一种可用于检测pH和H2O的双比率荧光探针

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240120

摘要/Abstract

摘要：

pH和水的检测在生命科学和化学工业中是至关重要的。对以中性红（NR）为碳源，乙二胺（EDA）为氮源，乙醇为溶剂，溶剂热法合成的黄色荧光碳点（NR-EDA-CDs）进行了研究，发现该碳点在激发波长为310~370 nm范围时，可以产生双发射峰。由此，建立了基于单一发光剂的双比率荧光探针检测pH和水的方法。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、红外光谱（IR）和X射线光电子能谱（XPS）对该碳点进行了表征，表明该碳点的形状为类球形，平均粒径为3.6 nm，有明显的石墨结构。研究发现，在365 nm激发波长下，该碳点具有良好的稳定性、抗光漂白性和耐盐性。在磷酸盐缓冲溶液中，pH值在4.15~8.55范围内与581和449 nm的荧光强度比（F₅₈₁/F₄₄₉）具有良好的线性关系，其决定系数R²=0.986。该pH比率荧光探针具有线性范围宽和可逆性好等特点。同时发现在二甲基亚砜溶剂中，水的含量在0.6%~50%（V（H₂O）/V（DMSO））范围内与F₄₈₅/F₅₈₅具有良好的线性，其决定系数R²=0.996，检出限为0.18%（V（H₂O）/V（DMSO））。该双比率荧光探针为pH和水的检测提供了一种新的方法。

关键词: 碳点, 荧光分析, pH, H₂O, 比率荧光探针

Abstract:

The detection of pH and water is critical in the life sciences and chemical industries. The yellow fluorescent carbon dots （CDs） synthesized by solvothermal method using neutral red （NR） as carbon source， ethylenediamine （EDA） as nitrogen source and ethanol as solvent was studied. It was found that the carbon dots （NR-EDA-CDs） could produce double emission peaks when the excitation wavelength was in the range of 310~370 nm. Therefore， a method for the detection of pH and water with a double ratio fluorescence probe based on a single luminant was established. The carbon dots were characterized by high-resolution transmission electron microscopy， X-ray diffraction， Raman spectroscopy， infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. The results showed that the carbon dots are spheroidal in shape， with an average particle size of 3.6 nm and obvious graphite structure. It was found that the carbon dots has good stability， photobleaching resistance and salt tolerance at the excitation wavelength of 365 nm. In phosphate buffer solution， pH in the range of 4.15~8.55 has a good linear relationship with the fluorescence intensity ratio of 581 and 449 nm （F₅₈₁/F₄₄₉）， and its coefficient （R²） is 0.986. The pH ratio fluorescent probe has the characteristics of wide linear range and good reversibility. At the same time， it was found that the content of water in DMSO is linear with F₄₈₅/F₅₈₅ in the range of 0.6%~50% （V（H₂O）/V（DMSO））， R² is 0.996， and the detection limit is 0.18% （V（H₂O）/V（DMSO））. The double ratio fluorescent probe provides a new method for the detection of pH and water.

Key words: Carbon dots, Fluorescence analysis, pH, H₂O, Ratiometric fluorescent probe

中图分类号:

O657.3

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图/表 12

图1 NR-EDA-CDs制备图

Fig.1 The preparation diagram of NR-EDA-CDs

图2 NR-EDA-CDs的（A）HRTEM（内插图为粒径分布统计图）、（B）晶格间距图、（C）XRD和（D）拉曼光谱图

Fig.2 （A） HRTEM （Inset： the particle size distribution statistics），（B） lattice spacing，（C） XRD and （D） Raman spectrum of NR-EDA-CDs

图3 NR-EDA-CDs （a）和中性红（b）的红外光谱图

Fig.3 FT-IR spectra of NR-EDA-CDs （a） and neutral red （b）

图4 NR-EDA-CDs的XPS全谱图（A）；NR-EDA-CDs的高分辨XPS的C1s （B）、O1s （C）和N1s （D）谱图

Fig.4 （A） XPS of NR-EDA-CDs； High-resolution XPS spectra of C1s （B）， O1s （C） and N1s （D） of NR-EDA-CDs

图5 （A） NR-EDA-CDs水溶液的紫外吸收光谱；（B）不同激发波长下NR-EDA-CDs的荧光发射光谱图

Fig.5 （A） UV absorption spectrum of NR-EDA-CDs；（B） Fluorescence emission spectra of NR-EDA-CDs at different excitation wavelengths

图6 NR-EDA-CDs的比率荧光在365 nm紫外光（A）照射下及在NaCl（0~1.0 mol/L）溶液中（B）的稳定性

Fig.6 Ratio fluorescence stabilities of NR-EDA-CDs under UV light （A） and 0~1.0 mol/L NaCl solution （B）

图7（A） NR-EDA-CDs在不同pH值的磷酸盐缓冲液中颜色变化图；（B） NR-EDA-CDs在不同pH值下的荧光光谱；（C） F581/F449与pH值的线性关系图；（D） pH值在4和8之间切换F581/F449的可逆性

Fig.7 （A） Color changes of NR-EDA-CDs in phosphate buffers with different pH values；（B） Fluorescence of NR-EDA-CDs at different pH；（C） Linear relationship between F581/F449 and pH；（D） The reversibility of F581/F449 switching between pH=4 and 8

表1 荧光检测pH范围文献对照表

Table 1 Comparison of literature on pH range of fluorescence detection

Probe	Method	Linear range	Ref.
ABMP	Direct fluorescent probe	2.4~4	［3］
PHHF	Ratio fluorescence probe	3.24~6	［4］
Probe L	Ratio fluorescence probe	4.5~6	［7］
RTPH	Direct fluorescent probe	1.87~4.48	［8］
Probe 1-1	Direct fluorescent probe	1.69~3.38	［25］
Probe 1-2	Direct fluorescent probe	1.78~2.52	［25］
Y-G-CDs	Direct fluorescent probe	5.9~7.7	［26］
Y-G-CDs	Ratio fluorescence probe	5.9~8.0	［26］
Green CDs	Direct fluorescent probe	4.5~8.5	［27］
NR-EDA-CDs	Ratio fluorescence probe	4.15~8.55	This work

图8 （A） NR-EDA-CDs在585 nm处的荧光强度与pH值的Sigmoidal拟合；（B）阴阳离子和（C）氨基酸对F581/F449的影响

Fig.8 （A） Sigmoidal fitting of the pH-dependent fluorescence at 585 nm for NR-EDA-CDs； Effects of anions and cations （B） with amino acids （C） on F581/F449

图9 （A） NR-EDA-CDs在不同溶剂中的荧光光谱；（B） F585/F435与不同溶剂的柱状图

Fig.9 （A） Fluorescence spectra of NR-EDA-CDs in different solvents；（B） Histogram of F585/F435 with different solvents

图10 （A） NR-EDA-CDs-DMSO中加入水的荧光图；（B）F485/F585与加入的水含量的线性拟合关系图；（C）向NR-EDA-CDs-DMSO中加入DMSO的荧光图；（D） F485/F585与加入的DMSO含量的关系图

Fig.10 （A） Fluorescence of adding water to CDs-DMSO；（B） The linear fitting relationship diagram of F485/F585 and water content；（C） Fluorescence of adding DMSO to CDs-DMSO；（D） The relationship diagram of F485/F585 and DMSO content

图11 （A）水稀释NR-EDA-CDs-DMSO的紫外光谱图；（B） DMSO稀释NR-EDA-CDs-DMSO的紫外光谱图

Fig.11 （A） UV spectra of NR-EDA-CDs-DMSO diluted with water；（B） UV spectra of NR-EDA-CDs-DMSO diluted with DMSO

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一种可用于检测pH和H₂O的双比率荧光探针

A Double Ratio Fluorescent Probe for pH and Water Detection

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