CdS-Eu（Ⅲ）體系熒光恢復的磷酸根離子可視化測定

楊海冉，楊傳孝，孫向英

（華僑大學 材料科學與工程學院，福建 廈門361021）

磷酸根離子是水生微生物營養(yǎng)鏈的主要成分，其衍生物是生命遺傳物質(zhì)的重要組成部分，同時也是水體富營養(yǎng)化的重要來源.因此，發(fā)展一種簡單、可視化檢測水溶液中PO34-的方法具有重要的現(xiàn)實意義.目前，檢測PO34-的方法有分光光度法［1］、離子色譜法［2］、電化學法［3］、酶傳感［4］及數(shù)碼成像比色法［5］等.但是，在復雜環(huán)境體系中高靈敏度、高選擇性地檢測PO34-仍然是一個挑戰(zhàn).量子點（quantum dots，QDs）是一種新型的納米發(fā)光材料，具有激發(fā)范圍寬、發(fā)光效率高、發(fā)射峰位窄且峰位可調(diào)等特點，是一種理想的可視化熒光傳感材料［6］.在離子檢測方面，報道較多的是QDs直接用于金屬離子的測定［7］，而QDs直接用于陰離子測定的研究報道卻較少.目前，研究較多的是將QDs進行表面修飾，制備QDs雙熒光發(fā)射納米復合材料［8-9］；或在QDs及其復合物表面包覆具有介孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅［10-11］，然后建立比率熒光傳感的模式.雖然這些方法可有效提高其對金屬離子的選擇性，但制備過程繁瑣，有的熒光顏色變化不明顯.理想可視化熒光傳感策略是建立在QDs的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的基礎(chǔ)上，可充分發(fā)揮QDs的發(fā)光特性，提高被識別分析物的選擇性［12-13］.基于此，本文用聚丙烯酸為穩(wěn)定劑、硫脲為硫源合成表面富含羧基的CdS QDs，設計建立了基于CdS-Eu（Ⅲ）體系熒光恢復可視化測定PO34-的新方法.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F-4500型熒光分光光度計（日本日立公司）和UV-2102PC型紫外可見分光光度計（尤尼克上海儀器有限公司）分別用于QDs熒光強度和吸收光譜的測定；H-7650型透射電鏡 （日本日立公司）用于表征納米粒子的大小以及形態(tài)；FL-920型熒光分光光度計測定QDs的熒光壽命.

氯化鎘（CdCl2），西隴化工廠有限公司；硫脲（TU），天津市福晨化學試劑廠；磷酸鈉（Na3PO4）、聚丙烯酸（PAA）、氧化銪（Eu2O3），國藥集團化學試劑有限公司；使用二次蒸餾水，所用試劑均為分析純.

1.2 實驗方法

1.2.1 CdS QDs的合成 取1.0mL，0.01mol·L-1CdCl2于三頸瓶中，加入180mL二次蒸餾水，然后再加入5.0mL，0.6%PAA，0.3mL，0.01mol·L-1硫脲，用1.0mol·L-1NaOH 溶液調(diào)pH 值至11.5左右，于100℃下加熱回流4h.

1.2.2 CdS-Eu（Ⅲ）測PO3-4取1.0mL CdS QDs于10mL比色管中，加入0.5mL pH 值為8.01的Tris緩沖溶液，然后加入0.6mL，1.0×10-4mol·L-1Eu3+和適量PO3-4標準溶液或樣品溶液，用二次蒸餾水定容至5mL，1h后測定其熒光光譜及紫外-可見吸收光譜，紫外燈下用數(shù)碼相機成像.

2 結(jié)果與討論

2.1 CdS QDs的光譜特征

PAA穩(wěn)定CdS QDs的熒光光譜和吸收光譜，如圖1所示.由圖1（a）可知：在回流時間大于2h時，CdS QDs的熒光強度達到最大；當反應時間在2～4h內(nèi)，熒光強度基本一致，但其發(fā)射峰發(fā)生紅移，在紫外燈照射下發(fā)出黃色熒光.由圖1（b）可以看出：硫脲在235nm處的吸光度隨著反應時間的增加逐漸下降，而CdS QDs帶邊吸收卻逐漸增加.這充分說明：在堿性條件下，隨著加熱回流時間的延長，硫脲釋放出S2-的量逐漸增加，CdS QDs的量也隨之增加，因而熒光強度不斷增長.

圖1 CdS QDs的熒光和吸收光譜Fig.1 Fluorescence spectra and absorption spectra of CdS QDs

2.2 CdS-Eu（Ⅲ）體系測定磷酸根離子

圖2 Eu3+濃度對CdS QDs熒光光譜的影響Fig.2 Effect of the concentration of Eu3+on the fluorescence spectra of CdS QDs

圖3 PO3-4 與CdS-Eu（Ⅲ）作用的熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectra of the reaction between CdS-Eu（III）and PO3-4

2.2.2 pH值的影響 pH值越高，硫脲釋放出S2-的速度快，CdS納米粒子的形成也較快，如圖4所示.由圖4可知：當pH值小于10.53時，合成的CdS QDs的熒光強度較低，隨著pH值的增加，CdS QDs的熒光強度也逐漸增加；當pH值為11.5時，CdS QDs的熒光強度達到最大；若繼續(xù)增加pH值，CdS QDs的熒光強度反而減少.圖5為溶液pH值對CdS-Eu（Ⅲ）與作用的影響.由圖5可知：隨著pH值的增大，CdS-Eu（Ⅲ）的熒光強度有緩慢增加的趨勢（曲線1）；當加入后體系熒光強度也隨之增加；當溶液pH值為8.01時，熒光強度增量達到最大；pH繼續(xù)增加，體系熒光強度增加量卻逐漸降低（曲線2）.因此，選用pH值為8.01的Tris-HCl緩沖溶液來調(diào)節(jié)溶液pH值.

圖4 pH值對CdS QDs熒光強度的影響Fig.4 Effect of the pH value on the fluorescence intensity of CdS QDs

圖5 pH值對CdS-Eu（Ⅲ）與作用的影響 Fig.5 Effect of the pH value on the reaction between CdS-Eu（Ⅲ）and

2.2.3 PAA加入量的影響 PAA表面富含羧基對CdS QDs具有穩(wěn)定作用，如圖6所示.由圖6可知：PAA（0.6%）加入量越小，PAA對CdS QDs的穩(wěn)定作用越小，合成的CdS QDs的熒光強度較弱；隨著PAA量增加，CdS QDs的熒光強度達到最大時，所需回流時間延長，CdS QDs的熒光強度也隨之增加；當PAA加入量達到5～6mL時，CdS QDs的熒光強度達到最大且較為穩(wěn)定.由圖7線1可知：當PAA加入量小于6mL時，Eu3+對CdS QDs的熒光猝滅率（ηq）約為90.0%；當PAA加入量大于6mL時，PAA量越多，Eu3+對CdS QDs的熒光猝滅率也隨之減弱.PAA加入量對CdS-Eu（Ⅲ）體系的熒光恢復率（ηr）也有較大的影響.當PAA量大于6mL時，加入后CdS-Eu（Ⅲ）體系的熒光強度基本沒有恢復；當PAA量小于6mL時，加入后CdS-Eu3+體系的熒光強度有明顯恢復，且5mL PAA穩(wěn)定的CdS QDs其熒光強度恢復最好.因此，選用5mL PAA（0.6%）作為合成CdS QDs穩(wěn)定劑.

圖6 PAA加入量對CdS QDs熒光強度的影響Fig.6 Effect of the concentration of PAA on the fluorescence intensity of CdS QDs

圖7 PAA加入量對CdS-Eu（Ⅲ）與作用的影響 Fig.7 Effect of the concentration of PAA on the reaction between CdS-Eu（Ⅲ）and

2.2.4 TU加入量的影響 堿性條件下，TU分解產(chǎn)生的S2-作為合成CdS QDs的硫源.因此，TU加入量對CdS QDs的熒光強度有較大的影響，如圖8所示.由圖8可知：隨著回流時間增加，CdS QDs的熒光強度先增加后降低；TU（0.01mol·L-1）加入量越多，CdS QDs的熒光強度達到時所需的時間越短，但形成QDs的熒光強度越低；當TU加入量為0.3～0.4mL，回流時間為2～4h時，可以獲得發(fā)光強度高且相對穩(wěn)定的CdS QDs.考察對CdS-Eu（Ⅲ）體系熒光恢復的影響，如圖9所示.由圖9可知：當TU加入量為0.2～0.5mL時，CdS QDs與Eu（Ⅲ）作用后，其熒光強度隨著的增加均有顯著的恢復，且體系的熒光強度隨著濃度的增加呈線性增加；而TU的量太小或太高，CdS QDs熒光強度都較低（圖8）.因此，選用0.3mL TU（0.01mol·L-1）合成的CdS QDs用于的檢測.

圖8 TU加入量對CdS QDs熒光強度的影響Fig.8 Effect of the concentration of TU on the fluorescence intensity of CdS QDs

圖9 TU加入量對CdS-Eu（Ⅲ）與作用的影響 Fig.9 Effect of the concentration of TU on the reaction between CdS-Eu（Ⅲ）and

2.2.5 共存物質(zhì)的影響 考察了常見的金屬離子、陽離子和陰離子對CdS-Eu（Ⅲ）體系測定的影響.實驗結(jié)果表明：常見的金屬離子Na+，K+，Zn2+的最大允許濃度為1.0mmol·L-1；Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e3+，Pb2+的最大允許濃度為100μmol·L-1；Cd2+，Ni2+，Mn2+，F(xiàn)e2+，Ag+的最大允許濃度為20 μmol·L-1；Co2+，Cu2+的最大允許濃度為2μmol·L-1.雖然允許濃度相對較小，但實際樣品測定中可用巰基棉除去可能共存的重金屬離子［13］.常見的陰離子，，NO2-，，鹵素離子，三聚磷酸根，六偏磷酸根沒有干擾，最大允許濃度大于1.0mmol·L-1.說明CdS-Eu（Ⅲ）體系用于的測定具有較好的選擇性.

圖10 反應時間的影響Fig.10 Effect of the reaction time

2.3 標準曲線及樣品測定

為考察文中方法的可行性，通過標準加入法對白鷺池水樣（按GB 11893-1989《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》對水樣進行處理）中，濃度進行測定并與分光光度法比較，結(jié)果如表2所示.表1，2的反應條件為：1.0mL CdS QDs；12μmol·L-1Eu3+；pH值為8.01；Ex＝340nm；Em＝515nm.表2中：c1，c2分別為文中方法和分光光度法測得的的濃度；ca為標準溶液的加入量；cPO3-4水樣中磷酸根的測得值；η為回收率.由表2可知：測定結(jié)果與分光光度測定結(jié)果相近，說明本方法有很強的實用性.

表1 測定分析參數(shù)Tab.1 Analytical parameters for the determination of PO3-4

表1 測定分析參數(shù)Tab.1 Analytical parameters for the determination of PO3-4

·-1 t／h 線性回歸方程 線性范圍／μmolLk R 0 ΔF＝10.9+7.27c 1.03～35 7.27 0.978 7 1 ΔF＝7.5+9.56c 0.78～35 9.56 0.995 2 2 ΔF＝5.1+10.39c 0.72～35 10.39 0.994 7 3 ΔF＝-2.5+10.99c 0.68～35 10.99 0.993 1 4 ΔF＝-12.5+11.54c 0.64～35 11.54 0.996 6

表2 理想水樣品測定的結(jié)果Tab.2 Determination results for real water samples

2.4 機理探討

量子點的透射電鏡圖，如圖11所示.由圖11（a）可知：電鏡圖表明PAA穩(wěn)定的CdS QDs具有較好的分散特性，紫外燈照射下發(fā)黃色熒光.Eu3+加入后，CdS QDs發(fā)生明顯聚集（圖11（b）），黃色熒光猝滅；但是加入后，CdS QDs又重新得到分散、黃色熒光恢復（圖11（c））.這是由于PAA穩(wěn)定的CdS QDs表面富含羧基，Eu3+與QDs表面的羧基螯合，導致QDs聚集形成緊密堆集的QDs簇，從而增加了量子點之間能量轉(zhuǎn)移的效率，導致黃色熒光猝滅.又因為與Eu3+的結(jié)合能力遠大于羧基與Eu3+的結(jié)合能力.因此，加入后，QDs聚集體被瓦解其分散程度明顯增加，從而阻斷了QDs間的能量轉(zhuǎn)移、黃色熒光得到恢復.從熒光壽命測量可以進一步得到證實，如圖12所示.由圖12可知：當Eu3+加入后，CdS QDs的發(fā)射壽命由67.01ns減小到57.42ns，這是由于QDs聚集體作為能量接受體，提供了多個附加衰減通道所致［13］；當加入后，發(fā)射壽命從57.42ns恢復到64.66ns，證明隨著QDs分散程度的增加，原來QDs聚集體中作為能量受體的粒子所提供的附加衰減通道消失、熒光恢復.

圖11 量子點的透射電鏡圖Fig.11 TEM images of QDs

圖12 熒光衰減曲線圖Fig.12 Fluorescence decay curves

3 結(jié)束語

用PAA為穩(wěn)定劑、硫脲為硫源成功合成了水溶性、表面富含羧基的CdS QDs.實驗結(jié)果表明：Eu3+能與PAA穩(wěn)定的CdS QDs作用形成CdS QDs簇，并誘導CdS QDs簇之間的能量轉(zhuǎn)移，導致QDs熒光猝滅，而卻能把Eu3+從CdS QDs間的位置競爭下來，阻斷QDs之間的能量轉(zhuǎn)移，致使CdS-Eu（Ⅲ）體系熒光恢復.由此發(fā)展了一種簡單的熒光恢復可視化熒光測定的新方法.該法具有靈敏度高、選擇性好、可視化等特點，可用于環(huán)境水樣中的分析測定.

［1］ 俞林.水質(zhì)監(jiān)測分析方法標準實務手冊［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：1015-1019.

［2］ COLINA M，GARDINER P H E.Simultaneous determination of total nitrogen，phosphorus and sulphur by means of microwave digestion and ion chromatography［J］.J Chromatogr：A，1999，847（1／2）：285-290.

［3］ CHENG Wan-ling，SUE Jun-wei，CHEN Wei-chung，et al.Activated nickel platform for electrochemical sensing of phosphate［J］.Anal Chem，2010，82（3）：1157-1161.

［4］ RAHMAN M A，PARK D S，CHANG S C，et al.The biosensor based on the pyruvate oxidase modified conducting polymer for phosphate ions determinations［J］.Biosens Bioelectron，2006，21（7）：1116-1124.

［5］ 楊傳孝，孫向英，劉斌.數(shù)碼成像比色法測定水樣中的總磷［J］.分析化學，2007，6（6）：850-853.

［6］ CHIN P T K，BUCKLE T，de MIGUEL A A，et al.Dual-emissive quantum dots for multispectral intraoperative fluorescence imaging［J］.Biomaterials，2010，31（26）：6823-6832.

［7］ 楊傳孝，孫向英.三聚磷酸鈉穩(wěn)定硫化鎘量子點熒光猝滅法測定痕量鐵［J］.華僑大學學報：自然科學版，2011，32（5）：537-542.

［8］ SUN Xiang-ying，LIU Bin，XU Yi-bang.Dual-emission quantum dots nanocomposites bearing an internal standard and visual detection for Hg2+［J］.Analyst，2012，137（5）：1125-1129.

［9］ ZHANG Kui，ZHOU Hai-bo，MEI Qing-song，et al.Instant visual detection of trinitrotoluene particulates on various surfaces by ratiometric fluorescence of dual-emission quantum dots hybrid［J］.J Am Chem Soc，2011，133（22）：8424-8427.

［10］ SONG Ying-ying，CAO Xue-bo，GUO Yang，et al.Fabrication of mesoporous CdTe／ZnO＠SiO2core／shell nanostructures tunable dual emission and ultrasensitive fluorescence response to metal ions［J］.Chem Mater，2009，21（1）：68-77.

［11］ YANG Chun-xiao，LIU Bin，SUN Xiang-ying.Visual and trap emission spectrometric detections of Ag（I）ion with mesoporous ZnO／CdS＠SiO2core／shell nanocomposites［J］.Anal Chim Acta，2012，746：90-97.

［12］ ROGACH A L，KLAR T A，LUPTON J M，et al.Energy transfer with semiconductor nanocrystals［J］.J Mater Chem，2009，19（9）：1208-1221.

［13］ 曹春，劉玫瑰，曹明.基于自然尺寸分布的單一CdTe量子點樣品中Eu（Ⅲ）誘導的能量轉(zhuǎn)移測定磷酸根離子［J］.中國科學：化學，2010，40（4）：379-385.