以谷胱甘肽修飾的CdTe 量子點為熒光探針測量超痕量As(Ⅲ)

伍文彬 何興羽 殷曉翠 丁 琳

(南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西省持久性污染物控制與資源循環(huán)利用重點實驗室，江西 南昌 330063)

1 引言

砷的許多形態(tài)都是高毒性的，這引起了廣大研究者的極大關(guān)注[1]。在還原條件或者低的pH值下As(Ⅲ)比As(Ⅴ)更穩(wěn)定，在沒有被污染的表面和深海水域中As(Ⅲ)占總砷含量的10%。As(Ⅲ)是最有毒的砷形態(tài)之一，對于老鼠來說As(Ⅲ)的半數(shù)致死量(LD50)低于14 mg·kg-1[2-3]。已經(jīng)有很多證據(jù)表明癌癥和其它疾病是由砷導(dǎo)致的[4-6]。這些證據(jù)促使美國環(huán)保署規(guī)定引用水中砷含量必須低于50到5 μg·L-1這個范圍[7]。在許多情況下，原子熒光光譜法(AFS)是檢測超痕量砷的最好選擇[8-9]。然而，AFS是在實驗室中的技術(shù)，很難被應(yīng)用到戶外進行化學(xué)分析。最近，量子點因為粒徑可控的熒光性質(zhì)、高的熒光量子產(chǎn)率和好的穩(wěn)定性，引起了研究者極大的興趣，被應(yīng)用于探索感應(yīng)系統(tǒng)，識別生物大分子[10-11]和無機離子[12-15]。谷胱甘肽(GSH)是一種三肽，能夠保護細(xì)胞免于重金屬離子和自由基的毒害。但是這個過程會被As(Ⅲ)嚴(yán)重干擾和阻礙[16]，這種干擾已經(jīng)被用于研究包含有巰基的酶的活性位點[17]。GSH是合成量子點是一種很好的配體，在不經(jīng)過預(yù)處理情況下，就可以在水相中直接合成出熒光量子產(chǎn)率很高的GSH修飾的CdTe QDs[18-19]。GSH修飾的量子點在水溶液中具有很好的穩(wěn)定性和高的生物相容性，使得這種量子點被應(yīng)用到生物成像[20]和離子或者分子檢測方面[21-22]。量子點的熒光光譜法主要是基于量子點的修飾劑GSH與分析物發(fā)生交聯(lián)導(dǎo)致熒光淬滅的一種方法。例如，GSH 修飾的CdZnSe QDs被應(yīng)用于超痕量檢測Pb2+[21]。這是因為Pb-S的Ksp值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Zn-S，與Cd-S Ksp值相當(dāng)，當(dāng)存在Pb2+時熒光強度會選擇性的減小。

2 實驗部分

2.1 實驗藥品

實驗所用藥品主要有：氯化鎘、谷胱甘肽(還原型，GSH)，乙醇、硼氫化鈉、氫氧化鈉、亞砷酸鈉，亞碲酸鈉，其中實驗中所有藥品和試劑均為分析純，實驗用水均為去離子水。

2.2 實驗儀器

紫外可見分光光度計(U-3900H，日本日立)，熒光分光光度計(F-7000，日本日立)，恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S，鞏義市于華儀器有限責(zé)任公司)，高速冷凍離心機(CR220GⅢ，日本日立)，超聲波清洗機(SK5210LHC，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司)。

2.3 GSH-CdTe QDs的制備

GSH-CdTe量子點按照文獻[25]通過水相法合成：在250 mL三口燒瓶中加入22.5 mL 2×10-2M CdCl22.5H2O，0.1844 g GSH和55 mL超純水，用1 M NaOH溶液將混合液pH值調(diào)至10.5，然后將0.0038 g NaBH4和0.0222 g Na2TeO3加入，當(dāng)溶液變成淺綠色后，100 ℃下密封回流反應(yīng)120 min得到橘紅色的量子點溶液。用乙醇沉淀，離心分離，重復(fù)三次，最后保存于Tris-HCl(pH=7.4)緩沖溶液中。

2.4 檢測金屬離子

2.5 選擇性實驗

我們研究了潛在干擾離子對CdTe QDs熒光性能的影響。潛在干擾離子，如加入Ca2+，Al3+，Ni2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Cr3+，Mg2+，Cu2+，F(xiàn)e3+，Zn2+，Cd2+，Na+，As3+。首先配置10 mM各種金屬離子的儲備溶液，然后用Tris-HCl(pH=7.4)緩沖溶液再配置10 μM各種金屬離子的溶液。

3 結(jié)果與討論

3.1 量子點的熒光性質(zhì)

與傳統(tǒng)有機熒光染料相比，量子點可以通過改變尺寸大小和組成來調(diào)節(jié)量子點的發(fā)射峰從可見到紅外區(qū)域。圖1是不同反應(yīng)時間下所制備的CdTe QDs的紫外可見吸收光譜圖和熒光發(fā)射光譜圖(激發(fā)波長為400 nm)。從圖中可知，延長反應(yīng)時間，量子點發(fā)生了紅移，這表明了隨著時間的延長，量子點的粒徑也逐漸的增大。量子點的粒徑可以通過彭的公式計算[26]，通過計算可知反應(yīng)時間為80 min，120 min，150 min的CdTe QDs的粒徑分別為3.29 nm、3.85 nm和3.96 nm，這進一步證實了隨著反應(yīng)時間的加長，粒徑也隨之增大。熒光發(fā)射峰窄而對稱說明合成出的量子點的光學(xué)性能很好，滿足接下來的實驗要求。

圖1 不同反應(yīng)時間CdTe量子點的熒光發(fā)射光譜(a，激發(fā)波長為400 nm)和紫外可見吸收光譜(b)

3.2 不同價態(tài)砷對CdTe QDs的影響

本文中研究了不同毒性的四種價態(tài)砷(3，0，+3和+5)對GSH-CdTe QDs熒光強度的影響，如圖2所示。由圖可知，在相同濃度下As(V)，甲胂酸 (MMA)，二甲胂酸(DMA)，偶砷 (AsB)和砷膽堿 (AsC)對量子點的熒光性能沒有很明顯的影響，而加入As(III)后量子點的熒光強度幾乎淬滅。這表明了只有As(III)可以與量子點表面的GSH修飾層結(jié)合，破壞表面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表面缺陷增多，熒光發(fā)生淬滅。由于其它價態(tài)的砷對量子點的熒光性能沒有什么影響，所以在實際應(yīng)用中的應(yīng)用范圍更加廣闊。

圖2 10 μM不同形態(tài)砷對GSH-CdTe(10 μM)量子點熒光性能的影響

3.3 CdTe QDs檢測As(III)

谷胱甘肽是一種含有巰基的三肽，對于合成CdTe QDs來說是一種理想的修飾劑，這對維持量子點的穩(wěn)定有很大的作用。因此，金屬與GSH的相互作用對于熒光淬滅效應(yīng)是一個非常重要的參數(shù)。As(III)可以與GSH發(fā)生反應(yīng)：

As3++3GSH → As(SG)3+3H+

圖3 不同濃度As3+(a)對CdTe量子點熒光強度的影響；不同濃度As3+(b)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.4 CdTe QDs選擇性檢測As(III)

本課題研究了潛在干擾離子對CdTe QDs熒光性能的影響。潛在干擾離子，如Ca2+，Al3+，Ni2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Cr3+，Mg2+，Cu2+，F(xiàn)e3+，Zn2+，Cd2+，Na+，As3+。首先配置10 mM各種金屬離子的儲備溶液，然后用Tris-HCl(pH=7.4)緩沖溶液再配置10 μM各種金屬離子的溶液。如圖4所示，當(dāng)加入Na+，Ni2+，Mn2+，F(xiàn)e2+，Cd2+后量子點熒光強度幾乎不變。加入Ca2+，Al3+，Mg2+，Cr3+，Zn2+離子后量子點熒光強度只是稍微降低了一點。相對其它金屬離子Cu2+，F(xiàn)e3+對量子點的熒光強度稍微大一點，但是也是在可以控制的范圍內(nèi)。而加入同等濃度的As3+時，GSH-CdTe QDs的熒光強度幾乎淬滅。這表明了CdTe QDs作為熒光探針可以選擇性檢測實際廢水中的As3+。

圖4 CdTe 量子點的選擇性

4 結(jié)論

本章中，利用GSH能夠與As3+特異性結(jié)合這一性質(zhì)，合成出水溶性GSH-CdTe QDs作為熒光探針選擇性檢測As(III)。CdTe QDs表面的谷胱甘肽修飾層很容易被As(III)所取代，從而破壞量子點的表面結(jié)構(gòu)，增加不飽和懸空鍵，導(dǎo)致量子點表面缺陷增多，促進了非輻射再重合過程，最終使量子點發(fā)生熒光淬滅效應(yīng)。實驗表明，As(III)濃度在0.2到2.2 μM范圍內(nèi)與量子點的熒光強度呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，檢出限達到20 nM。在這個濃度范圍內(nèi)，隨著As(III)濃度不斷的增加，量子點的熒光強度也不斷的降低，當(dāng)增加到一定程度時，熒光幾乎淬滅。并且其它價態(tài)砷對量子點的熒光性能幾乎沒有影響，這說明了量子點的抗干擾能力強。選擇性實驗也證明了這種探針可以高選擇性的檢測As(III)，溶液中其它金屬離子對量子點的熒光性能幾乎沒有影響，當(dāng)加入As(III)時則發(fā)生明顯的淬滅。這些優(yōu)良的性質(zhì)拓寬了GSH-CdTe QDs的應(yīng)用領(lǐng)域，作為熒光探針也將有望被應(yīng)用到分析化學(xué)中，用于檢測實際廢水中As3+的含量。

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