CN110907589B

CN110907589B - 一种基于GQDs光催化可视化检测Cu2+的方法

Info

Publication number: CN110907589B
Application number: CN201911149975.XA
Authority: CN
Inventors: 陈志涛; 刘晶晶
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN110907589A

Abstract

本发明属于化学传感技术领域，具体涉及一种基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法。本发明提供了一种基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法，包括以下步骤：准备GQDs；准备样品溶液；配置不同Cu²⁺浓度的标准溶液；混合，构建传感体系；显色反应；比色法检测：用紫外分光光度计测定所述溶液D在650nm处的吸光度；制作标准曲线；以及通过所述标准曲线确定所述待测水样中Cu²⁺的浓度。本发明的基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法，利用GQDs的光催化活性构建新型比色平台，可以实现对实际水环境中Cu²⁺的高灵敏和选择感测，实现检测仪器的低成本、快速与现场检测，该方法操作简单、经济环保、检测快速、选择性高且灵敏度强。

Description

一种基于GQDs光催化可视化检测Cu2+的方法

技术领域

本发明属于化学传感技术领域，具体涉及一种基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法。

背景技术

铜(II)是必不可少的微量元素，在环境，生物和化学领域中起着重要作用。人体中铜的缺乏会导致血液和神经***疾病，植物中的铜缺乏会影响光合作用、呼吸、繁殖、蛋白质形成、木质化、生长素调节、抗病性和某些其他植物功能。但是，高浓度的铜离子(Cu²⁺)会在生物体内引起毒性作用，并与许多疾病(如贫血癌症，心血管疾病，威尔逊氏病和其他神经退行性疾病) 相关。此外，Cu²⁺被广泛的运用到工业和农业中，所以它也是一种严重的环境污染物。有鉴于此，美国环境保护署(EPA)已将饮用水中的Cu²⁺限值设定为 20μM，正常组中血铜的平均浓度为15.7-23.6μM。由于过量或不足的Cu²⁺都会产生不利影响，因此建立一种快速灵敏的Cu²⁺定量方法非常重要。

现有测定Cu²⁺的方法主要是伏安法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、离子选择性膜电极法以及分光光度法等。然而，昂贵的专用设备，复杂的样品制备和费时的过程限制了它们的进一步应用。幸运的是，由于纳米材料的特殊物理和化学性质，基于纳米材料的光学测定法提供了一种检测 Cu²⁺的替代方法，而且引起了越来越多的关注。尤其是，作为光学测定法之一的比色测定法具有几个优点，包括低成本，高效率，便携性和现场检测的可行性等。借助不同的指示剂，出现了各式检测Cu²⁺的比色法，例如特定的化学探针，脱氧核酶，Au纳米颗粒或纳米棒，Ag纳米颗粒或纳米片，氧化锌纳米颗粒，共价三嗪骨架，金属有机框架等。然而，当前的比色测定受到以下因素的限制：耗时的过程，对带有假阳性信号环境的敏感性，要求引入氧化剂以及有毒试剂的存在等。因此，建立一种简单、低成本、快速且具有高特异性和灵敏度的铜离子检测新方法逐渐引起人们的关注并成为研究重点。

近年来，石墨烯量子点(GQDs)在化学，物理学，材料，生物学等领域引起了科学家的极大关注。GQDs不仅具有石墨烯优异的性能，如：大的比表面积、优异的机械性能、良好的生物兼容性等；还因量子限域效应和边界效应呈现出一系列新的化学和物理特性，如：稳定的光致发光，大的斯托克位移等特性。这些优越的光谱性质使GQDs作为生物成像荧光探针和生物传感器，被广泛应用于生化分析检测领域，发挥了巨大的应用潜力。但迄今为止，与GQDs的荧光特性相比，利用GQDs的光催化活性构建传感器的相关报道仍未见。

发明内容

为此，需要提供一种基于GQDs光催化可视化检测铜离子的新方法，以实现对实际水环境中铜离子的现场快速、简单、经济环保以及高灵敏的检测。

为实现上述目的，发明人提供了一种基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法，包括以下步骤：

准备GQDs，所述GQDs具有光催化活性；

准备样品溶液；

配置不同Cu²⁺浓度的标准溶液；

混合，构建传感体系：将所述GQDs和待测液体混合均匀，得到溶液A；向所述溶液A中加入pH值为3.5～4.5的酸性缓冲液，混合均匀后于室温下进行孵育2～7min，得到溶液B；向所述溶液B中加入浓度为0.5～0.8mM 的TMB，混合均匀得到溶液C；其中，所述待测液体为所述样品溶液或所述标准溶液，所述GQDs、所述待测液体以及所述TMB的加入体积比为1：1：1，所述溶液C的体积为100～600μL；

显色反应：将所述溶液C置于波长为365nm的紫外光下进行光诱导显色反应9～11min，得到溶液D；

比色法检测：用紫外分光光度计测定所述溶液D在650nm处的吸光度；

制作标准曲线：根据测得的含有标准溶液的溶液D的吸光度制作不同 Cu²⁺浓度的标准曲线；

通过所述标准曲线确定所述待测水样中Cu²⁺的浓度。

优选的，所述GQDs的制备方法包括以下步骤：

取0.200g GO，充分溶解于30mL浓H₂SO₄和10mL HNO₃的混合液体中，得到混合溶液A；

将所述混合溶液A超声处理2h，并在100℃下搅拌3h，冷却至室温后得到产物A；

将所述产物A用超纯水稀释，并在冰浴中用Na₂CO₃将pH调节至7得到混合溶液B；

将所述混合溶液B通过0.22μm滤膜过滤，以除去残留的GO，随后获得混合溶液C；

将所述混合溶液C置于截留分子量为100Da的渗析袋中透析2天，以去除中和过程中形成的NaNO₃和Na₂SO₄，得到混合溶液D；

将所述混合溶液D置于截留分子量为1000Da的渗析袋中进行进一步透析另外2天，留在透析袋内的产物B即为GQDs。

优选的，所述样品溶液为将待测水样经0.22μm滤膜过滤处理后得到的溶液。

优选的，在所述混合步骤中，所述GQDs的浓度为0.5mg/mL。

优选的，在所述混合步骤中，所述酸性缓冲液为柠檬酸缓冲液，其pH值为4.0，浓度为0.1M。

优选的，在所述混合步骤中，所述TMB的浓度为0.5mM。

优选的，在所述混合步骤中，所述孵育时间为3min。

优选的，在所述混合步骤中，所述光诱导显色反应时间为9min。

优选的，在所述显色反应步骤后，还包括以下步骤：

分别记录含有样品溶液的溶液D的颜色和含有标准溶液的溶液D的颜色；

将记录的含有样品溶液的溶液D的颜色与含有标准溶液的溶液D的颜色进行对比，得出所述待测水样中Cu²⁺的浓度。

本发明的实验原理为：由图1可知，在紫外线照射下，TMB(3,3',5,5'- 四甲基联苯胺)被GQDs(石墨烯量子点，Graphene quantum dots)产生的¹O₂ (单线态氧)氧化为oxTMB，此时在650nm波长下oxTMB的光吸收值最大，且溶液颜色由无色变为蓝色。但是，在存在Cu²⁺的情况下，Cu²⁺与GQDs的强配位导致光诱导电子从GQDs转移到Cu²⁺，因此，一部分GQDs的光催化活性被关闭，并导致一部分的TMB无法氧化为oxTMB，此时oxTMB的吸光值降低，溶液的颜色趋于无色。Cu²⁺浓度越高，光催化活性被关闭的GQDs 越多，则溶液的颜色越趋于无色，基于此，通过观察溶液颜色即可定性判断 Cu²⁺的浓度，通过比色测定oxTMB的吸光值即可定量检测Cu²⁺的浓度。

区别于现有技术，上述技术方案至少具有以下有益效果：在本发明中制备的GQDs具有光催化活性，其表面具有丰富的含氧基团(酮羰基、羧基和羟基等)，可以与Cu²⁺产生强配位作用，从而调节GQDs的光催化活性，导致¹O₂辅助的TMB显色反应减少。因此，在本发明的基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法中，利用GQDs的光催化活性构建新型比色平台，可以实现对实际水环境中Cu²⁺的高灵敏和选择感测，实现检测仪器的低成本、快速与现场检测，该方法操作简单、经济环保、检测快速、选择性高且灵敏度强。

附图说明

图1为利用本发明的基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的机理图；

图2A为实施例1中清除剂对TMB光氧化影响的检测结果图；

图2B为实施例1中GQDs经光照5分钟后的ESR光谱图；

图2C为实施例1中GQDs在光照5分钟内单线态氧荧光探针的荧光强度变化曲线图；

图3为实施例2中不同条件下TMB的吸收光谱图，其中，(a)TMB+紫外线；(b)GQDs+TMB；(c)GQDs+TMB+紫外线；(d)GQDs+Cu²⁺+TMB +紫外线；

图4A为实施例3中不同pH值的反应缓冲液对oxTMB的吸光度变化值影响的检测结果图；

图4B为实施例3中不同浓度TMB对oxTMB的吸光度变化值影响的检测结果图；

图4C为实施例3中不同孵育时间对oxTMB的吸光度变化值影响的检测结果图；

图4D为实施例3中不同光照时间对oxTMB的吸光度变化值影响的检测结果图；

图5A为实施例4中在不同浓度的Cu²⁺存在下oxTMB的吸收光谱图，其中，a)0，b)0.1μM，c)0.25μM，d)0.5μM，e)1μM，f)2.5μM，g)5 μM，h)10μM，i)25μM，j)50μM，k)100μM；

图5B为实施例4中在不同浓度的Cu²⁺存在下oxTMB的吸光度变化曲线图，其中，图中数据为三个独立实验的平均值(n＝3)，插图为不同Cu²⁺浓度的标准曲线图；

图6A为实施例5中在不同金属离子存在下本发明检测方法中构建的传感体系的颜色图，其中，1.Mn²⁺；2.Na⁺；3.Zn²⁺；4.K⁺；5.Ni²⁺；6.Ag⁺；7.Cd²⁺； 8.Mg²⁺；9.Co²⁺；10.Fe³⁺；11.Cu²⁺；

图6B为实施例5中在不同金属离子存在下本发明检测方法中构建的传感体系的相对吸光度的测定结果图，其中，1.Mn²⁺；2.Na⁺；3.Zn²⁺；4.K⁺；5.Ni2⁺； 6.Ag⁺；7.Cd²⁺；8.Mg²⁺；9.Co²⁺；10.Fe³⁺；11.Cu²⁺；

图7为实施例5中SHPP对Fe³⁺的掩蔽效果图，其中a.GQDs；b.a+SHPP；c.a+Fe³⁺；d.c+SHPP；e.d+Cu²⁺。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。例如但不限于，本发明实施例中所用的石墨粉末购自Sigma-Aldrich Chemical Co.(美国)；3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)购自上海生工生物工程股份有限公司(中国上海)；单线态氧荧光探针(SOSG，100μg)购自赛默飞世尔科技(美国)；柠檬酸，柠檬酸钠，二水合氯化铜(CuCl₂·2H₂O)，六水合氯化铁(III)六水合物(FeCl₃·6H₂O)，四水合氯化铁(II)四水合物 (FeCl₂·4H₂O)，氯化钠(NaCl)，氯化钾(KCl)，六水合氯化镁(MgCl₂·6H₂O)，六水合氯化钴(CoCl₂·6H₂O)，六水合硝酸镍(NiCl₂·6H₂O)，四水合氯化锰 (MnCl₂·4H₂O)，氯化锌(ZnCl₂)和硝酸银(AgNO₃)由国药集团化学试剂有限公司(中国)提供；所有试剂均为分析纯，无需进一步纯化即可使用；在所有实验中均使用电阻率为18.2MΩ.cm^-1的Milli-Q超纯水。

本发明实施例中，在室温下使用UV-2600分光光度计(日本岛津)测量 UV-vis吸收光谱；用PHS-2F数字酸度计(上海雷磁)进行pH测量；使用三重紫外线分析仪WFH-203B(中国上海精科实业有限公司)进行紫外线照射；使用ElexSys E500光谱仪(德国布鲁克-BioSpin有限公司)在室温下获得ESR 光谱；使用日立F-4600荧光计(日本日立制作所)收集荧光光谱。

本发明实施例中，ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)可以同时测量周期表中大多数元素，测定分析物浓度可低至纳克/升(ng/L)或万亿分之几(ppt) 的水平。

本发明实施例中的河水样品，例如但不限于，采集自福州闽江。

本发明实施例中所用的GQDs为g-GQDs(green-GQDs，可发绿色荧光的 GQDs)，具有光催化活性，其表面具有丰富的含氧基团(酮羰基、羧基和羟基等)，可以与Cu²⁺产生强配位作用，从而调节GQDs的光催化活性，导致¹O₂辅助的TMB显色反应减少。因此，无需对g-GQDs的表面进行修饰，利用其自身表面带有的丰富的含氧基团即可实现与Cu²⁺的有效结合。此外，本发明实施例中所用的GQDs不含任何有毒金属(如镉、铅、锰等)，具有生物低毒性、优异的水溶性、化学惰性、稳定的光致发光性等特性，现场检测水质的人员可安全放心地使用。

实施例1GQDs的制备

取0.200g氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)，充分溶解于30mL浓H₂SO₄和10mL HNO₃的混合液体中，得到混合溶液A；将所述混合溶液A超声处理2h，并在100℃下搅拌3h，冷却至室温后得到产物A；将所述产物A用超纯水稀释，并在冰浴中用Na₂CO₃将pH调节至7得到混合溶液B；将所述混合溶液B通过0.22μm滤膜过滤，以除去残留的GO，随后获得混合溶液C；将所述混合溶液C置于截留分子量为100Da的渗析袋中透析2天，以去除中和过程中形成的NaNO₃和Na₂SO₄，得到混合溶液D；将所述混合溶液D置于截留分子量为1000Da的渗析袋中进行进一步透析另外2天，得到透析袋内的产物B。

通过UV照射，产物B可以发出绿色荧光，即g-GQDs。

实施例2基于GQDs光催化活性检测Cu²⁺的可行性测试

一、TMB光氧化机理的研究

相关研究表明，GQDs在光照下会产生活性氧(ROS)。本发明实施例为了揭示特殊ROS在TMB(四甲基联苯胺)氧化中的作用，使用了ROS特异性清除剂，即·OH的甘露醇，¹O₂的色氨酸，·O₂ ^-的超氧化物歧化酶(SOD) 和H₂O₂的过氧化氢酶。如图2A所示，仅色氨酸的存在对GQD催化的TMB 光氧化具有抑制作用，而其他三种清除剂则没有显着差异，表明光敏化的¹O₂产生是TMB氧化的原因。

作为鉴定生成的¹O₂的最直接证据，选择2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMP)作为捕获剂，进行了电子自旋共振(ESR)测量，结果如图2B所示。GQDs的 ESR谱图(图2B)显示出1：1：1的三重态信号，这与TEMP与¹O₂反应生成的2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)的特征一致，测量结果表明在光照条件下，GQDs的确产生了¹O₂。

此外，图2C示出了GQDs在光照5分钟内SOSG(单线态氧荧光探针) 的荧光强度变化曲线。由图2C可知，SOSG的荧光强度随紫外线照射时间的增加而增加，这进一步证实了¹O₂的产生。

二、基于GQDs光催化活性检测Cu²⁺的可行性测试

如图1所示的基于GQDs光催化活性检测Cu²⁺的实验原理，可知GQDs 表面丰富的羧基可以与Cu²⁺产生强配位作用，从而调节GQDs的光催化活性，导致¹O₂辅助的TMB显色反应减少。

为了进一步检验本发明提出的基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法的可行性，在不同条件下进行了系列实验，结果如图3所示。由图3可知，没有GQDs的情况下，单独的UV辐射不能诱导TMB氧化(曲线a)；没有 UV辐射，单独的GQDs也不能改变TMB的颜色(曲线b)。然而，在约650 nm处的吸收光谱显示，在GQDs存在的情况下，UV照射后TMB被成功氧化(曲线c)。在引入Cu²⁺后，Cu²⁺与GQDs的强配位导致光诱导电子从GQDs 转移到Cu²⁺，进而导致TMB的氧化减弱，其光吸收强度也随之降低(曲线d)。因此，本发明基于Cu²⁺介导的GQDs的光催化活性，提出了一种简单、快速且经济的比色测定法。

实施例3感测条件的优化

为了获得最佳的传感性能，本发明实施例对反应缓冲液(柠檬酸缓冲液) 的pH，TMB的浓度，孵育时间和照射时间进行了优化。以ΔA作为检测指标，ΔA(即，A₀-A)表示在不存在和存在Cu²⁺的情况下oxTMB的吸光度变化。

(1)本实施例探究了pH值为2.5～6.0的反应缓冲液对ΔA值的影响，结果如图4A所示。由图4A可知，GQD的光活性高度依赖于pH，在pH为3.5～ 4.5时可获得较高的ΔA，优选的，在pH 4.0条件下ΔA值最高。

(2)进一步的，本实施例探究了浓度为0～1.0mM的TMB对ΔA值的影响，结果如图4B所示。由图4B可知，ΔA的值随TMB浓度的增加而增加，并在TMB浓度为0.5～0.8mM时趋于平缓，达到平台值，优选的，在0.5mM 时ΔA值达到最高点。

(3)进一步的，本实施例探究了1～7min的不同孵育时间对ΔA值的影响，结果如图4C所示。由图4C可知，随着孵育时间的增加，ΔA迅速增加； 3～7min的孵育时间下，ΔA值较高，且超过3min，ΔA值保持恒定；优选的，在孵育时间为3min时ΔA值达到最高点。

(4)进一步的，本实施例探究了1～11min的不同光照时间对ΔA值的影响，结果如图4D所示。由图4D可知，随着照射时间从1到11分钟的变化，ΔA增加；于9～11min时，ΔA值趋于平缓；并且更长的照射时间不会导致ΔA的进一步增加。因此，采用9～11min作为照射时间，优选的，采用9min 作为最佳的照射时间。

因此，在本发明的其它实施例中，可选的优化条件为：酸性缓冲液的pH 值为3.5～4.5，TMB浓度为0.5～0.8mM，孵育时间为3～7min，照射时间为 9～11min。进一步的优选条件为：缓冲液的pH值为4.0，TMB浓度为0.5mM，孵育时间为3min，照射时间为9min。

基于本实施例的测试和优化结果，本发明优选实施例中的基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法，通过以下步骤实现，具体的为：

按照实施例1所述步骤，制备GQDs；

准备样品溶液：用0.22μm滤膜对待测水样进行过滤处理；

精确配置不同Cu²⁺浓度的标准溶液；

混合，构建传感体系：将GQDs和待测液体混合均匀，得到溶液A；向溶液A中加入酸性缓冲液，混合均匀后于室温下进行孵育，得到溶液B；向溶液B中加入TMB，混合均匀得到溶液C；其中，待测液体为样品溶液或标准溶液；GQDs、待测液体以及TMB的加入体积比为1：1：1，溶液C的体积为100～600μL；GQDs的浓度为0.5mg/mL；酸性缓冲液的浓度为0.1M， pH值为3.5～4.5，优选的为pH4.0；TMB浓度为0.5～0.8mM，优选的为0.5 mM；孵育时间为3～7min，优选的为3min；

显色反应：将溶液C置于波长为365nm的紫外光下进行光诱导显色反应，得到溶液D；其中，光诱导显色反应时间为9～11min，优选的为9min；

可视化检测：分别记录含有样品溶液的溶液D的颜色和含有标准溶液的溶液D的颜色；将记录的含有样品溶液的溶液D的颜色与含有标准溶液的溶液D的颜色进行对比，得出待测水样中Cu²⁺的浓度；

比色法检测：用紫外分光光度计测定溶液D在650nm处的吸光度；

制作标准曲线：根据测得的标准溶液反应后得到的溶液D的吸光度制作不同Cu²⁺浓度的标准曲线；

通过标准曲线确定待测水样中Cu²⁺的浓度。

实施例4Cu²⁺比色检测法灵敏度的测定

为了考察Cu²⁺比色检测法的灵敏度，采用上述基于GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法进行如下操作。

具体步骤如下：

按照实施例1所述步骤，制备GQDs；

精确配置浓度分别为0、0.1、0.25、0.5、1、2.5、5、10、25、50和100μM 的Cu²⁺标准溶液；

混合，构建传感体系：将GQDs和待测液体混合均匀，得到溶液A；向溶液A中加入酸性缓冲液，混合均匀后于室温下进行孵育，得到溶液B；向溶液B中加入TMB，混合均匀得到溶液C；其中，待测液体为上述不同浓度 Cu²⁺的标准溶液；GQDs、待测液体以及TMB的加入体积比为1：1：1，溶液 C的体积为200μL；GQDs的浓度为0.5mg/mL；酸性缓冲液的pH值为4.0，浓度为0.1M；TMB浓度为0.5mM；孵育时间为3min；

显色反应：将溶液C置于波长为365nm的紫外光下进行光诱导显色反应，得到溶液D；其中，光诱导显色反应时间为9min；

本实施例中，上述显色反应中得到的溶液D为包含上述不同浓度Cu²⁺的标准溶液的溶液D1-D11，例如，溶液D1为包含0μM Cu²⁺标准溶液的溶液、溶液D2为包含0.1μM Cu²⁺标准溶液的溶液，以此类推，在此不做赘述；

用紫外分光光度计分别测定溶液D1-D11在550nm至800nm的波长范围内的紫外吸收峰，结果如图5A和5B所示。如图5A所示，a到k分别为0、 0.1、0.25、0.5、1、2.5、5、10、25、50和100μM时对应的紫外吸收峰，随着Cu²⁺浓度的增加，在550nm至800nm的波长范围内的吸收峰强度明显减弱，且肉眼可见明显的颜色变化。

如图5B所示，ΔA(A₀-A)表示在不存在和存在Cu²⁺的情况下oxTMB 的吸光度变化，ΔA值随着Cu²⁺浓度的增加而增加。

图5B中的插图示出了不同浓度Cu²⁺的标准曲线，如该插图所示，在0.1-10 μM的范围内，ΔA与Cu²⁺的浓度之间存在良好的线性关系(线性方程为 Y＝0.025+0.030*X，单位μM，r≥0.9900)，图中数据为三个独立实验的平均值 (n＝3)。根据空白信号偏差(3σ)的三倍的定义，本发明的检测方法可以实现Cu²⁺浓度低至69nM的检测限，远低于生活饮用水卫生标准(GB5749— 2006)1mg·L^-1的规定。

实施例5Cu²⁺比色检测法选择性的测定

为了验证本发明的检测方法对Cu²⁺的选择性，选择水中10种常见的金属离子(包括Mn²⁺，Na⁺，Zn²⁺，K⁺，Ni²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Mg²⁺，Co²⁺，Fe³⁺)为干扰物质，分别考察干扰离子取代Cu²⁺加入时，该传感体系的相对吸光度。

具体步骤为：

按照实施例1所述步骤，制备GQDs；

分别精确配置浓度为5μM的10种金属离子的标准溶液以及浓度为5μM 的Cu²⁺标准溶液；

混合，构建传感体系：将GQDs和待测液体混合均匀，得到溶液A；向溶液A中加入酸性缓冲液，混合均匀后于室温下进行孵育，得到溶液B；向溶液B中加入TMB，混合均匀得到溶液C；其中，待测液体为Mn²⁺，Na⁺， Zn²⁺，K⁺，Ni²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Mg²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，或Cu²⁺标准溶液；GQDs、待测液体以及TMB的加入体积比为1：1：1，溶液C的体积为200μL；GQDs 的浓度为0.5mg/mL；酸性缓冲液的pH值为4.0，浓度为0.1M；TMB浓度为0.5mM；孵育时间为3min；

本实施例中，上述显色反应中得到的溶液D为包含上述相同浓度不同金属离子的标准溶液的溶液D1-D11，例如，溶液D1为包含5μM Mn²⁺标准溶液的溶液、溶液D2为包含5μMNa⁺标准溶液的溶液，以此类推，在此不做赘述；

用紫外分光光度计分别测定含有各金属离子标准溶液的溶液D1-D11在650nm波长下的相对吸光度，并记录各溶液D的颜色，结果如图6A和6B 所示。

如图6A和6B所示，除了Fe³⁺对检测结果具有干扰性，其它常见的离子对本方法均不干扰。尽管Fe³⁺也可以淬灭GQDs的荧光，但是通过使用六偏磷酸钠(SHPP)作为螯合剂可以轻松避免其干扰(如图7所示)。结果表明，本发明所提出的检测方法对Cu²⁺具有高选择性，可用于实际水环境中以检测Cu²⁺。

实施例6实际水样加标回收率的测定

为了证明本发明的检测方法的实用性，使用本法对自来水和河水两种水样进行加标实验。

使用0.22μm滤膜处理地表水样品，然后采用ICP-MS测定自来水和河水中Cu²⁺的原始浓度分别为2.9nM和33nM，然后采用标准加入法分别向自来水和河水中添加浓度为200nM和500nM的Cu²⁺进行回收试验，记为自来水组1、自来水组2、河水组3和河水组4。

具体步骤为：

按照实施例1所述步骤，GQDs；

精确制备自来水组1、自来水组2、河水组1和河水组2；混合，构建传感体系：将GQDs和待测液体混合均匀，得到溶液A；向溶液A中加入酸性缓冲液，混合均匀后于室温下进行孵育，得到溶液B；向溶液B中加入TMB，混合均匀得到溶液C；其中，待测液体为自来水组1、自来水组2、河水组1、河水组2或离子浓度分别为0、100、200、300、400、500和600nM的Cu²⁺标准溶液；GQDs、待测液体以及TMB的加入体积比为1：1：1，溶液C的体积为200μL；GQDs的浓度为0.5mg/mL；酸性缓冲液的pH值为4.0，浓度为0.1M；TMB浓度为0.5mM；孵育时间为3min；

本实施例中，上述显色反应中得到的溶液D为包含上述自来水组1、自来水组2、河水组1或河水组2溶液D1-D4，例如，溶液D1为包含自来水组 1的溶液、溶液D2为包含自来水组2的溶液，以此类推，在此不做赘述；

用紫外分光光度计分别测定各溶液D在650nm波长下的吸光度；

各样品分别测定3次，取其平均值。通过实施例4构建的标准曲线(Y＝0.025+0.030*X，单位μM，r≥0.9900)，确定待测水样中Cu²⁺的浓度，如表1所示，对自来水及河水的加标回收率可以达到95％～107.4％，相对标准偏差(RSD)小于5.0％。检测结果证明，本发明的Cu²⁺比色检测法能应用于实际水样中Cu²⁺的检测。

表1实际水样加标回收率的测定结果

实施例7Cu²⁺比色检测法与不同检测方法对Cu²⁺的感测性能对比分析

本实施例将本发明的Cu²⁺比色检测法与不同光学探针对Cu²⁺的传感性能进行对比分析，对比结果如表2所示，不同检测方法的Cu²⁺检测数据由表3 的各参考文献中得到。

表2不同检测方法对Cu²⁺的感测性能对比表

表3不同光学探针的参考文献

由表2可知，相比于其它不同的检测方法，本发明的Cu²⁺比色检测法对 Cu²⁺的感测具有相当或者/甚至更低的检测限，较宽的线性范围以及较短的相应时间，且本发明的Cu²⁺比色检测法具有操作更简便灵活，仪器设备便宜，灵敏度高，检测成本低廉，便于可视化等特点。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种基于g-GQDs光催化可视化检测Cu²⁺的方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备g-GQDs，所述g-GQDs具有光催化活性，且表面具有丰富的含氧基团，所述含氧基团包括酮羰基、羧基和羟基；

准备样品溶液，所述样品溶液为将待测水样经0.22 μm滤膜过滤处理后得到的溶液；

配置不同Cu²⁺浓度的标准溶液；

混合，构建传感体系：将所述g-GQDs和待测液体混合均匀，得到溶液A；向所述溶液A中加入pH值为3.5～4.5的酸性缓冲液，混合均匀后于室温下进行孵育2～7 min，得到溶液B；向所述溶液B中加入浓度为0.5～0.8 mM的TMB，混合均匀得到溶液C；其中，所述待测液体为所述样品溶液或所述标准溶液，所述g-GQDs、所述待测液体以及所述TMB的加入体积比为1：1：1，所述溶液C的体积为100～600 μL；

显色反应：将所述溶液C置于波长为365 nm的紫外光下进行光诱导显色反应9～11min，得到溶液D；

比色法检测：用紫外分光光度计测定所述溶液D在650 nm处的吸光度；

制作标准曲线：根据测得的含有所述标准溶液的溶液D的吸光度制作不同Cu²⁺浓度的标准曲线；

通过所述标准曲线确定所述待测水样中Cu²⁺的浓度；

所述g-GQDs的制备方法包括以下步骤：

取0.200 g GO，充分溶解于30 mL浓H₂SO₄和10 mL HNO₃的混合液体中，得到混合溶液A；

将所述混合溶液A超声处理2 h，并在100℃下搅拌3 h，冷却至室温后得到产物A；

将所述混合溶液B通过0.22 μm滤膜过滤，以除去残留的GO，随后获得混合溶液C；

将所述混合溶液C置于截留分子量为100 Da的渗析袋中透析2天，以去除中和过程中形成的NaNO₃和Na₂SO₄，得到混合溶液D；

将所述混合溶液D置于截留分子量为1000 Da的渗析袋中进行进一步透析另外2天，留在透析袋内的产物B即为g-GQDs。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混合步骤中，所述g-GQDs的浓度为0.5 mg/mL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混合步骤中，所述酸性缓冲液为柠檬酸缓冲液，其pH值为4.0，浓度为0.1 M。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混合步骤中，所述TMB的浓度为0.5mM。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混合步骤中，所述孵育时间为3min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述混合步骤中，所述光诱导显色反应时间为9 min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述显色反应步骤后，还包括以下步骤：