CdSe/ZnS量子點熒光猝滅法測定農(nóng)藥甲胺磷

黃珊,馬建強(qiáng),張麗霞,董明月,李雪華,羅秋玲

(廣西師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,廣西 南寧 530001)

0 引言

量子點(quantum dots,QDs)是由Ⅱ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族元素所組成的、直徑在2～8 nm、三維受限、近似球狀的無機(jī)半導(dǎo)體納米晶體[1-3].由于量子限域效應(yīng)的存在,導(dǎo)致量子點與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料相比,具有獨特的熒光性質(zhì),如寬而連續(xù)的熒光激發(fā)光譜、窄而對稱的熒光發(fā)射光譜、高的熒光量子產(chǎn)率、強(qiáng)的抗光漂白能力、強(qiáng)的熒光穩(wěn)定性、熒光發(fā)射波長隨尺寸變化可調(diào)等.這些優(yōu)越的熒光性能使量子點作為生物探針的研究受到了國內(nèi)外科學(xué)工作者們的廣泛關(guān)注,使其不僅廣泛用于生物成像分析[4-5],還用于選擇性測定多種生物分子[6-9].

有機(jī)磷農(nóng)藥以其殺蟲效率高、易分解的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中.然而,有機(jī)磷類農(nóng)藥屬于神經(jīng)性毒劑,能與膽堿酯酶結(jié)合形成性質(zhì)穩(wěn)定的磷?；憠A酯酶,使酶失活,傷害人的神經(jīng)功能甚至導(dǎo)致死亡[10].因此,建立快速有效的檢測農(nóng)產(chǎn)品中殘留的有機(jī)磷農(nóng)藥成為保障人們生命安全的重要途徑.迄今為止,已建立的農(nóng)藥殘留檢測方法主要有色譜法[11-12]、氣質(zhì)聯(lián)用[13]和免疫分析法[14]等,但這些方法的分析過程較繁瑣且分析時間較長.

目前,直接利用有機(jī)相制備的CdSe/ZnS量子點作為熒光探針用于測定農(nóng)產(chǎn)品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留的研究報道較少,而將量子點直接用于生化分析檢測,不僅可保持量子點較高的熒光量子產(chǎn)率,而且能避免繁瑣的修飾過程,簡便快速.本文中研究了有機(jī)相中制備的CdSe/ZnS量子點與農(nóng)藥甲胺磷的相互作用,建立了以有機(jī)相中制備的CdSe/ZnS量子點為熒光探針測定農(nóng)藥甲胺磷的新方法,該方法具有簡單、快速和靈敏度高的特點.

1 實驗部分

1.1試劑與儀器硒粉(Se)、硬脂酸(stearic acid)、十六胺(hexadecylamine,HDA)、十八碳烯(octadecene,ODE)、二辛基胺(dioctylamine,DOA)、三正丁基膦(tributylphosphine,TBP)、三正辛基氧膦(tri-n-octylphosphine oxide,TOPO)購自美國Aldrich公司(Milwaukee,WI).硫粉(S)、醋酸鋅(Zn(CH3COO)2)、氧化鎘(CdO)、甲醇、乙醇、丙酮、正己烷、氯仿購自中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司.甲胺磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品購自天津標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心;大米樣品購自廣西南寧市南城百貨超市,萵苣葉菜為噴藥24 h后采集;其他試劑均為分析純;實驗用水均采用Millipore超純水系統(tǒng)進(jìn)行純化.

TU-1900雙光束紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司);LS-55熒光分光光度計(美國Perkin Elmer公司);JEM-2010FEF高分辨透射電子顯微鏡(日本JEOL公司);Sorvall Legend Micro 17R微量離心機(jī)(美國Thermo Scientific公司);ZKX-2B型真空厭氧厭水操作箱(南京大學(xué)儀器廠);ZF-20D暗箱式紫外分析儀(上海顧村電光儀器廠);0.22 μm一次性過濾器、Milli-Q Advantage A10超純水系統(tǒng)(美國Millipore公司).

1.2 實驗過程

1.2.1 CdSe/ZnS量子點探針的制備 在手套箱中,稱取0.158 g Se粉加入到裝有0.476 g TBP和3.362 g DOA的燒瓶中,制得Se儲備液.取0.025 4 g CdO、0.228 g硬脂酸于三口Schlenk反應(yīng)容器中,采用Schlenk技術(shù),用真空泵抽真空后充入氬氣,如此反復(fù)6次以使反應(yīng)容器中充滿氬氣,然后加熱至160 ℃并保溫30 min左右,使CdO充分溶解.反應(yīng)完后,將溶液降至室溫,制得Cd儲備液.在制好的Cd儲備液中加入3.88 g TOPO和3.88 g HDA,采用Schlenk技術(shù)抽氣充氣反復(fù)6次以后,攪拌并加熱至320 ℃,然后將從手套箱中取出的Se儲備液迅速注入到反應(yīng)容器中,在280 ℃左右反應(yīng)2～5 min后,迅速撤去加熱裝置并使產(chǎn)物冷卻至室溫,加入一定量氯仿以防止混合物形成固體,再加入甲醇離心沉淀,除去上清液,將最終得到的沉淀重新分散在正己烷中,即制得CdSe量子點.

稱取0.019 2 g S粉加入到裝有4 mL ODE的三口Schlenk反應(yīng)容器中,采用Schlenk技術(shù)抽氣充氣反復(fù)6次以后,攪拌加熱至200 ℃并保溫20 min左右,制得S儲備液.稱取0.055 6 g Zn(CH3COO)2、4 mL ODE、1.94 g TOPO、1.94 g HDA于三口Schlenk反應(yīng)容器中,采用Schlenk技術(shù)抽氣充氣反復(fù)6次以后,攪拌加熱至200 ℃并保溫20 min左右,制得Zn儲備液.將S和Zn的儲備液混勻轉(zhuǎn)移到一個恒壓滴液漏斗中,緩慢滴加到前面制好的CdSe量子點溶液中.滴加完后,將溫度降至90 ℃并保溫1 h左右,然后撤去加熱裝置并使產(chǎn)物冷卻至室溫,再依次加入一定量的氯仿和丙酮,離心沉淀,除去上清液,所得沉淀重新分散在正己烷中,即制得CdSe/ZnS量子點,室溫下可穩(wěn)定放置6個月以上.

1.2.2 熒光光譜測定 甲胺磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品的濃度為100 μg/mL,置于4 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆?測定時甲胺磷溶液通過正己烷稀釋儲備液得到.將分散在正己烷中的濃度約1.0×10-6mol/L的CdSe/ZnS量子點50 μL加入到5.0 mL的比色管中,再加入一定量的甲胺磷溶液,采用正己烷定容,混勻后反應(yīng)10 min,進(jìn)行熒光光譜掃描.熒光光譜的激發(fā)波長為388 nm,激發(fā)狹縫和發(fā)射狹縫的寬度分別為10 nm和5 nm,掃描范圍為460～650 nm,掃描速度為1 200 nm/min,響應(yīng)時間為2 s.記錄555 nm處的熒光強(qiáng)度用于農(nóng)藥甲胺磷的分析檢測.

1.2.3 樣品處理 精確稱取大米及萵苣葉菜樣品10 g,加入適量乙酸乙酯以萃取樣品中的農(nóng)藥成分,再將萃取液通過活性炭柱,定容濾液至5.0 mL.其中,大米樣品須先經(jīng)粉碎磨細(xì)后再加入乙酸乙酯萃取,而萵苣菜葉則先用攪拌器打碎并加入適量無水硫酸鈉后再加入乙酸乙酯萃取.

2 結(jié)果與討論

2.1CdSe/ZnS量子點性質(zhì)表征圖1為CdSe/ZnS量子點的紫外-可見吸收光譜圖及熒光光譜圖.由紫外-可見吸收光譜可見,CdSe/ZnS量子點具有非常明顯的激子吸收峰,激子吸收峰位于539 nm,表明CdSe/ZnS量子點的粒徑分布均勻[15].根據(jù)量子點激子吸收峰的位置可算出量子點的平均粒徑約為2.85 nm,濃度為1.0×10-6mol/L[16].由熒光光譜可看出,激發(fā)波長為388 nm時,CdSe/ZnS量子點的熒光峰位于555 nm,半峰寬約為30 nm,進(jìn)一步表明此CdSe/ZnS量子點尺寸分布較窄.根據(jù)文獻(xiàn)報道的方法[6],選用熒光素為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),測定CdSe/ZnS量子點的熒光量子產(chǎn)率為58%.

圖1 CdSe/ZnS QDs的紫外-可見吸收光譜(a)和熒光光譜(b)

圖2 CdSe/ZnS QDs隨甲胺磷濃度變化的熒光光譜圖甲胺磷的濃度為:(a)0,(b)0.472,(c)0.945,(d)1.65,(e)2.36,(f)3.54,(g)4.72,(h)5.90,(i)9.45,(j)11.8,(k)14.2,(l)18.9,(m)23.6 μmol/L;CdSe/ZnS QDs的濃度為1.0×10-8 mol/L.

2.2 CdSe/ZnS量子點探針用于農(nóng)藥甲胺磷檢測

2.2.1 反應(yīng)時間影響 反應(yīng)時間對體系熒光強(qiáng)度的影響實驗結(jié)果表明:當(dāng)向CdSe/ZnS量子點溶液中加入甲胺磷后,CdSe/ZnS量子點的熒光迅速發(fā)生猝滅,并且在2 min之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定,熒光信號至少能穩(wěn)定60 min左右.由此可見,CdSe/ZnS量子點與甲胺磷反應(yīng)十分迅速,產(chǎn)物具有較好的穩(wěn)定性.因此,實驗中選擇反應(yīng)10 min后測定體系的熒光強(qiáng)度.

2.2.2 線性范圍及檢出限 圖2是在1.0×10-8mol/L的CdSe/ZnS量子點溶液中加入不同濃度的甲胺磷時所得的熒光光譜.由圖2可見,CdSe/ZnS量子點的熒光峰位于555 nm,該熒光發(fā)射峰是由于量子點表面電子載體重組形成的[17].加入甲胺磷后,CdSe/ZnS量子點的熒光強(qiáng)度降低.當(dāng)甲胺磷濃度從0增大到2.36×10-5mol/L,CdSe/ZnS量子點的熒光強(qiáng)度降低至初始值的68.6%.

研究發(fā)現(xiàn),在一定的濃度范圍內(nèi),甲胺磷的濃度與CdSe/ZnS量子點熒光強(qiáng)度的變化之間符合Stern-Volmer方程:

式中,I0及I分別表示加入甲胺磷前后555 nm處CdSe/ZnS量子點的熒光強(qiáng)度,[S]表示甲胺磷的濃度,Ksv表示甲胺磷對CdSe/ZnS量子點的猝滅常數(shù).在優(yōu)化的實驗條件下,當(dāng)甲胺磷濃度在4.72×10-7～7.08×10-6mol/L范圍內(nèi)時,I0/I與甲胺磷濃度之間呈較好的線性關(guān)系(圖3),相關(guān)系數(shù)為0.998 8,經(jīng)計算Ksv=2.55×104L/mol,對1.65 μmol/L甲胺磷5次平行測定后的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4%,檢出限為2.5×10-7mol/L.甲胺磷對CdSe/ZnS量子點的熒光猝滅顯示了較高的靈敏度,預(yù)示著CdSe/ZnS量子點有望作為甲胺磷的高靈敏分析探針被直接用于樣品中農(nóng)藥甲胺磷殘留的測定.

2.2.3 農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑的影響 很多化合物對量子點的熒光都有猝滅作用,為了研究該方法測定農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥甲胺磷含量的可行性,我們研究了一些常見的農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑如:硅酸鋁鎂、聚丙烯酸、對苯二酚、乙二醇、丙三醇、異丙醇、聚乙二醇、苯甲酸鈉及甲醛等對CdSe/ZnS量子點熒光的影響.由于絕大多數(shù)的農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑很難溶解在正己烷中,因此我們采用正己烷的飽和溶液來考察本方法的選擇性.結(jié)果如圖4所示,可看出這些常見的農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑均對CdSe/ZnS量子點的熒光沒有明顯的影響.

圖3 CdSe/ZnS QDs熒光強(qiáng)度與甲胺磷濃度間的線性關(guān)系圖

圖4 一些常見的農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑對CdSe/ZnS QDs熒光強(qiáng)度的影響1空白,2硅酸鋁鎂,3聚丙烯酸,4對苯二酚,5乙二醇,6丙三醇,7異丙醇,8聚乙二醇,9苯甲酸鈉,10甲醛.CdSe/ZnS QDs的濃度為1.0×10-8 mol/L.

2.2.4 樣品測定 為考察本方法的可行性,通過標(biāo)準(zhǔn)加入回收實驗進(jìn)行大米及萵苣葉菜樣品中農(nóng)藥甲

表1 大米及萵苣葉菜樣品中農(nóng)藥甲胺磷含量的測定(n=5)

amean value±SD

胺磷含量的測定,結(jié)果如表1所示.本實驗分別測得加入作為空白對照的大米及萵苣菜葉樣品萃取液后CdSe/ZnS量子點體系的熒光強(qiáng)度I與加入前CdSe/ZnS量子點體系的熒光強(qiáng)度I0基本一致,故可認(rèn)為大米及萵苣菜葉樣品中農(nóng)藥甲胺磷的檢出濃度均為0.如表1所示,本方法對于農(nóng)藥甲胺磷的加入回收率在91.7%～106.7%范圍內(nèi),表明此方法具有較好的可行性.

2.3 反應(yīng)機(jī)理探討

2.3.1 透射電子顯微鏡表征 加入甲胺磷前后CdSe/ZnS量子點的透射電子顯微圖像如圖5所示,從圖5a可以看出,CdSe/ZnS量子點的粒徑分布較均勻,并且CdSe/ZnS量子點的分散性也較好,沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象.當(dāng)向CdSe/ZnS量子點溶液中加入甲胺磷后,其透射電子顯微圖像中也沒有很明顯的團(tuán)聚以及尺寸變化(圖5b),說明CdSe/ZnS量子點的熒光被甲胺磷猝滅并不是由于甲胺磷誘導(dǎo)CdSe/ZnS量子點團(tuán)聚或尺寸減小引起的.

2.3.2 紫外-可見吸收光譜表征 甲胺磷(圖6 a)、CdSe/ZnS量子點(圖6 b)及CdSe/ZnS量子點與甲胺磷混合物(圖6 c)的吸收光譜如圖6所示,從吸收光譜可以看出,甲胺磷在400～650 nm波長范圍內(nèi)沒有明顯的吸收峰(圖6 a),因此,它對CdSe/ZnS量子點熒光的猝滅并不是由于光譜的內(nèi)濾作用所引起的.

而從圖6 b和圖6 c可以看出,在加入甲胺磷前后CdSe/ZnS量子點的吸收光譜的形狀并沒有明顯的變化.為便于觀察,將圖6 b和圖6 c的縱坐標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整.從熒光光譜(圖2)也可以看出,當(dāng)甲胺磷濃度在4.72×10-7～2.36×10-5mol/L范圍內(nèi)變化時,CdSe/ZnS量子點的熒光光譜也沒有出現(xiàn)明顯的紅移或藍(lán)移,這些結(jié)果均表明加入甲胺磷之后,CdSe/ZnS量子點并沒有發(fā)生團(tuán)聚或尺寸減小[18],與透射電子顯微圖像的結(jié)果一致.

有研究表明,量子點表面的有機(jī)分子對其熒光性質(zhì)有較大的影響.當(dāng)量子點表面的有機(jī)分子被親水的硫醇取代后,量子點表面的晶格缺陷增大,進(jìn)而增加非輻射重組的發(fā)生,使量子點的熒光猝滅[19].因此可知,甲胺磷與CdSe/ZnS量子點之間的相互作用,增大了CdSe/ZnS量子點的表面缺陷和非輻射重組的發(fā)生,導(dǎo)致CdSe/ZnS量子點的熒光動態(tài)猝滅.

圖5 加入甲胺磷前(a)和加入甲胺磷后(b)的CdSe/ZnS QDs的透射電鏡圖

圖6 甲胺磷(a),CdSe/ZnS QDs(b),甲胺磷+CdSe/ZnS QDs(c)的紫外-可見吸收光譜甲胺磷的濃度為50 μg/mL,CdSe/ZnS QDs的濃度為1.0×10-7 mol/L.

3 結(jié)論

基于甲胺磷對CdSe/ZnS量子點的熒光猝滅特性,建立了一種快速靈敏測定農(nóng)藥甲胺磷的新方法.在最佳實驗條件下,甲胺磷濃度在4.72×10-7～7.08×10-6mol/L范圍內(nèi)與CdSe/ZnS量子點的熒光變化呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.998 8,對1.65 μmol/L甲胺磷5次平行測定后的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4%.該方法已成功用于大米及萵苣葉菜樣品中農(nóng)藥甲胺磷含量的測定,結(jié)果令人滿意.此外,采用透射電子顯微鏡及紫外-可見光譜探討了甲胺磷對CdSe/ZnS量子點熒光的猝滅機(jī)理.

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