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• 随着生活水平提高和工业化快速发展，水污染问题日益突出，尤其是制革、冶金、采矿、电镀、化工等工业过程都会造成严重水污染^[1]。硫化物作为造纸、石油、电镀、制革和医药合成等工业生产中的一种重要原料，广泛存在于工业废水中^[2]。硫化物(Na₂S)中的S^2-对生物具有高度神经毒性，过量积累会严重威胁人类健康和生态环境^[3]。有研究表明，人体内S^2-含量异常会诱发阿尔兹海默病、唐氏综合征、糖尿病和心血管疾病等的发生^[4-6]。还需注意的是，一定浓度的S^2-可与血液中的血红蛋白结合，从而导致呼吸困难、意识丧失和心脏骤停^[7]。因此，开发新颖简便、灵敏高效的S^2-检测方法具有重要意义。目前用于检测S^2-的方法主要有电化学法、高效液相色谱和电感耦合等离子体质谱法等^[8-10]。然而大多数的检测方法存在制样繁琐、设备昂贵、耗时费力、专人操作等局限性。因此，有必要开发一种快速响应、灵敏准确、成本效益高的S^2-检测技术。

  荧光传感器因具有灵敏简单、成本低廉等优点而受到广泛关注^[11]。荧光纳米材料由于具有灵敏度高、响应快速并能够实时检测等优点，近年来被广泛用于食品检测、环境监测、癌症识别、细胞成像等领域^[12-14]。金属纳米材料因其独特的光学、电化学特性，作为功能性发光纳米材料而备受青睐^[15-16]。其中银纳米簇不仅具有尺寸小、光稳定性好、荧光性质可调节、毒性低等优点，而且具有优良的荧光性质、催化性质、手性以及抗菌活性等性质，已成为纳米材料领域发展前景较好的材料之一^[17-19]。例如，Sasikumar等基于水溶性二氢硫辛酸保护银纳米簇，构建了一种智能手机集成纸基传感器，并将其用于检测环境污水中的S^{2- [20]}。Villarino等设计了一种基于银纳米簇的比色/荧光双模传感器，用于检测废水中溴化物和亚硫酸盐^[21]。虽然研究者们采用各种方法和功能化配体合成了具有不同荧光特性的银纳米簇来检测水中的S^2-，但是目前报道的银纳米簇大部分为单发射荧光。众所周知，单发射银纳米簇易受探针浓度、仪器灵敏度、外部光学参数、环境条件和背景荧光等因素影响而产生荧光值波动，导致检测准确度下降。比率型荧光纳米材料可利用双发射峰荧光强度比值进行内置校正，消除仪器变化、环境因素和探针浓度波动引起的干扰误差，有效提高动态响应范围和改善荧光检测信噪比，从而实现对检测物质的精准测定^[22-24]。此外，相对于单波长荧光纳米材料而言，比率型荧光纳米材料更加灵敏，其可视化检测结果更加可靠、容易分辨。例如，Huang等合成了一种基于二氧化硅包覆聚乙烯亚胺(PEI)功能化银纳米簇的比率荧光传感器，并将其用于高灵敏和选择性检测S^2-和I^{- [25]}。然而，目前报道的比率荧光传感器大多是通过化学键或物理作用力将2种或2种以上的荧光材料组装而成，具有组成复杂、合成时间长、步骤繁琐、反应温度高、生物相容性差等缺点。此外，用于高灵敏性和准确检测S^2-的比率型红色荧光银纳米簇还未见报道。因此，当前亟需对绿色环保、经济易行的单激发双发射比率型红色荧光银纳米簇开展研究，旨在将其应用于环境监测等领域。

  基于此，受聚集诱导自组装启发^[26]，我们以硝酸银(AgNO₃)为原料、PEI和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)经氢键结合而成的复合物为配体、2-巯基苯并噻唑(MBT)为诱导剂，借助一锅低热反应，以绿色友好的方法合成了比率型红色荧光银纳米簇(PEI/PVP-AgNCs)，并将其用于视觉比色荧光检测Na₂S中S^2-，操作流程如图 1所示。相较于传统比率荧光传感器制备方法，本文报道的方法只需静置，无需搅拌超声等繁琐操作，且无需2种以上荧光材料进行复合反应，具有时间短、操作简单、绿色环保和经济易行的优良特性。通过光学表征和结构形貌测试证实PEI/ PVP-AgNCs具有优异的光学性能，如红光发射、响应迅速(< 1.0 min)、良好稳定性及大斯托克斯位移。基于硬软酸碱原理，软碱S^2-能够与PEI/PVP-AgNCs中的软酸Ag⁺结合形成Ag₂S，但不会与PEI/PVP配体发生反应。这一特性致使PEI/PVP-AgNCs 610 nm波长处的红色荧光发生了猝灭，而435 nm波长处的荧光无明显变化，从而实现了对S^2-的选择性捕获与检测。此外，可将PEI/PVP-AgNCs制作成一种便携式试纸，借助智能手机对S^2-进行实时现场视觉比色检测。基于此，我们构建了一种比率型荧光传感器，用于高选择性和高灵敏检测S^2-。利用该方法对环境水样中的S^2-进行定量分析时，发现其具有较好的准确性，有望应用于评估环境水样污染。

  图 1

  

  图 1.  PEI/PVP-AgNCs的合成及其用于视觉比色化S^2-检测示意图

  Figure 1.  Scheme of preparation of PEI/PVP-AgNCs and its application in visual colormetric detection of S^2-

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  1.   实验部分

  1.1   试剂与仪器

  AgNO₃购自天津市津北精细化工有限公司；MBT(≥98.0%)和PEI(M_w=1 800)购自上海阿拉丁试剂有限公司；PVP(M_w=58 000)购自上海麦克林生物试剂有限公司；硫化钠(Na₂S)、焦磷酸钠(Na₄P₂O₇)、磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)、磷酸二氢钾(KH₂PO₄)、草酸钠(Na₂C₂O₄)、氯化钠(NaCl)、碘化钾(KI)、溴化钾(KBr)、氟化钾(KF)、磷酸钠(Na₃PO₄)、乙酸钠(NaAc)、亚硫酸钠(Na₂SO₃)、亚硫酸氢钠(NaHSO₃)、柠檬酸钠(Na₃Cit)、硫酸钠(Na₂SO₄)、硝酸锌(Zn(NO₃)₂)、硝酸铝(Al(NO₃)₃)、硝酸镁(Mg(NO₃)₂)、硝酸铜(Cu(NO₃)₂)、硝酸铅(Pb(NO₃)₂)、硝酸钡(Ba(NO₃)₂)、硝酸汞(Hg(NO₃)₂)、硝酸铋(Bi(NO₃)₃)、硝酸镉(Cd(NO₃)₂)、硝酸铬(Cr(NO₃)₃)、硝酸钙(Ca(NO₃)₂)、硝酸钠(NaNO₃)、硝酸钾(KNO₃)、硝酸铁(Fe(NO₃)₃)均为分析纯，均购自天津市科密欧化学试剂有限公司；谷胱甘肽(GSH)、色氨酸(Trp)、精氨酸(Arg)、丝氨酸(Ser)、组氨酸(His)、甲硫氨酸(Met)、高半胱氨酸(Hcy)、苯丙氨酸(Phe)、甘氨酸(Gly)、赖氨酸(Lys)、半胱氨酸(Cys)等均购自美国Fine-Scientific。所有试剂均未经纯化，实验所用水均为18.2 MΩ·cm去离子水。

  PEI/PVP-AgNCs的制备在红外线加热电磁搅拌器(Wiggens WH220-R型)上完成；荧光光谱数据使用荧光分光光度计(Hitachi F-7000型)获得；荧光颜色使用暗箱式三用紫外分析仪(ZF-7ND型)观察；紫外可见(UV-Vis)吸收光谱数据使用紫外可见分光光度计(Hitachi U-3900型)获得；红外光谱(FTIR)测试在傅里叶红外光谱仪(Thermo Fisher Nicole iS5型)上完成；形貌粒径和晶格结构测试使用透射电子显微镜(TEM，FEI Tecnai F20型)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM，FEI Tecnai F20型)完成，工作电压为200 kV；元素组成使用X射线光电子能谱仪(XPS，Thermo FisherScientific K-Alpha型)获得；表面形貌和元素能谱分析(EDS)使用扫描电子显微镜(SEM，Zeiss Gemini Sigma 300型)获得。结构测试使用X射线衍射仪(XRD，Rigaku Ultima Ⅳ型)完成，采用Cu靶Kα射线(λ=0.154 18 nm)，管电压为40 kV，管电流为40 mA，扫描步长为0.02°，扫描范围为10°~80°。

  1.2   PEI/PVP-AgNCs的制备及条件优化

  PEI/PVP-AgNCs通过一锅静置低热化学反应制备。首先，依次取1.5 mL AgNO₃(0.001 mol·L¹)、2.0 mL PVP(0.000 1 mol·L^-1)和0.3 mL PEI(0.1 mol·L^-1)于10.0 mL的透明螺纹反应瓶中混匀，然后再加入0.1 mL MBT(0.01 mol·L^-1)和1.1 mL超纯水，振荡混匀后，用浓硝酸将pH调至9.0，随后放置在50 ℃的恒温加热器上反应2.0 h。待反应完成后，将混合溶液转移到超滤离心管(M_w=50 000)中离心纯化(3 000 r·min^-1，0.5 h)，得到浅黄色溶液(PEI/PVP-AgNCs)，并置于4 ℃冰箱避光保存。此外，为了得到PEI/PVP-AgNCs的最佳制备条件，控制其他条件按制备条件不变，分别改变AgNO₃、PVP、PEI、MBT的不同用量以及不同的反应温度、时间和pH制备PEI/PVP-AgNCs。

  1.3   比率型PEI/PVP-AgNCs比率荧光化检测Na₂S中S^2-

  为了探究PEI/PVP-AgNCs检测S^2-的选择性，分别向1.9 mL PEI/PVP-AgNCs溶液中加入0.1 mL浓度为0.01 mol·L^-1的阴离子、氨基酸和阳离子后，记录其在激发波长为365 nm时的荧光光谱。

  为了确定S^2-的检测灵敏度，取1.9 mL的PEI/PVP-AgNCs溶液到比色皿中，通过滴定法逐次加入5 μL S^2-溶液(0.002 mol·L^-1)，并用移液枪吹打30 s后，记录其在激发波长为365 nm时的荧光光谱。重复此步骤，直到610 nm处荧光完全猝灭。

  1.4   比率型PEI/PVP-AgNCs视觉比色检测Na₂S中S^2-

  将纤维滤纸裁剪成各种图案并浸泡于PEI/PVP-AgNCs溶液中24 h，随后自然晾干获得纸基PEI/PVP-AgNCs试纸。再将不同浓度的S^2-滴加到试纸上，置于紫外灯下用智能手机拍照(紫外灯强度为20 μW·cm^-2，拍照距离为10 cm，拍照时关闭所有日光灯，保持环境为黑暗状态)识别试纸荧光颜色变化值。

  1.5   实际水样检测

  采集太原师范学院校园湖水50 mL，静置过夜后，离心取上清液备用。将1.9 mL PEI/PVP-AgNCs与0.1 mL水样混匀反应3 min后，通过加标回收实验来验证PEI/PVP-AgNCs对S^2-的检测性能，记录其在激发波长为365 nm时的荧光光谱。

  2.   结果与讨论

  2.1   PEI/PVP-AgNCs的合成

  银纳米材料通常采用光辐射法和微波高温加热法制得，这些合成方法通常比较繁琐，且需要消耗大量的能量和时间，不符合节能、温和便捷的绿色发展理念。PEI是一种由伯胺、仲胺和叔胺组成的水溶性阳离子多胺长链聚合物，已被广泛用于合成和修饰纳米材料，进而用于各种分析物的定量检测。研究表明，PEI作为表面钝化剂时，可在纳米簇表面形成保护层，从而提高纳米簇的光致发光特性和光稳定性^[27-28]。PVP由亲水的吡咯烷酮基团和疏水的烷基组成，可以防止纳米粒子聚集，使体系更加稳定。前期我们利用一锅低热化学还原法合成了PEI功能化绿色荧光铜纳米簇，并将其应用于荧光比色传感检测钴离子^[29]；此外，我们还借助一锅声化学还原法合成了PVP保护橙色荧光铜纳米簇，并实现了对乙醇的检测^[30]。本文旨在设计一种可应用于比率型荧光传感器检测S^2-的高稳定性红色荧光银纳米簇。在实验过程中，我们选择PEI和PVP作为双重保护剂，借助PEI和PVP分子中的胺基、羰基与Ag⁺的配位螯合作用，首先形成大分子配合物。同时，PEI和PVP又可充当弱还原剂，将部分Ag⁺还原为Ag⁰。随后，Ag⁰与作为聚集诱导剂的MBT分子中的巯基(—SH)形成Ag—S键，再通过一锅低热化学还原法得到稳定性较高的银纳米簇(PEI/PVP-AgNCs)，具体设计思路如图 1所示。

  由于反应物用量、pH、温度和时间都对PEI/ PVP-AgNCs的尺寸、结构以及光学性质有重要影响，为此，我们对其合成条件进行了优化探究。如图S1A(Supporting information)所示，随着AgNO₃用量的增加，PEI/PVP-AgNCs在435和610 nm处荧光强度均先增大后减小，当AgNO₃反应浓度为0.3 mmol·L^-1时，合成的PEI/PVP-AgNCs荧光性能最佳。这是由于若AgNO₃浓度太低，无法发生反应得到银纳米簇溶液，若AgNO₃浓度过高，又可能发生银纳米颗粒溶液聚集，形成大尺寸纳米颗粒使荧光猝灭。图S1B显示，随着PEI用量的增加，PEI/PVP-AgNCs荧光强度在435 nm处逐渐减小，在610 nm处先增大后减小，当PEI反应浓度为6.0 mmol·L^-1时，合成的PEI/PVP-AgNCs荧光性能最佳。图S1C显示，随着PVP用量的增加，PEI/PVP-AgNCs荧光强度在435 nm处逐渐增大，在610 nm处先增大后减小，当PVP反应浓度为0.04 mmol·L^-1时，合成的PEI/PVP-AgNCs荧光性能最佳。这是由于若PVP浓度太低，会导致银纳米簇溶液稳定性下降，易被空气氧化使荧光减弱。图S1D显示，随着MBT用量的增加，PEI/PVP-AgNCs荧光强度在435和610 nm处均先增大后减小，当MBT反应浓度为0.2 mmol·L^-1时，合成的PEI/PVP-AgNCs荧光性能最佳，若低于上述浓度，MBT中的—SH无法和Ag⁰形成Ag—S键，PEI/PVP-AgNCs在610 nm处的红色荧光发射就不会出现。综上可得出合成PEI/PVP-AgNCs的各原料最佳配比为$ {n}_{AgN{O}_{3}} $∶n_PEI∶n_PVP∶n_MBT=1∶20∶0.13∶0.67。

  除了反应物用量会影响PEI/PVP-AgNCs的光学性能外，其他反应条件(如温度、时间和pH)也会对其光学性能造成影响。由图S1E可以看出，随着pH的增大，PEI/PVP-AgNCs荧光强度在435 nm处逐渐增大，在610 nm处先增大后减小，pH为9.0时，其荧光性能最佳，这是由于pH过低会导致PEI质子化，无法起到还原保护作用，得不到PEI/PVP-AgNCs；pH过高又会形成氢氧化银沉淀，得不到PEI/PVP-AgNCs。由图S1F可知，PEI/PVP-AgNCs荧光强度随着温度的升高并未有明显的增强，考虑节能，选择将PEI/PVP-AgNCs加热到50 ℃时进行反应。由图S1G可看出，反应时间过短无法得到PEI/PVP-AgNCs，当反应时间为2.0 h时，PEI/PVP-AgNCs的荧光强度不再发生明显增强，因此确定2.0 h为最佳反应时间。综上可得出合成PEI/PVP-AgNCs的最佳反应时间、反应温度和反应pH分别为2.0 h、50 ℃和9.0。如无特别指出，下文中的PEI/PVP-AgNCs均是在最佳条件下制备获得的。

  2.2   PEI/PVP-AgNCs的性能表征

  为了确认PEI/PVP-AgNCs是否成功制备，通过紫外、荧光和FTIR进行表征。分别取PEI/PVP-AgNCs溶液和反应原料PVP、MBT和PEI于石英比色皿中测定相应的紫外光谱和荧光光谱。如图 2中插图所示，PEI/PVP-AgNCs溶液和固体在可见光下为淡黄色，在365 nm紫外灯照射下发出强烈的红色荧光，初步证明PEI/PVP-AgNCs成功合成。由图 2A和2C可观察到，与反应原料相比，PEI/PVP-AgNCs在365 nm左右出现紫外宽吸收峰，而反应原料在此处并未有吸收，这是纳米簇能级间跃迁产生的吸收峰，表明PEI/PVP-AgNCs成功合成；此外，在460 nm处没有明显的银纳米颗粒表面等离子体共振峰，说明合成的PEI/PVP-AgNCs没有大尺寸银纳米颗粒生成。图 2B和2C的荧光光谱显示在365 nm激发下，PEI/PVP-AgNCs出现2个荧光发射峰，分别位于435和610 nm，而反应原料仅在435 nm附近有弱发射峰，进一步验证了PEI/PVP-AgNCs的成功合成；此外，PEI/PVP-AgNCs发射光谱峰型对称，半峰宽较窄，说明合成的PEI/PVP-AgNCs具有较好的发光性能。图 2D为PEI/PVP-AgNCs的FTIR谱图，图中3 285 cm^-1为O—H和N—H的伸缩振动特征峰；2 941、2 825、1 332和825 cm^-1为—CH₂伸缩和弯曲振动特征峰；1 660、1 594和1 459 cm^-1分别为C=O、C=C和C—N的伸缩振动特征峰；1 041 cm^-1为C—O伸缩振动特征峰。这说明PEI/PVP-AgNCs表面含有氧和氮的官能团，如—OH、—NH₂和—COOH，表明其具有良好的水溶性。此外，2 500 cm^-1附近没有出现MBT中的—SH特征峰，表明S—Ag键结合而成，证实了PEI/PVP-AgNCs的成功制备。

  图 2

  

  图 2.  PEI/PVP‐AgNCs和反应原料的(A) UV‐Vis吸收光谱图和(B) 荧光光谱图; PEI/PVP‐AgNCs的(C) UV‐Vis吸收(Abs)、荧光激发(Ex)、发射(Em)光谱图和(D) FTIR谱图

  Figure 2.  (A) UV‐Vis absorption spectra and (B) Fluorescence spectra of PEI/PVP‐AgNCs and reactants; (C) UV‐Vis absorption (Abs), fluorescence excitation (Ex), emission spectra (Em), and (D) FTIR spectra of PEI/PVP‐AgNCs

  Inset in A: the photograph of the PEI/PVP‐AgNCs solution under visible light and the locally magnified UV‐Vis absorption spectra with a wavelength range of 200‐400 nm; Inset in B: the photograph of the PEI/PVP‐AgNCs solution under 365 nm UV irradiation; Inset in C: the photographs of the PEI/PVP‐AgNCs solid under visible light and 365 nm UV irradiation.

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  为了确定PEI/PVP-AgNCs的元素组成及Ag核化学态，我们对其进行了XPS测试。由图 3A可观察到PEI/PVP-AgNCs的组成元素主要有C、N、O、S和Ag。图 3B为C1s的高分辨XPS谱图，经分析得到C元素的存在形式有3种，分别为C—C、C—N/C—O/C—S、C=N/C=O；N1s谱图中N存在形式可归属为吡咯氮、C—N/C=N石墨氮和N—Ag(图 3C)；O1s谱图中531.8和533.5 eV处吸收峰分别对应C—O/C—N和C=O基团(图 3D)；S2p谱图中S的存在形式有S=O和S—C两种形式(图 3E)；Ag3d谱图中检测到金属Ag⁰(Ag3d_3/2：374.2 eV，Ag3d_5/2：368.2 eV)和Ag⁺(Ag3d_3/2：372.9 eV，Ag3d_5/2：366.9 eV)的特征峰(图 3F)，表明PEI/PVP-AgNCs中存在Ag⁰和Ag⁺两种形态。XPS分析表明Ag⁰高于Ag⁺的相对丰度，说明核心Ag元素以单质Ag的形式存在，与文献报道一致^[20]。

  图 3

  

  图 3.  PEI/PVP‐AgNCs的(A) XPS总谱图及(B) C1s、(C) N1s、(D) O1s、(E) S2p、(F) Ag3d的XPS谱图

  Figure 3.  (A) XPS survey spectrum and (B) C1s, (C) N1s, (D) O1s, (E) S2p, and (F) Ag3d XPS spectra of PEI/PVP‐AgNCs

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  为了进一步研究PEI/PVP-AgNCs的形貌、尺寸及分布状态，我们通过SEM和TEM对其进行表征。如图 4A和4B所示，PEI/PVP-AgNCs呈球形颗粒且单分散均匀分布，无聚集现象，晶格条纹清晰，相邻晶面间距为0.236 nm^[25]，平均尺寸约为2.0 nm。图 4C的SEM图像也显示PEI/PVP-AgNCs分散均匀且呈球状。对PEI/PVP-AgNCs进行元素EDS分析，结果表明，PEI/PVP-AgNCs的组成元素有C、N、O、S、Ag。Ag、S、N、O、C的原子比为1∶3∶523.5∶1 376.5∶ 3 096；元素分布图显示C、N、O、S、Ag以分散混合的方式均匀分布，进一步证明了C、N、O、S、Ag都存在于PEI/PVP-AgNCs中，与XPS测试结果一致。

  图 4

  

  图 4.  PEI/PVP-AgNCs的(A) TEM图、(B) HRTEM图、(C) EDS和元素分布图

  Figure 4.  (A) TEM image, (B) HRTEM image, (C) EDS and elements mapping images of PEI/PVP-AgNCs

  Inset in A: particle size distribution diagram; Inset in C: element content.

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  2.3   PEI/PVP-AgNCs选择性检测Na₂S中S^2-

  以硫酸奎宁[量子产率(QY)为54%]作为参比，测试得到PEI/PVP-AgNCs的荧光QY为11.3%。借助稳态-瞬态荧光光谱仪测试得到PEI/PVP-AgNCs的荧光寿命为3.032 6 μs(图S2)。荧光传感器的稳定性能在实际应用中非常重要，尤其是温度和pH变化会影响荧光传感器的稳定性和灵敏性，因此我们对PEI/PVP-AgNCs的稳定性进行了详细探究。图S3和S4表明PEI/PVP-AgNCs具有优越的时间储存稳定性、良好的pH及温度稳定性，同时还呈现出显著的浓度效应。为了考察PEI/PVP-AgNCs对S^2-的选择性，选择了11种氨基酸溶液(Cys、Hcy、GSH、Trp、Arg、Gly、Ser、Phe、His、Met、Lys)、16种常见阴离子溶液(P₂O₇^4-、HPO₄^2-、C₂O₄^2-、F^-、Cl^-、Br^-、I^-、PO₄^3-、Ac^-、SO₃^2-、HSO₃^-、H₂PO₄^-、CO₃^2-、SO₄^2-、Cit^3-、S^2-)和14种阳离子溶液(Zn²⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Ba²⁺、Hg²⁺、Bi³⁺、Cd²⁺、Cr³⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺、Fe³⁺)作为对照实验干扰离子。如图 5A~5C所示，加入S^2-后，PEI/PVP-AgNCs红色荧光发生明显猝灭，荧光猝灭效率高达98.8%，加入Hg²⁺后，荧光猝灭效率为35.6%，其它金属离子、阴离子和氨基酸物质对PEI/PVP-AgNCs荧光无明显影响。对于Hg²⁺引发的部分猝灭，我们猜测可能是Hg²⁺与表面的Ag⁺均为d¹⁰中心，二者可通过d¹⁰-d¹⁰轨道重叠形成嗜金属键。此外，我们继续探究了当其他离子与S^2-共存时，PEI/PVP-AgNCs的荧光变化情况。如图 5D所示，当Cu²⁺与S^2-共存时，鉴于可能生成CuS沉淀，PEI/PVP-AgNCs原本猝灭的荧光会有所恢复；而其他离子并未引起明显的荧光变化。研究结果表明，PEI/PVP-AgNCs能够作为一种对S^2-具有高度选择性的荧光传感器。

  图 5

  

  图 5.  (A) 不同氨基酸、(B) 不同阴离子、(C) 不同阳离子、(D) 不同干扰离子、(E) 不同浓度S^2-对PEI/PVP‐AgNCs荧光强度的影响; (F) PEI/PVP‐AgNCs荧光强度随S^2-浓度的变化曲线; (G、H) PEI/PVP‐AgNCs荧光强度与S^2-浓度的线性关系

  Figure 5.  Effect of (A) different amino acids, (B) different anions, (C) different cations, (D) different interference ions, and (E) different concentration of S^2- on fluorescence intensity of PEI/PVP‐AgNCs; (F) Variation curve of PEI/PVP‐AgNCs fluorescence intensity versus the concentration of S^2-; (G, H) Liner relationship of the PEI/PVP‐AgNCs fluorescence intensity versus the concentration of S^2-

  F₀ and F are the fluorescence intensities of PEI/PVP‐AgNCs in the presence and absence of interfering substances, respectively.

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  为了探究PEI/PVP-AgNCs对S^2-检测的灵敏度，定量探究了不同S^2-含量对PEI/PVP-AgNCs荧光性能的影响。如图 5E、5F所示，随着S^2-溶液浓度的增大，PEI/PVP-AgNCs在发射峰610 nm处的荧光强度逐渐减弱，而发射峰435 nm处的荧光强度并未发生明显改变，说明PEI/PVP-AgNCs能够实现对S^2-的比率化检测。图 5G和5H为PEI/PVP-AgNCs在435和610 nm处的荧光强度比值(F₄₃₅/F₆₁₀)与S^2-浓度的线性关系，结果说明，F₄₃₅/F₆₁₀与S^2-浓度呈现出良好的线性关系，具体表现出两段线性关系，其一为F₄₃₅/F₆₁₀=0.015 75$ {c}_{{S}^{2-}} $+0.567 04(R²=0.994 3)，其二为F₄₃₅/F₆₁₀=0.054 89$ {c}_{{S}^{2-}} $-18.667(R²=0.995 6)。其线性范围分别为50~350 nmol·L^-1和720~920 nmol·L^-1，检出限为1.1 nmol·L^-1，这说明所得的PEI/PVP-AgNCs对S^2-有较好的响应性和灵敏性。相较于文献中已报道的S^2-检测方法，我们所构建的检测体系在灵敏度和准确性方面均表现出色，实现了对S^2-的高质量检测，相关数据对比详见表S1。

  2.4   PEI/PVP-AgNCs视觉比色检测Na₂S中S^2-

  智能手机辅助比色法具有成本低廉、操作简便、即时现场快速检测的优点，对荧光传感器非常重要。为了探究PEI/PVP-AgNCs是否具备此性能，将折叠成各种形状的纤维滤纸浸泡于PEI/PVP-AgNCs溶液中，干燥后发现试纸在日光下为淡黄色(图S5)，但在紫外灯照射下呈现红色荧光(图 6A)。当在PEI/PVP-AgNCs试纸上滴加不同浓度的S^2-后，试纸红色荧光逐渐减弱，直至红色荧光猝灭，试纸显现蓝色荧光(图 6B和S6)。同时，通过智能手机颜色分析仪将图片荧光信号转换为蓝/红颜色比(V_B/V_R)，进行S^2-定量分析。如图 6C所示，在S^2-浓度为80~1 050 nmol·L^-1时，PEI/PVP-AgNCs试纸的V_B/V_R与S^2-浓度呈现良好线性关系(V_B/V_R=0.003 81$ {c}_{{S}^{2-}} $+0.346 92，R²=0.995 2)。基于此，实现了智能手机辅助视觉荧光比色检测S^2-。

  图 6

  

  图 6.  在365 nm紫外灯照射下，PEI/PVP-AgNCs试纸(A) 加入S^2-前后的图像和(B) 加入不同浓度S^2-后的图像; (C) PEI/PVP-AgNCs的V_B/V_R与的线性关系

  Figure 6.  (A) Images of test papers stained by PEI/PVP-AgNCs in the absence and presence of S^2- and (B) with the addition of different concentrations of S^2- under the 365 nm UV irradiation; (C) Linear relationship between V_B/V_R of PEI/PVP-AgNCs and

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  2.5   PEI/PVP-AgNCs检测S^2-的机理

  一个优异的荧光传感器离不开较快的检测时间，因此我们详细测试了温度和时间对PEI/PVP-AgNCs检测S^2-的影响。如图 7所示，当向PEI/PVP-AgNCs溶液中加入S^2- 60 s后，荧光强度就会迅速下降，当继续作用3 min后，荧光不再继续猝灭，故PEI/PVP-AgNCs最佳检测时间确定为3 min。其准一级动力学常数k为0.014 6 s^-1，半衰期为47.47 s，表明可以实现快速检测。为了探究PEI/PVP-AgNCs检测S^2-的机制，分别在25、30、37 ℃下探究不同浓度的S^2-对PEI/PVP-AgNCs的荧光猝灭程度，结果如图 7B所示。从图中可以看出，PEI/PVP-AgNCs与不同浓度的S^2-相互作用后，随温度升高曲线斜率增大，表现为动态猝灭，这主要是由于软碱S^2-与PEI/PVP-AgNCs中的软酸Ag⁺可发生2Ag⁺+S^2-=Ag₂S↓反应，其结合常数为6.3×10^{-50 [13]}，从而导致PEI/PVP-AgNCs的红色荧光大量猝灭。为了验证Ag₂S的形成，我们对PEI/PVP-AgNCs与S^2-混合后的样品进行了XRD测试。如图 7C所示，在22.4°、28.9°、31.6°、34.6°、37.8°、40.8°、47.3°的衍射峰信号分别来源于Ag₂S的(101)、(111)、(112)、(121)、(103)、(200)、(212)晶面，表明Ag₂S物质的存在^[31]。为了进一步验证，PEI/PVP-AgNCs与S^2-结合后是否导致其结构发生改变，对PEI/PVP-AgNCs与S^2-的混合液进行了TEM测试。如图 7D所示，加入S^2-后，PEI/PVP-AgNCs形貌发生改变，由均一分布的小球变成了长线状团聚分布，这可能是S^2-与PEI/PVP-AgNCs中的软酸Ag⁺结合为Ag₂S后，导致PEI/PVP-AgNCs的结构发生瓦解，使其稳定性降低进而致使荧光猝灭。

  图 7

  

  图 7.  (A) 时间和(B) 温度对PEI/PVP-AgNCs溶液检测S^2-的影响; 加入S^2-后的PEI/PVP-AgNCs的(C) XRD图和(D) TEM图像

  Figure 7.  Effect of (A) time and (B) temperature on the detection of S^2- by PEI/PVP-AgNCs; (C) XRD pattern and (D) TEM image of PEI/PVP-AgNCs with addition of S^2-

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  2.6   实际水样中检测S^2-

  为验证本方法的实用性，以PEI/PVP-AgNCs为荧光传感器，将其应用于实际水样中S^2-浓度的检测，并进行回收率测定。结果如表S2所示，水样中的回收率范围为98.91%~102.24%，相对标准偏差范围为1.7%~2.9%，表明该荧光传感器具有良好的准确性，可用于实际水样中的S^2-检测。

  3.   结论

  以PEI和PVP通过氢键结合而成的复合物为配体保护剂，MBT为聚集诱导剂，通过配位螯合自组装聚集诱导策略设计合成了一种经济易行、绿色友好的比率型荧光银纳米簇(PEI/PVP-AgNCs)，并应用于视觉比色化荧光检测污水中的S^2-。当激发波长设定为365 nm时，PEI/PVP-AgNCs展现出2个荧光发射峰，分别位于435和610 nm。在日光灯的照射下，该材料呈现淡黄色；而在紫外灯的激发下，它能够发出明亮的红色荧光。当PEI/PVP-AgNCs与S^2-作用后，S^2-与PEI/PVP-AgNCs中Ag⁺可结合形成Ag₂S，致使PEI/PVP-AgNCs在610 nm处的红色荧光猝灭，而435 nm处的荧光未出现变化。基于这一独特的荧光响应特性，我们构建了比率荧光检测S^2-传感。反应动力学显示，PEI/PVP-AgNCs识别S^2-仅仅需要60 s，其准一级动力学常数k为0.014 6 s^-1。将PEI/PVP-AgNCs应用于实际湖水样品中测定S^2-时，其结果可靠，具有很高的适用性和实用性。综上，合成的PEI/PVP-AgNCs具有成本效益高、操作便捷的优点，有望应用于环境监测领域。

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  图 1  PEI/PVP-AgNCs的合成及其用于视觉比色化S^2-检测示意图

  Figure 1  Scheme of preparation of PEI/PVP-AgNCs and its application in visual colormetric detection of S^2-

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  图 2  PEI/PVP‐AgNCs和反应原料的(A) UV‐Vis吸收光谱图和(B) 荧光光谱图; PEI/PVP‐AgNCs的(C) UV‐Vis吸收(Abs)、荧光激发(Ex)、发射(Em)光谱图和(D) FTIR谱图

  Figure 2  (A) UV‐Vis absorption spectra and (B) Fluorescence spectra of PEI/PVP‐AgNCs and reactants; (C) UV‐Vis absorption (Abs), fluorescence excitation (Ex), emission spectra (Em), and (D) FTIR spectra of PEI/PVP‐AgNCs

  Inset in A: the photograph of the PEI/PVP‐AgNCs solution under visible light and the locally magnified UV‐Vis absorption spectra with a wavelength range of 200‐400 nm; Inset in B: the photograph of the PEI/PVP‐AgNCs solution under 365 nm UV irradiation; Inset in C: the photographs of the PEI/PVP‐AgNCs solid under visible light and 365 nm UV irradiation.

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  图 3  PEI/PVP‐AgNCs的(A) XPS总谱图及(B) C1s、(C) N1s、(D) O1s、(E) S2p、(F) Ag3d的XPS谱图

  Figure 3  (A) XPS survey spectrum and (B) C1s, (C) N1s, (D) O1s, (E) S2p, and (F) Ag3d XPS spectra of PEI/PVP‐AgNCs

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  图 4  PEI/PVP-AgNCs的(A) TEM图、(B) HRTEM图、(C) EDS和元素分布图

  Figure 4  (A) TEM image, (B) HRTEM image, (C) EDS and elements mapping images of PEI/PVP-AgNCs

  Inset in A: particle size distribution diagram; Inset in C: element content.

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  图 5  (A) 不同氨基酸、(B) 不同阴离子、(C) 不同阳离子、(D) 不同干扰离子、(E) 不同浓度S^2-对PEI/PVP‐AgNCs荧光强度的影响; (F) PEI/PVP‐AgNCs荧光强度随S^2-浓度的变化曲线; (G、H) PEI/PVP‐AgNCs荧光强度与S^2-浓度的线性关系

  Figure 5  Effect of (A) different amino acids, (B) different anions, (C) different cations, (D) different interference ions, and (E) different concentration of S^2- on fluorescence intensity of PEI/PVP‐AgNCs; (F) Variation curve of PEI/PVP‐AgNCs fluorescence intensity versus the concentration of S^2-; (G, H) Liner relationship of the PEI/PVP‐AgNCs fluorescence intensity versus the concentration of S^2-

  F₀ and F are the fluorescence intensities of PEI/PVP‐AgNCs in the presence and absence of interfering substances, respectively.

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  图 6  在365 nm紫外灯照射下，PEI/PVP-AgNCs试纸(A) 加入S^2-前后的图像和(B) 加入不同浓度S^2-后的图像; (C) PEI/PVP-AgNCs的V_B/V_R与的线性关系

  Figure 6  (A) Images of test papers stained by PEI/PVP-AgNCs in the absence and presence of S^2- and (B) with the addition of different concentrations of S^2- under the 365 nm UV irradiation; (C) Linear relationship between V_B/V_R of PEI/PVP-AgNCs and

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  图 7  (A) 时间和(B) 温度对PEI/PVP-AgNCs溶液检测S^2-的影响; 加入S^2-后的PEI/PVP-AgNCs的(C) XRD图和(D) TEM图像

  Figure 7  Effect of (A) time and (B) temperature on the detection of S^2- by PEI/PVP-AgNCs; (C) XRD pattern and (D) TEM image of PEI/PVP-AgNCs with addition of S^2-

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