-1176.
	LIU J B， YANG X H， HE X X， et al. Chemical and biosensing of fluorescent nanoparticles［J］. Sci China： Chem， 2011， 54（8）： 1157-1176.
5	张申，郭玉玉. 一锅法合成聚乙烯吡咯烷酮修饰的铜纳米团簇用于槲皮素的检测［J］. 应用化学， 2020， 37（9）： 100-106.
	ZHANG S， GUO Y Y. One pot synthesis of fluorescent polyvinyl pyrrolidone stabilized Cu nanoclusters for the determination of quercetin［J］. Chinese J Appl Chem， 2020， 37（9）： 100-106.
6	QING Z H， BAI A L， XING S H， et al. Progress in biosensor based on DNA-templated copper nanoparticles［J］. Biosens Bioelectron， 2019， 137： 96-109.
7	PANG J W， LU Y X， GAO X Y， et al. Single-strand DNA-scaffolded copper nanoclusters for the determination of inorganic pyrophosphatase activity and screening of its inhibitor［J］. Microchim Acta， 2020， 187（12）： 672.
8	ZHOU Y L， LV Y B， DONG H， et al. Ultrasensitive assay of amyloid-beta oligomers using Au-vertical graphene/carbon cloth electrode based on poly（thymine）-templated copper nanoparticles as probes［J］. Sens Actuators B： Chem， 2021， 331： 129429.
9	LI L， LIU T， WANG M F， et al. Snowflake-like DNA crystals templated Cu clusters as a fluorescent turn-on probe for sensing actin［J］. Anal Chim Acta， 2021， 1173： 338700.
10	LIN Y S， LIN Y F， NAIN A， et al. A critical review of copper nanoclusters for monitoring of water quality［J］. Sens Actuators Rep， 2021， 3： 100026.
11	CHEN J Y， WANG M K， ZHOU X B， et al. Highly sensitive label-free fluorescence determination of lymphotropic virus DNA based on exonuclease assisted target recycling amplification and in⁃situ generation of fluorescent copper nanoclusters［J］. Sens Actuators B： Chem， 2021， 326： 128847.
12	KIM S， PARK K S. Fluorescence resonance energy transfer using DNA-templated copper nanoparticles for ratiometric detection of microRNAs［J］. Analyst， 2021， 146： 1844-1847.
13	欧丽娟，罗建新，孙爱明，等. 基于对荧光铜纳米簇合成的抑制检测三聚氰胺［J］. 分析化学， 2017， 45（8）： 1233-1237.
	OU L J， LUO J X， SUN A M， et al. Lable-free fluorescencet detection of melamine based on its inhibition on synthesis of copper nanoclusters［J］. Chinese J Anal Chem， 2017， 45（8）： 1233-1237.
14	CHAI Q L， WAN Y Q， ZOU Y Y， et al. Ultrasensitive and turn-on homogeneous Hg²⁺ sensing based on a target-triggered isothermal cycling reaction and dsDNA-templated copper nanoparticles［J］. Anal Methods， 2021， 13（31）： 3521-3526.
15	AN Y， REN Y， BICK M， et al. Highly fluorescent copper nanoclusters for sensing and bioimaging［J］. Biosens Bioelectron， 2020， 154： 112078.
16	ROTARU A， DUTTA S， JENTZSCH E， et al. Selective dsDNA-templated formation of copper nanoparticles in solution［J］. Angew Chem Int Ed， 2010， 49： 5665-5667.
17	QING Z H， HE X X， HE D G， et al. Poly（thymine）-templated selective formation of fluorescent copper nanoparticles［J］. Angew Chem Int Ed， 2013， 52： 9719-9722.
18	QING T P， QING Z H， MAO Z G， et al. dsDNA-templated fluorescent copper nanoparticles： poly（AT-TA）-dependent formation［J］. RSC Adv， 2014， 4： 61092-61095.
19	NOGUERA M， BERTRAN J， SODUPE M. Cu^2+/+ cation coordination to adenine-thymine base pair. effects on intermolecular proton-transfer processes［J］. J Phys Chem B， 2008， 112： 4817-4825.

[1]	齐海燕, 张琛琪, 李金龙, 李军. 氮硫掺杂碳点的制备及检测铜离子[J]. 应用化学, 2022, 39(6): 980-989.
[2]	李迪, 孙建强, 许丙嵩, 陈浩, 周乐, 胡磊, 王慧. 基于查尔酮衍生物的铜离子探针的设计合成[J]. 应用化学, 2020, 37(11): 1268-1275.
[3]	陆澄, 李琳, 鄢鹏, 张楠, 陈武超, 张公军, 周星飞. 二价铜离子对人胰岛淀粉样蛋白(hIAPP)(1128)多肽聚集的影响[J]. 应用化学, 2018, 35(2): 147-153.
[4]	姚倩芳,程文玉,尹梅贞. 基于大环分子的主客体超分子荧光探针[J]. 应用化学, 2017, 34(12): 1344-1354.
[5]	焦媛, 刘付永, 王松柏, 双少敏, 董川. 磁性纳米复合物的制备及对铜离子(Ⅱ)的传感检测[J]. 应用化学, 2017, 34(1): 111-117.
[6]	何强芳, 吴映红, 蔡志健, 谢旺. 基于水杨醛席夫碱锌配合物交联稳定化荧光聚合物胶束的合成及其对铜离子的荧光响应性[J]. 应用化学, 2016, 33(6): 701-709.
[7]	郑秀萍, 乔文强, 王植源. 基于3种荧光化合物检测草酰氯气体的化学发光试纸法[J]. 应用化学, 2016, 33(10): 1203-1209.
[8]	郑秀萍, 乔文强, 王植源. 基于3种荧光化合物检测草酰氯气体的化学发光试纸法[J]. 应用化学, 2016, 33(10): 0-0.
[9]	吴秀明, 金璐怡, 徐意, 王光丽. 镉(Ⅱ)-半胱氨酸配合物对CdS量子点的荧光增强作用及其在离子检测中的应用[J]. 应用化学, 2015, 32(8): 969-976.
[10]	李燕, 王国旺, 王宁. 改性层状双氢氧化物对铜离子(Ⅱ)和双酚A的协同吸附[J]. 应用化学, 2015, 32(7): 816-824.
[11]	彭维, 李杰, 程舸, 谢珍珍, 石磊. 离子印迹法制备对铜离子(Ⅱ)选择性吸附的碳基材料[J]. 应用化学, 2015, 32(11): 1307-1311.
[12]	苏中华, 王亚静, 赵环, 胡娅梅, 唐春然, 李霞飞, 李进, 曾云龙. 以CdS量子点为荧光探针测定痕量铜[J]. 应用化学, 2011, 28(07): 842-848.
[13]	唐文清. 不同Ca/P比碳羟基磷灰石对Cu2+的吸附特性研究[J]. 应用化学, 2009, 26(07): 807-810.
[14]	钟世安, 袁周率, 李维, 乔蓉, 汤朝富. 铜离子印迹聚合物膜的制备及其渗透性能[J]. 应用化学, 2008, 25(8): 989-991.
[15]	许海峰, 唐瑞仁, 曹佐英, 骆浩, 沈阳倩. 壳聚糖黄原酸盐对Cu2+的吸附性能[J]. 应用化学, 2008, 25(6): 673-676.